微網群技術綜述

吳 鳴，熊 雄，季 宇，丁保迪，張 穎

（中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

微電網技術的成熟發展，是使負荷就地平衡、改善供電可靠性、提高可再生能源利用率的有效手段[1]。隨著分布式間歇性電源在配電網中滲透率的提高，單個微電網的容量約束使得多個微電網可能共存于區域配電網中[2]。通過網絡通信、智能量測、數據處理、智能決策等先進技術手段，多個微電網通過區域自治消納和廣域對等互聯，可最大程度適應分布式可再生能源接入的動態特性，而分散協同的管理調度可實現系統供需動態平衡，提高能源利用效率。

微電網技術作為微網群技術的核心基礎，已在微電網結構、運行控制、能量管理、安全機制和經濟運營以及仿真分析等方面獲得很多研究并取得一系列成果[3-7]，國內外針對微電網已成功建立起一定數量的示范基地。而對于微網群的研究，目前國內外還處于起步階段，歐盟在微網群項目進行中，定義微網群應為地理上毗鄰的微電網、分布式電源、負荷的的綜合體，該綜合體可作為一個可調度單元通過一個公共連接點與外電網連接[8]。美國則是將微網群的概念結合到智能電網的概念，提出了多微網控制系統（MMCS），使用基于多代理技術的MMCS控制策略及通信方式，可實現分布式電源的即插即用，增加了控制的靈活性[9]。國內則在863項目“微網群高效可靠運行關鍵技術及示范”的開展下，陸續展開了一系列研究，文獻[10]對微網群研究中的組網形式及協調控制策略的研究現狀做了詳盡的闡述，列舉了交流總線構架、交直流總線構架及虛擬微網群總線構架，并比較了微網群分級控制、主從控制、多代理控制及對等控制策略。文獻[11]為解決大規模微電網的互動機制，提升微網運行控制的柔性和經濟性，提出了一種微網群互聯和互動的新方案，該方案中指出未來大規模微網群將不僅是電力上的互聯，更重要的趨勢是能源上的互聯。文獻[12]基于通信對微網群分層控制策略進行了研究，文獻中將微網群控制分為了三層，分別為配電管理系統DMS（distribution management system）、中央自治能量 管 理CAMC（central autonomous management controller）、微電網控制中心MGCC（microgrid central controller），其中DMS實現配電網與微網群間的信息交互及運行協調，CAMC主要實現多個低壓微網間的功率互濟及協調控制，MGCC主要實現網內各DG間的協調控制。文獻[13]對863項目“微網群高效可靠運行關鍵技術”的概況及取得的關鍵性成果進行了介紹，包括微網群能量調度技術、微網群分散與協調控制技術，并對微網群在偏遠地區，尤其是島嶼、群島的運行前景進行了積極的展望。因此從上述研究可以看出未來發展微網群技術的必然趨勢，隨著我國分布式間歇性電源在配電網中不斷發展并超出微電網以及多微網消納能力或控制邊界時，運用微網群技術對配電網中大規模高密度間歇性電源實行微電網統一調度和集群控制將是一種全新的能源效率優化形態，與智能電網的運行目標相符，將成為未來智能電網的重要組成部分。

圖1 微網群關鍵技術Fig.1 Key technologies of multi-microgrids

本文在分布式發電技術、多微電網技術的研究基礎上，針對圖1所示微網群拓撲結構及功能特征、數學描述、集群優化調度、運行控制結構及對外控制方式、多組態運行模式及對內控制策略等關鍵技術或關鍵問題進行了全面的闡述與研究現狀分析，并對未來研究方向進行了展望。

1 微網群典型特征及拓撲結構

目前對于微網群的定義尚未產生一個權威或官方的定義，文獻[14-15]提出了關于集群微電網的定義，如圖2所示：由一些獨立自治運行的本地網絡——cluster松散耦合組成的可擴展的配電網絡為集群微電網，其相對于傳統網絡的特點包括：①電能主要為就地平衡；②運行過程中儲能占據主要地位；③cluster間通過主流互聯；④具備長時間離網獨立運行的能力。

國內863課題“微網群高效可靠運行關鍵技術及示范”指出微網群是由地理位置接近的多個微電網在中低壓配電網形成的具備特定功能和運行目標的群落，群落中微電網既可以獨立并網或是孤島運行，也可以接受和執行群級調度和協調控制的指令以完成共同的運行控制目標，因此各微電網之間是相互獨立的，各網內分布式電源及負荷僅可由本網的控制器來協調控制，其示意圖由圖3所示，圖中黑色和藍色分別為能量網絡與信息網絡。在信息流中各微網通過光纖網絡與微網群協調控制系統及能量管理系統相連，實現各微網與控制中心的雙向通信，微網之間并沒有通信往來。

未來廣域微網群應該包含5種組網形式，分別為：①交流微網群；②直流微網群；③交流微電網和直流微電網的混合微網群；④交流微電網與分布式電源及負荷組成的混合微電網；⑤直流微電網與分布式電源及負荷組成的混合微電網。

圖2 微網群電壓頻率控制示意圖Fig.2 Voltage and frequency control diagram of multi-microgrid

圖3 微網群示意圖Fig.3 Multi-microgrid diagram

圖4 微網群分層結構示意圖Fig.4 Multi-microgrids hierarchical structure diagram

在上述研究的基礎上，微網群中各微電網相互間的耦合機理以及內在關聯是定義群概念的重要前提。借助群論[16]領域中的相關理論，可以根據各微網的不同運行狀態將其從數學角度描述為同構或是同態關系，各微網間存在一種態射，這里的態射不必是某類具體的函數，只表示兩者之間的某種關系，各網內儲能當前核電狀態、潛在調節能力、風險備用容量等均可當做描述這種關系的關鍵信息，而從控制的角度來看，各微網間的主從或是對等作用機理便可看做是一種態射。各微網在不同的態射下，將產生不同的“化學反應”，最終使微網群呈現出多樣化的運行效應。反過來，當微網群運行在特定模式或是目標下時，群內各微網間的這種態射是唯一的。當各微網間的態射為空集或者不存在時，各微電網將獨立運行，此時將不產生群級效應。

2 微網群能量管理與優化調度

微網群能量調度建立在各微電網風光發電及負荷預測[17-23]基礎上，完成各微網間能量互濟計劃的制定，維持微網群功率及能量動態平衡的同時，實現可再生能源利用率最大化，達到經濟運行的目的，以及在微網群孤島運行時維持功率平衡，保證穩定運行。隨著智能電網的發展，一些學者將微網群中央自治能量管理控制（central autonomous management controller,CAMC）看成是配電網能量管理系統（distribution management system,DMS）的一部分，由上到下級形成了DMS、CAMC、MGCC（microgrid central controller）的三層調度[24-25]，如圖4所示。

也有文獻省去了CAMC，直接由DSO（distribution system operator,DSO）和MGCC組成兩層能量管理，由DSO協調各微網間的能量互濟以達到配電網的可靠性和經濟性，而各微網內可以是集中管理結構和分散管理結構[26]。文獻基于Multi-Agent提出了微網群分層結構的能量管理系統，從上到下一次包括微網群Agent、微電網Agent、分布式電源及負荷Agent。文獻[27]基于微電網內間歇性電源和負荷的隨機性和概率性分析，通過微電網向微網群內其它微電網或是外電網售購電，建立了微電網的經濟優化模型，并采用粒子群算法對優化模型進行求解。文獻[28]提出一種基于遺傳算法/二次規劃的多層次調度算法的多目標優化模型，用以評估多微網系統運行的潛在經濟效益、技術和環境效益。文獻[29]提出了一種多微網與配電網的聯合調度模式，分別考慮系統網損、負荷波動和微電網運行經濟性，以平抑可再生能源波動性，降低配電網網損、減小負荷方差水平。上述優化調度研究均采用了中央管理系統或是依賴于通信，文獻[30]研究了通信延時與缺失分別對孤島運行微網群控制上的量化影響，研究表明通信缺失比延時會造成大的影響，此外影響的程度還與能量管理的結構相關。為了避免中央管理器或是依賴通信造成的系統不穩定因素，文獻[31]提出了一種分散結構的微網群協調優化調度方案，該方案基于半觀測的馬爾科夫過程（partially-observable Markov decision process,POMDP）建立了優化模型，POMDP的優點在于各代理僅依靠本地觀測到的信息進行決策，不需要中央管理器以及上層通信，大大減小了系統的復雜性，提高了穩定性，最后運用了拉格朗日-對偶理論對POMDP優化模型進行了求解。

與微電網優化調度相比，群級調度的核心在各微網通過網PCC點進行能量互濟，而微電網優化調度主要集中在內部各發用電單元，以運行成本最小或是發電能力最大為目標，建立非線性的混合整數規劃優化模型，采用某一類智能優化算法進行全局尋優[32-36]。而與大電網的優化調度相比，一方面微網群內包含高滲透率的間歇性電源，與大電網中能量連續可控型電源不同，其不必為一次能源調度作準備的日前整點輸出功率計劃，也不存在啟停計劃；另一方面，微網群內包含微電網單元吸收或輸出的能量雙向調度，微電網中又包含儲能充電或放電的能量雙向調度，因此兩者在數學模型、控制變量、求解算法上均存在一定差異。

隨著未來智能電網的發展與微網群技術不斷完善成熟，微網群能量管理系統將是智能配電網能量管理系統的重要組成部分，考慮多方案下微網群與配電網的廣域協同調度將是微網群能量調度的重要發展方向。此外，微網群各微電網之間通過能量互濟，一定程度減少了各微電網內部配置的儲能容量，甚至個別網內無需配置儲能便可通過集群管理穩定運行。

3 微網群協調控制技術

由能量管理系統制定的微網群共同運行目標最終需要通過控制系統來實現，因此與群能量管理系統相對應，需要一個群控系統來執行群調指令。而各微電網之間可以為主從控制或是對等控制，若采用主從控制，則在群并網時主控單元運行在PQ模式下相當于一個電流源，在群離網運行時主控單元運行在v/f模式下相當于一個電壓源支撐群電壓及頻率。這里主控單元可以是一個微電網也可以是一個分布式單元如儲能，主從控制下各單元在離/并網運行時不需要切換控制方式，但是其對主控單元容量要求較高，主控單元失效將導致整個系統無法運行。如圖5所示為微網群內采用主從控制的示意圖。

基于主從控制，文獻[37]對微網群運行狀態進行了劃分，以微電網控制為底層控制，快速抑制電壓、頻率波動，而微網群控制實現二次調整，使微網群在孤島下穩定運行。文獻[38]通過對微網群及子微網離安全正常運行狀態邊界條件的計算，提出了一種基于穩定裕度的安全矯正控制方法，該方法使微網群穩定運行時保證一定穩定裕度而在擾動下實施安全矯正控制，從而保證微網群穩定運行。

上述主從控制中的主控單元與從單元為強通信關聯，且對主控單元的容量要求較大，而對等控制中各微電網或是分布式電源均采用本地變量進行控制，各控單元之間無需通信，可實現分布式電源或微電網的“即插即用”，因此對等控制可以提高系統可靠性，目前備受關注。文獻[39]介紹了兩個電力電子接口分布式電源如何通過對等-下垂控制分配公共負荷的變動。文獻[40]在介紹微電網中電壓及頻率的分層控制時，展望了多個微電網之間的對等控制與微電網的一次控制，即兩個逆變器間的對等-下垂控制原理類同，如圖6所示為微網群對等控制示意圖。

圖6中各DG和微電網按其下垂曲線或是等效特性曲線進行對等控制，其中關于微電網等效特性曲線，文獻[41]研究了由光伏-儲能聯合運行單元及若干下垂單元組成的微電網協調控制策略，控制策略基于光伏-儲能聯合運行單元特性曲線和若干下垂單元等值下垂曲線所組成的整個微電網等效特性曲線進行自主控制，無需通信甚至中央控制器。文獻[42]研究了由直流微電網和交流微電網組成的混合微網群協調控制策略，將交流微電網P-f控制與直流微電網的P-v控制經標準化計算得到同一度量尺度，通過兩者的等效實現直流微電網與交流微電網之間的無通信總線協調控制，即微網群分散-對等控制。相比較微網群主從控制，對等控制更適合分布式發電分散就地控制、“即插即用”的理念。文獻[43]將微電網看作是一個具備多分段特性曲線的單元，多個微網之間基于各自多分段特性曲線進行功率分散管理和自律協同控制，該方法為微網群的協調控制提供了一種全新思路，且一定程度實現的分散自律的控制思想。

圖5 微網群主從控制框圖Fig.5 Block diagram of master-slave control of multi-microgrid

圖6 微網群對等控制控制框圖Fig.6 Block diagram of peer-to-peer control of multi-microgrid

4 微網群多組態運行模式及對內控制策略

微網群中各微網既能運行在并網模式接受群控或非群控，又能運行在離網模式接受群控或非群控的特點，決定了微網群系統運行模式的多樣性。以如圖1所示包含M個子微網的微網群系統為例，可包含5種基本的運行狀態如圖7所示。

圖7中包含5中基本運行模式分別為群并網運行、群離網運行、全網獨運行、獨立并網運行、群停機，而柴油機模式可根據群內是否配置公共柴油機在群緊急情況下啟動帶少部分重要負荷而定。各運行模式詳細敘述如下。

（1）模式A：群并網運行模式

PCC-0、PCC-1、PCC-2、…、PCC-M狀態均為合，各微網以群的形式并網，群內微網接受群控，擁有共同的運行目標，此時群目標可以圍繞經濟運行來制定。

（2）模式B：群離網運行模式

PCC-0斷開，PCC-1、PCC-2、…、PCC-M狀態為合，各微網以群的形式從主網脫離，群內微電網接受群控并擁有共同運行目標，此時群目標可圍繞穩定運行來制定。

圖7 微網群系統運行模式切換圖Fig.7 Multi-microgrid system operate mode switch scheme

（3）模式C：網獨模式

在模式（2）的基礎上，一部分微電網切出群控模式，即相應PCC-M為分，切出群控的微電網單獨運行了孤島模式下由自身網控進行協調控制保證其穩定運行。

（4）模式D：獨立并網模式

PCC-0、PCC-1、PCC-2、…、PCC-M狀態均為合，但各微網不以群的形式并網。

（5）模式E：群停機模式

此模式下，群內各微電網均出現緊急情況，無法再以群的形式運行。

（6）模式F：黑啟動模式

啟動群內冷備用電源，僅由其對群內部分重要負荷供電。若群內沒配置此備用電源，則該模式不存在。

各運行模式下，群級、各網級、各儲能單元、柴油機、各風光單元運行及控制策略如表1、2所示，表中微網間以主從控制為例，若為對等控制則各微網在孤島時均表現出一致的外特性，各儲能均為下垂策略。表中k*MPPT（0≤k≤1），當k=1時為最大功率跟蹤控制，當0≤k＜1時為PQ控制。這里認為微網群內配置了柴油機。

微網群運行在模式A時，將圍繞經濟性或是按照大電網能夠接受的恒定功率因數或是恒定的無功輸出制定群級目標，此時各微電網等效為PQ節點 “輸出”或“吸收”指定功率，但各微網PCC點交換功率無法提前預測，需要依靠各儲能進行正負調節，各間歇性電源一方面可按照自身特性調節功率輸出，使其發揮最高工作效率，另一方面在儲能調節能力不足時適當減功率發電。因此，當前模式下，群控系統應至少知道各微網內儲能的正負功率調節能力，即以各儲能SOC值作為變量進行集群控制。

微網群運行在模式B時，微網群內需確定一個或多個主微網，等效為v/f節點，提供穩定的電壓、頻率支撐，各從微網等效為PQ節點按設定值輸出功率，若采用對等控制則不存在主、從微電網。當前模式下，群控系統應至少知道各微網儲能在周期T內潛在調節能力，以各儲能在周期T內的可放電量、可儲電量作為變量進行集群控制。模式C、D、E運行在網控的主導下，已有大量文獻對其內部控制策略進行了研究，這里不再闡述。

表1 模式A、B下運行策略及控制策略Table1 Operate and control strategy under mode A、B

表2 模式C、D、E、F下運行策略及控制策略Table2 Operate and control strategy under mode C、D、E、F

5 結 語

隨著微電網的成熟發展且在配電網中數量增加，對所有微電網進行統一調度與集群控制，能夠讓各微網在運行中存在共同的目標，各微網間的資源相互合理利用，且在系統特定工況下各微網又能解列以確保單個微電網穩定運行，能夠有效提高大密度高滲透率間歇性電源的消納性，并優化了配電網末端電壓分布、減小線路損耗、提高供電可靠性。因此從目前我國對電力能源經濟環保性的迫切需求及分布式新能源發電規模的快速發展趨勢和改善配電網各項指標來看，微網群在我國將有廣闊的發展空間，同時，它在能源效率優化等方面與智能電網運行目標一致，是智能電網重要組成部分。隨著電力市場的完善、需求側響應技術的發展，將使微網群直接參與配電網調度、提供多種輔助服務成為可能。本文在分布式發電及微電網各方面研究基礎上，從微網群拓撲結構及典型特征、微網群能量管理與優化調度、微網群協調控制技術、微網群多組態運行模式及對內控制策略等關鍵技術或關鍵問題進行了全面的闡述與研究現狀分析。

（1）在典型特征方面，各微電網可運行在共同目標下也可單獨運行，各微網間通過簡明的狀態變量進行通信交互或是僅依據本地變量信息進行自主控制，共同運行目標隨運行工況的變化而變化。

（2）在拓撲結構方面，各微電網共存于一定區域范圍內，可是串聯、并聯或是兩者的混合結構，組網形式中可以是交流微電網、直流微電網、交-直流微電網、DG-交流微電網、DG-直流微電網，可通過一個或多個群級PCC接入配電網。隨著能源互聯網的發展，未來微網群將不僅是電力上的互聯，更重要的是能源上的互聯。

（3）在能量調度方面，微網群的調度核心在于各微網間的能量互濟，隨著微網群和智能電網的發展，其能量管理系統將成為智能配電網能量管理系統的一部分。

（4）在協調控制方面，群內各微網可采用主從控制，也可采用形同多臺逆變器并聯下的對等控制，其中對等控制由于不需要上層通信甚至無需中央控制器，更適合分布式發電的理念，因此未來將是重點研究方向。

（5）在多組態運行模式方面，微網群根據離/并網、有無群控可分為多種運行模式，各模式間的轉換策略及平滑切換控制將是微網群健康運行的關鍵技術。