智能微電網控制技術研究

曹瑩　高云峰

摘 要：微電網系統由多個小型分布式發電系統組成，可以解決其與大型電網連接后對大型電網的影響。微型電網在運行時，不僅可以與大型電網同時運行，而且在電網系統受損或需要維修和保養時，并且能在斷開大電網之后繼續獨立運行，體現了系統的可靠性、穩定和靈活性。

關鍵詞：分布式發電;電力電子變換電路;微電網;控制技術

隨著經濟的迅猛發展，化石能源的緊缺問題和環境保護問題引起大家的關注。傳統的大電網模式在運行中暴露出很多問題：如供電系統的穩定性不高、可靠性不強等。因此，人們也越來越多的重視和關注利用可再生清潔能源發電的分布式發電。分布式發電的優點是：環境污染少、工作可靠性高、安裝便捷、能源利用率高，但大量的分布式電源接入對大電網帶來沖擊性，對電網的電能質量造成影響，同時還給電網的調度帶來不利。分布式電源對大電網來說，就是一個不可控電源。為協調大電網與分布式發電之間的矛盾，微電網應運而生。

微電網是把分布式發電單元、控制裝置、儲能裝置、用戶負荷進行有機的組合，使之形成一個單一的、微小的、可控的電力網絡。微電網不僅解決了分布式能源接入的問題，還充分利用了分布式能源的節能、環保、高效、靈活的優點，并且能夠為用戶提供不同的供應需求和供電質量。因此，微電網成為大電網的重要補充，也是智能電網的一個重要組成部分。

1 微電網系統結構

微電網控制系統包括配電網、變壓器、公共母線、微網并網開關、分布式發電單元，電力電子變換電路、儲能裝置及一般負荷，如圖1所示。一般分布式發電單元由太陽能光伏發電系統、風力發電系統、燃料電池等組成，電力電子變換電路由DC——DC、DC——AC電路構成，儲能裝置一般為蓄電池，一般負荷為實驗負荷和本地負荷。當公共母線上的靜態轉換開關閉合時，微電網處于并網狀態，這時，微電網將多余的電能送至配電網的各處，或當微電網電能不足的時候，由配電網進行補充，使得微電網和配電網進行能量的交換，實現了能量的最大化利用。當配電網出現故障需要維護或者電能質量不符合要求時，將靜態轉換開關斷開，微電網處于獨立運行的狀態，由微電網自行向本地一般負荷供電，保證負荷持續穩定的運行。當微電網電能不足，所有負荷無法同時運行時，一般要切除二級負荷來保證一級負荷的穩定運行。

2 電力電子變換電路設計

這里的分布式發電單元由光伏發電系統構成，光伏發電系統輸出的電力電子變換電路包含DC——DC、DC——AC電路，如圖2所示。由于光伏發電系統輸出的是不穩定、比較低的直流電壓，必須首先經過DC-DC穩壓后，再經過DC-AC，實現逆變，輸出穩定的交流電送到母線上。為了最大限度利用資源，采用帶有MPPT跟蹤的功率控制方式，保證光伏發電系統輸出最大功率。

前級為DC——DC變換電路，作用使得光伏發電系統輸出的電壓更穩定，范圍更廣，提高對外界的適應能力，并具有MPPT控制功能。DC——DC直流電路采用Boost型直流變換器。

MPPT具體控制方法：根據光伏系統輸出的電壓u和電流i，計算出功率P，送到MPPT模塊，計算出光伏陣列的輸出功率，通過MPPT算法找到光伏陣列的最大工作點，調節功率變換元器件使得光伏陣列的輸出功率保持在最大值。

后級DC-AC電路的作用是把前級DC-DC變換后輸出穩定的直流電進行逆變，轉換為與電網電壓同頻同相位的交流電，向本地的一般負荷供電，同時接入配電網，逆變電路還能保證公共母線電壓恒定。濾波電路采用LC濾波器，滿足并網諧波要求。

3 微電網的控制策略研究

當微電網通過逆變器連接到大電網時，通過控制系統來控制和調節逆變器，而且微電網的運行能力也是由控制系統決定的。孤島和并網兩種狀態是微電網主要的運行狀態，在兩種不同的微電網運行狀態下，采用不同的控制方法對逆變器進行控制。目前，微電網逆變器的控制方式有三種：并網時功率控制（P/Q）為常用的方式、孤島運行時則采用比較穩定的恒壓恒頻控制（U/f）和下垂控制（Droop）。

3.1 PQ功率控制策略

微電網在并網運行時，一般用P/Q來進行控制的，通過給定的有功功率和無功功率的信號來進行自動調節，直到目標值達到，同時大電網的頻率和電壓也將被跟蹤。系統原理圖如圖3所示，圖中的微電源為直流電源，Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容;Ri和Li分別為線路電阻和電感;逆變器的輸出電壓、輸出電流分別是Uik，Ilk，大電網的電壓為Ugk。

功率控制方法如圖4所示：有功功率在電網中的控制是需要調整頻率的下垂曲線，使得光伏發電系統有功功率輸出值保持在參考值上下;而無功功率的控制是需要調整電壓的下垂曲線，使得光伏發電系統無功功率輸出保持在參考值上下。微電網工作在B點，即正常運行時，此時系統的頻率、電壓為額定值，系統電源的輸出功率與負荷消耗的功率基本平衡。若系統受外界影響，頻率升高，相應的幅值也升高，系統的工作點就會由B點向A點移動，雖然頻率增加了，但輸出的有功功率和無功功率保持不變;如果系統頻率降低，幅值也降低，系統的工作點就會由B點向C點移動，頻率減小，但輸出的有功功率和無功功率也始終保持恒定狀態。

3.2 U/f控制策略

當微電網處于孤島運行狀態時，一般采用U/f（電壓/頻率）控制策略，可以輸出一個穩定的電壓和頻率，并且能夠讓系統的輸出功率滿足負載變化的需求。圖5為控制原理結構框圖。系統的電壓和頻率進行反饋調節之后，得到的值和實際的測量值進行比差，再經過PI調節，最后使得實際的電壓和頻率跟隨給定值變化，最終實現恒頻、恒壓的控制。

控制方法如圖6所示：正常運行時，微電網系統的工作點在A點，電壓、頻率為額定數值，對應的輸出功率是有功功率P2）和無功功率是Q2，當負載減小時，工作中心點是由A點向C點移動，輸出的有功功率和無功功率都變小，但系統中的電壓、頻率還是額定值，保持不變;當負載增加時，操作點從A點向B點移動，輸出的有功功率和無功功率都變大，而系統電壓和頻率依然保持不變。因此，恒壓和恒頻（U/f）控制可以提供穩定的系統和恒定的電壓和頻率。

3.3 下垂控制

通過下垂控制，得到了各個逆變器輸出的電壓和頻率值，各自反相微調，使得系統的有功功率和無功功率得到合理分配。原理框圖如圖7所示，整個系統為三環結構，包括電壓電流雙環和一個功率環。具體控制方法如下：當逆變器輸出的有功功率偏大時，調節頻率下垂特性，使得輸出頻率減小，進而使得有功功率減小;當逆變器輸出的有功功率偏小時，調節頻率下垂特性，使得輸出頻率增大，進而使得有功功率增加;當逆變器輸出的無功功率偏大時，調節幅值下垂特性，使得輸出幅值減小，進而使得無有功功率減小;當逆變器輸出的無功功率偏小時，調節幅值下垂特性，使得輸出幅值增大，進而使得無功功率增加。

在實際系統中，微電源可以由光伏陣列、風力發電系統、燃氣發電機、燃料電池等構成，由于這些微電源的差異性比較大，因而在控制方式上必須采取不同的控制方法，才能保證系統的穩定運行。一般來說，對于燃氣發電機和燃料電池這些發電方式，可以采用下垂控制，對于光伏陣列，一般采用PQ控制。當微電網工作在兩種模式之間的切換狀態時，如何實現兩種模式的無縫切換、維持系統穩定是控制的關鍵。

4 結論

微電網的出現解決了分布式發電的接入問題，他在提高電系統可靠性、降低能耗和靈活性等方面又具有非常大的潛力。微電網既可以孤島運行，又可以并網運行，在惡劣天氣下，還能保證對用戶供電。微電網在滿足多種電能質量要求和提高供電可靠性等方面有諸多優點，使它完全可以作為現有電網的一個有益、必要的補償。

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課題項目：2019江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目（課題編號：201910958002Y）的研究成果

作者簡介：曹瑩（1972-），女，江蘇南通人，工學碩士學位，副教授，研究方向：新能源應用技術和職業教育教學研究;高云峰，男，學生。