基于電儲能的微電網控制關鍵技術研究及應用

奚力強 何 斌 朱佳琪 趙鈞儒

1.申能股份有限公司

2.上海申能新動力儲能研發有限公司

0 引言

為解決化石能源日漸枯竭和氣候變化威脅人類可持續發展兩大關鍵問題，世界各國紛紛在探索新的能源生產和消費模式，尋求多元化的能源供應策略，一場以推動可再生能源和新能源發展為核心的新能源革命已席卷而來[1]。微網通過“源網荷儲”規范化配置構成自治的小微型供用電系統，能實現分散、多類型的分布式能源，尤其是新能源就地消納和即插即用提高了利用率，同時可作為一個整體獨立的運行，避免了配電網直接調度大規模分布式新能源帶來的技術和管理困難，成為配電網與分布式能源之間的聯系紐帶。因此，作為未來電力系統關鍵技術之一的微網、能源互聯網的“有機細胞”，受到廣泛關注。

微網的控制是一項多目標的復雜系統工程，需要考慮不同技術領域，在不同時間階段及不同物理層面的各種問題。微網的控制系統旨在為各種運行模式（如與大電網相連接的模式、孤島模式，以及介于兩者之間的過渡階段）的微網提供控制、管理和優化服務。對于微網的協調控制有兩類主要的架構，集中式和分散式。集中式依賴于中央控制器進行數據采集、計算并確定各控制單元的控制行為，對系統的檢測、控制精度、運算速度和通訊的可靠性有很高的要求。分散式則完全依賴本地信號，不利于各控制單元之間的協調控制和系統優化。JOSEP M. GUERRERO 等人為解決這一矛盾提出了微網分層控制的架構[2]，并受到廣泛關注。此架構逐漸成為微網控制的標準架構[2]。本文對分層控制的熱點問題進行了歸納整理，介紹分層控制應用在微網的實踐成果，并對分層控制未來研究方向展望。

1 分層控制關鍵技術

分層控制根據時間和空間尺度分解為三個層次。不同的控制目標根據時間尺度被分配于不同的層次，具體分配見圖1。

圖1 分層控制框圖

一次控制主要指分布式電源通過本地信息以維持系統電壓頻率穩定運行，確保通信出現故障時，系統仍能履行基本的功率控制職能。二次控制針對一次控制的不足，補償電壓和頻率的靜態偏差，滿足功率精確分配。三次控制作為模式監管設定并在離網模式下的控制方式，實現對外部調度指令的響應并支持經濟性運行。

1.1 一次控制策略

一次控制對電源和負荷的變動有毫秒級的快速響應，有助于提高網絡可靠性。典型一次控制策略采用如圖2 所示的雙環控制：外環控制器主要用于控制有功、無功功率或者調節電壓幅值、頻率，體現不同的控制目的，同時產生內環參考信號，一般動態響應較慢。內環控制器主要進行精細的電流調節，用于提高逆變器輸出的電能質量，一般動態響應較快[6]。

圖2 變流器一次控制策略

1.1.1 內環控制

內環控制的研究基于三種坐標系dq 旋轉坐標系、αβ靜止坐標系、abc 自然坐標系。相對而言αβ 靜止坐標系和自然坐標系更適用于三相非平衡系統。基本的控制算法有比例積分（PI）控制、比例諧振（PR）控制、重復控制、非線性控制（滑模控制、滯環控制、無差拍控制）等。

1.1.2 外環控制

常見的外環控制方法主要有恒功率控制（PQ控制）、恒壓恒頻控制（VF 控制）、下垂控制（Droop控制）、虛擬同步機(VSG控制)。

在微網并網時，外環控制的主要目標是調節電流/功率輸出，一般采用PQ控制的方式，其電流或功率參考值來自預先設定或上層控制。關于恒功率控制的研究主要集中在網絡不對稱條件下的恒功率研究[3]。

在微網孤島運行時，外環控制的主要目標是調節電壓幅值/頻率輸出。其電壓幅值和頻率參考值根據自身控制特性或來自上層控制。外環控制方法主要有VF控制、下垂控制、VSG控制等。目前的研究主要集中在后兩者。

1）下垂控制

下垂控制是基于傳統發電機一次調頻特性提出。在中高壓電網中一般認為系統中的電感值遠大于電阻值，有功-頻率、無功-電壓呈線性關系，有Pf/QV下垂控制式：

其中，ω*、V*分別為變流器角頻率和電壓參考值，ω，V 為變流器輸出角頻率和電壓，P*、Q*為變流器輸出有功、無功參考值，P、Q 分別為變流器輸出的有功和無功功率，kP、kQ為下垂系數。

微電網的線路阻抗模型尤其是低壓網絡可能呈現阻感性，甚至阻性。如果采用傳統基于感性的下垂控制，會引入有功和無功功率的耦合，使系統不能穩定運行。除此之外，不同容量逆變器之間的功率分配受不同線路阻抗的影響，線路上會產生不同的電壓降，導致無功功率很難實現均分，很小的電壓降差異會引起很大的無功誤差，造成變流器過流[15]。

解耦技術被用來解決上述問題，包括虛擬阻抗技術和線性變換技術。

虛擬阻抗技術通過引入感性虛擬感性阻抗或虛擬負電阻，改變線路阻感比，修正逆變器的等效輸出阻抗為感性，實現功率解耦和均分，抑制系統環流。由虛擬阻抗重塑過的阻抗特性可能會受到電壓、電流和線路阻抗動態變化的影響。因此，可以實時整定的自適應虛擬阻抗是虛擬阻抗技術發展的一個趨勢[4]。此外，隨著越來越多單相負載和非線性負載被接入微網系統，僅采用傳統下垂控制已無法實現功率的負載合理分配。復合式的虛擬阻抗[5]等概念也逐漸被學者們提出并應用。

線性變換技術[6]是針對微電網線路阻抗比的不同而引起的功率耦合問題通過坐標旋轉正交變換矩陣，實現功率解耦控制，使傳統高壓電網的下垂策略應用到低壓微網中。

對于低壓純阻性的網絡，PV/Qf 下垂控制策略被提出，以保證系統功率變化時微源與負荷之間的功率平衡,并為系統提供電壓和頻率支撐。

2）虛擬同步發電機(VSG)

為了模擬同步發電機的阻尼和慣性環節，虛擬同步發電機技術應運而生并被應用于變流器控制。虛擬同步機的控制同樣需解決輸出阻抗和線路阻抗差異引起的功率分配問題和系統穩定問題。文獻[7]分析了VSG 功率精確分配的條件，提出了一種基于電壓補償的改進無功控制方法，同時，為平抑負荷響應波動，重新設計了基于準諧振控制器的底層雙環控制結構。文獻[8]采用脈沖響應分析法對線路進行阻抗辨識，通過精確計算線路壓降，解決VSG 控制的電壓補償問題，實現了各并聯逆變器線路阻抗不匹配下的無功均分。文獻[9]引入慣性中心的概念，抑制系統中功率波動減少振蕩。

1.2 二次控制策略

二次控制動態響應速度慢于一次控制。分層控制應用到微網之初，相關文獻中普遍采用微電網中心控制器（Micro Grid Center Controller,MGCC）進行集中式二次調節。由MGCC 采集全網的運行信息，經優化計算后向底層控制發送指令。此方法調節準確度高，但數據通信量大，難以實現快速、靈活的響應且存在中心節點，系統可靠性、可擴展性差。

因此，專家們提出了分布式的分層控制結構。在各種分布式系統結構中，應用最為廣泛的是多代理 系 統(multi-Agent systems，MAS)[10]。分 布 式MAS能夠將復雜系統劃分為彼此通訊協調、易于管理的單元，有效滿足分布式控制的需求。

1.2.1 電壓頻率無差調節和功率精確分配

頻率和電壓的穩定以及精確合理的有功和無功分配是微網重要的性能指標。常規的二次控制很難同時滿足電壓調節和功率均分的要求。在增加系統可靠性、魯棒性的同時實現多并聯變流器之間精準的有、無功的合理分配成為二次控制一個主要的研究方向。文獻[11]將模型預測控制應用于頻率和電壓的二次調節，將DG的狀態空間模型作為精確的預測模型，獲得電壓和頻率的控制變量，作為二次調節量補償到電壓和頻率中，實現無功功率的精確分配，減小電壓偏差，并將頻率始終維持在額定值。文獻[12]基于分布式內模設計方法設計了微電網二次協調電壓和頻率控制策略，使微電網頻率和電壓恢復參考值，同時保證各分布式電源按照設計的下垂特性分配有功功率。

1.2.2 電能質量改善

關于改善電能質量的研究有很多是針對變流器一次控制，可有效地減小逆變器端口的電壓不平衡，但是均未考慮對系統不平衡電壓進行補償?，F在逐漸有學者嘗試通過改進二次控制的方式提高系統電能質量。微網電能質量研究一般包括兩個方面：一是解決微網大量單相負荷接入引起的不平衡問題；二是諧波抑制問題。

關于不平衡問題。有學者提出基于微網系統二次調整的PCC 的不平衡電壓補償方法，根據PCC的電壓不平衡度計算出補償系數，下發給逆變器進行負序電壓控制，實現對PCC不平衡電壓的補償，但忽略了逆變器端口電壓的不平衡問題。文獻[14]在此研究的基礎上，給出一種兼顧逆變器端口和PCC電壓不平衡度的補償方法，參與不平衡電壓補償控制的各臺逆變器優先補償本機的端口電壓，在本機端口電壓不平衡度達到供電標準要求，并且有剩余補償能力的情況下，再根據本機端口電壓的不平衡度和微網中央控制器（MGCC）下發的PCC電壓不平衡度，綜合計算出新的負序電壓參考值，控制逆變器端口負序電壓，實現同時對逆變器端口和PCC電壓進行補償。

關于諧波抑制問題。文獻[15]針對單相多并聯變流器微網提出了二次控制進行諧波補償、無功分配和電壓頻率恢復。文獻[16]提出了一種基于一致性算法動態調節虛擬阻抗的分布式諧波功率均分控制方法。該方法通過應用多智能體理論設計了一致性算法來自適應調整諧波虛擬阻抗，從而消除線路阻抗不匹配帶來的影響，實現了分布式發電單元按容量精確分配負荷諧波，極大地降低了公共連接點的電壓諧波含量。

1.3 三次控制

三次控制主要涉及經濟上的優化運行、計劃調度和微網與主網間的潮流控制，并預設各運行模式下的控制方式。本文以協調控制為主，優化調度研究。三次控制的核心問題是降低微電網運行模式切換沖擊和實現平滑過渡。因儲能裝置控制靈活、便捷，基于儲能技術實現微網并/離網運行模式無縫切換成為研究熱點。并、離網無縫切換包括并網轉孤島切換和孤島轉并網切換。微網一次系統圖見圖3。

圖3 微網一次系統圖

1.3.1 并網轉孤島切換

微網主電源必須滿足網內負荷電能需求，并提供電壓支撐。計劃性的并網轉孤島，將聯絡線交換功率逐步調整為零，微網內部有合理的電壓頻率支撐控制策略，然后斷開PCC 開關，較易實現。目前研究的焦點在于當電網發生故障的非計劃情況下，微網如何平滑地從并網轉向孤島模式，實現不間斷供電。文獻[17]提出一種適用于儲能并網逆變器的廣義控制算法，利用被控制對象逆模型、二自由度控制原理，將儲能系統部分傳函“單位化”，消除微網不同運行模式下控制層的結構差異，實現儲能輸出電流所含有害擾動量的動態全補償。文獻[18]提出一種基于控制器狀態跟隨的并行切換方法，即PQ 控制的電流源模式和VSG控制的電壓源模式的相位和電流指令都實時跟蹤，為PQ/VSG 控制模式間的無縫切換奠定基礎。

1.3.2 孤島轉并網切換

當微網從孤島連接到主網工作時，必須將電壓和頻率進行調整，即預同步處理。多機預同步并網是該領域的技術難點。文獻[19]針對分散式結構，提出利用VSG進行無通信的預同步控制方法，并通過引入電流限幅環節解決環流問題。文獻[20]提出了基于電壓頻率恢復控制的微電網預同步控制方法。由MGCC 獲取系統內的電壓和頻率信息，計算出電壓頻率和幅值的反饋量，反饋量與參考值之差通過二次調頻控制算法計算后得到總調節功率，再按照各分布式電源逆變器的分配系數分配給各分布式電源，參與調頻的分布式電源按照MGCC下發的功率調節量調節下垂曲線。文獻[21]提出一種基于虛擬功率和電壓頻率二次控制的預同步單元，實現帶載離/并網切換。

2 研究應用及效果

結合目前微網技術發展的現狀，筆者進行了微網項目的工程實踐，建設適用于微電網各項技術研究的綜合性實驗平臺，協調源、網、荷、儲各環節，保障系統穩定。

2.1 系統構架

微網采用交流微網形式，應用于用戶側，電壓等級為400 V，包含電化學儲能、光伏發電和工業負荷。電化學儲能分1C/2C 磷酸鐵鋰電池和退役動力電池。后續將考慮擴展風電、柴發、充電樁、可調節負荷等。

2.2 控制策略

系統控制采用兩層分層控制架構。

1）一次控制主要為分布式發電系統接口變流器的控制。

2）將二次和三次的控制融合，統一于基于DCS的微網處理器，主要完成下述任務：提供友好的用戶接口、經濟性運行調度（發電、儲能、用戶優化調度）、接受上級電網調度、運行狀態監控、運行模式切換、電能質量監測與管理（諧波、電壓跌落、不平衡）、母線頻率和電壓的二次調整。

需改進的控制策略：

（1）儲能裝置改進的下垂控制策略

下垂控制模式多以逆變器出口電壓為控制目標，由于線路電壓跌落的原因，直接影響了微網母線電壓的穩定性，導致電能質量降低。從變流器出口到公共連接點PCC功率計算式為：

其中，P，Q 分別為變流器輸出的有功和無功功率，R 和X 分別為變流器和PCC 之間的線路電阻和電抗，V 和U 分別為變流器輸出電壓幅值和公共連接點電壓幅值，δ 為變流器輸出電壓和公共連接點電壓相角差。

對于式(3)，在感性環境下，可簡化如下：

因此設想，利用IQ-U代替作為母線電壓下垂策略

則變流器出口電壓下垂控制變為

有功下垂仍采用常規下垂控制，當然還可以引入虛擬阻抗等上文介紹的方式以增加在低壓環境的適應性。

（2）二次調壓調頻策略

在二次調壓調頻方面，微網中央控制器根據公共母線電壓和公共母線角頻率計算有功功率和無功電流的調節量所采用的公式為：

其中，Uref、ωMref表示電壓頻率的參考值，ΔPM表示有功功率的調節量，ΔIQ表示無功電流的調節量，kω1、kω2、ku1、ku2表示PI調節系數。

則變流器的下垂控制變為

（3）預同步策略

頻率、電壓幅值調節考慮，將式（8）和式（9）變換為

其中，ωG表示大電網的角頻率，UG表示大電網的電壓。相位調節采用q 軸電壓比較的方式，預同步框圖見圖4。

圖4 預同步框圖

（4）對退役電池進行梯次利用

退役電池采用不拆包直接利用的方式。針對退役電池的不一致性問題，采用基于多機并聯技術的組串式PCS 技術。直流側針對每個電池包進行獨立接入，并獨立控制電壓和功率，以實現對電池包的精細化管理，以壽命管理最優的方式進行控制。交流側并聯并接受PCS 控制單元（CU）統一控制，并接入DCS，以滿足微網的需求，實現對微網的整體響應。組串式PCS 控制架構見圖5。

圖5 組串式PCS控制架構

（5）通信方式的優化

微網系統涉及的控制設備較多，應用的通信規約也多樣化。很多控制對象，其通信規約已固化，后續開發的工作量較大。優化方案著重考慮各設備原通信規約不改變的情況下，對各通信規約進行梳理和分級。對保護和控制的及時性要求高、通信速率要求快的就地設備優先考慮使用CAN、61850-GOOSE 和PROFINET 等通信方式。DCS作為上層控制器，用于處理微網可控設備之間和對外的協調控制，還需滿足微網信息數據采集和人機交互，涉及通信量大、時效性并不高，用MODBUS和60870-103 等通信規約。若涉及到個別控制設備需要DCS 直接控制，而DCS 與其的通信規約不一致時，需要考慮采購規約轉換器來滿足DCS控制的要求。

2.3 主要功能

微網系統優化運行是微網系統的研究核心。孤島優化運行主要考慮穩定性及持續運行能力；并網優化運行更側重于提升微網系統經濟指標。該系統主要功能見圖6。

圖6 微網系統主要功能

2.4 功能驗證實例

1）并離網切換實例

申能系統的微網儲能項目通過普通的400 V框架斷路器實現微網計劃和非計劃并/離網的功能，非使用大功率晶閘管實現與公網的快速分斷，對今后普遍運用于微網場景提供了很好的經驗積累。

在未通知整個儲能系統的情況下，直接分斷其微網的進線開關，結果整段微網在擾動很小的情況下，順利地完成了非計劃并、離網切換。整個切換過程中，電壓最低僅跌到額定電壓的79%，電流過渡平穩。切換過程僅用時40 ms，包含系統穩定的總計時間僅為100 ms。切換波形見圖7。

圖7 非計劃并離網切換波形

2）低電壓穿越實例

申能系統的微網還具有良好的低電壓穿越能力，在電網發生故障，電壓降低到一定值的情況下，不脫離電網而繼續維持運行。具體情況如下：

2019年3月1日，220 kV某線路單相接地，電壓驟降，電網保護動作并切除故障，200 ms 后電壓恢復穩定。期間微網母線電壓也隨之驟降，但由于儲能系統的支撐，成功維持了微網負荷。12:45:42.456，系統故障，母線電壓下降至60% Un。+20 ms，PCS“電網動態支持”功能啟動，設定值為70%In。+60 ms，PCS實測無功功率達98.5 kVar。電壓抬升89% Un。微網下的所有負荷未受影響，而公網上的變頻負荷跳閘。

3 結語

隨著微電網作為智能電網的一個重要組成部分，將在未來電網中發揮重要的作用。基于分層構架的控制策略已成為微電網協調控制的主流方式。本文介紹的微電網的分層控制將微網整體的控制分解為不同時間維度和空間維度的問題分別加以研究，以實現微網精確的功率分配、電壓頻率恢復、電能質量改善、運行狀態無縫切換等。

微電網技術的發展，微電網的結構將趨于復雜，為微電網協調控制帶來新的挑戰。（1）交直流混合型微電網的形式將更為多見，一方面需要同時保證交流子微網和直流子微網單獨運行的要求；另一方面需要確定交直流互聯變流器的控制策略，使功率在交直流子微網間合理地雙向流動，實現交直流混合微網系統的協調運行。（2）單個微電網的容量約束使多個微電網可能共存于區域配電網中。各子網間的并網/解列運行、電壓頻率調節、潮流控制、電能質量提高等問題需要解決，以實現配電系統和微網群的可控連接。（3）從長期看，微電網必然會向多種能源有機整合、集成互補的能源體系方向發展，微電網將承載信息和能源雙重功能。其中將涉及到多種形式能量的動態平衡、轉化、能源路由器控制，能源交易以及需求側響應等多個環節的協調和實時響應，需要電力電子技術、信息交互技術和自動控制技術的進一步發展作為支撐。