微電網EMM基本控制策略和中央控制器設計

郝苓羽

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

微電網中新能源發電以分布式接入電力系統為主，由微電源、能量轉換裝置、負荷以及EMM等組成，在滿足各電源運行約束和負荷需求下通過獲取能量管理信息，充分考慮最優控制策略，可使微電網運行經濟性最優。

1 微電網基本控制策略

1.1 電壓控制

微電源的電壓模值和相角調整是微電網負荷及其功率因數控制形式。電力電子變換系統向EMM反饋饋線未全部接入微電網時監測的本地電壓值，及時發送信息完成電壓調整。

1.2 功率因數控制

微電源不同于傳統同步發電機，功率因數取決于負荷特點，不能通過內置功率因數控制電流的相角并盡量減少諧波失真，MC看作負荷函數只需要接收電壓設定點控制指令，不能完全集成功率因數控制功能。

1.3 原動機轉速控制

旋轉原動機可通過調節燃料投注量完成轉速調節，但降低轉速會直接導致原動機工作效率下降，因此一般保持燃料量在微電源最佳運行點運行。

1.4 頻率控制

MC的頻率控制特性可使微電源輸出任意電壓頻率。EMM監測一定時間內頻率持續下降且未恢復正常狀態時判斷為緊急狀況，通過快速甩負荷以平衡功率變化。

2 典型微電網EMM的并網運行和孤島運行策略

2.1 并網與孤島模式運行

并網運行時，EMM控制信號只包含微電網內的有功功率和本地電壓，在MC對電壓和功率因數的控制下，展現出運行與單位功率因數可控的負荷特性。如果微電網配電饋線輕載，且電壓升高，就會被主網控制器識別，EMM只對微電網重要母線進行電壓控制[1-3]。

孤島模式下，EMM主要功能是為MC提供有功功率和電壓設定點。頻率和無功潮流由MC根據P-f和Q-V下垂特性自動控制。對于相角和頻率控制，EMM與MC不會進行交互。

2.2 并網模式微電網故障情況及保護策略

以并網運行模式探討微電網5種故障的保護策略。PCM進行檢測并動作，考慮了微電源和PCC斷路器響應時間，具體如圖1所示。

圖1 微電網和斷路器響應配置圖

2.2.1 正常情況

微電網正常并網情況下通過閉合的斷路器與主網相連，微電網母線通過閉合的斷路器連接饋線，負荷由微電源和主網共同供電，此時EMM正常工作。

2.2.2 微電網饋線發生故障

在無源輻射狀配電網發生故障時潮流是單向的，即從電源到故障點。所以，饋線斷路器就能很容易地清除饋線故障，只考慮故障電流的大小不考慮其方向。微電網饋線包含發電機時，通過分組斷路器將饋線分區，包含方向過電流繼電器，用以檢測故障區并清除，可有效避免電能大量損耗。如果故障區中包含微電源，則本地MC會動作使其從故障區斷開，但該微電源會繼續對連接在其母線上的本地負荷供電。

2.2.3 主網發生故障

主網發生任何故障時，微電網直接從主網斷開。繼電器監測每相電流的大小和方向，如果電流在預設時間內超出限值，則發送一個跳閘信號。繼電保護的整定由PCM完成，確保隔離不會對重要負荷產生大的干擾。這也保證微電網從主網斷開前，微電源不會誤跳閘引起不必要的電能損耗，降低斷路器的使用壽命[4-7]。

2.2.4 微電網母線發生故障

如果故障發生在微電網母線，那么微電網會從主網斷開，同時饋線從微電網母線斷開。微電網發生任何故障時，PCM都會與主網的上游保護相協調。繼電器級別設置包括對微電源保護裝置的設置，這樣可以降低供電中斷和誤跳閘的可能性。

2.2.5 重新連接并保持同步

當主網中的正常功能恢復時，PCM會通過同步檢查，使微電網和主網重新連接并保持同步，這一過程的具體時間與饋線和負荷的特性有關。PCM控制策略就是通過檢測相電壓幅值、相角、頻率以及相序，通過自動和手動兩種方式使所有的微電源與主網同步。

3 微電網中中央控制器概述

微電網控制系統需要收集大量信息以保持運行穩定性，其不僅受微電源出力特性影響，還與天氣、負荷預測、監管因素以及其他類型信息數據息息相關。信息在優化采集和處理過程中應按照控制相對重要性分層分級做好排序。此外，也需考慮可行性、數據的采集方法、數據獲取和處理的成本以及獲得可選數據的可能性。有關中央控制器（Central Controller，CC）運行所需重點關注以下幾個部分。

3.1 能源成本

通過比較主網和微電源能源成本實現合理的能源優化策略。CC運行應獲取購電及燃料成本并通過可中斷費率、日前定價以及負荷需求緊急響應等合理措施提高微電網的經濟效益。

3.2 微電源性能

微電源出力特性需要不斷滿足負荷變化，關注不同運行級別時的運行指標。微電源出力在負荷急劇變化過程中會產生暫態電流沖擊微電網正常運行，設備損壞的額外維修費用也因此增加。因此不僅需要制造商說明規格，而且需應用現場監測和評估系統來完善已有的信息。

3.3 氣候預測

天氣狀況和季節變更在很大程度上會影響微電網內微電源設備的性能和需求。因此，微電網控制系統應從天氣預報、歷史氣候條件以及當地氣象站采集數據，其中長期氣候狀況可從統計數據中獲知，短期數據從當地氣象站或區域氣候服務站采集。

3.4 負荷預測

EMM必須根據負荷類型、運行方式以及要求控制微電源出力，掌握本地負荷歷史數據。不同于電力負荷，熱負荷無需時刻嚴格遵守能量平衡，即使能量供應中斷，也能依靠熱滯后效應維持溫度的漸變過程，其靈活性通過使用額外熱儲備可進一步提高。EMM使用合適的熱負荷模型和熱約束條件來確定靈活度和允許調節范圍[8-10]。

3.5 其 他

微電網CC在設計與運行時，應按照優先級設置參數，確保負荷依據其自身特性完成分類，保證微電網可靠運行。微電網負荷可分為不間斷負荷、可調節負荷以及可中斷負荷3類。EMM通過負荷調節可以緩解微電源過載，實現供需平衡。

4 微電網中央控制器設計的控制策略

CC的設計和運行需要通過微電網運行效率和實施成本抉擇控制策略，一般常采用實時優化、專家系統控制以及分散遞階控制以滿足微電網管理需求。

4.1 實時優化

實時優化是最適合CC的控制策略，廣泛應用于各個研究領域。通過智能算法或搜索技術計算其滿足優化問題的約束條件并求取最優解，在評價目標函數時只需要在小范圍系統結構內部搜索，不需要搜索所有的狀態，大大提高了求解效率。

EMM應采集微電網變量的信息如表1所示。首先，優化策略下的EMM必須針對所有歷史和當前變量，結合隨機采集信息性預測微電網未來的運行狀態，向其提供決策。

4.2 專家系統控制

實時優化使CC承受的計算負擔較大，且要花費大量的時間才能獲得解，這和系統本身的復雜性和非線性特性有關，成本很高。應用模糊邏輯等人工智能技術（Artificial Intelligence，AI）來設計CC。AI系統模擬人類的推理行為，其控制算法是使用一系列“If/Then”語句進行編程。專家控制器對一個包含若干控制選項的有限集進行搜索，然后根據規則庫作出相應的決策。

相比于傳統的專家系統控制器，模糊控制器允許其規則庫具有更大的復雜度，基于模糊控制的EMM模擬功能如下。一是評估微電網的狀態，二是確定當前狀態會進入哪個預定義類別，三是遵循和執行與該類別相關聯的調度規則。EMM執行前對各個狀態分類并指定規則，應用自適應控制策略重新定義規則以適應系統的管理需求。

4.3 分散遞階控制

分散遞階控制策略可用于匯集微電網的過剩能量出售給大電網或匯集微電源的能量出售給微電網中的用戶。控制中決策遵循一個層次結構。單個代理商匯集各類需求信息，然后權衡其他代理商的報價，根據預設規則作出調度決策。

5 結 論

以上分析通過研究新能源發電接入微電網技術，對微電網討論EMM中基本微電源控制功能、EMM的并網運行和孤島運行策略以及微電網饋線發生故障的保護策略，分析微電網中中央控制器運行所需的重要數據，對中央控制器設計的控制策略分別從實時優化、專家系統以及分散控制進行討論，有效提升微電網控制的效率和效果，提升運行穩定性。