微网体系结构及相关问题研究*

王根平

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

1 微网系统的分层系统结及构协调机制

随着对太阳能发电、风力发电等绿色能源的大规模开发利用，传统的集中发电、集中送电和集中配电的大电网运行模式已受到越来越大的挑战．为应对这些挑战，专家学者们提出了微网系统这一概念，所谓微网就是由某一区域的分布式发电电源、各种用电负荷组成的可控的电力系统，这种系统对用户而言，表现为一个可定制的电源，对大电网而言表现为单一的受控单元．综合微网的研究成果[1-5]，微网应具备如下特性：

1）整个微网的运营应符合市场原则，这样，微网的发展才有生命力；

2）微网是由分布式用电负荷和分布式发电电源（DG）以及储能设备共同组成的供配电系统；

3）微网通过公共接点（PCC）与大配电网连接，二者互为备用；也可以与大电网断开，进行孤岛运行；

4）微网中的DG可以在孤岛运行和并网运行两者之间平滑切换（孤岛检查，瞬时同步化），从而充分利用微网中的电源；

5）微网运行方式灵活，微网中的DG设备具有即插即用特性；在并网运行及孤岛运行模式下对各种异常情况具有保护措施；

6）电力电子器件在微网的电能变换及电路断开接通控制中起着非常重要的作用．

综合上述微网的组成及工作特性，并考虑在微网系统设计及实际应用操作的方便，本文将微网总的体系设计成分层的3层体系结构：经营调度层，控制检测层和电源负荷层，如图1所示.

图1中，箭头方向表示信息传递方向．显然，图1所示的分层微网系统中，信息的传递只有在相邻两层之间发生．为确保整个体系信号联系的规范及各层运行的相对独立性，层与层之间确立以下协调机制：

1）层与层之间的信息交互，只允许相邻层之间直接进行，而不允许不相邻的层直接进行通信交互；

2）如果确实有不相邻层之间信息交互的需要（即第一层经营调度层和第三层的电源负荷层之间存在信息交互的需要，也需要间接地通过相邻层的传递，即通过检测控制层来传递）；

3）在同一层的各个单元模块之间，不允许相互之间进行信息交互，如果确实存在不相邻的同层模块之间的信息交互需要，也需要通过它们的上一层进行间接传递和协调．

这样一个协调机制的确立是非常重要的，因为只有这样，才能保证微网系统的通信简洁有效，保证微网系统中的各层，以及各层中的各个模块能相对独立地工作，系统运行才能简单高效，也可以大大降低系统的网络建设成本及通信运行维护成本，同时也能有效提升系统可靠稳定性．

图1 微网分层体系结构示意图

2 各层的关键问题研究

2.1 经营调度层

对于微网系统而言，各发电块单元的运行时是有成本的，而且随着发电功率的不同，成本也存在变化．对于微网中的用电负荷而言，各负荷也存在优先级问题，有些负荷必须保证不间断供电，有些负荷可以允许临时断电等．所以，微网作为一个系统，需要考虑系统的成本因素，也需要考虑系统运行中存在的各种限制因素．

微网系统中的经营调度层的关键问题就是，如何实现整个系统的最优化调度运行．可以将微网系统作为一个优化控制系统整体，以运行成本最低化作为优化目标，以各种强行限制作为约束条件，使微网的运作能充分满足经济效益及社会效益的平衡．

为此，我们可以在经营调度层定义类似如下的目标函数（1）：

式（1）中，FS为太阳能光伏电池以发电功率P为变量，以运行维护费为应变量的函数；Fw为风力发电机组以发电功率P为变量，以运行维护费为应变量的函数；Fg为燃气轮机以发电功率P为变量，以运行维护费为应变量的函数；Ft为火电机组以发电功率P为变量，以启动与运行费用为应变量的函数；Ff为燃料电池以发电功率P为变量，以运行费为应变量的函数；Fb为蓄电池以发电功率P为变量，以运行费为应变量的函数；FEn为以外大电网输入电功率P为变量，以输入的电费为应变量的函数；T为调度周期，一般为24 h．

约束条件：

1）功率平衡约束：

式（2）中PD为微网系统对网内发电单元的总发电率负荷需求;Ns，Nw，Ng，Nt，Nf，Nb分别为太阳能电池发电个数、风力发电机发电

个数、燃汽机发电个数、发电机组个数、燃料电池个数以及蓄电池个数．

2）各发电机功率上下限约束：

3）负荷有先级约束：

4）其他约束．

经营调度层将各发电单元的发电功率，功率约束等下达到下层检测控制层的检测控制模块；通过检测控制模块控制各发电单元，按照经营调度层给定的目标运行．同时，经营调度层也将负荷优先级等参数下达到负荷控制模块，使负荷控制模块按优先级有效管理用电负荷．

2.2 检测控制层

控制检测层的关键问题有4个：1）如何实现微网按经营调度层给出的优化控制目标；2）如何保证微网的电能质量及负荷满足要求；3）如何实现微网和外网的无扰动切换；4）在各种故障发生时，如何实现对网络的保护．具体说来，检测控制层，包含3个模块：检测控制模块、网内负荷调度控制模块和外网控制及网络保护模块．

2.2.1 检测控制模块

检测控制问题是微网在实际运行中需要解决的主要关键问题．微网在实际运行中，会遇到多种系统干扰和冲击．这些干扰和冲击，如果处理不当，微网内的供电质量会受到严重影响而变差，微网中的用电负荷也将受到影响，设备安全也会受到威胁[6,7]．检测控制模块的功能就是抑制这些干扰和冲击，保证微网内电质量的稳定，并有效维护微网中用电设备的安全．

在微网系统中，可能存在着多种特性各异的DG．这些DG有的受环境影响较大，如光伏发电，风力发电；也有的分布式发电可以实现稳定的控制，如：微型燃气轮机和燃料电池等．考虑微网中DG的特性及各种用电负荷的实际情况，目前,微网一般都采用V/f控制和P-Q控制相结合的控制策略[8,9]．即，微网中那些发电易于控制，受环境因素影响小的DG一般采用V/f控制，这样可以通过控制这些DG来稳定微网内的发电质量，保证微网内电的频率和电压的稳定；而那些收环境影响较大的DG，一般采用P-Q控制．

微网中对DG采用的这种V/f控制P-Q控制相结合的方式，既可以实现微网的电质量的稳定控制，又可以充分提高新型清洁电源（如光伏发电和风力发电等）的发电效率．很多专家把这种V/f控制P-Q控制相结合的方式称为主从控制，即V/f控制为主，P-Q控制为从．

就目前对微网系统的研究结果来看[10-12]，检测控制模块对微网中的DG组采用主从的控制结构和控制策略是比较适宜的选择．另外，检测控制模块还需要解决电源组状态的检测和目标值的设定和调整问题．

2.2.2 网内负荷调度控制模块

根据负荷的需求，网内负荷调度控制模块，依据来自经营调度层的优化决策及负荷优先级排序信息，对网内负荷进行控制管理．当网内电源组出现问题，不足于网内负荷的需求时，则按负荷的优先级，依次关断级别比较低的用电负荷，并向经营调度层申请调用外网的电力支援．

2.2.3 外网控制及网络保护模块

外网控制及网络保护模块[13-15]，要解决2个主要的问题：一是根据需要，实现微网与外电网的联网或切断，确保微网联网状态或孤岛状态的正常运行；二是在网络出现短路等异常情况下，能紧急处理，保证关键负荷或设备不受损害．

1）微网并网模式到孤岛模式的切换．微网从并网模式到孤岛模式的切换存在2种模式，一种是主动模式；另一种是被动模式．所谓主动模式，就是微网主动给主控制模式的DG发出指令，主动调节微网中的负荷，减小微网与外网的潮流交换，并在PCC过电流零点的时候断开与外网的连接．所谓被动模式，就是微网那个的检测控制模块检测到了系统有异常，存在孤岛效应或电网故障情况，微网被迫发出断网请求，主动控制模式的DG电压给定值由外部给定转换为内部给定．断网成功后，主动控制模式的DG工作在V/f模式，维持微网供电的电压和频率稳定．

为减小微网从并网到孤岛模式切换造成的冲击，主动控制模式的DG在工作中一般都要跟踪记录电网电压的幅值和相位值，并把所记录的幅值和相位值作为主动控制模式的DG内部电压参考信号的初始值．这样可保证当微网从并网向孤岛模式切换时，微网中DG输出电参数延续电网原来运行的参数．

2）微网独立的孤岛模式向并网模式的切换．微网从孤岛模式切换到并网模式时，需要保证并网前微网内的电压幅值，电压的相位值和电压的频率值与外网的电压幅值，电压的相位值和电压的频率值分别一致．

当微网通过对主动控制模式的DG的V/f控制实现了微网内的电参数和外网的电参数一致时，即可闭合PCC，完成微网从独立的孤岛模式到并网模式的切换．

2.3 电源负荷层

在电源负荷层，要配合检测控制层实现主从控制模式，即部分DG需要采用V/f控制，部分DG需要采用P-Q控制．采用V/f控制的DG组成和控制系统结构组成如图2，3所示； 采用P-Q控制的DG组成和控制系统结构组成如图4，5所示．

微网系统正处于理论研究和实际应用探索的重要阶段，微网系统体系结构的构建是其中非常重要的一个课题．可以预见，随着研究和实践的深入，一个能适应各种新型能源接入，能有效承担起多样特性负荷运营，可兼顾经济效益和社会效益原则的微网体系能够逐步建立完善起来．

图2 V/f控制的分布式电源组成示意图

图3 V/f功率控制器结构示意图

图4 P-Q控制分布式电源示意图

图5 P-Q控制结构示意图

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