微电网控制研究综述

范柱烽，解东光，赵川，仲崇飞，崔仕伟

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012;2.中国水利电力物资有限公司，北京 100040)

1 引言

随着国民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。但是随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求[1－4]。

分布式发电作为集中式发电的有效补充，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等诸多优点，可有效解决大型集中电网的许多潜在问题，同时也可改善环境污染，缓解能源危机。但是分布式电源并网后容易引起电压波动和电压闪变，尤其是当大容量分布式电源并入中低压配电网时，要实现配电网的功率平衡，保证供电可靠性和电能质量较为困难[5－8]。

为了协调大电网与分布式电源的矛盾，学者又提出了微电网的概念。

微网是分布式发电的一种重要应用形式。国际上尚无关于微网的统一定义，可理解为:微网是一个包含分布式电源、可控负载和储能单元的向为本地区提供能源的系统。微电网通过静态开关单点接入大电网，可以降低大量小功率分布式电源接入后对系统的冲击，提高分布式发电的稳定性、经济性和电能质量。微网运行状态可以分为并网模式、孤岛模式和过渡暂态状态。在并网模式下微网运行由电网控制，在电网不能提供满足用户需求的电能时，静态开关断开，微网进入孤岛运行，其运行由微网控制器自动控制。

2 逆变器控制方法

为了更简单的控制分布式电源接口逆变器，使不同类型分布式电源形成微网，一种常见的方法是模拟传统发电机的控制系统，设计控制器使分布式电源的接口逆变器按照下垂特性曲线运行。目前常用的运行控制方法主要有PQ控制、V/F控制、下垂控制[9－11]。

2.1 恒功率控制

恒功率控制也称PQ控制。简单来说就是分布式电源的输出功率维持其参考功率恒定的功率输出。采用PQ控制的分布式电源需要有维持电压和频率稳定的单元为为其提供频率和电压支持。在联网时由大电网来维持系统电压和频率，在孤网时则由主控单元来维持。实际上PQ控制器功能的实现在于通过电压空间矢量SVPWM控制技术调节逆变器端的输出电压从而调节线路电流，达到调节功率的目的。其控制框图如图1所示。

图1 PQ控制结构框图

将有功功率和无功功率根据进行解耦，得到输出功率达到参考值时所需要的电感电流参考值。与实际测得的电感电流相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环PI控制器作为逆变桥调制电压信号。采用误差信号作为PI控制器的输入可使稳态误差为0，系统中输出电压前馈量u的引入，以及电感解耦电压WLI的引入，减轻了PI控制器的负担，加快了系统的响应速度，提高了逆变器带非线性负载的能力。逆变桥调制电压信号在电压空间矢量 SVPWM控制技术的调节下，输出额定正弦电压，这个电压即为输出功率达到参考值所需逆变器输出电压。同时利用锁相环技术，使PQ控制的DG获得频率的支撑。

2.2 恒压恒频控制

恒压恒频控制也称V/F控制。V/F控制的目标是维持电压以及频率的恒定。采用该控制方法的主分布式电源相当于无穷大母线，微网内负荷变化的需求都由它满足。因此采用此种控制方法的电源必须是大容量的储能装置或着是配备储能装置的分布式电源。

V/F控制框图如图2所示。

图2 V/F控制结构框图

V/F控制通过设定参考电压和参考频率，并与测量的实际电压，频率相比较得到的误差信号经过PI控制器作为逆变器电压输出信号。采用误差信号作为PI控制的输入保证稳态误差为零。

2.3 下垂控制

下垂特性曲线如图3所示。下垂控制是根据逆变电源输出的有功功率和频率呈线性关系，无功功率和电压幅值成线性关系的原理进行控制。下垂控制实际上是控制逆变器模拟一次调频的过程。通过下垂控制计算出逆变器调制电压与频率。

图3 下垂特性曲线

3 微电网的控制策略

分布式电源的类型及并网控制的目的不同，其并网逆变器也需要采取不同的控制策略，这种控制策略的不同主要体现在对逆变器的控制方法上。目前常用的运行控制策略分为基于多代理技术的控制、主从控制、下垂控制等。

3.1 基于多代理技术的控制

该方法是将基于PQ恒功率控制策略的多代理技术应用于微电网的综合控制中，通过微电网控制中心(Microgrid Control Center)实现微电网的经济调度和市场化运行。代理的自治性、响应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够其嵌入各种控制切无需管理者经常参与的系统。以典型的AEN(Autonomous Electricity Networks)的三级控制结构为例，一级保证微电网可靠运行，从而满足供需平衡;二级优化电能质量并减少电压‘频率波动;三级经济优化，即边际成本等值优化。但是目前多代理技术在微电网的应用多集中于对微电网中频率，电压等进行控制的层面。要使多代理技术在微电网的控制发挥更大的作用，还需大量的研究工作。

文献[12]提出一种2层的多代理控制系统能够实现微源和负荷的协调控制并维持母线电压的稳定。

文献[13]提出了一种基于多代理系统 (Multiple Agent System，MAS)的含多微网电力系统调度模式，将微网视为整体需求响应的形式参与电网调度。

文献[14]建立了一个由全系统控制协调代理、微网控制代理、分布式电源代理以及母线代理组成的多代理系统，在保证配电网辐射状运行、满足配电网电压与电流及馈线容量等约束条件的情况下进行供电恢复。

3.2 主从控制

主从控制，即对各微电源采取不同的控制方法，将PQ控制和V/f控制结合起来，从而使各DG具有不同的职能。当微网在联网模式运行时，大电网可以稳定系统的频率，微网不需要进行频率调节;而孤岛模式运行时，主从控制系统中的主控制单元需要维持系统的频率和电压。在联网运行时微网中所有分布式电源采用PQ控制，即微网不参与系统频率调节，只输出指定的有功和无功功率;在孤岛运行时主单元采用 V/f控制维持系统的电压和频率恒定。

文献[15－17]通过对不同微网模型的孤岛运行模式和联网运行模式之间切换、孤岛模式下切/增负荷以及微网内某一电源功率变化3种情况下的运行特性进行分析，获得了微网中相应分布式电源的功率、电压、电流及系统频率的变化规律，证明了主从控制策略的正确性和有效性。

3.3 对等控制

对等控制顾名思义每个分布式有相同的地位，没有主辅之分。而且对等控制在能量平衡的条件下，微网接入或断开电源时不需要更改微网中其他单元的设置。让微网具有“即插即用”的功能。采用对等控制策略，不同分布式电源间没有通信联系。提高了微网的可靠性以及降低系统成本。一般在应用时，将下垂特性与V/F控制结合起来使用。利用下垂特性的V/f控制，来实现低压微网孤岛下不同微源间变化功率的共享，同时为系统提供电压和频率支撑。鉴于以上这些优势，下垂控制方法显示了良好的发展前途。

传统的下垂控制一般采用电压幅值频率下垂法[18]进行控制。

文献[19]提出采用相角作为测量参数，电压—相角下垂控制较电压—频率下垂控制可以提供更好的频率支撑。

文献[20]针对在低压配电系统中，线路电阻大于电感，下垂特性功率不能有效传递。提出虚拟阻抗的概念，并设计控制器参数使等效逆变器输出阻抗为感性阻抗。

文献[21]提出对传统下垂控制进行改进，实现了并网运行时基于下垂控制的间接恒功率控制方式。避免微网运行模式变化时控制策略的切换，实现微网模式转换的平滑过渡。

文献[22]提出将分布式电源逆变器等效输出阻抗设计成容性以体现对系统无功电压调整过程相逆的电源特性，使得分布式电源逆变器更容易参与公共连接点处的电压调整。

文献[23]提出在传统下垂控制法中额外加入瞬态下垂环节，以弥补传统下垂控制动态性能不佳的缺陷。

文献[24]提出在传统的下垂方程加入微分环节补偿功率计算带来的控制滞后。

4 总结

本文系统总结了微电网控制中的恒功率、恒压恒频、下垂三种控制方法以及多代理控制、主从控制、对等控制三种控制策略。在微电网技术不断得到人们重视的今天，微电网控制研究无疑具有重要的现实意义。提高电能质量以及系统可靠性和稳定性，加强谐波治理。但也存在许多问题，如何实现配电网优化运行，实现分布式电源无缝接入，如何做到在并网与孤网两种模式下的平滑切换，在按容量比进行分配负荷的情况下并联逆变器的环流问题等。针对并联逆变器的环流问题，下阶段工作将主要研究通过合理设置虚拟阻抗在减少环流方面的作用。

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