微电网能量管理和控制简述*

付　青，单英浩，朱昌亚，耿　炫

（1.中山大学物理科学与工程技术学院，广州 510006；2.江苏省光伏科学与工程协同创新中心，江苏 常州 213164；3.天宝电子（惠州）有限公司，广东 惠州 516005）

微电网能量管理和控制简述*

付青1，2†，单英浩1，朱昌亚3，耿炫1

（1.中山大学物理科学与工程技术学院，广州 510006；2.江苏省光伏科学与工程协同创新中心，江苏 常州 213164；3.天宝电子（惠州）有限公司，广东 惠州 516005）

首先介绍了微电网的概念和微电网的基本结构以及运行方式。其次，给出了微电网能量管理系统的定义，分析了其与传统大电网的不同，并提出了其3种控制结构。在分析比较3种控制结构的优缺点之后，介绍了微电网能量优化调度的模型和算法以及能量管理的频率和电压控制策略。最后，提出了今后微电网能量管理系统可能采用的方法和频率电压控制的研究方向。

微电网；分布式发电；能量管理系统；频率和电压控制

0　引　言

面对当今社会对新型可再生能源发展的需要、对电力供应的可靠性和对电能质量的要求日益增长的问题，分布式能源（Distributed energy resources，DER）的出现给问题的解决提供了一个很好的途径［1］。DER是指那些直接与中压和低压配电系统相连的电力发生源，其既包括发电单元（如：燃料电池、微型轮机、光伏组件等）也包括能量储存技术（如：蓄电池、飞轮、超导磁能存储等）。

微电网（Microgrid，MG）是指由DER、储能装置、负荷和控制、保护装置结合而成的单一可控单元，可向用户供给电能和热能。用户侧微电网只要满足大电网的公共连接点（Point of common coupling，PCC）入网标准，即可与大电网并网运行［2］。

1　微电网的基本结构和运行方式

微电网的结构可以有多种，图1所示为微电网的基本结构示意图，整体呈辐射状。系统包含A、B、C三条馈线及各种负荷。MG通过PCC与大电网之间可实现并网和孤岛两种运行方式的转换。馈线A和B分别通过静态开关联接有敏感负荷和可调节负荷。静态开关在此起到类似断路器接通和关断线路的作用。馈线C不经过静态开关，联接有可中断负荷。正常运行时，系统中的DER可为馈线A、B、C上的负荷供电。但如果馈线A和B从大电网得到的电能质量不满足供电要求时，其相应的静态开关将断开，馈线A和B形成或分别形成独立运行的系统，直到各自恢复正常。馈线C在系统并网时可以从大电网得到正常的供电，而在大电网发生故障或电能质量不满足供电要求时，MG可以离网独立运行，并保证自身的正常运行，此时馈线C从MG得到电能。由此可见，MG提高了供电的可靠性和安全性。

图1　微电网的基本结构示意图Fig.1　The basic topological structure of microgrid

微电网有两种基本的运行方式，即并网运行和孤岛（自主）运行。多数情况下，微电网与大电网并网运行，当微电网所发电能在满足自身使用情况下，可将多余的电能传送给大电网。而当微电网自身发电量不足且储能不足时，可从大电网吸收电能来保证重要负荷的正常工作。此外，当微电网与大电网双方中有一方系统发生故障或电能质量不满足要求时，微电网可及时与大电网隔离，自身工作于孤岛模式。当故障恢复正常时，微电网又可从孤岛平稳切换到并网模式。要想实现微电网自身正常运作以及两种运行方式的平稳过渡和转换，就要采用合理的能量管理和控制策略。

2　微电网能量管理系统结构

微电网能量管理系统（Microgrid energy management system，MG-EMS）是一个综合自动化系统，它以计算机为基础，实现微电网中DER发电源和储能装置的优化管理，让它们之间合理地分配功率输出、有效地为负荷供能，并且自动实现微电网整个系统与DER发电源、负荷之间在并网与孤岛运行两个状态间转换的实时同步。从而以一种经济有效的方式来提供可靠、灵活、环保的高质量电能［3］。

微电网与传统大电网在结构上有相似之处，但 它们的能量管理系统却存在差异。具体表现如下：

（1）由于微电网内部DER存在多种可再生能源，这些能源受自然条件的影响，发电具有间歇性，存在不可预测问题。因而微电网能量优化调度不能够像大电网那样通过日前安排和自动发电控制（Automatic generation control，AGC）来预先安排。

（2）大电网的电压控制通过无功电源的一次调压和自动电压控制（Automatic voltage control，AVC）系统来实现，频率控制通过同步发电机组的一次调频和AGC系统来实现。微电网中的一些DER所发电为直流电，并网的话需要通过逆变器转换成一定电压和频率的交流电。逆变器采用现代电力电子技术，具有响应速度快、灵敏性高、惯性小等特点，其电压和频率控制相对困难。

（3）由于微电网中DER位于电力用户现场或附近，DER发电源的运行与停止很大程度受用户的控制。国家政策的调整和实时并网电价的刺激都会使用户做出适当的响应。因而，微电网的管理控制与电力用户之间的互动显得比较重要。

（4）微电网的能量管理系统更具有针对性，由于DER的种类较多，各种发电源的运行特性不尽相同，所对应的控制方式也不同。要实现对其内部众多资源进行有效的管理来提高微电网的能源利用率，其难度高于大电网。

MG-EMS可以分为集中控制（Centralized control）、分布式控制（Distributed control）和分级控制（Hierarchical control）以及这几种控制方法的组合。

2.1集中控制

Banerji等［1］和Tsikalakis等［4］给出了集中控制的结构和原理。集中控制系统由微电网中心控制器（Microgrid central controller，MGCC）、DER局部控制器（Local microsource controllers，MCs）和负荷控制器（Load controllers，LCs）组成。MGCC安置在微电网与大电网的接口PCC处。它具有经济管理、稳定控制、统筹安排等重要功能，可以根据电力和天然气的市场价格以及从电网安全的角度来决定发电量。MGCC通过给MCs和LCs发送控制信号来优化微电网的运行和实现价值的最大化。MC布置在DER发电源处，主要控制由发电源产生的有功和无功功率。LC一般布置在可控负荷处，可控制负荷的脱落。

集中控制是目前世界上所建设的微电网项目中采用较多的一种控制方法［5］。从理论上讲，该方法可以使整个系统的运行最优化，有很好的可行性和经济性。但存在以下问题［6］：

（1）中心控制器的功能过于集中，如果DER接入的数目和种类增多时不方便拓展，方式不灵活。另外，如果中心控制器功能异常，将造成整个系统的混乱。

（2）大量可控制源的存在，如各种发电源和负荷，增加了建模和运算的负担。

（3）中心控制器要实时监测的部件太多，每一个部件的参数改变都要传输到中心控制器，中心控制器监测过于繁忙且需要较高带宽的通信系统。

2.2分布式控制

分布式控制是指微电网由一个或者几个局部控制器共同控制，局部控制器监测本地的DER并且通过通信网络与其它的局部控制器交换信息。与集中控制不同的是，局部控制器不用接受中心控制器的监测和控制，其自身就具有分析决策的功能。该控制方法使中心控制器的功能得到分散，减轻了运算负担和通信的压力。对等控制和分布式分层控制都是分布式控制典型的例子。

对等控制（peer-to-peer），是让每个DER发电源具有同等的地位，不分主从关系。这种控制方法让DER具有“即插即用”（plug-and-play）的功能。基于电力电子技术的对等和“即插即用”控制，选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为DER发电源的控制方式，利用下垂特性曲线将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，保证微电网在孤岛运行时电力供需的平衡和频率的统一。这种方法简单、可靠、易于实现［7］。对等控制方式下，当微电网孤岛运行时，微电网中采用下垂控制的DER将参与电压和频率的调节。负荷变化时，DER自动依据下垂系数分担负荷的变化量，通过调节各自输出电压的幅值和频率，使微电网达到新的稳定运行状态。

分布式三层控制是基于DER之间的对等通讯网络，完全遵循分布式的原则来设计。Su等［3］给出了分布式三层控制和对等通信网络的结构。一层控制采用下垂控制保证频率和电压在设定值附近，从而确保即使在通信瘫痪的情况下电力供应的可靠性。二层控制基于gossip算法用来减小在负荷发生变化后频率和电压的偏差。三层控制主要是优化系 统的经济性。

分布式控制由于没有一条来自中心控制器到达各分散控制器的直接控制线路，各个分散控制器之间需要反复的通信协商才可以达成一致，无形之中增加了时间成本。另外，相比集中控制，分布式控制很难实现全局上的优化运行。

2.3分级控制

分级控制结合了集中控制和分布式控制的优点，方式更加灵活。一般为三级：一次控制（primary control）、二次控制（secondary control）和三次控制（tertiary control）。三个级别的控制分工不同，在具体的微电网中功能也各异，但它们之间相互协作，共同实现微电网的可靠、高效和经济运行。

分级控制与分布式分层控制的区别在于：分级控制用到了中心控制器来统一指挥DER之间的协作，而分布式分层控制没有中心控制器，利用的是DER之间的对等通讯网络。

Guerrero等［8］和Bidram等［9］都分别讨论了交流和直流微电网的控制。交流和直流微电网的控制具有相似性，其控制分为三级：第一级控制直接与DER之间互动，起到稳定电压和频率、控制电流和保证DER之间的有功和无功功率的对等等。第二级控制通过一个集中控制器来调整由一次控制产生的频率和电压偏差。第三级控制管理功率在微电网和大电网之间的流动并实现经济优化。这种控制方式类似于大电网能量管理系统的集中式三级控制结构。Vandoorn等［10］和Olivares等［11］也都提到了集中式三级控制结构的思想，虽然对具体的微电网控制不完全相同，但足见集中式三级控制的灵活和高效。

3　微电网能量优化调度模型和算法

微电网能量管理系统的主要功能有［12，13］：收集处理实时监控系统采集的电网信息、分布式电源信息和负荷信息等；实现大电网、多种分布式电源、储能单元和负载之间的最优功率匹配；实现多种分布式电源的灵活投切以及实现微电网在孤岛与并网两种运行模式间的无缝转换等。

Jiang等［14］针对并网和孤岛模式下的微网，提出一个由计划层（schedule layer）和调度层（dispatch layer）构成的两层协调控制模型，由计划层根据发电和负荷预测数据得到微网经济运行计划，由调度层根据实时数据和计划层制定的方案确定可调度型DER的出力，发电和负荷的预测数据与实时数据之间的误差通过两层之间的协调控制来解决，即预先在计划层预留适当的有功备用，再在调度层分配这些有功备用以应对不可调度型DER出力的不确定性。两层的优化模型分别用CPLEX软件包求解。Logenthiran等［15］建立了一个微网实时运行管理多代理系统，微网用实时数字仿真仪（Real time digital simulator，RTDS）创建，并用TCP/IP协议进行通讯。系统管理分为发电计划管理和需求侧管理两个部分。发电计划管理由日前计划和实时计划组成，日前计划确定DER每个小时的功率设定值，实时计划根据日前计划和微网实时反馈值调节DER的功率设定值。需求侧管理根据情况在制定日前计划前执行负荷转移以及在制定实时计划前执行负荷削减。Palma-Behnke等［16］针对风、光、柴、蓄微网，提出了2日前滚动机组混合整数规划模型，每15 min采样一次，共192个数据值，采用CPLEX软件包求解。张先勇等［17］针对孤岛采用两级能量管理策略。底层为模块层，利用本地控制器采集实时电量信息对蓄电池容量、光伏发电及负荷用电进行预测，确定DER的能量缺额或能量富余；顶层为系统层，接收和分析模块层的信息，确定DER之间的功率输送额度和控制柴油发电机启停。黄磊等［18］提出一种基于小采样间隔光伏功率多维时间序列预测方法。通过构造光伏功率均值序列，形成以小时平均光伏功率序列为主要研究序列的多维时间序列，并采用支持向量回归法建立了提前1 h的光伏功率局部预测模型。另外，文献［19］基于小采样间隔风功率序列，提出ARMAX-GARCH风功率预测模型，进行提前1 h的风功率预测。

陈健等［20］建立了风、光、柴、蓄孤岛微网的经济优化模型，同时计及了设备损耗成本、运行和维护成本、燃料成本和环保折算成本，采用非支配排序遗传算法NSGA-II（non-dominated sorting genetic algorithm-II）求取多目标优化方案。江岳春等［21］建立了基于空调和热水器工作特性的微网可控负荷多目标优化模型，提出了考虑多个目标的可控负荷优化策略，并采用NSGA-II算法进行分析。陈洁等［22］建立了考虑DER同时提供有功和无功出力并计及制热收益的热电联产型微网系统多目标经济调度模型，并以包含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池以及热电负荷的微网为例，采用模糊理论和改进遗传算法求解。

在微电网能量优化调度模型和算法研究方面，对不可调度DER出力不确定性的代表算法主要有：日前滚动机组组合、计划层和调度层协调的经济调度以及日前计划和实时计划构成的两个时间尺度的经济调度等［14-16］。

微电网的能量管理优化是典型的多变量、多约束的混合非线性规划问题。处理多目标优化问题的主要方法有：NSGA-II算法和模糊理论等［20-22］。

4　能量管理的频率和电压控制策略

目前，国内外对微电网频率和电压的一次控制和二次控制进行了大量研究。

在上层调度控制方面，微电网控制策略和控制模式主要依靠恒功率控制（PQ控制）策略、恒压/恒频控制（V/f控制）策略和下垂控制（Droop控制）策略及其组合或改进策略来实现［23，24］。

吴志锋等［25］在所提出的用于分散式多能互补微电网系统下，研究了其并网和孤网运行的控制策略。并网模式下，风机和光伏等发电均采用PQ控制；孤网模式下，则采用V/f控制，建立微电网的参考电压和频率。张明锐等［26］针对P/f下垂控制存在负荷快速分配与频率稳定控制之间存在矛盾的问题，提出了改进的P/δ和Q/V下垂控制策略，将电压和相角偏差作为前馈量加入功率控制环节，实现电压和相角的二次调整，实现了不仅可以负荷快速分配，而且具有更小频率偏差的目的。Mehrizi-Sani等［27］引入势函数的概念来解决微电网孤岛运行和并网运行下的二次和三次控制问题，为每一个可控DER设定一个势函数，采用最陡下降法，在势函数达到最小值时即对应于所要达到的控制目标。金鹏等［28］在传统下垂控制的基础上，利用无功出力分配关系和空载输出电压的偏离程度构造势函数，提出基于二次控制的微电网无功控制策略，微电网中心控制器根据势函数对DER的空载输出电压进行调整，从而实现了改善无功出力分配的功能。鲍薇等［29］提出了一种基于同步电压源的三级控制结构，在一次控制中，采取增大下垂系数法来提高功率均分的精度，可用于带本地和公共负载的各种拓扑结构的微电网。在二次电压和频率控制中，给出下垂曲线二次调整量的计算方法，提高了系统的电压和频率质量。此外，在二次控制中，还提出了基于同步电压源的无缝切换和联络线功率控制方法。宋香荣等［30］提出了用于光伏微电网的三电平变流器结构，采用电压内环、有功功率和无功功率调节为外环的控制策略。在多机并联运行时，采用公共同步脉冲与均流解藕控制实现微电网全网范围内的变流器单机虚拟磁链的旋转同步。吴志锋等［31］提出一种多级结构独立微电网系统，构建了一个三级风、光、柴、蓄兆瓦级海岛微网系统，阐述了调度控制策略中有关多级控制方法、能量调度控制流程及多目标协调控制技术，并应用了实时监控与数据采集（SCADA）及调配一体化技术。

5　结　论

本文介绍了微电网的定义、基本结构和运行方式，阐述了微电网能量管理系统的三种控制方式，即集中控制、分布式控制和分级控制。其中分级控制是目前研究的热点，而集中式三级控制方式由于集合了集中控制和分布式控制两者的优点，方式更加灵活和可靠，最有可能走向标准化，Shahidehpour等［32］所介绍的现实微电网工程就采用了这种结构，而目前国内对该研究还处于起步阶段。微电网能量优化调度模型和算法方面，介绍了几种基本的模型和算法。在微电网的频率和电压控制方面，对一次调频和一次调压的研究比较多，主要是对可控DER进行下垂控制或改进下垂控制方法的研究，对二次调频和二次调压的研究还相对不足。

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Overview on Energy Management and Control of Microgrid

FU Qing1，2，SHAN Ying-hao1，ZHU Chang-ya3，GENG Xuan1
（1.School of Physics and Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China；2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovolatic Science and Engineering，Jiangsu Changzhou 213164，China；3.Tenpao Electronics（Huizhou） Co.，Ltd.，Guangdong Huizhou 516005，China）

The concept and structure as well as the operation of microgrid are presented in this study.The definition of microgrid energy management system and its differences compared to power grid are introduced，and three control structures of microgrid energy management system are proposed.The advantages and disadvantages of three kinds of control structures are analyzed，and some basic optimal dispatching models and algorithms for microgrid energy management are also pointed out.Besides，several kinds of frequency and voltage control methods of microgrid energy management are discussed.Furthermore，the future energy management and control methods of microgrid are put forward.

microgrid；distributed generation；energy management system；frequency and voltage control

TK0；TM61

A doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2015.02.009

2095-560X（2015）02-00139-06

付青（1976-），男，博士，副教授，主要从事电力电子、光伏系统和微电网研究。

单英浩（1991-），男，硕士，主要从事微电网和电力变换研究。

朱昌亚（1971-），男，硕士，高工，主要从事新能源和电源技术研究。

耿炫（1990-），男，硕士，主要从事电力变换研究。

2014-11-12

2014-12-05

广东省科技计划（2013B010405009）；珠海市战略性新兴产业重大专项（2014D0601990002）；广东省部产学研项目（2012B091100179）

付青，E-mail：fuqing@mail.sysu.edu.cn