浅谈微电网功率控制技术❋

朱冬青，石 砦，司帅帅，何 群，华思雨

（新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引言

随着近年来用电负荷量的不断增加，而电网建设却没有随着负荷的增加同步发展，这样便导致了远距离输电容量的不断扩大，伴随而来的是电网系统的运行稳定性和安全性的下降［1］。鉴于上述问题，经过不断发展与改进，分布式发电技术应运而生。所谓分布式发电指的是通过在配电网建立单独的微电源来对配电网中的负荷进行供电，并通过公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）连接到大电网，并且能与外界电网进行能量交换［2］。微电网的电能主要来自于多种类的分布式电源，受自然环境制约性强，并通过电力电子装置组网。所以，微电网的功率在各分布式电源、存储设备及负载之间的传送很复杂，严重制约了微电网的发展。各国针对该问题分别展开了相关的研究，建立了以PQ控制、下垂控制、倒下垂控制为基础的微电网功率控制体系。

1 微电网的概念和结构

1.1 微电网的概念

目前国际上还没有对微电网形成统一的定义，美国是世界上最早展开微电网研究的国家，其微电网技术研究处于领先地位。美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出了微电网的基本概念：这是一种各种负荷和多种微电源的集合。该微电源在一个系统中同时向负载提供电力和热力需求，这些微电源大多数都是电力电子型的，并提供相应的灵活性，以确保能以一个集成系统的方式运行，其控制的灵活性决定了微电网能作为大电力系统的一个受控单元，以适应当地负荷对电力可靠性和安全性的要求。

1.2 微电网的结构

微电网一般结构如图1所示。微电网主要包括分布式电源、储能设备、电力电子设备、控制系统和负荷，它们相互协调合作，共同维持微电网的正常运行。分布式电源由风力发电机、太阳能电池、燃料电池和微型燃气轮机等组成，它们都需要通过电力电子装置与大电网相连［3］。风力发电机和微型燃气轮机发出的电能是交流电，为了满足并网的要求，必须经过电力电子设备先把交流电变成直流电，然后再将直流电逆变成交流电并网。燃料电池和光伏电池直接输出直流电，只需要将直流电逆变成相应交流电便可并网。储能装置在微电网电能过剩的情况下储能，在微电网电能不足情况下放出能量，它对应的电能转换装置是双向的。和大电网一样，微电网的负荷也有等级，在必要的情况下可切断一般负荷来维持重要负荷的正常供电。控制系统则是微电网最关键的部分，用来协调整个微电网的运行。

2 微电网的功率特点

微电网是一个低压系统，所以它遵循低压系统的功率特点。与传统的大电网相比较，微电网主要有两个特点：①每一种微电源的输出特性几乎都不一样；②因为微电网属于低压传输网络类型，这便决定了其传输的线损会很大，不能忽略。因为微电网中的微电源是利用可再生能源发电的，这便决定了微电网的运行受自然条件影响大，功率输出具有不稳定性，从资源利用率的角度去考虑，微电网中的微电源应尽量以最大功率输出。文献［4］详细地介绍了在低压微电网中功率传输的理论推导过程，通过模型简化分别得到高压电网和低压电网的功率传输特性，针对微电网的特点，取其低压配电网功率传输特性。

图1 微电网一般结构示意图

对于低压配电网络系统，因为输电线路的电阻R要远远大于电抗X，因此在计算化简的过程中可以将电抗X忽略，认为X≈0。经过化简后有：

其中：P为微电网有功功率；Q为无功功率；U1、U2分别为线路首、端电压；δ为输电线路两端的功角差。

由式（1）、式（2）可以得出如下结论：在低压输配电网络中，线路传输的有功功率P主要由线路两端的电压差决定，而无功功率主要由线路两端电压的相位差δ决定。从功率的潮流方向看，有功潮流从电压幅值较高的节点流向电压幅值较低的节点；无功潮流则相应地从电压相角滞后节点流向电压相角超前节点。

3 微电网功率控制方法

微电网的正常运行离不开各微源逆变器的工作，它们在微电源和微电网之间起着调节的作用，微电网的功率控制就体现在逆变器的工作当中。出于微电网运行稳定的要求，用于控制调节微电源联网的逆变器应满足的条件是：能够在现有的基础上向微电网中添加新的微电源；能够独立设定所有微电源的工作点；可以独立控制各微电源输出的有功功率和无功功率的平衡；微电网对负荷的动态变化能够快速响应。文献［5］和文献［6］中介绍了针对逆变器的微电网功率控制方法：PQ控制、下垂控制和倒下垂控制。

3.1 PQ 控制

PQ控制是有功/无功控制策略的简称，通常用于可调度的微电源功率输出控制，使用预先设定的功率参考值作为有功调度和无功补偿值［7］。在PQ控制模式中，把分布式电源的有功和无功功率输出作为控制器的给定值。逆变器的功率输出也相应地被设定为常数，这样无论电网中的频率和电压如何变化，控制器都会输出给定的功率值。此时，分布式电源便是电压控制的电流源。

采用PQ控制的微电源向微电网中注入一定的有功功率和无功功率，受系统中负荷变化或其他电源出力变化的影响很小。但是，分布式电源发出的电能不是稳定的，要满足微电源向微电网注入指定的有功和无功功率，必然会选择微电源满足条件的最低值作为参考，会造成微电源电能的浪费。PQ控制技术的难度系数小，可靠性高，成本低，今后的研究应着力于提高其资源利用率。

3.2 下垂控制

下垂控制是通过调节有功功率—电压、无功功率—频率来实现功率的控制。下垂控制类似于大电网中发电机的运行特点，根据输出功率的变化特点来控制电压源逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）的输出使其电压和频率自动跟踪如图2所示的预定的下垂特性。其中，f0为额定频率，V0为额定电压。下垂控制的结构框图如图3所示。

图2 下垂特性曲线

图3 下垂控制结构框图

下垂控制技术的功能是由下垂控制器来实现的，根据实际需要，可以设定不同的下垂系数。下垂控制器由电压下垂控制器和频率下垂控制器组成，实现了分别对电压和频率的控制，降低了功率控制的难度，也减小了硬件设备的投资。但在保持下垂系数不变的前提下，下垂控制器可能会出现微电网输出电压和频率过度下垂的情况，增加下垂调节导致的微电网电压幅值和频率的偏离，对微电网的电压质量和频率稳定性造成影响。总而言之，下垂控制技术相对简单，其优点是投资少，但是稳定性差。

3.3 倒下垂控制

倒下垂控制模式中，VSI能根据测量电网电压的幅值和频率实现对有功和无功功率的分别控制输出，让其按照如图2所示的预定下垂特性运行。该控制方法与下垂控制通过测量输出功率来调节输出电压控制的方法是完全相反的，但同时又具有下垂的特性，所以该控制方法被称为倒下垂控制策略。

倒下垂控制技术对功率的变化响应速度快，输出电流的谐波小，可实现微电网并网和从大电网中解除的无缝切换，保持系统运行稳定。但是微网中倒下垂控制策略对逆变器的响应速度有很高的要求，否则可能对微电网运行造成不稳定的麻烦。倒下垂控制技术性能好，稳定性能强，成本高，具有很大的发展潜力。

3.4 其他控制策略

其他控制策略是在上述控制策略的基础上进行的拓展，针对每个策略的不足加以改进，或者是将至少两个策略的优点结合，形成了综合控制策略。文献［5］就是针对倒下垂控制逆变器的电流控制型控制策略进行了改进，提出了一种基于电流分解的微电网功率控制策略，增强了低压微电网系统的稳定性。文献［6］采用倒下垂和下垂控制相结合的综合控制策略，在无通信线路的情况下实现微电网的并网和从大电网中解列的无缝切换，提高了微电网系统的可靠性和稳定性。

由于上述控制技术都有本身固有的缺陷，单独完美实现微电网功率控制的难度大，可提升的空间相对较小。综合控制技术可以将多种单独控制技术相结合，把他们的优点充分结合起来，降低了微电网功率控制的难度，提高了功率控制的效果和效率，是今后微电网发展的一个好方向。但是，微电网综合控制技术起步晚，技术还相对不是很成熟，需要专家学者的继续努力。

4 结语

目前，微电网的功率控制技术还不是很成熟，基本的控制理论体系已经大致建立，相关的试验平台和实验室正在不断搭建中。相信在不断的努力下，微电网的功率控制技术会日益完善，让我们的生活因微电网而更精彩。

［1］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007（19）：100－107.

［2］窦震海.微电网功率控制方法探究［C］//Proceedings of 2010 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System（Volume 5）.Shenzhen：Shenzhen University，2010：536－538.

［3］刘国敬，曹远志，吴福保，等.分布式发电与微电网技术［J］.农村电气化，2010（10）：38－39.

［4］陈达威，朱桂萍.低压微电网中的功率传输特性［J］.电工技术学报，2010（7）：117－122，143.

［5］纪明伟，陈杰，栾庆磊.基于电流分解的微网功率控制策略研究［J］.安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2009（5）：110－113

［6］纪明伟，张兴，杨淑英.基于电压源逆变器的微电网控制策略［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2009（11）：1678－1682.

［7］李钢，赵静，姚振纪.智能微电网的控制策略研究综述［J］.电工电气，2012（1）：1－4，18.