浅析微电网控制策略的研究现状

嵇　伟

(江苏省电力公司淮安供电公司，江苏淮安，223001)



浅析微电网控制策略的研究现状

嵇伟

(江苏省电力公司淮安供电公司，江苏淮安，223001)

摘要：首先，介绍了微电网的产生背景，并中中国微电网研究现状进行了介绍。其次，介绍了一种典型的微电网结构，对微电源、负载、储能装置和并网逆变器进行了描述。根据微电网不同运行模式下的特性，对不同模式下微并网逆变器采取的控制方法进行了详细分析。最后，对并网运行和孤岛运行模式下各单元采取的控制策略进行了总结。

关键词：微电网；分布式电源；主从控制；孤岛运行

1引言

随着电网规模的不断扩大，大电网模式存在的建设、运行成本高以及局部故障易扩散等缺点日益凸现出来。越来越不能适应用户对高供电质量和多样化的供电需求。2003年的北美大停电、2006年的欧洲大停电、2008年的南方冰雪灾害造成大停电、2009年的巴西大停电让6700万人陷入停电、2012年的印度两次大停电分别造成3.7亿和超过6亿人坠入黑暗。随着经济的发展，越来越多的场所和行业需要较高的供电可靠性和电能质量，用户开始安装并拥有自己的分布式电源设备。分布式电源是将分布式发电和储能装置组合成一起的系统。分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要补偿方式，而且在对可再生能源的利用上具重要的作用。

发展分布式发电具有一定的经济性、环保性和节能效益，并且能够提高供电安全可靠性及解决边远地区用电问题等。虽然分布式电源具有很多优点，但是由于分布式电源在接入电网时容量小、控制困难、随机波动性大、成本较高和高渗透率会对电力系统造成了很大负面影响。因此，目前的国际规范和标准都对分布式电源采用带离和限制的方法，减小分布式电源对大电网的影响为了更大限度的发挥分布电电源在能源和环境中的作用，21世纪初微电网概念被提了出来[1]。

中国对微电网的研究尚处于初始阶段，主要对微电源、储能装置、分布式控制进行研究。中国政府积极推动可再生能源的研究和应用，将改变能源结构作为未来电网发展的战略之一。微电网将成为未来可再生能源利用的有效形式，能够最大限度的发挥可再生能源的潜力。应用微电网技术不仅能够利用当地的可再生能源进行发电，解决偏远地区的供电问题，而且能够提供可靠安全的电能服务。目前我国已经在西部偏远地区和发达的大城市进行了新能源发电潜力和经济性分析，并且在新疆吐鲁番建立了微电网实验工程[2]。

2微电网结构与组成

2.1　微电网基本结构

微电网概念最早由美国电力可靠技术解决方案协会提出，是众多微电网概念中最权威的一种。其基本理念是：将分布式发电机、储能装置、负载及控制器组成一个有机整体，通过协调控制形成一个可控的独立供电系统。为防止微电网与大电网断开时，对微电网内的负荷造成冲击，需要对传统配电网进行重新设计[1,3]。

图1是一种典型微电网结构。由图中可以看出，微电网将不重要的负载接到馈线C上，将重要的或敏感负载接到馈线A和B上。馈线A和馈线B上接有微电源、储能装置和相应的控制器等。整个微电网结构呈现辐射状，通过主分隔装置将馈线与大电网相连接，实现微电网并网运行和孤岛运行模式间平滑过度。分隔装置点就是公共连接点(Point of Common Coupling, PCC)所在位置，PCC点一般作为微电网与大电网的分隔点或变压器的原边。

图1　微电网结构

2.2　微电源

微电源作为微电网的能源供应组成，形式很多，一般可分柴油发电机和小水电等传统发电技术；微型燃气轮机、燃料电池以及储能装置等新兴的供电技术；风力发电、潮汐发电、热能发电和光伏发电等可再生能源。根据其输出电压为交流电还是直流电，可分为直流电源和交流电源[1]。

2.3　负载和储能装置

微电网属于小型低压发配电网络，其负载相对大电网较小、波动性大。储能装置主要有物理储能(如抽水储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类，微电网中储能装置的设置需要跟据其具体特性进行选取[3,4]。

2.4　电力电子接口

微电源是通过电力电子接口与负载或电网相连接，其中燃料电池、光伏阵列和蓄电池等直流电源，通过逆变器(DC/AC)或直-直-交(DC/DC/AC)变换器转换成工频交流电；风力发电机、燃气轮机等产生交流电源，将发出的交流电通过交-直-交(AC/DC/AC)接入微电网[5]。

3逆变器控制方法

微电源作为微电网的电能供应单位，是微电网的重要组成部分。对策电网的控制其核心就是对微电源进行控制，常用的控制方法有：有功和无功功率(P/Q)控制、有功和电压(P/V)控制、基于下垂特性的V/f控制等。

3.1　P/Q控制方法

P/Q控制方法通过控制并网逆变器输出的有功和无功，对微电源进行定功率控制[6]。图2所示为微电源采用P/Q控制示意图。

图2　P/Q控制

采用P/Q控制方法时，首先根据设定的微电源输出的有功功率和无功功率，然后通过检测逆变器输出电压和电流，通过功率计算后将有功和无功分量分别与参考值进行作差，然后将有功误差△P和无功差△Q送入PI调节器进行调节，经过PI调节器调节后经调制解调器后控制脉冲发生器，控制逆变器的可控开关使逆变器输出的有功和无功功率保持在给定值。

3.2　P/V控制方法

P/V控制方法是通过调节逆变器输出的有功P，并且保持交流母线电压幅值Um保持恒定的一种控制方法，其控制示意图如图3所示。

图3　P/V控制示意图

P/V控制方法和P/Q控制方法相似，都采用闭环控制，对并网逆变器输出的有功分功率和电压幅值进检测，然后将检测有功功率值与参考功率、电压幅值与参考电压幅值作差，将有功误差△P和电压偏差△U送入PI调节器，经过PI调节器调节控制冲发生器输出脉冲，控制并网逆变器输出的有功功率和电压。逆变器输出电压幅值由最小值和最大值限制，两者分别对应于系统有功功率和无功功率的最小值和最大值。

3.3　基于下垂特性的V/f控制方法

微电网是由微电源、控制装置和负载组成的一个供电系统。微电源通过逆变器以并联运行的方式，为微电网提供电能。根据功率的传输特性，可以将逆变电源看成传统的发电机，通过模式发电机下垂特性，实现对逆变电源的控制。基于下垂特性的V/f控制就是各个微电源通过检测自身的输出功率，采用下垂特性得到逆变器的参考电压[8](U)和频率(f)。然后通过反相调节的方式，逆变电源实现有功和无功的自动调节。当输出电抗为感抗时，控制策略基于P/V和Q-ω的下垂特性；当为阻性时，控制策略基于P/V和Q-ω下垂特性，阻性输出阻抗的下垂特性曲线如图4所示。

图4　输出阻抗为阴性时下垂特性

图5　基于下垂特性的V/f控制框图

运行时，不管逆变器输出阻抗呈感性还是阻性，其输出功率较小的逆变电源依据电压和频率下垂特性控制其输出功率变大，输出功率较大的逆变电源减小其输出功率。在基于下垂特性的基础上，通过采用双闭环控制方法使逆变器输出电压和频率满足负载要求。

3微电网运行模式及其控制策略

微电网根据与大电网是否联网运行，可分为并网运行模式和孤岛运行二种工作模式。根据不同控制策略，通过协调控制微电源、负载和保护装置，让微电网相对于大电网是一个可控“负载”。孤岛运行时，可采用主从控制策略，使系统作为一个自主运行的小型电网；并网运行时，采用对等控制策略，可将微电网多余电能输送到大电网或及取大电网电能供负载使用[5,7,9]。

4.1　微电网并网运行

正常工作时微电网与大电网相连接，进行并网运行。此时，从大电网的角度看，微电网是具有一定特性的虚拟发电机，能够向大电网提供电能或吸取大电网电能。与一般并网发电机相同的是，微电网并网运行时需要满足一定的电压和频率要求；同一般发电机的不同之处是，微电网中微电源的种类和特征差异很大，需要采用一定的协调控制方法才能够满足并网要求。此时，微电网内部的各个分布式电源只需控制功率输出以保证微电网内部的功率平衡，而电压和频率由大电网来支持和调节。此时，逆变器可以采用P/Q控制方法，按照设定值提供固定的有功--功率和无功功率。MGCC根据大电网的需要、本地负荷情况和分布式电源的发电能力来决定各分布式电源的PQ控制有功功率和无功功率运行点及各负荷的运行状态。

4.2　微电网孤岛运行

孤岛运行根据大电网状态可分为有计划孤岛运行和无计划孤岛二种。当大电网有计划进行检修时，微电网独立运行，这种运行方式称之为有计划孤岛；当大电网发生故障时微电网被迫进行孤岛运行，叫有无计划孤岛运行。一般情况下，无计划孤岛是不允许发生的。微电网孤岛运行时，需要满足二个基本条件：微电网中的微电源能够为微电网内的负荷提供足够的电能；微电网能够对微电源进行合理、有效的控制使系统稳定运行。当微电源输出的功率大于孤岛负荷需求时，系统可以通过增加负荷或进行蓄能维持系统功率平衡；当微电源提供电能小于负荷要求时，蓄电池放电或适当减小负载使系统正常运行，当能量严重不足时系统停止运行。此时，微电网通过检测设备时刻对大电网状态进行检测，当大电网恢复正常运行时，微电网进行模式切换重新并网运行[4,7]。

当微电网孤岛运行时，与大电网的连接断开。此时，一般采取主从控制策略，就是通过协调微电网中微电源，采用不同的控制方法，保证微电网能够正常运行。这种控制策略是将一个或几个微电源作为主控单元，其它微电源作为从属单元的一种控制策略。主控单元通过检测微电网中的电压、电流、有功和无功功率以及负荷变化情况，通过综合分析后，调节从属单元的输出功率，使微电网保持稳定运行。这种控制方法一般只应用于微电网孤岛运行模式下，通过对主控单元的控制，微电网的电压和频率达到负载要求，并为处于从属单元供电压和频率支撑。运行时，微电源由中央控制器(MGCC)进行协调控制，主控单元一般采用V/f控制方法，从属单元根据需要可采用P/Q控制或P/V控制方法。MGCC作为一个决策者，通过协调微电网中微电源的出力，对电网进行优化调整，并根据微电网的运行状态，对微电网中的负荷进行预测，图6为主从控制结构。

图6　主从控制结构示意图

4结语

微电网作为分布式发电优化集成的一种方式，已经成为各国研究的重点，未来微电网将占有重要的地位。微电网虽然具有很多优点，但在大规模应用之前，还有许多问题需要解决。微电网并网运行时，微电网电能质量由大电网提供支持，此时微电网通过控制各分布式电源的输出功率，使输入到电网的功率最大，最大化利用可再生能源发电；微电网孤岛运行时，通过选择主调频电源对微电网频率进行二次调节，提高了电能质量，避免了稳定的频率偏差对储能装置充放电的影响。通过对微电网控制策略的研究，使微电网能够在并网和孤岛二种运行模式下平稳运行、平稳转换具有盐分重要的意义。

参考文献：

[1]刘振亚.智能电网技术[M].北京:中国电力出版社，2010.

[2]李莉华，李宾皑.微电网技术的研究与应用前景[J]电力与能源，2011(2)124-126.

[3]王鹤，李国庆.含多种分布式电源的微电网控制策略[J]电力自动化设备，2012(5)：19-23.

[4]安树怀，王明渝，邓威等.可用于光伏并网的双频逆变器控制策略[J].电力自动化设备，2011(1)：84-88.

[5]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.

[6]吕婷婷.微电源控制方法与微电网暂态特性研究[D].山东大学，2010.

[7]王 帅，李鹏，崔红芬.风电以微网的形式并入智能电网的研究[J].电气技术，2010(8)：38-42..

[8]李少林，姚国兴.一种风光互补发电系统中双向DC/DC变换器研究[J].电气传动，2010(3)：60-62.

[9]薛迎成，邰能灵，刘立群等. 微电网孤岛运行模式下的协调控制策略[J]. 中国电力，2009(7)：36-40.

A Study on the Research Status of

Micro-grid Control Strategy

JI Wei

(Huaian Power Supply Company of Jiangsu Power Company, Huaian, Jiangsu 223001)

Abstract：Firstly, introduces the background of the micro-grid and micro-grid in the current situation of Chinese were introduced. Secondly, describes a typical micro-grid structure, and described the micro- power, load, energy storage and grid inverters. According to the different characteristics of the micro-grid operation mode, the control method in different modes micro-grid inverter taken is analyzed in detail. Finally, the control strategies of network operation and island operation mode of each unit taken are summarized.

Keywords：Micro-grid; distributed power; master-slave control; islanding operation

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)02-0055-05

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.012

收稿日期：2015-03-01