电力电子在微电网中的应用研究

毛磊杰

（山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司，山西漳泽030000）

电力电子在微电网中的应用研究

毛磊杰

（山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司，山西漳泽030000）

目前，越来越多的分布式电源接入了配电网当中，改变了传统配电网的结构，并且分布式电源的并网运行可能会引起电网的电压偏差、频率偏移等问题。微电网概念的提出就是为了削弱分布式电源对配电网的影响，最大化接纳分布式电源。在微电网中，电力电子技术扮演着重要角色，而变流器的控制是其中的一个核心。变流器的控制是实现微电网控制的具体方式，而微电网的运行控制是微电网稳定运行的前提。因此本文以逆变器为例，对变流器控制在微电网运行控制当中的应用进行了概述，并且归纳了变流器的关键新兴技术在微电网中的应用。

分布式发电；微电网；电力电子技术；变流器

近年来，光伏、风电等间歇性新电源广泛接入到配电网当中，由于这些新能源的随机性，使电力系统难以安全稳定运行，反过来也阻碍着光伏、风电等新能源的大力使用。微电网作为一种“自控自治”系统，不仅可以削弱大规模分布式电源接入的负面影响，而且还可以充分发挥间歇性能源的优势，因此受到各个国家广泛的关注。目前我国偏远地区的供电存在输电距离远、线损大、功率小、建设变电站昂贵等一系列问题，而微电网离用户侧距离近，可以更好的实现电能的“就地消纳”，因而微电网可以作为一种为边远地区提供可靠供电的有效形式[1-2]。

图1为CERTS定义的一个微电网基本结构图[3]，它通过断路器、隔离开关和配电网相连。微电网中的微源都通过电力电子变换器和配电网/负载相连。如图所示，微电网内部有三条馈线，馈线A和B上接有敏感负荷，馈线C上接入普通负荷，而且每个微源的出口处都配备有一个断路器，它们在能量管理系统（Energy Manager）或本地的控制下，通过功率和电压控制器来调整功率输出。当配电网出现电压波动等问题导致无法安全可靠运行时，微电网转入孤岛运行模式，由各微源对负荷进行供电，从而保证敏感负荷不间断供电，提高供电可靠性。同时电压控制器的控制下，各个微源调整其输出电压来减少无功环流。

图1 CERTS微电网结构图

微电网中间歇式新能源要并网必须经过变流器变频变压才能入网。微电网中的使用变流器有三类：grid-feeding变流器，grid-forming变流器以及gridsupporting变流器。三种变流器各有特点，grid-feeding变流器不能单独运行，而且需要一定的电压、频率支撑；grid-forming变流器只能在孤岛状态下单独运行；grid-supporting变流器则采用下垂控制，可实现并网/离网运行。本文针对电力电子变换器在微网运行控制中的应用做了一些概述。

1 微电网运行控制

随着微电源并网电力电子装置的出现，对电力系统的运行控制带来了改变。一方面提高了电力系统电压、频率控制的灵活性，另一方面，使微电网能够运行在不同的电压和频率下，实现微电网在不同场所运行的可能。微电源并网接口控制方法一般从两个方面着手分析：上层调度控制与电流跟踪控制。在上层调度控制方面，大多数文献将其分为三类：恒功率控制（PQ控制）策略、恒压/恒频控制（U/f控制）策略和下垂控制（Droop控制）策略。而具体的控制实现是由这三种策略及其组合或者改进的策略来完成。中央控制器接收到由电力电子接口单元传来的电流电压信息，然后发出指令向电网输送功率，保持公共连接点的电压稳定，这也是微电网逆变器控制的一般要求。因此要实现微电网的灵活有效运行，电力电子接口的有效控制是必不可少的。如何降低微电网切换运行模式对电网造成的冲击，实现微电网运行的无缝切换是目前国内外学者都很关注的问题。模式切换前后的功率会因为网架的不对称出现不匹配，这个不匹配问题加上交换功率的规模阻碍着微电网实现无缝切换。未来微电网要想大规模应用，必须要有更为先进的电力电子技术，既要能实现功率的自动分配而且还要有足够的灵活性。现在有文献提出一种有前景的分布式电源接入控制技术，在这当中逆变器型微电源小惯性和平滑切换都可以得到解决。

在并网逆变器的电流跟踪控制方面，很多文献研究了逆变器功率环、电压电流环、输出滤波器、优化等效输出阻抗和改进网络拓扑结构等。同时，微电网电力电子接口与FACTS技术的结合也成为一种趋势，有很多地方已经开始实现，这种结合能够解决微电网产生的电能质量问题，使得微电网更好的应对非线性负载、三相不平衡以及三相四线制拓扑等特殊情况。提出了一种在非线性负荷情况下，微电网逆变器如何实现输出低谐波失真电压的方法，可以在并网逆变器的基础上引入滤波环节和补偿系统从而实现逆变器的多重功能。研究了这类具有复合功能的并网逆变器网络拓扑。在并网控制算法中引入滤波部分，实现发电和滤波的双重功能。还有文献提出一种采用三相四线制的微电网混合电能质量补偿器，该补偿器通过补偿无功电流、零序电流的方法来达到改善系统电能质量的目的。在一种具有复合功能的并网逆变器拓扑结构基础上研究了微电网电能质量的定制。电力电子接口型微电源供电电能质量不仅电力电子变流器本身带来的影响，而且还受到电网侧的干扰，因此在提高电能质量方面除了应该考虑提高控制器鲁棒性以外还需考虑电网传入干扰的严格控制。

目前，中国电力科学研究院已经自主研发了微网微源的智能接口技术如“同步逆变器”，在很多方面逐步形成体系，例如虚拟电机、三相四线供电、谐波下垂控制器、容性等效输出逆变器（可改善电压调整）以及微网与柔性电力装置的结合，提供了实现柔性电力技术在配电网及微电网中更好应用的解决方法[2]。

2 探讨与展望

本文通过对微电网逆变器控制的概述，梳理出微网及其逆变器的一些新兴关键技术需求和技术发展趋势。

（1）交流微电网变流器的阻抗控制。前述分析表明，并网逆变器可以通过直接功率、直接电压或直接电流控制来完成可再生能源并网。但是，其输出阻抗是不受控的，会因阻抗不匹配而引发一些特殊的稳定性问题，譬如谐波谐振等。为此，若能直接控制逆变器的输出阻抗，即可很好地解决微电网运行控制中遇到的若干技术难题。逆变器的阻抗与微电网系统的稳定直接相关，研究单台逆变器的输出阻抗特性，以及分析多台逆变器阻抗之间的稳定判据，具有重要的意义。此外，研究一些逆变器输出阻抗的重塑方法，提升微电网系统的稳定也具有十分重要的研究价值。

（2）交流微电网内多逆变器孤岛检测的协调。孤岛检测是逆变器微电网所研究的另一个热点问题，单台逆变器的孤岛检测在近年来取得了很多研究成果，但是含有多台变流器的微电网孤岛检测进展缓慢，还需要进一步的深入研究。

（3）交流微电网的负荷。微电网靠近负荷末端，单相负荷、小功率光伏、风电机组等以单相的形式接入微电网，使得微电网不平衡问题突出，针对微电网不平衡的应对及解决方案，具有重要的研究价值，负荷均衡化具有重要的价值。微电网由电源和负荷两大能量主体构成，大多通过逆变器接入微电网。已有大量的研究关注到微电网电源中所配置的逆变器所具有的调节能力，出现了具有多种电网辅助服务功能的变流器。但是，微电网中负荷侧变流器的可控性和可调节能力关注不多，随着越来越多的负荷采用变流器接入电网，微电网负荷侧的调节自由度还有待进一步的深入开发。

（4）交流微电网逆变器的虚拟电机控制。为了协调微电网中的多台逆变器的控制，达到系统的稳定运行，基于传统电网的运行机制，相继提出了下垂控制、基于虚拟同步发电机的控制策略。但是由于逆变器的控制方式灵活、暂态响应速度过快的特点，因此模拟传统电网中同步电机的运行机制不见得是微电网中的最佳解决方案，其他一些全新的协调运行措施或机制仍有待进行深入挖掘。例如，采用基于虚拟振荡器的控制等。虚拟同步发电机技术作为一种既能能并网，也能离网运行的控制策略，在单台逆变器的控制方面表现出了很多优越性能，目前也有很多这方面的研究。但是目前对多台虚拟同步电机的协调控制研究很少，而要实现系统稳定运行，必须协调控制好多台虚拟同步电机以及虚拟同步电机与传统电机之间的协调运行。

（5）新型电力电子器件在微电网变流器中的应用。碳化硅（SiC）等宽禁带的新型电力电子器件以其优异的性能，给微电网带来了崭新的机遇。譬如，新型电力电子器件相对于硅（Si）器件具有更高的开关速度，提高器件开关频率，可以相应地提高控制器的带宽，提高系统的动态性能；同时，该类器件还具有更低的损耗，可以进一步提高变流器的功率密度。针对新型器件在微电网变流器中的应用，同样也面临诸多亟待解决的技术挑战。譬如，新型电力电子器件的建模（包括物理模型、行为模型和电路模型）、高频场合下应用设计与应对（寄生参数等）、功率器件的新型集成封装技术等。

（6）交流微电网逆变器的惯性缺失机理与修复。微电网变流器具有非常快的暂态过程，几乎没有惯性，给电网稳定带来了一定的挑战。尤其是在离网运行模式下，新能源输出功率的波动性大，在变流器没有足够旋转惯量的情况下，微电网的频率波动较大。值得指出的是，微电网中的风力发电机本身具有惯性，只是通过变流器的阻隔后，部分甚至完全失去了惯性。通过在变流器的直流侧引入储能，并通过灵活的控制策略，可以在变流器合成出虚拟的惯量特性，增强系统的频率稳定性。分析变流器惯性缺失的内在机理，以及惯性的修复控制策略具有重要的意义[4-6]。

3 结束语

离网模式下微电网变流器控制策略研究的重点是并联微电网变流器之间有功、无功合理分配、系统的稳定运行以及微电网并离网无缝切换等问题。而很少有文献对并网模式下微电网变流器产生的谐波电流如何抑制等问题进行研究。因此可以对这个问题进行深入探讨，提高电网电能质量。微电网变流器必须具备在并网和离网模式下稳定运行的能力，因此微电网双运行模式下变流器控制的研究将成为今后研究的重点方向之一。

本文主要从变流器控制角度来概述了电力电子技术在微电网当中的应用，而体现电力电子技术在微电网当中另一方面应用的柔性交流输电技术没有涉及到，有待于进一步研讨。

[1]郑漳华，艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J].电网技术，2008，32（16）：27-31.

[2]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

[3]黄胜利，张国伟，孔力.电力电子技术在微电网中的应用[J].电气应用，2008，27（9）：55-59.

[4]梁建钢，金新民，吴学智，等.基于下垂控制的微电网变流器并网运行控制方法改进[J].电力自动化设备，2014，34（4）：59-65.

[5]朱德斌，刘芳，徐海珍，等.微电网双运行模式下分布式逆变器的控制策略[J].电力电子技术，2012，46（10）：9-10.

[6]陆晓楠，孙凯，黄立培，等.孤岛运行交流微电网中分布式储能系统改进下垂控制方法[J].电力系统自动化，2013，37（1）：180-185.

Research on the Application of Power Electronics in Micro Grid

MAO Lei-jie
（Shanxi Zhangze Power Limited by Share Ltd of Hejin Power Company，Zhangze Shanxi 030000，China）

At present，more and more access to distributed power distribution network，change the traditional structure of the distribution network，and grid connected distributed power grid may cause voltage deviation，frequency offset.The micro grid concept is put forward in order to weaken the influence on the distributed power distribution network，the maximum acceptance in distributed power supply.Micro grid，power electronics technology plays an important role，while the converter control is a core.The converter control is the way to realize the micro grid control，and control of the micro grid operation is the premise of micro grid stable operation. Therefore，inverter as an example，the control in converter The application of micro grid operation control is summarized，and the application of key emerging technology in micro grid is summarized.

micro-grid；overview；transformer；power.electronics；power quality

TM61

B

1672-545X（2016）11-0077-03

2016-08-29

毛磊杰（1986-），男，山西运城人，本科，工程师，主要从事于研究电力系统自动化方面的工作。