微电网研究综述

王明扬　白迪

摘 要：本文主要阐释了微电网的概念与结构，以及对逆变器的三种控制方法原理，和微电网主从和对等两种控制策略，介绍了微电网并网孤岛切换的一种方法。

关键词：微电网；控制策略；运行方式转换

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.172

1 微电网概念与结构

近些年国民经济迅猛发展，对电力需求不断增加，中东部电力紧缺，而西北地区产能过剩，因此当前电力系统还将继续扩大西电东送规模，建设更多远距离超高压、特高压输电线路。伴随电网建设的规模不断扩大，以及之前在世界上发生的大规模的停电事故，这种超大规模电力系统的缺陷也逐渐显现，建设成本高，输送损耗大，运行维护难度大，偏远地区用电不稳定等。当前用户对电力多样化安全性、可靠性的要求已经难以满足。

分布式发电由于靠近用户侧，可以弥补集中式发电的不足，提升了用电的可靠性和安全性，较低的输送损耗。但伴随着分布式发电容量的扩大，瞬间大容量的波动会给电网带来较大的冲击，保证供电可靠性和电能质量较为困难。尽管其优点突出，但由于分布式电源的间歇性问题，所以大电网也往往限制其接入，为了解决这一现象，相关学者提出了微电网的概念[1]。

微电网通常是由微电源、储能单元以及用电负荷等组成的具备自我控制和自我能量管理的自治系统，可以在网内实现发、配、用自给自足的运营模式，还可以在并网运行，孤立运行两种模式下灵活切换。从微观看，可以作为一个可定制的电源以满足用户多样化的需求的电力系统；从宏观看，可以看作一个简单的可调度负荷。简单的微电网可由光伏发电系统和储能系统组成，复杂的微电网可由风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、冷/热/电联供微型燃气轮机发电系统组成，能够满足用户冷/热/电综合能源需求。微电网还可包含若干个规模相对小的微电网[2]。下图为文献2给出的一种典型结构，如图所示。

微电网在接入电力系统时，只需微电网与大电网的公共点相连，而不针对各个具体的微电源[3]。此外分布式电源由电力电子装置进行能量转换，而且需要对其提供必要的控制手段，能将电压和频率控制在额定的允许范围，进而保证系统安全稳定运行。

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，根据分布式电源类型的不同，使其拥有不同的功能。现在微电网中单个微电源的控制方法主要有三种[4]，恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制。

2.1 恒功率控制

恒功率控制又叫做PQ控制。能夠控制分布式电源的输出的功率在其给定功率上，适用于输出功率随机性比较大的电源。在并网运行时，微电网内部的电压频率偏移都将由大电网进行支撑。在孤岛运行则需要由主控单元来维持电压和频率的稳定，以及应对网内的负荷波动。其控制方法如图2所示。

PQ控制是将有功与无功功率解耦后，对电流采取PI控制，最后控制逆变器来使得DG的输出能够维持在恒定值。因此从图可以看出在dq旋转坐标系下，有两个闭环控制。外环为功率环，作用是使得逆变器的输出为基准功率，内环是采用PI控制的电流环，其主要是跟踪参考电流，提供正确的参考电压给逆变器，最终输出脉宽调制信号SPWM。最后图中的软件锁相器SPLL有负反馈的作用，其目的是实现电流的跟踪控制。

2.2 恒压恒频控制

恒压恒频控制也称V/F控制。由主控分布式电源的输出的电压和频率的变化在可调范围内，V/F控制的目标是维持电压以及频率的恒定，保障其他电源和负荷可以正常运行。采用该控制方法的主分布式电源需要足够大，微网内负荷变化的需求都由它满足，但如果仍不能满足负荷，这时需要移除不重要负荷。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布式电源[5]。V/F控制框图如图3所示。

V/F控制通过对给定电压和频率与实际测量的数据进行比较，将其得到的误差信号经过PI控制器作为逆变器电压输出信号。对误差信号进行PI调节，直到稳态误差为零。

2.3 下垂控制

根据同步电机有功功率与频率成线性关系、无功功率与电压之间成线性关系，如图4所示。学者提出了在分布式电源控制系统中构造类似的下垂关系，通过下垂控制计算出逆变器调制电压与频率。它的控制系统以V/F控制为基础，其电压源特性使其可在两种运行模式下工作。下垂控制的一个重要优点是它使各分布式电源在不通信的条件下具备了按比例系数分配功率的能力[6]。控制各电源的有功无功出力证微网孤网运行时的电力供需平衡和频率稳定，较为简单可靠。

3 微电网的控制策略

微电网需要控制网内电压频率稳定，内部负载分配合理，所以依据微电源类型及并网控制的目的不同，需要对逆变器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，不同的控制策略对应的微电网结构也不尽相同。目前常用的运行控制策略为主从控制、下垂控制等。

3.1 主从控制

在主从控制中对各个分布式电源采用不同的控制方法，从而分配给各个分布式电源不同的任务。当处于并网模式运行时，系统的电压、频率由配电网支撑，微网不需要进行频率调节，所有分布式电源在PQ模式下运行，跟踪给定的功率值。而孤岛式运行时，主控制单元需要由PQ模式立即转为V/F模式下运行，维持系统的频率和电压，并且需要其承担全部负载量的变化。

3.2 对等控制

对等控制，顾名思义，每个逆变器具有相同的职责，没有主辅之分，共同保障各个参数的稳定，并且各个微电源之间不需要通讯，提高了微网的可靠性以及降低系统成本。在孤岛模式下，各个逆变器采用下垂方式控制，共同保证电压稳定，对功率的分配。当负载变化时，各个逆变器按照给定的下垂系数进行分配，并且由于其下垂特性还可以保障电压频率在合理范围内。在并网时，各个逆变器仍采用恒功率控制，或可以利用下垂控制的电压频率特性，来实现不同微源间功率变化的分配，同时为系统提供电压和频率支撑，拥有较高的可靠性。endprint

4 微电网运行方式转换

微电网存在两种运行模式，由于各种不确定因素，需要能够在并网、孤岛模式下进行灵活的切换，在切换时很短的瞬间负荷侧会发生暂态震荡，因此平滑的切换方法十分重要。

微电网并网与孤岛运行方式自动转换方法如下，由并网到孤岛切换，正常运行时，微电网的电压相角幅值与配电网相同，需要对配电网和微电网侧的相角进行连续检测，当检测到微电网与配电网之间相角之间存在差值，与给定的限值进行比较，若大于限值，外部电网存在异常，需要迅速断开PCC处开关孤岛运行，切换到V/f控制器。若，则微电网继续执行并网运行控制。由孤岛到并网切换，当外部电网异常恢复后，微电网接到并网指令时，需要对两侧的电压的相角幅值进行预同步控制。首先需要提取两侧电压的正序分量，再由克拉克变换就可以得到电压的幅值和相角，当两侧正序电压幅值差，满足条件，相角差满足条件后，满足并网条件，用软件锁相环或锁相环锁相，后闭合并网开关。同时各个微电源切换到PQ模式，实现平滑的切换，在这一过程中，若监测到有并网条件不满足，则继续执行孤岛运行控制[7]。

5 总结

本文简单介绍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主从控制、对等控制两种控制策略，以及简单介绍了微电网并网孤岛运行转换原理。微电网基本解决了分布式电源并网发电的问题，随着微电网技术的发展，微电网承担的任务这会越加繁重，功能也会愈加完善，将会在我们未来的的生活中发挥更大的作用。

参考文献：

[1]陈永淑，周摊维，杜雄.微电网控制研究综述[J].中国电力，2015，42（07）：31-35.

[2]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究[J].电工技术学报，2014，

27（02）：1-11.

[3]韩肖清.微电网研究综述[J].能源与节能，2013（11）：3-4.

[4]王成山，肖朝霞.微网中分布式电源逆變器的多环反馈控制策略[J].电工技术学报，2009，24（02）：100-106.

[5]范柱烽，解东光，赵川，仲崇飞，崔仕伟.微电网控制研究综述[J].电气开关，2014（02）：1-3.

[6]郭文明，刘仲，牟龙华.微电源控制策略及微电网分层管理体系[J].电器与能效管理技术，2015（24）：64-70.

[7]王鹤，李国庆，李鸿鹏，王波一.微电网并网与孤岛运行方式转换方法[J].中国电力，2012，45（01）：59-63.endprint