微電網(wǎng)控制研究綜述

1、微電網(wǎng)控制研究綜述摘要：微電網(wǎng)技術(shù)作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)成為眾多國家解決電力系統(tǒng)安全性和可靠性問題的重要輔助手段，并成為大電網(wǎng)的有益補充。就微電網(wǎng)整體概述的基礎(chǔ)上，文章對微電網(wǎng)運行控制作了較為詳細的介紹，對三類微電網(wǎng)經(jīng)典控制方法，文章中也作了分析，分析了并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種不同運行模式下的控制策略，并對微電網(wǎng)研究中存在的問題和未來的研究方向做了分析。關(guān)鍵詞：微電網(wǎng) 孤網(wǎng)運行 并網(wǎng)運行 運行控制1.微網(wǎng)的基本概念與結(jié)構(gòu) 微網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，以靠近分散型資源或用戶的小型電站為主，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)。微網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分

2、，能實現(xiàn)內(nèi)部電源和負荷的一體化運行，并通過和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，可平滑接入主網(wǎng)或獨立自治運行，充分滿足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求1。簡單了說，微網(wǎng)就是包含分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷等的分布式發(fā)電系統(tǒng)。微網(wǎng)的分布式電源主要包括小規(guī)模的風電、光伏、CHP、生物質(zhì)、水電等，電能儲存包括（儲能電池、飛輪、超級電容器、壓縮空氣等等）和熱能儲存（可實現(xiàn)CHP熱-電解耦，可改變負荷曲線形狀等）等系統(tǒng)。 圖1-1 微電網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)主要工作在配電網(wǎng)的中低壓側(cè)，其優(yōu)點是接入方便和運行簡單，缺點主要是：系統(tǒng)故障退出運行、間歇性影響周邊用戶、能源綜合優(yōu)化困難、對電網(wǎng)運行調(diào)度提出了挑戰(zhàn)。正是這些缺點成

3、為制約了微電網(wǎng)的發(fā)展。微電網(wǎng)主要有聯(lián)網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行兩種運行模式。聯(lián)網(wǎng)型微電網(wǎng)具有并網(wǎng)和獨立兩種運行模式。在并網(wǎng)工作模式下，一般與中、低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，互為支撐，實現(xiàn)能量的雙向交換。在外部電網(wǎng)故障情況下，可轉(zhuǎn)為獨立運行模式，繼續(xù)為微電網(wǎng)內(nèi)重要負荷供電，提高重要負荷的供電可靠性。通過采取先進的控制策略和控制手段，可保證微電網(wǎng)高電能質(zhì)量供電，也可以實現(xiàn)兩種運行模式的無縫切換2。獨立型微電網(wǎng)不和常規(guī)電網(wǎng)相連接，利用自身的分布式能源滿足微電網(wǎng)內(nèi)負荷的需求。當網(wǎng)內(nèi)存在可再生分布式能源時，常常需要配置儲能系統(tǒng)以保持電源與負荷間的功率平衡，并充分利用可再生能源。這類微電網(wǎng)更加適合在海島、邊遠地區(qū)等地為用戶

4、供電。我國微網(wǎng)研究起步較晚，尚處于理論研究和實驗階段，與世界先進水平還有差距。但由于我國可再生能源豐富，且光伏發(fā)電、風力發(fā)電等分布式發(fā)電技術(shù)已去的一定研究成果，為微網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。國家對微網(wǎng)的研究及建設(shè)大力支持，在863及973計劃中均有相關(guān)的基礎(chǔ)項目。國內(nèi)許多高校及科研院所積極開展微網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。在微電網(wǎng)的控制策略、儲能技術(shù)、電力電子技術(shù)等方面取得一定進展，并對微電網(wǎng)控制，保護及能量管理等進行研究和實驗。為實現(xiàn)多分布式電源的接入和保障用戶高效可靠供電，可以將微網(wǎng)劃分為多個計劃性的子微網(wǎng)。南方電網(wǎng)公司的云電科技園的智能電網(wǎng)工程建立了一種包含2個子微網(wǎng)的微網(wǎng)系統(tǒng)，并且具有并聯(lián)和串聯(lián)2種運

5、行結(jié)構(gòu)，可以在不同運行狀態(tài)間切換。該微網(wǎng)系統(tǒng)采用分層控制，在中央控制器的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)多子微網(wǎng)系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線功率控制和模式切換。圖1-2 微電網(wǎng)拓撲圖微網(wǎng)作為電網(wǎng)的有益補充和分布式發(fā)電的高效利用形式，微網(wǎng)在可再生能源大規(guī)模利用，環(huán)境質(zhì)量改善，電網(wǎng)安全性提高和節(jié)約建設(shè)投資等方面具有重要作用，必將成為未來電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。鑒于我國的能源短缺，環(huán)境壓力大的國情現(xiàn)狀，開展微網(wǎng)的研究意義重大。2.微網(wǎng)控制的關(guān)鍵技術(shù)在微電網(wǎng)研究領(lǐng)域，最為關(guān)鍵的技術(shù)是微電網(wǎng)的運行控制。微電網(wǎng)控制的基本要求是3 ：任一微電源的接入，不對既有的微電網(wǎng)系統(tǒng)造成明顯影響；能夠協(xié)調(diào)微電網(wǎng)的發(fā)電出力與負荷，自主選擇運行點；能夠穩(wěn)

6、定地在并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種模式下運行，并在兩種模式之間平滑切換；可以對有功、無功進行獨立控制；具有自主校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。目前，已經(jīng)形成三類經(jīng)典的微電網(wǎng)控制方法：第一，基于電力電子技術(shù)“即插即用”和“對等”概念的控制方法4。該方法根據(jù)發(fā)電機的下垂特性將不平衡功率動態(tài)分配給各機組承擔，具有簡單、可靠、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。第二， 基于能量管理系統(tǒng)的控制5。該方法采用不同的控制模塊分別對有功和無功進行控制，很好地滿足了微電網(wǎng)的多種控制要求。第三，基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制。該方法將計算機領(lǐng)域的多代理技術(shù)應用到微電網(wǎng)，代理的自治性、自發(fā)性等特點能夠很好地適應和滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。由于微電網(wǎng)有并

7、網(wǎng)和孤網(wǎng)運行兩種模式，控制方法和策略也不盡相同。2.1并網(wǎng)運行模式下的控制并網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)通過公共并網(wǎng)點與大電網(wǎng)相連，一般采用傳統(tǒng)的PQ控制方法，按固定聯(lián)絡(luò)線功率交換計劃進行有功控制，而調(diào)頻則一般由大電網(wǎng)承擔。同時，微電網(wǎng)必須具有局部的無功電壓控制能力，秉承無功就地平衡的基本原則，盡量減少微電網(wǎng)各電源之間以及微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的無功功率交換，防止引起電壓越限或振蕩。2.2孤網(wǎng)運行模式下的控制下垂控制下垂特性源于交流電源到母線的功率傳輸特性，電源的有功和無功分別與其輸出電壓的相位和幅值相對應，因而可以通過測量計算電源的有功和無功功率，來得到頻率和電壓的參考值，反過來通過調(diào)節(jié)頻率和電壓來控制有

8、功和無功。所謂下垂控制，就是由被簡化為逆變電源的各個分布式電源，分別檢測自身的輸出功率，通過下垂特性獲得各自的頻率和電壓指令值，然后各自反向微調(diào)其輸出電壓的相位和幅值，最終達到系統(tǒng)有功平衡和無功合理分布的目標。此種控制方法的優(yōu)點是分布式電源之間不需要交互信息，實現(xiàn)控制的成本低、代價小。在孤網(wǎng)運行模式下，這種方法的最大缺點是沒有考慮頻率恢復問題，某些情況下可能導致微電網(wǎng)的頻率始終“懸浮”在非額定值附近，電能質(zhì)量較差。其次，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行模式向孤網(wǎng)運行模式切換期間，必須及時準確地把握切換控制策略的時機，否則可能導致孤網(wǎng)崩潰。文獻6進一步改進了下垂控制方法，主要思想是根據(jù)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行模式分別給

9、出有功和無功給定值。并網(wǎng)運行時，下垂控制的逆變電源就給出孤網(wǎng)運行時的功率給定值，其優(yōu)點是在運行模式切換時，有關(guān)分布式電源不需要變換控制策略，缺點是可能引起無功振蕩、難以協(xié)調(diào)常規(guī)的帶調(diào)速器的發(fā)電機組。文獻7將逆變電源等效為同步發(fā)電機，并按照同步發(fā)電機數(shù)學建模方法構(gòu)造逆變電源的數(shù)學模型，這樣一來，經(jīng)典的發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程和定子電壓方程可運用于逆變電源控制。然而，由于逆變電源沒有旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，與同步發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別，方法先天就有較大的誤差和缺陷。 單主和多主控制單主和多主控制是基于下垂控制策略提出的一種微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行控制手段，它可以由一個或多個分布式電源提供參考電壓和頻率。在并網(wǎng)運行模式下，

10、分布式電源均采用PQ控制，當因某種原因?qū)е挛㈦娋W(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運行模式時，某一或某些分布式電源將由PQ控制轉(zhuǎn)為下垂控制，來支撐微電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和頻率，并通過功率跟隨特性實現(xiàn)有功、無功平衡。當微電網(wǎng)再次并網(wǎng)時，微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓可保持在孤網(wǎng)前的狀態(tài)，通過鎖相環(huán)節(jié)的控制，確保微電網(wǎng)與大電網(wǎng)頻率和電壓一致，減輕暫態(tài)過程波動。圖2-1 PQ控制結(jié)構(gòu)圖單主控制方法使孤網(wǎng)運行時微電網(wǎng)的穩(wěn)定性完全取決于參考單元能否正常運行，對其依賴度較高，可靠性差，而多主控制方法則因通過多個分布式電源提供控制而具有較高的可靠性。另外，單主或多主控制方法對提供參考電壓和頻率的電源的旋轉(zhuǎn)備用容量要求較高，孤網(wǎng)情況下應能承擔并網(wǎng)運

11、行時由大電網(wǎng)注入的全部功率，否則必須輔以必要的需求側(cè)管理措施。 多代理控制多代理(multiagent)控制是通過多代理技術(shù)把PQ控制方法應用到微電網(wǎng)的綜合控制中。多代理系統(tǒng)是一種能夠靈活感知并響應工作條件變化和周圍環(huán)境需求的智能系統(tǒng)。多代理系統(tǒng)的基本單元是代理(agent)，代理之間通過協(xié)商、協(xié)調(diào)和協(xié)作，可以與其所處環(huán)境的互動。按照微電網(wǎng)的構(gòu)成元件劃分，多代理控制中的代理，可以具體分為4種：負荷代理、分布式電源代理、局部控制代理和微電網(wǎng)總控制代理。其中，微電網(wǎng)總控制代理是整個多代理系統(tǒng)的核心，主要作用是收集各個局部控制代理的信息并向其下達控制指令。 圖2-2 V/f控制的分布式發(fā)電單元示意圖

12、a)負荷代理。負荷代理的主要任務是監(jiān)測用戶信息并向用戶反饋電網(wǎng)實時情況，指導用戶根據(jù)自己的需求或者按照局部控制代理的負荷控制指令控制負荷。b)分布式電源代理。分布式電源代理負責管理分布式能源(風能、光伏陣列、微型燃氣輪機等)的額定容量、可調(diào)出力、可調(diào)電量、成本費用及檢修計劃等信息，向局部控制代理提供信息并執(zhí)行局部控制代理的電源控制指令。c)局部控制代理。在每條饋線上都有一個局部控制代理，它與所轄各個分布式電源代理和負荷代理交換信息，控制該條饋線上的功率和負荷，并向總控制代理報告信息。局部控制代理的控制策略主要有：定功率(PQ)控制，電壓頻率(Vf)控制，以及直流側(cè)穩(wěn)壓控制。d)總控制代理?？偪?/p>

13、制代理與各個下級局控制代理交換信息，并綜合價格、天氣狀況、用戶側(cè)需求、可調(diào)出力等綜合因素，對整個微電網(wǎng)進行控制?？偪刂拼砟軌蛟诜€(wěn)定系統(tǒng)運行的同時進行經(jīng)濟調(diào)度，并把經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果下達給各個局部控制代理，進而由局部控制代理具體控制所轄的分布式電源代理和負荷代理，達到整個微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的目標。市場交易和能量管理等方面，微電網(wǎng)不同代理之間的有功、無功功率及負荷的協(xié)調(diào)控制策略還有待于進一步研究。圖2-3 功率控制器結(jié)構(gòu)框圖文獻8采用多代理技術(shù)控制微電網(wǎng)，由于代理具有自治性、反應能力、自發(fā)行為等多種優(yōu)良特性，從而能夠很好地滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。但是，多代理技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用大多集中在市

14、場交易和能量管理等方面，微電網(wǎng)不同代理之間的有功、無功功率及負荷的協(xié)調(diào)控制策略還有待于進一步研究。3.結(jié)語 本文簡單的介紹了微電網(wǎng)的產(chǎn)生背景，定義及基本結(jié)構(gòu)，并對微電網(wǎng)運行控制的三種關(guān)鍵技術(shù)做了綜述。文獻7提出了基于能量管理系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制方法，也能很好滿足微電網(wǎng)的多種控制要求。從微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應用角度看，當前的研究工作重點集中在4 個方面8：1）微電網(wǎng)運行特性及其對所接入配電系統(tǒng)的影響；2）微電網(wǎng)及其所接入配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計；3）微電網(wǎng)運行控制與保護；4）微電網(wǎng)仿真分析與能量管理。這些問題的解決直接關(guān)系著微電網(wǎng)建設(shè)與運行的經(jīng)濟性和可靠性。而文中提出的諸控制方法9-13能夠較好的解決控制中

15、存在的問題。微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的一個重要組成部分，以其能源形式的多元化、并網(wǎng)接口的柔性化、電能質(zhì)量的定制化、能量信息流的雙重化等典型特征，必將在未來電網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用14。參考文獻1 王成山.微電網(wǎng)專題介紹.電機工程學報，2012,32（25）.2 魯宗相，王彩霞，閔勇，等微電網(wǎng)研究綜述J電力系統(tǒng)自動化，2007,31(19)：100107.3 Lasseter R，Akhil A，Mamay C，et a1Integration of distributed energy resourses：the CERTS mierogrid conceptEBOL200704014 Mauricio

16、 Cespedes. Adaptive Control of Grid-Connected Inverters Based on Online Grid Impedance Measurements.IEEE,2012,5(2):516-523.5 Qing-Chang Zhong. Cascaded CurrentVoltage Control to Improve the Power Quality for a Grid-Connected Inverter With a Local Load.IEEE,2013,60(4):1344-13566 紀明偉，張興，楊淑英基于電壓源逆變器的微電網(wǎng)控制策略J合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2009，32(11)：167816827 吳蓓蓓，蘇建徽，張軍軍，等用于微電網(wǎng)孤島運行的逆變電源控制方法.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23(1)：1-58 吳志，顧偉孤島方式下基于多代理系統(tǒng)的微電網(wǎng)有功一頻率控制J電力自動化設(shè)備，2009，29(11)：57619 王成山等. 風光柴儲孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制策略設(shè)計.電力系統(tǒng)自動化,2012,36(15):19-24.10 王成山，肖朝霞