微電網(wǎng)控制研究綜述

范柱烽，解東光，趙川，仲崇飛，崔仕偉

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.中國(guó)水利電力物資有限公司，北京 100040)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求迅速增長(zhǎng)，電力部門大多把投資集中在火電、水電以及核電等大型集中電源和超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)的建設(shè)上。但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現(xiàn)，成本高，運(yùn)行難度大，難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求[1－4]。

分布式發(fā)電作為集中式發(fā)電的有效補(bǔ)充，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點(diǎn)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效解決大型集中電網(wǎng)的許多潛在問題，同時(shí)也可改善環(huán)境污染，緩解能源危機(jī)。但是分布式電源并網(wǎng)后容易引起電壓波動(dòng)和電壓閃變，尤其是當(dāng)大容量分布式電源并入中低壓配電網(wǎng)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的功率平衡，保證供電可靠性和電能質(zhì)量較為困難[5－8]。

為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源的矛盾，學(xué)者又提出了微電網(wǎng)的概念。

微網(wǎng)是分布式發(fā)電的一種重要應(yīng)用形式。國(guó)際上尚無關(guān)于微網(wǎng)的統(tǒng)一定義，可理解為:微網(wǎng)是一個(gè)包含分布式電源、可控負(fù)載和儲(chǔ)能單元的向?yàn)楸镜貐^(qū)提供能源的系統(tǒng)。微電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)單點(diǎn)接入大電網(wǎng)，可以降低大量小功率分布式電源接入后對(duì)系統(tǒng)的沖擊，提高分布式發(fā)電的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量。微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)可以分為并網(wǎng)模式、孤島模式和過渡暫態(tài)狀態(tài)。在并網(wǎng)模式下微網(wǎng)運(yùn)行由電網(wǎng)控制，在電網(wǎng)不能提供滿足用戶需求的電能時(shí)，靜態(tài)開關(guān)斷開，微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行，其運(yùn)行由微網(wǎng)控制器自動(dòng)控制。

2 逆變器控制方法

為了更簡(jiǎn)單的控制分布式電源接口逆變器，使不同類型分布式電源形成微網(wǎng)，一種常見的方法是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制器使分布式電源的接口逆變器按照下垂特性曲線運(yùn)行。目前常用的運(yùn)行控制方法主要有PQ控制、V/F控制、下垂控制[9－11]。

2.1 恒功率控制

恒功率控制也稱PQ控制。簡(jiǎn)單來說就是分布式電源的輸出功率維持其參考功率恒定的功率輸出。采用PQ控制的分布式電源需要有維持電壓和頻率穩(wěn)定的單元為為其提供頻率和電壓支持。在聯(lián)網(wǎng)時(shí)由大電網(wǎng)來維持系統(tǒng)電壓和頻率，在孤網(wǎng)時(shí)則由主控單元來維持。實(shí)際上PQ控制器功能的實(shí)現(xiàn)在于通過電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)調(diào)節(jié)逆變器端的輸出電壓從而調(diào)節(jié)線路電流，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。其控制框圖如圖1所示。

圖1 PQ控制結(jié)構(gòu)框圖

將有功功率和無功功率根據(jù)進(jìn)行解耦，得到輸出功率達(dá)到參考值時(shí)所需要的電感電流參考值。與實(shí)際測(cè)得的電感電流相比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)過瞬時(shí)電流環(huán)PI控制器作為逆變橋調(diào)制電壓信號(hào)。采用誤差信號(hào)作為PI控制器的輸入可使穩(wěn)態(tài)誤差為0，系統(tǒng)中輸出電壓前饋量u的引入，以及電感解耦電壓WLI的引入，減輕了PI控制器的負(fù)擔(dān)，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了逆變器帶非線性負(fù)載的能力。逆變橋調(diào)制電壓信號(hào)在電壓空間矢量 SVPWM控制技術(shù)的調(diào)節(jié)下，輸出額定正弦電壓，這個(gè)電壓即為輸出功率達(dá)到參考值所需逆變器輸出電壓。同時(shí)利用鎖相環(huán)技術(shù)，使PQ控制的DG獲得頻率的支撐。

2.2 恒壓恒頻控制

恒壓恒頻控制也稱V/F控制。V/F控制的目標(biāo)是維持電壓以及頻率的恒定。采用該控制方法的主分布式電源相當(dāng)于無窮大母線，微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷變化的需求都由它滿足。因此采用此種控制方法的電源必須是大容量的儲(chǔ)能裝置或著是配備儲(chǔ)能裝置的分布式電源。

V/F控制框圖如圖2所示。

圖2 V/F控制結(jié)構(gòu)框圖

V/F控制通過設(shè)定參考電壓和參考頻率，并與測(cè)量的實(shí)際電壓，頻率相比較得到的誤差信號(hào)經(jīng)過PI控制器作為逆變器電壓輸出信號(hào)。采用誤差信號(hào)作為PI控制的輸入保證穩(wěn)態(tài)誤差為零。

2.3 下垂控制

下垂特性曲線如圖3所示。下垂控制是根據(jù)逆變電源輸出的有功功率和頻率呈線性關(guān)系，無功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理進(jìn)行控制。下垂控制實(shí)際上是控制逆變器模擬一次調(diào)頻的過程。通過下垂控制計(jì)算出逆變器調(diào)制電壓與頻率。

圖3 下垂特性曲線

3 微電網(wǎng)的控制策略

分布式電源的類型及并網(wǎng)控制的目的不同，其并網(wǎng)逆變器也需要采取不同的控制策略，這種控制策略的不同主要體現(xiàn)在對(duì)逆變器的控制方法上。目前常用的運(yùn)行控制策略分為基于多代理技術(shù)的控制、主從控制、下垂控制等。

3.1 基于多代理技術(shù)的控制

該方法是將基于PQ恒功率控制策略的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)的綜合控制中，通過微電網(wǎng)控制中心(Microgrid Control Center)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和市場(chǎng)化運(yùn)行。代理的自治性、響應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)正好滿足微電網(wǎng)分散控制的需要，提供了一個(gè)能夠其嵌入各種控制切無需管理者經(jīng)常參與的系統(tǒng)。以典型的AEN(Autonomous Electricity Networks)的三級(jí)控制結(jié)構(gòu)為例，一級(jí)保證微電網(wǎng)可靠運(yùn)行，從而滿足供需平衡;二級(jí)優(yōu)化電能質(zhì)量并減少電壓‘頻率波動(dòng);三級(jí)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，即邊際成本等值優(yōu)化。但是目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的應(yīng)用多集中于對(duì)微電網(wǎng)中頻率，電壓等進(jìn)行控制的層面。要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的控制發(fā)揮更大的作用，還需大量的研究工作。

文獻(xiàn)[12]提出一種2層的多代理控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微源和負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制并維持母線電壓的穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[13]提出了一種基于多代理系統(tǒng) (Multiple Agent System，MAS)的含多微網(wǎng)電力系統(tǒng)調(diào)度模式，將微網(wǎng)視為整體需求響應(yīng)的形式參與電網(wǎng)調(diào)度。

文獻(xiàn)[14]建立了一個(gè)由全系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)代理、微網(wǎng)控制代理、分布式電源代理以及母線代理組成的多代理系統(tǒng)，在保證配電網(wǎng)輻射狀運(yùn)行、滿足配電網(wǎng)電壓與電流及饋線容量等約束條件的情況下進(jìn)行供電恢復(fù)。

3.2 主從控制

主從控制，即對(duì)各微電源采取不同的控制方法，將PQ控制和V/f控制結(jié)合起來，從而使各DG具有不同的職能。當(dāng)微網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)可以穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率，微網(wǎng)不需要進(jìn)行頻率調(diào)節(jié);而孤島模式運(yùn)行時(shí)，主從控制系統(tǒng)中的主控制單元需要維持系統(tǒng)的頻率和電壓。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)中所有分布式電源采用PQ控制，即微網(wǎng)不參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，只輸出指定的有功和無功功率;在孤島運(yùn)行時(shí)主單元采用 V/f控制維持系統(tǒng)的電壓和頻率恒定。

文獻(xiàn)[15－17]通過對(duì)不同微網(wǎng)模型的孤島運(yùn)行模式和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式之間切換、孤島模式下切/增負(fù)荷以及微網(wǎng)內(nèi)某一電源功率變化3種情況下的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，獲得了微網(wǎng)中相應(yīng)分布式電源的功率、電壓、電流及系統(tǒng)頻率的變化規(guī)律，證明了主從控制策略的正確性和有效性。

3.3 對(duì)等控制

對(duì)等控制顧名思義每個(gè)分布式有相同的地位，沒有主輔之分。而且對(duì)等控制在能量平衡的條件下，微網(wǎng)接入或斷開電源時(shí)不需要更改微網(wǎng)中其他單元的設(shè)置。讓微網(wǎng)具有“即插即用”的功能。采用對(duì)等控制策略，不同分布式電源間沒有通信聯(lián)系。提高了微網(wǎng)的可靠性以及降低系統(tǒng)成本。一般在應(yīng)用時(shí)，將下垂特性與V/F控制結(jié)合起來使用。利用下垂特性的V/f控制，來實(shí)現(xiàn)低壓微網(wǎng)孤島下不同微源間變化功率的共享，同時(shí)為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。鑒于以上這些優(yōu)勢(shì)，下垂控制方法顯示了良好的發(fā)展前途。

傳統(tǒng)的下垂控制一般采用電壓幅值頻率下垂法[18]進(jìn)行控制。

文獻(xiàn)[19]提出采用相角作為測(cè)量參數(shù)，電壓—相角下垂控制較電壓—頻率下垂控制可以提供更好的頻率支撐。

文獻(xiàn)[20]針對(duì)在低壓配電系統(tǒng)中，線路電阻大于電感，下垂特性功率不能有效傳遞。提出虛擬阻抗的概念，并設(shè)計(jì)控制器參數(shù)使等效逆變器輸出阻抗為感性阻抗。

文獻(xiàn)[21]提出對(duì)傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)基于下垂控制的間接恒功率控制方式。避免微網(wǎng)運(yùn)行模式變化時(shí)控制策略的切換，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換的平滑過渡。

文獻(xiàn)[22]提出將分布式電源逆變器等效輸出阻抗設(shè)計(jì)成容性以體現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無功電壓調(diào)整過程相逆的電源特性，使得分布式電源逆變器更容易參與公共連接點(diǎn)處的電壓調(diào)整。

文獻(xiàn)[23]提出在傳統(tǒng)下垂控制法中額外加入瞬態(tài)下垂環(huán)節(jié)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)下垂控制動(dòng)態(tài)性能不佳的缺陷。

文獻(xiàn)[24]提出在傳統(tǒng)的下垂方程加入微分環(huán)節(jié)補(bǔ)償功率計(jì)算帶來的控制滯后。

4 總結(jié)

本文系統(tǒng)總結(jié)了微電網(wǎng)控制中的恒功率、恒壓恒頻、下垂三種控制方法以及多代理控制、主從控制、對(duì)等控制三種控制策略。在微電網(wǎng)技術(shù)不斷得到人們重視的今天，微電網(wǎng)控制研究無疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。提高電能質(zhì)量以及系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，加強(qiáng)諧波治理。但也存在許多問題，如何實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分布式電源無縫接入，如何做到在并網(wǎng)與孤網(wǎng)兩種模式下的平滑切換，在按容量比進(jìn)行分配負(fù)荷的情況下并聯(lián)逆變器的環(huán)流問題等。針對(duì)并聯(lián)逆變器的環(huán)流問題，下階段工作將主要研究通過合理設(shè)置虛擬阻抗在減少環(huán)流方面的作用。

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