微網運行狀態控制研究綜述

薛詩語

（華中科技大學電氣與自動化工程學院，湖北 武漢 430074）

微網運行狀態控制研究綜述

薛詩語

（華中科技大學電氣與自動化工程學院，湖北 武漢 430074）

摘要：本文簡單地介紹了微網的形成背景以及基本概念，總結了國內外微網運行控制策略和能量優化方法。簡要講解了微網的運行控制狀態及切換過程，并對幾種典型的策略進行了簡要地概述并分析優缺點。最后做了簡單的總結，提出了目前研究不足之處，也對未來的發展方向進行了展望。

微網運行狀態；研究現狀；控制

1.研究背景

微電網是一種由電源、負荷、儲能裝置和控制裝置組成的系統。微電網即微型電網，微電網中的電源多為分布式電源例如光伏發電組件，相對大電網較不穩定，但已有相對穩定的控制策略。然而，伴隨著光伏發電在電網中滲透率的提高，又出現了電網不穩定性增加、高次諧波增加、無功功率不平衡、微網控制難度增加等問題。因此研究者們提出了多種微網控制來解決面臨的難題。

2.國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

在微網控制中，部分研究者將基本控制方法結合起來，取長補短，實現微網的自主控制。例如，對一個有3個分布式電源的系統，一個分布式電源在并網運行時使用PQ控制然后在孤島狀態使用下垂控制；另外兩個分布式電源在并網和孤島狀態均使用PQ控制。在simulink仿真中可實現并網運行和孤島運行的無縫切換。文獻[3]中，DER系統的引入實現了無功和有功的分別控制，動態地滿足需求，并可以自主地切換自身的狀態。另外，在PCC處引入能量電子轉換器（PET），限制微網中的能量流動，并利用分層控制用電網中頻率的變化來控制微網中活躍的能量產生和消耗來實現小擾動不影響微網頻率，微網中能量驟減時電源輸出及消耗和負載消耗的自主調控以及即使在頻率不同步的情況下的微網運行的無縫切換。

2.2 國內研究現狀

對微電網運行狀態的控制研究，我國也有不少成果。例如部分研究者針對直流微電網中復雜狀況，在孤島運行和并網運行這兩種狀況下劃分出的4種工作模式；通過對各部分的狀態和開關的斷合進行劃分，使工程師能針對性地設計方案并解決問題，將問題簡單化。針對混合系統的微網控制，研究者提出混合系統控制是采集本地電壓和電流信號并進行PQ控制；而當微網孤島運行時，微網控制重點為考察隨機性較強的分布式電源對混合系統控制效果的影響；故可通過微網控制層，將各電源狀態整合并通過采集公共母線狀態進行混合系統的協調控制。周念成教授給出了特定情境下控制微網運行狀態的解決方案。研究者還提出并網時需考慮盡可能降低沖擊電流，故應盡量保證并網前微網電壓幅值低于電網電壓幅值，電網頻率稍高于微網頻率，微網相位滯后于電網。天津大學的綜合微電網實驗室也對聯網到孤島模式切換、孤島到聯網模式切換這兩種暫態情況做了詳細地研究。

3.微網的運行狀態控制

微電網存在多種運行狀態，主要有并網運行和孤島運行。當微網處于并網運行狀態時，功率可以雙向流動，即可從大電網流向微電網，也可從微電網流向大電網；當大電網出現故障時，通過保護動作和解列控制，可使微電網與大電網解列而使微電網變為孤島運行狀態，獨立向其所轄重要負荷供電；在大電網故障消除后，通過并網控制可再次將微電網并入大電網，重新進入并網運行狀態。

微電網并網時一般與中壓或低壓配電系統相并，微網的運行特性既與其內部的分布式電源特性和負荷特性有關，也與其內部的儲能系統的運行特性密切相關；同時還與大電網相互作用，尤其在微網滲透率比較高的情況下（微網中含大量的風力發電和光伏電池），這種相互作用將直接影響到二者的穩定性和可靠性。

微網孤島運行控制需要優先保證微網內重要負荷（敏感負荷）的供電可靠性和供電質量，即當分布式電源所發出的功率不能滿足所有負荷供電需求時，優先切除次要負荷，當微網能量足夠時再重新投入。

在微電網運行狀態方面，主要要考慮并網運行與孤島運行狀態之間的平滑切換以及孤島運行時的微電網的穩定性問題。接下來要介紹微電網的運行控制。

下面簡單介紹兩個典型的微網運行狀態的實例。

3.1 實例1

第一個實例是混合系統的微網運行控制策略，其中的風力發電可以與光伏發電進行類比，并獲得一定的啟示。

圖2　微網控制層次關系和策略示意圖

根據穩定性，可以將控制劃分為負荷控制和本地控制，本地控制用于對多個混合系統進行控制，如圖2所示。

其中PQ控制實現恒有功功率輸出和恒無功功率調節；V/f控制主要應用于獨立運行和孤島狀態下的電壓頻率調節；整流器和逆變器根據系統運行的需要采取PQ控制或V/f控制。

在此基礎上，混合系統根據聯網—孤島狀態和風速等級劃分了6個狀態，如圖3所示。

圖3　混合系統運行狀態的劃分

并根據各個狀態不同的特性來制定對應的控制策略，見表1。

表1　混合系統運行狀態及控制策略

3.2 實例2

首先確定不同運行狀態下微電網系統各元件的控制方式，采用排列組合的方法，列出間歇性電源、儲能裝置、連續型電源、大電網和可中斷負荷是否連接的排列組合，然后根據情況排除不可能的組合，最后留下了12種不同的運行狀態狀態，然后逐一設計策略，見表2。

微電網采用兩級分層的控制結構，將微電網當前的運行狀態和觸發事件作為MGCC的輸入變量，輸出變量則為各元件的控制方式，以實現微網運行狀態按預先制定的轉換方案進行實時調整。其中上層控制的MGCC主要實現功率管理和運行狀態管理的功能。微網狀態關系圖如圖4所示。

轉換觸發事件見表3。

3.3 分析與總結

以上兩個實例均是以PQ控制和頻率電壓控制為基本控制元素結合使用。對不同的運行狀態和環境，制定相應的策略。這兩者的思想可以很好地應用于光伏發電中。如實例1中的風速可以替換為光照強度，實例2中的表3狀態轉換觸發事件。

間歇性電源替換為光伏組件，并根據光伏的特性，選擇合適的MPPT算法。兩者對解列和并網的判斷均是根據IEEE1547國際標準規定，當微網存在干擾或者大電網出現故障時，密切觀察系統公共連接點PCC（point of common coupling）的電壓和頻率，在兩者超過規定幅值或未超過但異常時間較長時，斷開系統公共連接點PCC即解列，微電網轉入孤島運行狀態。

圖4　微網狀態轉換圖

表2　不同狀態下微網系統各元件的控制方式

表3　狀態轉換觸發事件

不同的是，實例2更加依賴于儲能的作用，且狀態的劃分不是簡單地根據微網的運行狀態和間歇性電源的出力程度來劃分狀態，而是根據每個元件的狀態進行劃分并簡化。此外實例2中對運行狀態的觸發事件做了詳細地分類，并逐一制定對策，不是單純地只關注解列和并網。

4.總結與展望

大電網和微電網有時會面臨不穩定和故障狀態，因而發生解列，使微電網從并網運行狀態到孤島狀態，為使系統維持穩定并盡量減小影響，希望此過程能平滑進行，因此也產生了相應地研究。在孤島運行狀態相對穩定后，要保證孤島時微電網能較好地運行下去，系統控制與能量管理顯得尤為重要。當系統穩定且大電網的故障解除后，在適當條件下可以進行同期并網，讓微電網回到并網運行狀態。

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