微電網孤立與重連的控制策略綜述

何世雄　袁三男　田梁玉

摘 要：在集中式大電網的發展遇到瓶頸的背景下，微電網的研究得到了廣泛的關注。目前微電網的研究熱點在于微電網的運行控制策略和經濟性評估2個方面，該文目的在于闡述微電網的運行控制策略，即實現微電網的運行方式的無縫切換。論文重點討論并網模式的控制策略、孤島模式的控制策略，最后結合當前并、離網控制策略的優缺點對進一步的發展研究進行展望。

關鍵詞：微電網；控制策略；無縫切換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.159

傳統的大電網具有較長的建設周期、復雜的網絡結構、資源的不合理浪費和環境造成的污染等缺點，已經成為人們關注的焦點，為了解決這些問題，人們將關注點轉移到了小型的微電網[1-2]。微電網能夠提供對于整合大量分布式電源應用到電網并提供了可靠的電力到關鍵負載的最有前途的手段。微電網連接了分布式電源和負載，相對于輸電網來說是一個可控的單一實體。微電網可以并網運行也可以脫網運行，最引人注目的特征是在突發狀況時可以孤立自身，在大電網檢修或者電能質量下降時它也會選擇性的斷開，一旦電網恢復正常工作，微電網又可以在沒有中斷的情況下連接到大電網。提供了更高的穩定性，能源的安全性和保證性，并對重要重要的系統效率的改善方面打開了通道。近年來，歐美等發達國家基于各國電力系統的實際現狀提出了相應的微電網概念和發展目標，開展了相關的微電網示范工程項目的研究，對相關的概念進行了驗證、控制策略進行了測試及運行特征的研究并取得了一定的成果。我國微電網起步雖晚一些，但國家能源局已明確提出加快推進新能源微電網示范工程建設，探索適應新能源發展的微電網技術及運營管理體制。微電網的控制方面關注點主要有：保持穩定、調節電壓和頻率、適當的有功和無功負載分擔以及更快更容易的實現孤立和重連。微電網孤立和重連的難點在于不同的運行模式下微電源的運行狀態發生了變化，對微電網的電壓和頻率造成了一定程度的波動影響。

本文針對近年來微電網孤立和重連的控制策略的新方案和新進展，對并網模式的控制策略與孤島模式的控制策略等2個方向進行綜述，并結合未來微電網的發展進行展望。

1 并網模式的控制策略

微電網中的分布式電源一般可分為連續型微電源和非連續型微電源。非連續型微電源主要包括風力發電和光伏發電等間歇性的新能源，連續型微電源有微型燃氣輪機等用于控制功率的能源。風力發電容易受風力的影響，光伏發電容易受陽光的影響，這種清潔新電源受天氣和環境的影響較大，通常采用最大功率跟蹤法。微型燃氣輪機是以可燃性氣體或液體為燃料的能同時產生電能和熱能，控制方法較為靈活，通常采用恒功率控制或恒壓恒頻控制。

并網運行模式是指微電網與大電網互聯，微電網與大電網同電壓、同頻率，兩者之間存在功率交換。工作模式可以理解為當負荷比重較大，微電網滿足不了發電需求時，由大電網提供額外的電能；而負荷比重較小、微電網有多余發電量時，微電網可以將多余的電反饋到大電網。當微電網獨立于大電網這個主網時，微電網就是小型的供電系統，它能調控和監測小單元內的負荷用戶的需求。基于主從結構的微電網在并網時通常采用PQ控制策略，可以保證恒功率的輸出，缺點是不能保證電壓和頻率的穩定。采用PQ控制的微電網主逆變器通常以單電流環結構運行，其控制原理為：給定的功率值與實測的功率值做偏差，通過PI控制器的調節輸出電流的參考值，從而得出各分布式電源的恒定功率輸出值。考慮到控制的難易程度以及功率的最大化利用，風力發電、光伏發電[3-7]等間歇性電源通常采用PQ控制。

PQ控制可以輸出有功和無功的參考值，但此控制方式下的控制器不能保證微電網電壓和頻率的穩定，當微網系統內的負荷發生變化時，會引起電壓和頻率的波動，并影響大電網的穩定性。由于并網時各分布式微電源連接在大電網上，因此可以直接采用大電網的電壓和頻率作為基準。

PQ控制器的原理圖如圖1所示：

三相電壓源型逆變器輸出的三相電壓和三相電流進行Park變換，轉換成dq軸的電壓分量以及電流分量。通過功率計算可得到有功功率和無功功率的實測值，將功率給定值和實測值做偏差運算，將其偏差通過比例積分（PI）控制后得出相應的電流分量的參考值，并與dq軸實測的電流值相減然后進行無靜差控制調節，引入PCC電壓前饋補償，并考慮到耦合分量的解耦，得到逆變器的dq軸的參考電壓分量。參考電壓經過反Park變換和SPWM調制，可以獲得正旋調制信號，再將其輸送到三相電壓源型逆變器，從而實現PQ解耦的恒功率控制。

2 孤島模式的控制策略

在微電網脫離主網孤立運行時，微電網就是一個完全獨立的體系，因此電壓和頻率就需要由電壓源來提供。輸出功率恒定的燃氣輪機、功率密度高的超級電容器、能量密度大的蓄電池等可加以控制的電源、儲能設備[8-11]在孤島運行模式時一般通過恒壓恒頻（V/f） 控制，來保證電壓和頻率的穩定。

V/f控制是由下垂控制演變而來的，下垂控制[12-14]是根據微電網的控制目標，選擇與傳統發電機相似的下垂特性曲線來模擬各分布式電源的逆變器控制方式，即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取恒定的電壓和頻率，下垂控制通常是在微電網采取對等控制結構時各逆變器采取的一種控制策略，采用下垂控制策略時無需分布式電源之間的信息聯絡就可以確保微電網在孤島運行時電壓和頻率的穩定，逆變器利用下垂特性工作時的方程如式（4）所示：

控制原理圖如圖2所示：

分布式電源逆變器進行恒壓恒頻控制的目的是無論這些微電源的輸出功率如何變化，其輸出電壓的幅值和頻率的變化均要在可允許的范圍內（一般規定電壓偏差，為額定電壓；頻率偏差），確保微電網系統的正常運行。基于主從控制的逆變器在微電網孤立運行時通常采用V/f控制來保證系統所需要維持的電壓和頻率的穩定，V/f控制是確保微電網的輸出電壓和頻率跟隨系統的預設值，采用電壓電流雙閉環控制運行，外環通常用于內環需要的電壓、電流參考信號，內環通過這些信號再產生電壓源所需要的電壓，經過矢量控制反饋到逆變器中。其控制結構圖如圖3所示：endprint

3 微電網無縫切換控制策略

微電網從并網運行狀態轉換到孤島運行狀態或者從孤島運行狀態轉換到并網運行狀態時，存在縫隙時間，這段時間由于狀態的突發改變會導致頻率和電壓發生波動，波動對電網會造成一定程度的影響，因此學者們提出了無縫切換的控制策略，以保證微電網頻率和電壓的穩定，避免波動對電網造成影響。文獻[15]-[17]針對微網的孤島模式進行了研究，文獻[18]將系統并網與離網運行模式結合在一起設計基于直流母線電壓信息的協調自治控制方案，根據當前直流母線電壓實現并網、離網運行的無縫切換。文獻[19]提出了一種基于頻率電壓分區控制的微電網運行控制策略來實現孤島型微電網的穩定運行。文獻[20]提出一種雙向AC-DC切換控制方法來研究微電網的穩定性。文獻[21]提出基于主從結構的控制策略，利用并網預同步算法減小電流沖擊來穩定微電網的切換運行。文獻[22]提出了一種基于PQ控制器初始輸出狀態對V/f控制器輸出狀態同步跟隨的平滑切換方法。文獻[23]-[27]針對微電網的切換過程進行了研究，文獻[24]提出了微電網的拓撲結構，通過對控制算法的改進來實現了交直流微電網的平滑切換，文獻[25]通過對下垂控制和V/f控制的切換來實現微電網的平滑轉換。文獻[26]提出了改進的并/離網下垂但模式切換方法，并在切換前對逆變器功率輸出進行調整，實現并/離網平滑無縫切換。文獻[28]-[30]利用功率—頻率—電壓的變化來檢測微電網的穩定程度，并采取相應的控制策略來實現微電網切換過程的穩定。文獻[31]介紹了模糊控制與下垂控制的結合控制策略。文獻[32]提出了完全分布式的多代理系統控制方法。文獻[33]-[34]針對直流微電網，分別提出了直流母線信號控制策略與含負荷功率自動分配的協調控制策略。文獻[35]提出了虛擬子微電網穩定控制策略。

3.1 并網轉為孤島模式的平滑切換控制策略

當微電網從并網運行模式向孤島運行模式切換時，存在兩種情況，即自由切換和非自由切換。自由切換主要是出于運行或檢修的需要，微電網管理中心根據相應的需求提前做好切換準備，并選擇適宜的時機進行切換，以確保切換能夠平穩的進行；非自由切換主要由電網故障或其他異常情況引起的，通過檢測大電網側電壓，如果滿足并網要求則繼續檢測，如果大電網側發生故障或異常，則微電網便會斷開PCC點處靜態開關，進入孤島運行[36]。

自由切換時的控制策略為：當微電網中心控制器發出切換指令時，首先對儲能裝置進行充電，保證儲能設備有一定的容量，若連接在微電網的所有負載所需要的功率大于所有分布式能源提供的滿功率的8層，此時保留重要負載，而將非重要負載有選擇性的暫時切離，通過對所有分布式能源的出力進行控制使其達到當前能輸出的滿功率的8層，通過對脫網前負載功率的控制使其達到與分布式能源所發的功率基本等同，分布式能源另外的2層發電功率分配在孤島時的功率控制。若負載所需的功率總和還不到分布式能源所發功率的8層，則控制分布式能源的輸出，滿足于負載所需功率即可。將儲能裝置的模式切換成V/f控制策略，通過狀態跟蹤器，使孤島模式運行時的狀態分量同步到并網時刻運行的狀態量，而后通過切出靜態開關，使微網轉變為孤立的運行體系，從而實現微電網由并網轉為孤島運行。

非自由切換時的控制策略即應對主網突發狀況時主逆變器采取的控制策略，這種非常規情況下的突發事件有時會造成極大的影響，因此很有必要對此作出研究。文獻[25]研究了應對電網突發狀況的非計劃性孤島，通過對故障的檢測，分段開關檢測到并作出相應的控制指令，使并網狀態平滑的切換到孤立狀態，當故障消除，恢復電網正常運行時，再通過并網預同步的操作，使微網實現重連。對于切換時間的要求通常要小于10毫秒。

3.2 孤島轉為并網模式的平滑切換控制策略

微網在孤島運行時，所需的電壓和頻率都是由電壓源提供的，因此當微網重新連接到主網工作時，必須將電壓和頻率進行調整，即預同步處理。在預同步階段有了改進的相位控制方法和微網鎖相環控制等處理方法，當電壓幅值和頻率的偏差在一定的范圍內符合并網的運行條件，就可以將運行模式切換成并網時的控制策略，同時接通靜態開關，使微網重新接入主網。并網時的難點就是預同步處理，如何控制微電網的輸出電壓使其頻率和相位達到主網的允許誤差范圍要求。

3.2.1 改進的相位控制

傳統的相位控制法在并網轉孤島狀態時，主逆變器的相角來源發生了變化，即并網時相角來自主網，孤島時相角來自于控制器，因此這種相角的狀態就不統一，有可能引起相位的躍變；其次，進行預同步操作時，主逆變器的參考電壓相角和主網電壓的相角并不同步，存在一定的偏差，在進行PI調節時，不能解決頻率的增量問題。改進后的相位控制法，在原有結構的基礎上，通過構造2個包含主網電壓相角和主逆變器參考電壓相角的變量，使其等式平衡為零，同時構造一個帶有閉環反饋的PI控制環節。當等式為零時，主網電壓相角和主逆變器的參考電壓相角處在同一狀態，同時由于閉環的控制環節，消除了頻率的增量，從而達到并網所需的條件，實現孤島到并網的轉換。

3.2.2 微網鎖相環的控制

采用微網鎖相環結構的預同步處理措施一般分為三步控制方案：首先是電網電壓的動態監測，在微網與主網并聯運行時，由于微網的電壓和頻率都是以主網為基準的，因此就需要一個監測器對主網實時跟蹤來確保微網和主網相位的信息；其次是微網孤立于主網獨立運行時，需要對相位進行鎖定，以確保電壓的角度不會發生變化，并保證頻率的平穩運行；最后是微網重新連接到主網，通過監測器得到主網的電壓和頻率的信息，然后微網的對頻率和電壓做一定的補償，當兩者的條件都符合并網條件時，就可以使微網重新接入到主網并網運行。

4 討論與展望

隨著大電網的弊端日益突出，微電網的靈活性突顯，大電網與微電網的協同運行將成為發展趨勢，對于大電網和微電網之間的運行切換要求也越來越高：endprint

（1）微電網要能實現被動切換的無縫連接。對于非計劃性故障，如何通過對電壓或頻率的快速檢測，采取相應的控制策略，解決電網的波動問題將成為切換運行的一大難點。

（2）對于切換的時間要有較高的精確度。在切換過程中，要考慮孤島檢測的時間以及靜態開關的動態延遲時間對轉換過程的影響。

（3）減少模式的切換次數。將主從結構與下垂控制結合來改善模式轉換的效果取得了一定的成果，但是切換次數較多容易出現失誤，研制出混合控制的算法減少切換的次數將成為研究的新問題。

5 結論

本文針對并網模式的控制策略、孤島模式的控制策略以及兩者運行模式的平滑切換控制策略進行了綜述，對PQ控制策略和V/f控制策略以及平滑切換的控制策略行了闡述和分析，探討了對被動切換的控制策略以及切換時間和次數的研究方向，對并、離網平滑切換的研究有一定的參考意義。

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作者簡介：何世雄（1991-），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向：微電網的控制策略和經濟性分析等。

*為通訊作者endprint