微電網研究綜述

王明揚　白迪

摘 要：本文主要闡釋了微電網的概念與結構，以及對逆變器的三種控制方法原理，和微電網主從和對等兩種控制策略，介紹了微電網并網孤島切換的一種方法。

關鍵詞：微電網；控制策略；運行方式轉換

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

1 微電網概念與結構

近些年國民經濟迅猛發(fā)展，對電力需求不斷增加，中東部電力緊缺，而西北地區(qū)產能過剩，因此當前電力系統(tǒng)還將繼續(xù)擴大西電東送規(guī)模，建設更多遠距離超高壓、特高壓輸電線路。伴隨電網建設的規(guī)模不斷擴大，以及之前在世界上發(fā)生的大規(guī)模的停電事故，這種超大規(guī)模電力系統(tǒng)的缺陷也逐漸顯現，建設成本高，輸送損耗大，運行維護難度大，偏遠地區(qū)用電不穩(wěn)定等。當前用戶對電力多樣化安全性、可靠性的要求已經難以滿足。

分布式發(fā)電由于靠近用戶側，可以彌補集中式發(fā)電的不足，提升了用電的可靠性和安全性，較低的輸送損耗。但伴隨著分布式發(fā)電容量的擴大，瞬間大容量的波動會給電網帶來較大的沖擊，保證供電可靠性和電能質量較為困難。盡管其優(yōu)點突出，但由于分布式電源的間歇性問題，所以大電網也往往限制其接入，為了解決這一現象，相關學者提出了微電網的概念[1]。

微電網通常是由微電源、儲能單元以及用電負荷等組成的具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng)，可以在網內實現發(fā)、配、用自給自足的運營模式，還可以在并網運行，孤立運行兩種模式下靈活切換。從微觀看，可以作為一個可定制的電源以滿足用戶多樣化的需求的電力系統(tǒng)；從宏觀看，可以看作一個簡單的可調度負荷。簡單的微電網可由光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)組成，復雜的微電網可由風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、冷/熱/電聯(lián)供微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)組成，能夠滿足用戶冷/熱/電綜合能源需求。微電網還可包含若干個規(guī)模相對小的微電網[2]。下圖為文獻2給出的一種典型結構，如圖所示。

微電網在接入電力系統(tǒng)時，只需微電網與大電網的公共點相連，而不針對各個具體的微電源[3]。此外分布式電源由電力電子裝置進行能量轉換，而且需要對其提供必要的控制手段，能將電壓和頻率控制在額定的允許范圍，進而保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2 逆變器控制方法

為了更簡單的控制分布式電源接口逆變器，根據分布式電源類型的不同，使其擁有不同的功能。現在微電網中單個微電源的控制方法主要有三種[4]，恒功率控制、恒壓恒頻控制和下垂控制。

2.1 恒功率控制

恒功率控制又叫做PQ控制。能夠控制分布式電源的輸出的功率在其給定功率上，適用于輸出功率隨機性比較大的電源。在并網運行時，微電網內部的電壓頻率偏移都將由大電網進行支撐。在孤島運行則需要由主控單元來維持電壓和頻率的穩(wěn)定，以及應對網內的負荷波動。其控制方法如圖2所示。

PQ控制是將有功與無功功率解耦后，對電流采取PI控制，最后控制逆變器來使得DG的輸出能夠維持在恒定值。因此從圖可以看出在dq旋轉坐標系下，有兩個閉環(huán)控制。外環(huán)為功率環(huán)，作用是使得逆變器的輸出為基準功率，內環(huán)是采用PI控制的電流環(huán)，其主要是跟蹤參考電流，提供正確的參考電壓給逆變器，最終輸出脈寬調制信號SPWM。最后圖中的軟件鎖相器SPLL有負反饋的作用，其目的是實現電流的跟蹤控制。

2.2 恒壓恒頻控制

恒壓恒頻控制也稱V/F控制。由主控分布式電源的輸出的電壓和頻率的變化在可調范圍內，V/F控制的目標是維持電壓以及頻率的恒定，保障其他電源和負荷可以正常運行。采用該控制方法的主分布式電源需要足夠大，微網內負荷變化的需求都由它滿足，但如果仍不能滿足負荷，這時需要移除不重要負荷。因此采用此種控制方法的電源必須是大容量的儲能裝置或著是配備儲能裝置的布式電源[5]。V/F控制框圖如圖3所示。

V/F控制通過對給定電壓和頻率與實際測量的數據進行比較，將其得到的誤差信號經過PI控制器作為逆變器電壓輸出信號。對誤差信號進行PI調節(jié)，直到穩(wěn)態(tài)誤差為零。

2.3 下垂控制

根據同步電機有功功率與頻率成線性關系、無功功率與電壓之間成線性關系，如圖4所示。學者提出了在分布式電源控制系統(tǒng)中構造類似的下垂關系，通過下垂控制計算出逆變器調制電壓與頻率。它的控制系統(tǒng)以V/F控制為基礎，其電壓源特性使其可在兩種運行模式下工作。下垂控制的一個重要優(yōu)點是它使各分布式電源在不通信的條件下具備了按比例系數分配功率的能力[6]。控制各電源的有功無功出力證微網孤網運行時的電力供需平衡和頻率穩(wěn)定，較為簡單可靠。

3 微電網的控制策略

微電網需要控制網內電壓頻率穩(wěn)定，內部負載分配合理，所以依據微電源類型及并網控制的目的不同，需要對逆變器采取不同的控制策略，這種控制策略的不同主要體現在對逆變器的控制方法上，不同的控制策略對應的微電網結構也不盡相同。目前常用的運行控制策略為主從控制、下垂控制等。

3.1 主從控制

在主從控制中對各個分布式電源采用不同的控制方法，從而分配給各個分布式電源不同的任務。當處于并網模式運行時，系統(tǒng)的電壓、頻率由配電網支撐，微網不需要進行頻率調節(jié)，所有分布式電源在PQ模式下運行，跟蹤給定的功率值。而孤島式運行時，主控制單元需要由PQ模式立即轉為V/F模式下運行，維持系統(tǒng)的頻率和電壓，并且需要其承擔全部負載量的變化。

3.2 對等控制

對等控制，顧名思義，每個逆變器具有相同的職責，沒有主輔之分，共同保障各個參數的穩(wěn)定，并且各個微電源之間不需要通訊，提高了微網的可靠性以及降低系統(tǒng)成本。在孤島模式下，各個逆變器采用下垂方式控制，共同保證電壓穩(wěn)定，對功率的分配。當負載變化時，各個逆變器按照給定的下垂系數進行分配，并且由于其下垂特性還可以保障電壓頻率在合理范圍內。在并網時，各個逆變器仍采用恒功率控制，或可以利用下垂控制的電壓頻率特性，來實現不同微源間功率變化的分配，同時為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，擁有較高的可靠性。endprint

4 微電網運行方式轉換

微電網存在兩種運行模式，由于各種不確定因素，需要能夠在并網、孤島模式下進行靈活的切換，在切換時很短的瞬間負荷側會發(fā)生暫態(tài)震蕩，因此平滑的切換方法十分重要。

微電網并網與孤島運行方式自動轉換方法如下，由并網到孤島切換，正常運行時，微電網的電壓相角幅值與配電網相同，需要對配電網和微電網側的相角進行連續(xù)檢測，當檢測到微電網與配電網之間相角之間存在差值，與給定的限值進行比較，若大于限值，外部電網存在異常，需要迅速斷開PCC處開關孤島運行，切換到V/f控制器。若，則微電網繼續(xù)執(zhí)行并網運行控制。由孤島到并網切換，當外部電網異常恢復后，微電網接到并網指令時，需要對兩側的電壓的相角幅值進行預同步控制。首先需要提取兩側電壓的正序分量，再由克拉克變換就可以得到電壓的幅值和相角，當兩側正序電壓幅值差，滿足條件，相角差滿足條件后，滿足并網條件，用軟件鎖相環(huán)或鎖相環(huán)鎖相，后閉合并網開關。同時各個微電源切換到PQ模式，實現平滑的切換，在這一過程中，若監(jiān)測到有并網條件不滿足，則繼續(xù)執(zhí)行孤島運行控制[7]。

5 總結

本文簡單介紹了微電網控制中的恒功率、恒壓恒頻、下垂三種控制方法以及主從控制、對等控制兩種控制策略，以及簡單介紹了微電網并網孤島運行轉換原理。微電網基本解決了分布式電源并網發(fā)電的問題，隨著微電網技術的發(fā)展，微電網承擔的任務這會越加繁重，功能也會愈加完善，將會在我們未來的的生活中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1]陳永淑，周攤維，杜雄.微電網控制研究綜述[J].中國電力，2015，42（07）：31-35.

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[4]王成山，肖朝霞.微網中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略[J].電工技術學報，2009，24（02）：100-106.

[5]范柱烽，解東光，趙川，仲崇飛，崔仕偉.微電網控制研究綜述[J].電氣開關，2014（02）：1-3.

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[7]王鶴，李國慶，李鴻鵬，王波一.微電網并網與孤島運行方式轉換方法[J].中國電力，2012，45（01）：59-63.endprint