直流微電網研究現狀及挑戰

竇真蘭 張春雁 楊海濤

1.國網上海綜合能源服務有限公司

2.國網上海市電力公司市北供電公司

0 引言

日前，能源需求的日益增長，使得城市電網系統中的負荷不斷加重，對供電的可靠性與穩定性要求。作為消納分布式能源最高效的方式之一，當發生大面積斷電的情況時，能夠在孤島運行的微網可以發揮出巨大作用，同時微網能夠更合理地利用自然資源，可以保障環保經濟的能源供應，由此針對微電網的相關研究引起了國內外學者的廣泛關注。

1 概念

微網的定義最早是由CERTS提出，微網可以看作是由分布式電源、儲能系統、變流器、保護裝置和負載組成的發配電系統［1-4］。微電網以可再生的清潔能源發電為主，與各種其它類型能源兼顧，有效緩解了傳統分布式可再生能源接入電網的困難，進而提升了資源效率。同時，在電網供電發生異常時，微電網作為補充接入電網，可以保證用戶供電的可靠性。

微電網包括交流微電網以及直流微電網兩類。交流微電網主要采用交流設備，兼容交流負荷，具有相當成熟的保護裝置［5-7］。由于光伏等直流類型能源以及電動汽車等直流用電裝置的使用率提高，越來越多的學者把目光投向了直流微電網。由于缺少交直交變換的中間環節，直流微電網的結構更加簡單，直流負荷供能更加靈活，減少電量損耗和成本，且不存在頻率穩定性等問題。

孤島和并聯是微電網的兩種工作狀態，利用合適的控制方式，可以使其在這兩種狀態間平滑切換［8］。在大電網出現故障時，切換至孤島狀態，為內部負荷穩定供電；在日常使用時可以切換至并網狀態，將運行時儲存的電能反饋給大電網，起到削峰填谷的作用。但將微電網切換為并網狀態時會對大電網帶來如閃變、諧波、短路電流增大、直流注入等問題，因此在切換為并網狀態時，應選擇合適的方式，從而減少對電網系統的安全隱患，保證系統的平穩運行。

對偏遠地區來說，大電網的投資規模較大且可靠性也較低［9-11］。在地質較復雜的地區甚難架設供電系統，同時要建立相當規模的、龐大的集中式供配電網需很大的投入，而這些地區本身不會消納過多的電能，投資效益很低。在上述區域應用微電網技術時，可克服大電網內集中式供電的局限，實現穩定供電。另外，配電網內的一些敏感用戶對電力品質和電源穩定性的要求很高，這要求配電網不但能夠供應高質量的電力以符合其特殊設備要求，還要盡量避免斷電，以實現對重要負荷不間斷供電的需求。微電網能夠利用先進的電力電子控制技術改善終端用戶電能質量，并且在外部設備失效時能夠迅速將并網工作狀態平滑切換到離網工作狀態，從而確保內部敏感負載的電源供應不受影響。

微電網概念最早由美國的CERTS機構提出，一經提出就受到了各國學者的廣泛關注。美國在微電網領域的探索和研究應用方面占據優勢，占有全球50%左右的微電網示范項目［12］。歐洲的微電網，主要是利用高功率電子技術進行并網。2005年，歐洲國家共同發布了“智能能源網絡（Smart Power Networks）”計劃，該計劃明確提出了未來歐洲的發電目標，并強調歐洲的供電需要具有靈活性、高可接入性、安全可靠性和經濟性［13］的目標。由于能源短缺，日本政府重視可再生能源科技的發展，目前通過日本政府與高校、企業以及國家重點實驗室結合，在微電網的研發上已獲得了良好的成功。日本把主要的研究集中在了微電網運行中的電能需求、環保以及資源的合理利用方面。雖然相比于其他國家，我國的微網事業起步較慢，但隨著國家的大力支持以及推廣，各個高校及企業的高度重視，我國的微電網事業正處在高速發展的階段［14-15］。

現階段微電網容量與規模較小，分布也比較分散。隨著新能源領域的不斷深入發展，以及分布式電源（distributed generation，DG）特別是可再生能源發電滲透率的持續提升［16-18］，傳統的微電網供電方式將很難充分消納并合理使用大量分散接入的DG［19］。正因如此，微電網的構建方式已逐步由單個小型建設單位向多個微網集群化方向發展，微網群一方面能克服單一微電網設計、管理、維護等因素對DG接入規模的限制，另一方面又可顯著增強微電網運行的靈活性、可靠性與經濟性。

2 系統組成

微電網的結構具有多變性，可以根據各地區的電源形式以及負荷分布靈活配置，但都具有同一個特點：因為容量小并且內部電壓等級較低，其拓撲不宜過長，以避免損耗。典型微網結構如圖1所示，直流微電網通過直流母線將分布式能源、儲能裝置（電池、超級電容等）、負荷以及電網連接在一起，并通過公共耦合點并入配電網。分布式電源通過各自的轉換器將一次能源轉化為電能，并且通過變流器并入電網，分布式能源一般就近獲取非可再生能源（天然氣、柴油）以及可再生能源（太陽能、風能）［20］。

圖1 典型微網拓撲結構

因為微電網的低電壓等級以及較低的系統容量，不需要再連接大功率電力設備，所以微電網可以適應于大部分典型的分布式電源如風力發電、光伏發電等接入。微電網大多是微型設備，有益于大規模普及應用，實現消納分布式電源的目的。為實現給用戶輸送穩定高效的電能［21］，微網通常與中、低壓大電網相連以協調多種形式的能源裝置。

3 直流微電網控制技術

直流微電網系統運行中最重要的就是它的協調優化控制，需要統一協調直流微電網系統的分布式能源、儲能、交直流雙向DC-AC變流器、負載等主要部件，管理各部分的工作情況與出力，從而保證母線電壓穩定，保證系統功率平衡，確保直流微電網穩定運行。因為在直流微電網中所有模塊都是并聯在直流母線上的，所以每個功率單元的電流分配問題也是直流微電網能量管理中的重點課題。

功率單元電流分配控制方法可分為平均電流控制、主從控制以及下垂控制三種［22-25］，其中下垂控制及其變形被廣泛應用于直流微電網中。相比于其它控制技術，下垂控制即使是在無通信的情況下也可以實現各模塊電流分配的目的，所以更適合于分布式的直流微電網系統。將下垂控制應用于直流微電網系統可使其具備更高的可靠性并做到即插即用，便于系統的擴容［26-27］。直流微電網下垂控制是將下垂曲線控制加在變換器的電流電壓雙閉環之外，再采用電流電壓雙閉環控制，圖2為控制框圖。

圖2 下垂控制框圖

然而在微電網中，采用下垂控制方式的逆變器還面臨著一些弊端和不足，比如受到線路阻抗的影響，微網系統的無功功率不能有效合理分配。當低壓微電網系統中，線路的感性與阻性相當時，會導致逆變器輸出的有功和無功產生耦合。

為了充分發揮下垂控制的優勢并增加它的適用度，國內外學者對下垂控制策略進行諸多改進。文獻［28］利用微電網線路總阻抗呈阻性的特點，提出反下垂控制，實現了有功功率和無功功率的解耦，但是依舊無法對無功功率進行分配，且該種方法不能很好地與傳統同步發電機兼容。文獻［29-31］通過在微電網中加入中央控制器來獲取各個分布式電源輸出功率及下垂系數，通過計算得到功率的參考值從而對負荷進行精準的功率分配，但是在控制器出現故障時此方法不能使用。文獻［32-33］對下垂控制方程進行了修改，通過反正切函數在工作點附近增大下垂系數來提高分配精度，但是線路阻抗的不同會導致工作點的不同，這種方法無法消除分配誤差。文獻［34］采用了基于小波變換法的改進下垂控制，該方法提高了無功功率分配精度，但是需要微電網中分布式電源的高精度同步控制。此外，在不影響系統可靠性的前提下，部分學者提供了一種運用“虛擬阻抗”來改善系統的功率分配精度的方法。文獻［35-36］中加入阻值不變的虛擬阻抗，改變逆變器等效輸出總阻抗的阻感比，使得有功和無功可以分開進行調控，無功分配更精準，但是這種方法需要計算線路阻抗參數且由于加入的虛擬阻抗阻值過大，會對電能質量產生影響。文獻［37］利用反饋無功功率自適應調節虛擬阻抗，達到提高無功功率分配精度的目的。文獻［38］將逆變器輸出的無功功率作為自適應虛擬阻抗的調節量，而沒有使用無功下垂方程，但是仍然無法消除功率分配誤差。文獻［39］將二級控制得到的無功功率的參考值與實際值比較計算自適應虛擬阻抗值，但是這種方式需要增設二級控制器。文獻［40］利用網絡圖論的思想，獲得相鄰分布式電源的信息來自適應調節虛擬阻抗的大小，但是控制方式較為復雜。

所以，在選擇下垂控制直流微電網時，可根據不同直流微電網系統的特征，從影響系統運行的重要物理量、需要達成的控制目標、通信情況等因素綜合選擇合適的下垂控制策略。對于采用一般補償法的改進下垂控制，可根據系統調節偏差補償器或者改變關聯參數的方式來滿足不同系統的應用。對于基于優化補償法的改進下垂控制，應根據系統相關因素選取合適的智能算法，也可調整算法實現過程中的輸入量和優化值等參數，以滿足不同系統的應用。

4 并網控制

微電網并網運行模式的優化可以提高系統的穩定性。大量的微電源輸出功率可以為大電網末端提供電能補充，提高末端電壓，同時大電網為微電網提供了電能保障。但是，并網運行也會給大電網帶來負面影響，例如會改變系統的無源網絡結構、改變電網線路潮流、改變繼電保護方式等［41-42］。參與并網操作的并網接口一般采用雙向AC/DC換流器，基于換流器實現功率在大電網系統與微電網系統之間的雙向流動。

微電網在并網時必然會對電網產生沖擊，如何減少并網帶來的負面影響，取決于并網時刻和并網條件的選擇。下面將從三個方面對微網并網控制技術的研究趨勢進行綜述。

4.1 微電網并網條件及對電網運行的影響

為了減少微電網并網會對大電網產生的影響，我們需要選擇合適的并網條件。文獻［43］從微電網拓撲結構、滲透率、安全性和經濟效益等方面進行了討論，對微電網并網電力系統暫態穩定、繼電保護和配電網的影響進行了詳細闡述，為微電網并網的最優化能量分布和可靠性、安全性給予了足夠的理論依據。文獻［44］討論了微電網并網運行所需滿足的條件，進一步指明實現微電網并網離網模式平滑切換的最優條件。文獻［45］闡述了微電網并網的要求及準則，分析了狀態監測，通信保護等方面技術。文獻［46］論述了并網變流器的工作方式及單相微網工作狀態。文獻［47］基于相位角變化提出了一種新的微電網自動并網轉換方法。

4.2 微電網的并網特性研究

隨著微電網在電網中的應用比例快速增多，其并網對電網造成的影響隨之增強，所以需要研究其并網特性以及與大電網的交互特性。文獻［48］討論了恒功率負載和恒阻抗負載發生變化對微電網并網過程產生的影響，結果發現在并網切換時，相角差對并網系統的影響更大，而電壓差對并網系統的影響則較小。文獻［49］研究了微網系統的準同期并網控制特性，為了改善系統準同期并網控制性能，針對微源虛擬慣性時間常數，提出了微網系統準同期并網控制參數的設計方法。文獻［50］對微電網用PSCAD/EMTDC軟件進行了仿真研究，分析了燃料電池和微型汽輪機這兩種微電網在孤島和并網的運行方式間的轉換。文獻［51］討論了內蒙古北部地區多個微型燃氣輪機與其集成的分布式熱、電、供冷三聯供電系統的運行特性，通過仿真可以看出利用PWM換流器減少注入微電網中的諧波來提高電能質量，并滿足系統的電壓、頻率和負荷的要求。文獻［52］對微電網并網控制系統的同步性進行了分析，對微源的數值虛擬慣性時間常數提出了規范。

4.3 微電網并網的控制策略

微電網切換到并網狀態采用的方法是改變微電網部分基本參數，如電壓幅值、頻率等來實現微電網的同步運行。文獻［53-54］首先對并網進行頻率同步調節，當大電網與微電網的頻率差縮小到一定范圍后再進行相角調節，其中文獻［53］采用比例環節，而文獻［54］則采用比例積分環節。文獻［55］頻率同步調節以及電壓調節，通過交叉調節微電網系統的內部電壓與外部電網電壓相角一致，得到了理想的結果，對幅值和相角分別調節的過程復雜，降低了準同期并網的效率。文獻［56］通過串聯變換器實現對直流側母線電壓的控制，進而連接大電網。文獻［57］對并網變流器采用了一種基于模糊PI控制的算法。文獻［58］在微電網并網問題中引進了基于統一潮流控制器，并進行了仿真研究。文獻［59］優化了微電網逆變器的并網控制模型，通過智能控制理論對優化控制策略進行了研究。文獻［60］基于FPGA技術提出了一種用于微電網并網的方法。文獻［61］通過改進的并網逆變器控制策略，減少了電壓跳變，維持了微網的穩定。文獻［62］研究了飛輪儲能的微電網并網狀態與短時孤島狀態之間的切換方法。

綜上所述，微電網并網控制是微電網運行與控制的關鍵技術之一，正得到越來越深入的發展［63-65］。實用化的、能考慮并兼容微電網不斷變得復雜的運行工況的微電網并網控制策略還需要進一步研究。

5 孤島/并網平滑切換控制

微電網既可以與大電網相聯并網運行也可以孤島獨立運行。當微電網為孤島運行狀態時，運行特性與并網時有很大差別，若直接將微電網并入大電網，會對系統產生較大的沖擊。孤島和并網間能否平滑切換決定了微電網能否安全運行，降低并網時對電網的暫態沖擊，保證重要負載的供電質量。

目前，國內外也對微電網孤島并網兩種模式平滑切換問題進行了很多研究。文獻［66］主要考察了微電網孤島運行，主控制模塊復合儲能裝置能保證微電網在并網離網動作的前后負載有穩定的電能供應。文獻［67］優化了同步控制器，在進行并網離網操作過程中，PQ控制和V/f控制兩種控制方式的輸出做到同步，以此實現微電網的平滑切換。文獻［68］針對交直流混合母線微電網的切換問題進行了研究，當微電網由并網運行狀態切換到孤島狀態時，對并網運行時的相角積分，當微電網運行狀態切換進入并網運行時，同步控制大電網電壓與微網系統中逆變器的電壓。文獻［69］提出一種混合控制策略，在并網運行采用下垂控制，在孤島操作時變為V/f控制。文獻［70］研究了虛擬阻抗和電流反饋共同組成的切換控制方法。切換控制會減輕并網操作中電流波動，緩解逆變器輸出電流沖擊，但是這種控制方式有一定的復雜性，不容易實現。文獻［71］提出了一種新的控制策略，基于滑模控制優化改進下垂控制，增加了它的魯棒性，減小了微電網兩種模式切換過程中的功率振蕩，缺點是滑模控制的控制器設計復雜。文獻［72］改進了并網逆變器，當微電網發生并網離網操作時控制策略可以保持不變，簡化了模式切換，實現了微電網并網時準同期并網，增加了平滑過渡。文獻［73］對單相并網電壓源型逆變器使用模型預測控制，采用功率解耦控制方式和電壓控制相結合的方法，實現兩種運行狀態之間的平滑切換。

對于控制微電網運行狀態平滑切換的研究主要集中在對等控制、主從控制和鎖相環三個方面。鎖相環的難點在于使其發生運行模式變化時，輸出的角頻率不發生改變。微電網系統使用主從控制時，逆變器通常在孤島模式時進行電壓控制，在并網時進行電流模式控制。

6 其它

6.1 微網群研究

我國電網存在一些問題，比如用電交流化程度低、可再生能源不能很好地消納、配電環節不完善，需要促進智能電網的發展以適應儲能技術和電動汽車的發展，微網群概念被提出并得到深入研究［74］。微網群通過合理的協調控制策略可以利用各個微網內的分布式電源，以維持系統可靠穩定運行。

微網群是微電網更高層的結構，目前已經開展了一些對于微電網與微網群的協調控制策略研究，微電網群級協調控制策略主要涉及基于通信的分級管理策略、多智能體控制策略以及主從控制、對等控制等。文獻［75］將微網群分為三層控制結構，實現了大電網、微網群和單個微網之間的協調控制。文獻［76］從發電模塊、微電網、微網群等幾個方面對微網群的控制策略進行了研究，提出了虛擬頻率下垂控制和狀態轉移控制策略來控制微電網，并采用了一種微網外特性控制對微網群系統進行協調控制。文獻［77］對微網群中采用了多智能體控制系統（Multi-agent），通過系統調度可實現分布式電源自動控制，弊端是采用多智能體技術需要使用通信系統，需要制定相應通信協議。文獻［78］采用對等與主從混合控制策略，并結合多分段P/f特性曲線對微電網和微網群進行協調優化控制，最終實現了多微網組網的功率分散管理。

綜上所述，在控制結構層面，微網群系統比微網系統多了一層控制級——微網群級控制。微網群中各子微網既有單獨的目標，也有微網群系統的整體目標，需要子微網彼此協作完成微網群的整體優化運行，微網群能夠有效提高各個微網的抗擾動能力，且微網群協調優化結果優于各子網單獨優化結果之和。

6.2 柔性直流微電網

柔性直流輸電技術是基于電力電子器件以及高頻PWM技術上發展起來的一種新型的直流輸電技術，開始發展于20世紀90年代。柔性直流輸電技術控制靈活，可以對系統的有功分量和無功分量進行大小方向上的獨立控制。由于系統中應用了全控型器件例如IGBT等，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術可以獨立調節有功和無功功率，并且可以向無源網絡送電。正是由于柔性技術的諸多優勢，使得柔性直流輸電在城市電網中應用前景良好，也可以應用于微網并網方面。同時，由于柔性直流技術的特性，可以將其應用于微網的集群控制中，從而控制微電網之間的功率交換，提高微網群控制的靈活性，可再生能源也可以更廣范圍地分散接入與波動均擔，提高微電網對能源的利用率。

當前對柔性直流微電網的研究主要集中在優化改進微網控制策略、優化調制MMC模塊的電平等方面。文獻［79］討論了背靠背的MMC-HVDC控制策略，在逆變側采用定有功功率控制，在整流側輸入逆變器的給定功率，作為整流側定直流電壓控制的附加控制信號，在系統功率產生波動時，有效抑制電壓波動。文獻［80］基于MMC等效模型詳細分析其運行特性，改進優化傳統下垂控制，將所建立模型的直流電壓設定值納入考慮，基于電壓偏差，引入多個換流站協調控制系統電壓，對暫態故障導致的功率波動具有一定的抑制作用。文獻［81］基于電壓下垂控制，通過跟蹤故障切除前后系統的功率波動，實現受換流站功率實施分配，從而提高系統的功率調節能力。文獻［82］基于虛擬慣性作用下交流微電網產生的頻率與電壓波動的協調控制，提出了一種用于配電網-微電網系統的變流器斷面的分布式儲能智能控制策略，實時跟蹤響應電源側電壓變化，對系統功率波動時直流電壓的波動具有一定的抑制作用。文獻［83］基于MMC模塊，針對逆變站和整流站的協調控制，提出了一種用于兩站雙端預充電智能控制策略，對MMC模塊的充電過程進行拆分，優化改進了充電過程中的電平調制，對換流器解鎖產生的沖擊電流起到極為有效的抑制作用。

縱觀全球柔性直流配電技術的發展趨勢，國內直流微電網技術仍處于早期摸索階段，相比于傳統直流微電網，柔性直流微電網具有諸多優勢，是未來城市微電網發展的新方向。

7 展望

針對微電網的協調與控制，未來下垂控制的直流微電網系統還可以在以下兩個方向進一步發展。

1)補償方法

基于例如遺傳算法、粒子群算法等更為完善的智能控制算法，改進優化下垂控制過程中下垂曲線系數的尋優。通過不同的補償方式相結合的方式，針對系統不同的運行模態優化下垂控制，例如將系統的運行模態依據直流母線電壓劃分，使用更為適合系統不同運行模態運行特點的下垂控制策略。

2）通信方式

在通信技術的選擇中，將例如工業以太網、工業總線等更多先進的通信技術應用于直流微電網系統的能量管理中。綜合考慮系統數據傳輸速率、系統規模等相關因素，系統控制策略實現的重要基礎為通信方式的可靠性，而未來，采用現代網絡管理技術的大規模互聯微電網管理系統也將面臨例如數據丟包、網絡延時等問題。進而，針對下垂控制進行優化和改進時，相關通信網絡的結構優化也是必須綜合考慮的一個方面。因此，為選擇合適的下垂控制策略為直流微電網的控制策略，可針對直流微電網的不同運行工況，綜合考慮影響系統的相關參數、控制目標以及系統通信等因素。

很多文獻在微網系統孤島運行與并網運行的平滑切換方面研究了運行狀態切換時系統給定指令的變化，但鮮有針對系統不同控制結構對運行狀態切換過程影響的研究。在對于對等控制方式的微網系統研究中，逆變器控制方式為改進的下垂控制，可等效為下垂控制的電壓源。但由于控制器的結構有時較為復雜，且系統中的功率外環又在一定程度上降低了系統的動態性能，目前，有文獻在控制微電網運行狀態的平滑切換研究中引入了間接電流控制方式，優化了控制效果，但是依舊存在許多不足之處。

目前，在微網群的研究領域方面現有的文獻不足之處主要體現在以下4個方面：大多數文獻針對微網群系統的經濟性進行改進優化，但是并未綜合考慮微網群的環境效益與經濟成本的整體協調優化；微網群處于并網運行狀態時，將大電網系統等效考慮為大電源，卻忽視了微網群運行時在經濟性與穩定性兩方面對大電網造成的影響；針對微網群的優化問題建立模型時，忽視了微網群內部微電網之間的相互影響而僅把微網群等效為更大規模的單微電網；對于微網群系統中包含的混合儲能單元與光伏單元，可針對系統中混合儲能單元的功率分配問題與微網群功率的協調和管理控制策略問題開展進一步的探索研究。