微网控制技术.doc

微网控制技术的研究进展
摘要：随着分布式发电的发展，微电网的研究已经成为能源和电力领域的一个热点，运行控制是微网研究和应用的主要技术之一。本文主要阐述了国内外微网的研究进展，微网并网和孤岛两种运行方式的控制策略，并分析了主要控制策略的研究进展，最后讨论了未来的研究重点，以便微网安全运行。
关键词：并网运行、孤岛运行、控制策略
The research process of microgrid control technology
Abatract：With the development of distributed generation, the research microgrid has become a hot topic in the field of energy and power, the operation control of microgrid is one of the main technologies in the study and application of microgrid. This paper mainly talks about the research process of microgrid in foregin and China, and the control strategies in the utility connected operation and the islanding operation. It also analysis the research process of the important control strategies, at last it discusses the research focus in the future, in order to make it operated safely.
Key Words：connected operation, islanding operation, control strategy
引言
随着新能源的发展，分布式发电DG(distributed generation)日渐成为社会研究的热点。DG主要包括太阳能、风能、燃料电池、微汽轮机、生物质能等和负载一起组成微电网作为一个可控单元接入主电网[1]。分布式发电系统DGS (distributed generation system)能够满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率。大量分布式电源的并网给电力系统的保护、实时调度和电网可靠性等各方面带来了一些问题，大部分微电源惯性较小，或没有惯性，连接到公共电网时会产生频率和电压的震荡，因而提出了微网的概念。微网的建立能够降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性。微网是一个能够实现自我控制保护和管理的自制系统，既能够和大电网并网运行，也可独立运行。
美国、欧盟、日本等发达国家或地区对微网的研究起步较早，已经建立了一些典型的微网示范工程和测试系统。美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)微电网实验平台成立于2006年，目标是实现微电网概念提出的3个先进技术。CERTS实验平台实现了“即插即用”和“对等“控制的思想，并且得到了成功的检验[2]。CERTS微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制，为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路。欧洲于2005年提出“Smart Grid”计划，并在2006年出台该计划的技术实现方略。欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。日本也建立了多个微电网工程，在微网示范工程建设上处于世界领先地位，此外，日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统。目前，日本已将该系统作为其微电网的重要实现形式之一，其中发表的文献还将该思想与热电联供设计理念相结合，以便更好地实现能源的高效利用，促进环境友好。中国对微网的研究起步较晚，在国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”中已经包括了微网技术[3]。中国的微电网按照其运行特点主要分为城市片区微电网和偏远地区微电网（农村微电网、企业微电网），尚未成熟，仍有许多问题需要解决。
微网是将发电机、负荷、储能装置及控制装置等系统地结合在一起，作为一个单一可控的单元。微网的分布式电源主要有光伏发电，风力发电，微型燃气轮机和燃料电池等，还可以以热电联产或冷热电联产形式存在，同时向用户供冷、供热和供电。微网主要有两种运行方式：并网运行和孤岛运行。微网由于惯性低，使用电力电子接口，以及含有多种运行方式，因而稳定性是微网运行研究的重点之一，这就要求微网要有适当的控制策略。
1、 微网并网运行
1.1并网运行连接方式
并网运行是指微网与公共电网并列运行，通过公共连接点连接（PCC），并进行功率交换。
当微网和主网都无故障，电能质量也符合要求时，并网开关导通，微网并入主网 。此时，微网中分布式发电与大电网供电相互补充，微网系统的电压和频率由大电网支撑，微网主要控制有功和无功功率[4]。
并网的连接方式有三种：交流直接连接、经电流源换流器( CSC) 连接和经电压源换流器 (VSC) 连接。交流直接连接是指把微网系统直接通过断路器在PCC处与大电网连接。这种并网方式投资小 ,结构简单 ,但灵活性和可靠性较差。CSC通过对换流器的晶闸管的触发角调节完成对微网与主网的功率交换进行控制, 这种方式有利于微网的稳定运行，由于微网容量较小,易造成换相失败，并产生大量的低次谐波和吸收大量的无功功率。VSC 通常采用 PWM 控制技术,开关频率较高，可以提高输出波形质量，减少滤波设备结构紧凑，占地面积小[5]。
1.2并网运行存在的问题
微网接入大电网后，将会影响电网电压，影响电网调度，微网内电力电子器件产生的
大量谐波将影响电网频率的稳定性；微网既可作为“电源”，也可作为“负载”，因此，微网的接入使配电网功率由单向流动变为双向潮流，产生的随机性潮流，使电网潮流流向和分布发生改变，对电网的故障检测和保护带来影响；微网的接入会产生孤岛效应；对重合闸和供电可靠性、电能质量均有影响[6]。
1.3并网运行控制
微网并网运行时，大电网承担微电网内的负荷波动、频率和电压扰动，微源不参与频率调节和电压调节，同时直接采用电网频率和电压作为支撑。主要采用PQ控制方式，即调节输出有功和无功电流来跟踪参考电流实现控制，通过派克变换变换，转换到dq轴，从而实现了有功无功功率的解耦控制。对于采用电力电子逆变器的分布式电源主要有两种P/Q控制方式：第一种是通过设定微型电源原动机的有功功率参考值进行功率调节，直流电压控制器进行辅助调节，而无功功率按照给定值进行控制，控制方框图如图1；第二种是通过逆变器的控制作用，按照给定参考值进行有功功率和无功功率输出，控制方框图如图2[7]。采用PQ控制可以减缓分布式发电对配电网的影响，提高可再生能源的利用率[4]。文献[8]提出了一种基于多代理技术的微网并网运行控制策略，并网故障转入孤岛运行，保证了微网运行的可靠性。

图1 PQ控制系统框图
图2 PQ控制系统框图
PQ控制主要用于间歇性微源的控制，如光伏发电系统和风力发电系统等。文献[9]基于DigSILENT/PowerFactory软件提出了一种风光互补的微网系统，其中光伏发电采用改进的PQ控制，风力发电采用Droop控制，能够确保功率平衡以及功率的合理分配，同时微网运行模式转换时维持总线的电压和频率的稳定。文献[10]基于风力和光伏的PQ控制，能够使电压敏感性负载的电压微点满足负载电压。
2、 孤岛运行
在大电网发生故障或者出现较大扰动时，静态开关将敏感性负荷所在馈线与大电网断
开，使其在孤岛模式下运行。此时，分布式电源承担起负荷的电能供应，保证网内功率平衡。 孤岛运行时，此时微网脱离大电网，失去了电网电压和频率的支撑，若仍采用PQ控制，当逆变器的输出功率和负荷功率需求不平衡时，系统的电压和频率将会产生波动，可能造成系统不稳定，因而此时不宜采用PQ控制。孤岛运行主要有以下几种控制方式：下垂（Droop）控制、频率电压（V/F）控制、主从控制和多代理技术。
2.1 下垂控制
该方法是基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想，采用与传统发电机组“功频静特性” 相类似的控制原理，通过有功—无功、电压—频率之间的解耦实现控制的，主要用于由多个微电源并联运行的微网系统。下垂控制特性曲线如图3所示。
p-f、q-v控制是孤岛运行中一种常用的控制方法，p和q分别是微源输出的有功功率和无功功率，f和v分别是输出电压的频率和幅值，这种方法无需机组间的通信协调，实现了孤岛下微网内电力平衡和频率的统一，有功功率和无功功率的合理分配，简单可靠。

图3 下垂控制特性曲线
其中P0、Q0分别是是额定有功功率和额定无功功率、V0、f0分别是参考电压和参考频率。各个逆变单元通过p-f、q-v控制，输出电压频率和幅值后，通过负反馈反向调节其输出电压幅值和频率，使系统合理分配功率。下垂控制没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，微网重新并网时会冲击大电网的频率；微网的频率调制范围受到严格限制，尤其是当电网包含频率敏感性负荷时，而当阻抗是电阻时，p-f下垂则转为p-v下垂；下垂控制是基于应用电力电子技术的分布式发电系统的控制，并没有考虑传统发电机（如燃气轮机、 柴油机）与微网之间的协调控制[11-12]。文献[13,14]提出了功率P/相角δ控制，与频率下垂相比，相角下垂能够减小频率偏差，改善电能质量，提高系统的稳定性。文献[15]基于微型燃气轮机的微网系统提出了一种新型下垂控制，即功率闭环，电压电流双闭环的下垂控制算法，仿真结果表明，运行模式进行转换时，在调制范围内，该控制策略可以自动调整电压和频率，以加速负载和功率共享。
2.2 V/F控制
V/F控制即恒频恒压控制，V/F控制特性曲线如图4所示。该方案类似于传统发电机的二次调频，通采用电压外环电流内环的双环控制，设定电压和频率的参考值，与测量值比较，输出偏差经过PI调节器，调节逆变器的输出电压和频率。该控制策略可实现电力供需平衡，稳定电压和频率，同时还可以改善逆变器的动态响应特性，加强抗扰动能力。但是这种控制方案要求微源要有足够的旋转备用容量以承担大电网供给的全部功率[10]。文献[16]提出了四种V/F特性控制方案，即开环V/F控制、在abc三相坐标系下的电压反馈V/F控制、在dq坐标系下的电压反馈V/F控制和电压频率反馈V/F控制，仿真分析得出在abc三相坐标系下的电压反馈V/F控制、在dq坐标系下的电压反馈V/F控制控制效果较好，是最为常用的控制方案。由于传统的V/F控制没有考虑负载的结构变化，文献[17]基于包含多种微源的微网，提出了一种V/F控制，对电池引入负载的电压和电流前馈控制，仿真结果表明，这种控制方法有效的减小了负载对电压和电流的扰动，提高了电网运行的稳定性。

图4 V/F控制特性曲线
2.3 主从控制
主从控制是一个分层控制方式，主控单元从从控单元的控制器获得控制信号，再反馈给从控单元。主控微源常采用V/F控制，为微网提供频率和电压参考，从控微源采用PQ控制，主从控制能够有效的协调各个单元，主要用于并网向孤岛模式切换的过程。
主控微源可以采用V/F控制或Droop控制，从控微源均采用PQ控制，仿真分析表明，采用V/F和PQ控制能够维持系统电压和频率的稳定，但对逆变器一次侧能源要求较高，采用Droop和PQ控制能够提高电能质量，但无法消除频率和电压的震荡，未考虑到电压和频率的恢复问题，故在实际工程中要具体选择分析[18]。
主从控制主要有两种结构，即集中控制和并行控制。集中控制是通过微网控制中心来完成的，从经济性、稳定性以及灵活性来看，主要有三中控制方法：最优控制、神经网络控制和模糊控制。主从控制主要存在两个问题：如何建立多因素的目标函数和如何简化算法。并行控制需要大容量控制单元，限制了微网运行的灵活性，与集中控制相比减少了控制中心的费用[19]。
主从控制主要用于消除并网和孤岛转换时产生的的暂态影响，能够提高微网的安全性，同时在能量管理方面也有应用。例如文献[20]提出的控制算法可以减缓暂态现象，但滞环电流控制需要高频开关，且系统损失增加。因而为了减缓并网和孤岛运行转换时的瞬态电流和瞬态电压失真现象，文献[21]提出了一种主从控制算法，即包括控制状态或参考值补偿算法和分离开关逻辑控制，这种控制方法有效地减小了微网运行模式转换时对临界负荷和分布式电源的影响，抑制了瞬态电流和瞬态电压失真，并验证了由孤岛转为并网时的无缝切换。文献[22]提出了基于分布式电源和负载之间无通信的负载共享的一种主从控制，并网模式下主控单元采用间接电流控制，转换为孤岛模式时采用电压源最大功率跟踪控制，从控单元采用间接电流控制。主控系统能够缓解负载和微电源切换时所产生的瞬变。仿真结果表明负载共享响应较快，快速切换模式，改善电能质量。文献[23]提出了逆变器的主从控制策略，从控逆变器采用电流控制，主控逆变器有两种控制方式：并网时采用电流控制，需要同步器来精确输出功率，孤岛运行时电压控制，需要电压参考振荡器，为从控逆变器提供参考电压。仿真结果表明，可以实现快速的动态响应，无缝瞬态运行，保证微网安全运行。文献[24]建立了一个主从控制的通信平台，能够有效地进行能量管理。
2.4 多代理技术控制
多代理系统是一种对工作条件的变化和周围过程的需求能够智能和灵活地响应的系统。多代理系统通过多个代理共同合作来组成，代理由主要由管理和组织层、协调层以及执行层3个功能层组成。文献[25]指出多代理（Agent）是一种具有知识、目标和能力，并能单独或在人的指导下进行推理决策的能动实体，具有自治性、自发性、智能性及可通信性等特点，符合微电网分布式特性的需要。
多代理系统在微网的分布式控制、市场建模、优化和微网系统储能中均有应用。文献[26]提出了一种基于多代理系统的使用电力电子接口的黑箱启动的微网分层控制方案，并验证了其可行性。多代理系统可以提供智能优化算法和执行能力来完成复杂的任务，讨论了并网和孤岛运行时的多代理系统控制策略。多代理系统能够协调并网或孤岛模式下的分布式发电机和负载稳态运行，同时也可以对向孤岛运行的过渡过程提供黑启动。孤岛模式下，微型发电机和所有的储能设备必须协调工作，因而文献[27]对微网运行的控制策略进行了讨论，同时基于Eclipse平台实现了一种简单的多代理技术控制方案。微网的电源管理相比于传统的电网更具有挑战性，因而文献[28]对集中式和分散式的多代理系统的优缺点进行了对比，提出了一种分散式的多代理系统来完成电源管理的目标，并验证了其可行性，尤其是对于难于控制的微网。文献[29] 构造了由分布式能源（DER）代理，数据库代理，控制代理和用户代理组成的多代理系统，分布式能源（DER）代理仿真结果表明当并网向孤岛无缝切换过程中能够检测到上游停电。文献[30]提出了一种分层混合的多代理控制系统，即上层的能源管理代理，一些中级协调控制代理和许多低级别的单元控制代理商，仿真结果表明混合分层控制能够确保电压安全，最大限度的提高经济效益。
由于缺乏对微电网应用的适应性和有效性的认识，因而，多代理系统控制模式将作为未来发展的基本框架[31]。微网的发展与多代理技术密切相关，如何快速响应和稳定运行是微网的研究重点。
3、 未来的研究重点
1） 孤岛运行控制是微网控制研究的重点，虽然下垂控制已经达到了对等控制的思想，
但不能同时满足电压调节和负载共享，如何解决这一问题，将是今后的研究重点之一；
2） 主从控制如何建立考虑多因素的目标函数以及简化算法，也将是关注点；
3） 由于缺乏对微网的适宜性和有效性的认识，将是一项巨大的挑战。微网的发展与多代理技术密切相关，如何快速响应和稳定运行是微网的研究重点；
4） 从大电网侧入手较少，即对大电网的稳定性及灵活性研究的较少。
5）目前对微网控制技术的研究主要集中在分布式电源的控制上，对能量管理的优化研究较少，电力电子技术也将是微网控制技术研究的重点，虚拟阻抗的逆变器是目前研究的热点。多分布式电源的微网可以采用模型预测控制，分布式电源的控制可以将预测控制和自校正控制相结合，通过

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