微電網(wǎng)控制研究綜述

范柱烽，解東光，趙川，仲崇飛，崔仕偉

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012;2.中國水利電力物資有限公司，北京 100040)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求迅速增長，電力部門大多把投資集中在火電、水電以及核電等大型集中電源和超高壓遠距離輸電網(wǎng)的建設上。但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現(xiàn)，成本高，運行難度大，難以適應用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求[1－4]。

分布式發(fā)電作為集中式發(fā)電的有效補充，具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活等諸多優(yōu)點，可有效解決大型集中電網(wǎng)的許多潛在問題，同時也可改善環(huán)境污染，緩解能源危機。但是分布式電源并網(wǎng)后容易引起電壓波動和電壓閃變，尤其是當大容量分布式電源并入中低壓配電網(wǎng)時，要實現(xiàn)配電網(wǎng)的功率平衡，保證供電可靠性和電能質(zhì)量較為困難[5－8]。

為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源的矛盾，學者又提出了微電網(wǎng)的概念。

微網(wǎng)是分布式發(fā)電的一種重要應用形式。國際上尚無關(guān)于微網(wǎng)的統(tǒng)一定義，可理解為:微網(wǎng)是一個包含分布式電源、可控負載和儲能單元的向為本地區(qū)提供能源的系統(tǒng)。微電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)單點接入大電網(wǎng)，可以降低大量小功率分布式電源接入后對系統(tǒng)的沖擊，提高分布式發(fā)電的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和電能質(zhì)量。微網(wǎng)運行狀態(tài)可以分為并網(wǎng)模式、孤島模式和過渡暫態(tài)狀態(tài)。在并網(wǎng)模式下微網(wǎng)運行由電網(wǎng)控制，在電網(wǎng)不能提供滿足用戶需求的電能時，靜態(tài)開關(guān)斷開，微網(wǎng)進入孤島運行，其運行由微網(wǎng)控制器自動控制。

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，使不同類型分布式電源形成微網(wǎng)，一種常見的方法是模擬傳統(tǒng)發(fā)電機的控制系統(tǒng)，設計控制器使分布式電源的接口逆變器按照下垂特性曲線運行。目前常用的運行控制方法主要有PQ控制、V/F控制、下垂控制[9－11]。

2.1 恒功率控制

恒功率控制也稱PQ控制。簡單來說就是分布式電源的輸出功率維持其參考功率恒定的功率輸出。采用PQ控制的分布式電源需要有維持電壓和頻率穩(wěn)定的單元為為其提供頻率和電壓支持。在聯(lián)網(wǎng)時由大電網(wǎng)來維持系統(tǒng)電壓和頻率，在孤網(wǎng)時則由主控單元來維持。實際上PQ控制器功能的實現(xiàn)在于通過電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)調(diào)節(jié)逆變器端的輸出電壓從而調(diào)節(jié)線路電流，達到調(diào)節(jié)功率的目的。其控制框圖如圖1所示。

圖1 PQ控制結(jié)構(gòu)框圖

將有功功率和無功功率根據(jù)進行解耦，得到輸出功率達到參考值時所需要的電感電流參考值。與實際測得的電感電流相比較，得到的誤差信號經(jīng)過瞬時電流環(huán)PI控制器作為逆變橋調(diào)制電壓信號。采用誤差信號作為PI控制器的輸入可使穩(wěn)態(tài)誤差為0，系統(tǒng)中輸出電壓前饋量u的引入，以及電感解耦電壓WLI的引入，減輕了PI控制器的負擔，加快了系統(tǒng)的響應速度，提高了逆變器帶非線性負載的能力。逆變橋調(diào)制電壓信號在電壓空間矢量 SVPWM控制技術(shù)的調(diào)節(jié)下，輸出額定正弦電壓，這個電壓即為輸出功率達到參考值所需逆變器輸出電壓。同時利用鎖相環(huán)技術(shù)，使PQ控制的DG獲得頻率的支撐。

2.2 恒壓恒頻控制

恒壓恒頻控制也稱V/F控制。V/F控制的目標是維持電壓以及頻率的恒定。采用該控制方法的主分布式電源相當于無窮大母線，微網(wǎng)內(nèi)負荷變化的需求都由它滿足。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分布式電源。

V/F控制框圖如圖2所示。

圖2 V/F控制結(jié)構(gòu)框圖

V/F控制通過設定參考電壓和參考頻率，并與測量的實際電壓，頻率相比較得到的誤差信號經(jīng)過PI控制器作為逆變器電壓輸出信號。采用誤差信號作為PI控制的輸入保證穩(wěn)態(tài)誤差為零。

2.3 下垂控制

下垂特性曲線如圖3所示。下垂控制是根據(jù)逆變電源輸出的有功功率和頻率呈線性關(guān)系，無功功率和電壓幅值成線性關(guān)系的原理進行控制。下垂控制實際上是控制逆變器模擬一次調(diào)頻的過程。通過下垂控制計算出逆變器調(diào)制電壓與頻率。

圖3 下垂特性曲線

3 微電網(wǎng)的控制策略

分布式電源的類型及并網(wǎng)控制的目的不同，其并網(wǎng)逆變器也需要采取不同的控制策略，這種控制策略的不同主要體現(xiàn)在對逆變器的控制方法上。目前常用的運行控制策略分為基于多代理技術(shù)的控制、主從控制、下垂控制等。

3.1 基于多代理技術(shù)的控制

該方法是將基于PQ恒功率控制策略的多代理技術(shù)應用于微電網(wǎng)的綜合控制中，通過微電網(wǎng)控制中心(Microgrid Control Center)實現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度和市場化運行。代理的自治性、響應能力、自發(fā)行為等特點正好滿足微電網(wǎng)分散控制的需要，提供了一個能夠其嵌入各種控制切無需管理者經(jīng)常參與的系統(tǒng)。以典型的AEN(Autonomous Electricity Networks)的三級控制結(jié)構(gòu)為例，一級保證微電網(wǎng)可靠運行，從而滿足供需平衡;二級優(yōu)化電能質(zhì)量并減少電壓‘頻率波動;三級經(jīng)濟優(yōu)化，即邊際成本等值優(yōu)化。但是目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的應用多集中于對微電網(wǎng)中頻率，電壓等進行控制的層面。要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的控制發(fā)揮更大的作用，還需大量的研究工作。

文獻[12]提出一種2層的多代理控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微源和負荷的協(xié)調(diào)控制并維持母線電壓的穩(wěn)定。

文獻[13]提出了一種基于多代理系統(tǒng) (Multiple Agent System，MAS)的含多微網(wǎng)電力系統(tǒng)調(diào)度模式，將微網(wǎng)視為整體需求響應的形式參與電網(wǎng)調(diào)度。

文獻[14]建立了一個由全系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)代理、微網(wǎng)控制代理、分布式電源代理以及母線代理組成的多代理系統(tǒng)，在保證配電網(wǎng)輻射狀運行、滿足配電網(wǎng)電壓與電流及饋線容量等約束條件的情況下進行供電恢復。

3.2 主從控制

主從控制，即對各微電源采取不同的控制方法，將PQ控制和V/f控制結(jié)合起來，從而使各DG具有不同的職能。當微網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)模式運行時，大電網(wǎng)可以穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率，微網(wǎng)不需要進行頻率調(diào)節(jié);而孤島模式運行時，主從控制系統(tǒng)中的主控制單元需要維持系統(tǒng)的頻率和電壓。在聯(lián)網(wǎng)運行時微網(wǎng)中所有分布式電源采用PQ控制，即微網(wǎng)不參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，只輸出指定的有功和無功功率;在孤島運行時主單元采用 V/f控制維持系統(tǒng)的電壓和頻率恒定。

文獻[15－17]通過對不同微網(wǎng)模型的孤島運行模式和聯(lián)網(wǎng)運行模式之間切換、孤島模式下切/增負荷以及微網(wǎng)內(nèi)某一電源功率變化3種情況下的運行特性進行分析，獲得了微網(wǎng)中相應分布式電源的功率、電壓、電流及系統(tǒng)頻率的變化規(guī)律，證明了主從控制策略的正確性和有效性。

3.3 對等控制

對等控制顧名思義每個分布式有相同的地位，沒有主輔之分。而且對等控制在能量平衡的條件下，微網(wǎng)接入或斷開電源時不需要更改微網(wǎng)中其他單元的設置。讓微網(wǎng)具有“即插即用”的功能。采用對等控制策略，不同分布式電源間沒有通信聯(lián)系。提高了微網(wǎng)的可靠性以及降低系統(tǒng)成本。一般在應用時，將下垂特性與V/F控制結(jié)合起來使用。利用下垂特性的V/f控制，來實現(xiàn)低壓微網(wǎng)孤島下不同微源間變化功率的共享，同時為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。鑒于以上這些優(yōu)勢，下垂控制方法顯示了良好的發(fā)展前途。

傳統(tǒng)的下垂控制一般采用電壓幅值頻率下垂法[18]進行控制。

文獻[19]提出采用相角作為測量參數(shù)，電壓—相角下垂控制較電壓—頻率下垂控制可以提供更好的頻率支撐。

文獻[20]針對在低壓配電系統(tǒng)中，線路電阻大于電感，下垂特性功率不能有效傳遞。提出虛擬阻抗的概念，并設計控制器參數(shù)使等效逆變器輸出阻抗為感性阻抗。

文獻[21]提出對傳統(tǒng)下垂控制進行改進，實現(xiàn)了并網(wǎng)運行時基于下垂控制的間接恒功率控制方式。避免微網(wǎng)運行模式變化時控制策略的切換，實現(xiàn)微網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換的平滑過渡。

文獻[22]提出將分布式電源逆變器等效輸出阻抗設計成容性以體現(xiàn)對系統(tǒng)無功電壓調(diào)整過程相逆的電源特性，使得分布式電源逆變器更容易參與公共連接點處的電壓調(diào)整。

文獻[23]提出在傳統(tǒng)下垂控制法中額外加入瞬態(tài)下垂環(huán)節(jié)，以彌補傳統(tǒng)下垂控制動態(tài)性能不佳的缺陷。

文獻[24]提出在傳統(tǒng)的下垂方程加入微分環(huán)節(jié)補償功率計算帶來的控制滯后。

4 總結(jié)

本文系統(tǒng)總結(jié)了微電網(wǎng)控制中的恒功率、恒壓恒頻、下垂三種控制方法以及多代理控制、主從控制、對等控制三種控制策略。在微電網(wǎng)技術(shù)不斷得到人們重視的今天，微電網(wǎng)控制研究無疑具有重要的現(xiàn)實意義。提高電能質(zhì)量以及系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，加強諧波治理。但也存在許多問題，如何實現(xiàn)配電網(wǎng)優(yōu)化運行，實現(xiàn)分布式電源無縫接入，如何做到在并網(wǎng)與孤網(wǎng)兩種模式下的平滑切換，在按容量比進行分配負荷的情況下并聯(lián)逆變器的環(huán)流問題等。針對并聯(lián)逆變器的環(huán)流問題，下階段工作將主要研究通過合理設置虛擬阻抗在減少環(huán)流方面的作用。

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