微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制策略研究

施芝元 晏睿婷 趙毅峰

【摘要】近年來，由分布式電源組成的微電網(wǎng)以其高可靠性、可持續(xù)性，成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。微電網(wǎng)是一個(gè)小型的配電網(wǎng)系統(tǒng)，為分布式電源的接入提供了一種可行方法。微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行狀態(tài)，并網(wǎng)時(shí)可以從大電網(wǎng)獲取電能或向大電網(wǎng)提供電能，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，微電網(wǎng)能與大電網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行，微電源和存儲設(shè)備必須合作才能維持微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的能量平衡，因而微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略一直是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。文中列舉并討論了現(xiàn)有的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，對這些不同的控制策略進(jìn)行比較分析，提出根據(jù)微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式和影響因素采取的相應(yīng)的控制策略。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng);控制策略;分布式電源;并網(wǎng);孤島

1.引言

隨著人們對電力需求的日益增長，大電網(wǎng)在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展，它所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢，已然成為主要的電力供應(yīng)渠道。但是，由于電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端逐漸顯現(xiàn)出來。在發(fā)展集中式電網(wǎng)的同時(shí)，在負(fù)荷的周圍配置一些分布式電源，如果大電網(wǎng)出現(xiàn)故障突然斷電，周圍的分布式電源能夠及時(shí)的給就進(jìn)的負(fù)荷提供電力支援。但是，分布式電源的接入是一個(gè)難點(diǎn)。分布式電源并入大電網(wǎng)時(shí)，會帶入大量的電子元器件，從而產(chǎn)生了大量的諧波，其發(fā)電的方式和轉(zhuǎn)換器的工作模式會影響諧波的幅度和階次。其次，分布式電源相對于大電網(wǎng)來說是一個(gè)不可控源。

為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式電源的潛能，美同電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會（CRETS）研究了分布式電源對低壓電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性，提出了微電網(wǎng)（MG，Micro-grid）的概念：微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時(shí)提供電能和熱量;微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制;微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等的要求。

微電網(wǎng)的運(yùn)行模式十分靈活，它既可以與大電網(wǎng)相連，作為大電網(wǎng)的一個(gè)分支，當(dāng)微電網(wǎng)無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，主網(wǎng)對其提供電量補(bǔ)充，當(dāng)電量富余時(shí)，可以對主網(wǎng)提供電量支持;同時(shí)當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)故障或有特定需要時(shí)，微電網(wǎng)又可以與主網(wǎng)斷開連接，單獨(dú)運(yùn)行，即為孤島運(yùn)行模式。但與常規(guī)的發(fā)電機(jī)組不同，由于微電網(wǎng)中分布式電源的種類和特征不同，需要一些特殊的協(xié)調(diào)控制方式才可能使其滿足負(fù)荷對系統(tǒng)電壓和頻率的要求。同時(shí)，跟蹤微電網(wǎng)中負(fù)荷的變化，也需要針對微電網(wǎng)中的分布式電源采取不同的協(xié)調(diào)控制策略。

本文先詳細(xì)介紹了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成，然后對現(xiàn)有的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略做了一個(gè)詳細(xì)的研究，并將不同的控制策略方法進(jìn)行對比分析，得出了在不同情況下應(yīng)該采用的控制策略的結(jié)論，有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

2.微電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)

2.1 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

圖1所示為微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖，微電網(wǎng)通過隔離變壓器與大電網(wǎng)連接。微電網(wǎng)中，大部分微電源都使用電力電子變換器和負(fù)載相連接。微電網(wǎng)內(nèi)部有三條饋線，其中饋線A和B上連接有敏感負(fù)荷和一般負(fù)荷，根據(jù)用電負(fù)荷的不同需求情況，微電源安裝在饋線上的不同位置，而沒有集中安裝在公共饋線處。饋線C上接入一般負(fù)荷，沒有專門配置微電源，而直接由電網(wǎng)供電。每個(gè)微電源出口處都配有斷路器，同時(shí)具備功率和電壓控制器，能夠調(diào)整各自功率輸出以調(diào)節(jié)饋線潮流。當(dāng)檢測到大電網(wǎng)出現(xiàn)電能質(zhì)量問題或供電中斷時(shí)，隔離開關(guān)S1動作，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，以保證微電網(wǎng)內(nèi)的重要敏感負(fù)荷能夠不間斷供電，同時(shí)各微電源在能量管理系統(tǒng)的的控制下，調(diào)整功率輸出，保證微電網(wǎng)正常運(yùn)行。對于饋線A、B、C上的一般負(fù)荷，系統(tǒng)則會根據(jù)微電網(wǎng)功率平衡的需求，將其切除。

圖1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)中包含了光伏，小型燃?xì)廨啓C(jī)和蓄電池等微電源形式的電源。在微電網(wǎng)中有各種不同類型的負(fù)荷，需要用不同的策略進(jìn)行供電，如某些當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷可以直接進(jìn)行供電。微電網(wǎng)可以通過主隔離器與主電網(wǎng)實(shí)行并網(wǎng)運(yùn)行，并改善主網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.2 微電源的分類

微電源是微電網(wǎng)的重要組成部分。主要為可再生能源，如風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等，發(fā)電系統(tǒng)類型主要有風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Wind Generator）、太陽能電池（PV Panel）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Micro-Turbine）、燃料電池（Fuel Cell）等，系統(tǒng)容量約為20kW～10MW。

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。它是一種沒有公害的能源，并且取之不盡，用之不竭，可以根據(jù)情況因地制宜地利用風(fēng)力發(fā)電。

太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種，目前光伏發(fā)電的發(fā)展速度較快。它是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。但輸出的功率由光能決定，因此是斷續(xù)的，不能與負(fù)荷完全匹配，因此常常需要蓄電池或其他輔助系統(tǒng)。一般光伏電池發(fā)電模塊擁有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能、電池板監(jiān)測和保護(hù)功能、逆變并網(wǎng)等功能，以保證光伏電池能夠可靠、安全地運(yùn)行。

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一類新發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動機(jī)，其單機(jī)功率范圍25～300Kw，具有體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡單可以統(tǒng)一調(diào)度。具有電力電子轉(zhuǎn)換和控制接口的微型燃?xì)廨啓C(jī)可跟隨電網(wǎng)的電壓和頻率變化，主要起負(fù)荷跟蹤和削峰填谷的作用。它在完成基本的有功功率控制的同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的無功功率，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)的調(diào)整。因此是目前最成熟、最具有商業(yè)競爭力的分布式電源之一。

3.微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制策略與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有很大的不同，主要原因如下：分布式電源（DG）具有靜態(tài)和動態(tài)特性，尤其是電磁耦合單元，不同于傳統(tǒng)大型水輪機(jī);相當(dāng)一部分微電網(wǎng)內(nèi)部電源為不完全可控電源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī);短期和長期儲能單元在微電網(wǎng)控制中起重要作用;在經(jīng)濟(jì)上要求微電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，能夠連接或切除分布式電源;微電網(wǎng)要能夠提供較好的電能質(zhì)量和對一些負(fù)荷提供特殊的服務(wù)。

微電網(wǎng)相對于主網(wǎng)來說可以視作一個(gè)整體模塊，對內(nèi)可以提供滿足微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷需求的電能，而實(shí)現(xiàn)這些功能，必須具有良好的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，做到能夠基于本地信息對電網(wǎng)中的事件做出快速獨(dú)立的響應(yīng)。具體來講，微電網(wǎng)控制應(yīng)當(dāng)保證：任意一個(gè)微電源的接入不對系統(tǒng)運(yùn)行造成影響;自主選擇運(yùn)行點(diǎn);平滑地與大電網(wǎng)并列、分離;對有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制;具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。

目前，微型電網(wǎng)常用的控制策略主要分為三種，主從型（master-slave operation），對等型（peer-to-peer control）和多代理型（Multi-Agent）。

3.1 主從控制法

主從控制按照是否以某一分布式電源作為主單元可分為以分布式電源作為主控制單元的主從控制和以上層中心控制器作為主控制單元的主從控制兩大類。

（a）以分布式電源作為主控制單元

以一個(gè)分布式電源作為主單元，來檢測電網(wǎng)中的各種電量，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況來采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段，通過通信線路來控制其他“從屬”電源的輸出來達(dá)到整個(gè)微電網(wǎng)的功率平衡，使電壓頻率穩(wěn)定在額定值。當(dāng)微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)可以穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率，微電網(wǎng)自身不需要進(jìn)行頻率調(diào)節(jié);而孤島模式運(yùn)行時(shí)，主從控制系統(tǒng)中的主控制單元需要維持系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定。所以，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)中所有分布式電源采用P-Q控制，即微電網(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(yùn)行時(shí)主單元采用V-f控制維持系統(tǒng)的電壓和頻率恒定。

（b）以中心控制器作為主控制單元

隨著微電網(wǎng)概念的發(fā)展和多微電網(wǎng)概念的出現(xiàn)，以中心控制器作為主控制單元又可以分為對一個(gè)微電網(wǎng)使用分層控制和對多個(gè)微電網(wǎng)的管理使用分層控制。這種主從控制的原理是上層管理系統(tǒng)管理底層多個(gè)分布式電源和各類負(fù)荷的一種控制方法，所以底層分布式電源與上層管理系統(tǒng)之間亦需要通信聯(lián)系。但是這種通信聯(lián)系是弱聯(lián)系，即使短時(shí)間通信失敗，微電網(wǎng)仍能正常運(yùn)行。

3.2 對等控制法

所謂對等控制（peer-to-peer operation）顧名思義，每個(gè)分布式電源有相等的地位，沒有一個(gè)單元像主控制單元或中心儲能單元那樣對微電網(wǎng)有著特別重要的作用。所有的微電源以預(yù)先設(shè)定的控制模式參與有功和無功的調(diào)節(jié)，從而維持系統(tǒng)電壓頻率的穩(wěn)定。對等控制策略基于外特性下降法，分別將頻率和有功功率、電壓和無功功率關(guān)聯(lián)起來，通過一定的控制算法，模擬傳統(tǒng)電網(wǎng)中的有功-頻率特性曲線和無功-電壓曲線，實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的自動調(diào)節(jié)而無須借助于通信。

兩種基于下垂特性的典型控制方法在對等控制策略的分布式電源控制中被廣泛應(yīng)用。一種是f-P和V-Q下垂控制方法，它利用測量系統(tǒng)的頻率和分布式電源輸出電壓幅值產(chǎn)生分布式電源的參考有功和無功功率，如圖2所示。另一種方法是利用測量分布式電源輸出的有功和無功功率產(chǎn)生其輸出的電壓頻率和幅值，稱作P-f和Q-V下垂控制法，如圖3所示。

圖2 f-P和V-Q下垂控制

圖3 P-f和Q-V下垂控制

圖4 多代理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 基于多代理技術(shù)的控制法

該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，提供了一個(gè)能夠嵌入各種控制性能但又無需管理者經(jīng)常出現(xiàn)的系統(tǒng)。該方法主要的思路為：微電網(wǎng)中各底層元件（包括發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等）都作為獨(dú)立的Agent運(yùn)行;同時(shí)設(shè)定微電網(wǎng)Agent對這些底層Agent進(jìn)行管理，例如接受元件Agent信息、根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行狀況及調(diào)整策略為其提供相應(yīng)的控制策略等;微電網(wǎng)Agent與上級電網(wǎng)Agent之間通過通信協(xié)調(diào)解決各Agent之間的任務(wù)劃分和共享資源的分配;上級電網(wǎng)Agent負(fù)責(zé)電力市場以及各Agent間的協(xié)調(diào)調(diào)度，并綜合微電網(wǎng)Agent信息做出重大決策;不同的Agent還保持一定量的數(shù)據(jù)通信以更好地保證各自決策的合理性。這種結(jié)構(gòu)與通信方式適應(yīng)了微電網(wǎng)分布、復(fù)雜、靈活的特性。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于協(xié)調(diào)市場交易和對能量進(jìn)行管理方面，還未深入到對微電網(wǎng)的頻率、電壓等進(jìn)行控制的層面。

4.微電網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)和不同控制策略的比較分析

4.1 不同模式下的運(yùn)行目標(biāo)

在正常情況下，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，由大電網(wǎng)提供剛性的電壓和頻率支撐，內(nèi)部微電源工作在電壓源或電流源狀態(tài)，在能量管理系統(tǒng)控制下，調(diào)整各自的功率輸出。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)共同承擔(dān)內(nèi)部負(fù)荷。并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，由于微電源的分布式特性，可由微電源能量管理系統(tǒng)迅速定位故障點(diǎn)位置。當(dāng)故障點(diǎn)在微電網(wǎng)內(nèi)部時(shí)，由微電網(wǎng)能量管理控制器通過綜合各微電源的信息給出相應(yīng)調(diào)整;當(dāng)故障點(diǎn)在微電網(wǎng)外部時(shí)，通過主網(wǎng)調(diào)度中心與各高級調(diào)度中心相互通信以確定故障嚴(yán)重程度。如超出自身調(diào)節(jié)能力，相應(yīng)微電網(wǎng)可選擇與主網(wǎng)斷開，進(jìn)入孤島運(yùn)行，這樣可同時(shí)保證主網(wǎng)與微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的基本要求是微電源必須建立一個(gè)穩(wěn)定的電壓和頻率，并且使之處于允許范同內(nèi)。負(fù)荷和微電源常用來維持功率平衡以此確保微電網(wǎng)的電壓和相角的恒定。因此控制策略必須確保敏感負(fù)荷的正常供電。

4.2 各個(gè)控制策略的比較

下垂控制方法是基于“即插即用”與“對等”的控制思想，采用與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相類似的下垂特性曲線進(jìn)行控制，將系統(tǒng)的不平衡功率動態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān)，具有簡單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但該方法沒有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問題，也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整問題，因此，在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重?cái)_動時(shí)，系統(tǒng)的頻率質(zhì)量可能無法保證。此外，該方法僅針對基于電力電子技術(shù)接口的微電源間的控制。如果只要求在發(fā)電機(jī)或負(fù)荷改變時(shí)，對功率的不平衡提供快速響應(yīng)的功能，就需要有存儲容量足夠的存儲單元;如果存儲單元僅僅用于功率快速產(chǎn)生和吸收，不需要長時(shí)間輸出功率，在采用主從站控制方法和多代理的協(xié)調(diào)方案中也可以使用容量較小的存儲單元。

如果逆變器有孤島檢測的能力，所有的協(xié)調(diào)方法中，除了基于多代理的方法，其他方法都不要求微電源、存儲單元和控制器之間進(jìn)行通信。具有孤島檢測能力的存儲單元和微電源能自動從P-Q控制切換到下垂控制，反之亦然。然而，如果微電源依靠斷路器開關(guān)等信息來決定微電網(wǎng)的狀態(tài)，就必須在控制器和微電源間安裝快速通信裝置。

微電網(wǎng)元件的關(guān)系也影響協(xié)調(diào)方法的選擇。如果微電源屬于幾個(gè)不同用戶所有，每個(gè)用戶都希望利益最大化。如果并網(wǎng)時(shí)微電網(wǎng)向主電網(wǎng)輸出功率，孤島時(shí)由于需求的減少，將迫使微電源減少發(fā)電量，它們將競爭發(fā)電?；诙啻淼腜-Q控制最適合于這種情況。用戶和微電源的所有者要事先通過協(xié)議來安排需進(jìn)行交換的總功率。

如果微電網(wǎng)是屬于單個(gè)用戶，所有的協(xié)調(diào)方法都可以采用，即微電源不用去競爭發(fā)電。微電網(wǎng)控制器的目標(biāo)是整個(gè)利益最優(yōu)化，而不是單個(gè)元件利益最大化。對于復(fù)雜多微電網(wǎng)系統(tǒng)，分布式控制策略和多代理控制策略結(jié)合是最佳的選擇。

然而，在眾多的微電網(wǎng)能量控制策略中，基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制策略是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。這種方法主要是將計(jì)算機(jī)科學(xué)中廣為使用的Multi-Agent技術(shù)應(yīng)用在微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)之中。這其中各個(gè)Agent都具有很強(qiáng)的自治性和可靠性，可以獨(dú)自進(jìn)行決策、運(yùn)行管理等行為，這極大地滿足了微電網(wǎng)對于權(quán)限下發(fā)到底層的要求，可以在諸多電子元件中合理使用。

在實(shí)際微電網(wǎng)中，可能有多種類型的分布式電源接入，既有像光伏風(fēng)機(jī)這樣隨機(jī)性較強(qiáng)的分布式電源，又有燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池這樣比較穩(wěn)定和容易控制的分布式電源或儲能裝置，不同類型的分布式電源控制特性可能差異較大。對于同一種類型的分布式電源，在微電網(wǎng)中作用不同時(shí)，也可采用不同的控制策略。單一的控制策略顯然不能滿足微電網(wǎng)運(yùn)行的要求。因此結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和負(fù)荷都具有分散性的特點(diǎn)，根據(jù)分布式電源的不用類型和作用采用不用的控制策略，可以采用綜合控制方式。

5.結(jié)論

由于微電網(wǎng)中的微電源種類樣式繁多，控制方式不同，同時(shí)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式也有并網(wǎng)和孤島兩種模式，因此微電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)控制問題一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。本文針現(xiàn)有的微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制策略做了總結(jié)討論，比較了不同控制策略的應(yīng)用條件和優(yōu)劣勢，分析了不同情況下應(yīng)采取的相應(yīng)的微電網(wǎng)控制策略，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

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