孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)運行與控制策略研究綜述

趙思雯，葉 鵬，姚天昊，趙敘龍，牛 瀟

（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

我國大力支持低碳綠色環(huán)保電力行業(yè)的發(fā)展。風(fēng)電與光伏等新能源的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用對未來電力行業(yè)發(fā)展的趨勢有著重大意義。電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大會出現(xiàn)運行維護與調(diào)控難度大等問題[1-2]。特別是對于一些大型的電力系統(tǒng)，某些小部分的事故容易擴散，使整個電力系統(tǒng)處于斷電、癱瘓狀態(tài)。一旦出現(xiàn)某些小的擾動或者孤戰(zhàn)時，便會導(dǎo)致整個電網(wǎng)的事故，甚至是某個區(qū)域電網(wǎng)的崩潰，造成不可預(yù)估的損失[3-4]。為了能解決以上問題，孤立微電網(wǎng)技術(shù)可以提供新的思路。

孤立微電網(wǎng)能夠及時采用當(dāng)?shù)胤植际侥茉?，安裝地點靈活，綠色環(huán)保無污染，且能就近為負荷供電，資源豐富。孤立微電網(wǎng)已成為近年來發(fā)展迅速的新型供電模式[5-6]。孤立微電網(wǎng)的主要優(yōu)勢有：

1）綜合利用國家大力推崇的綠色環(huán)保的清潔可再生能源，如風(fēng)能、太陽能等。

2）可以通過對分布式能源的獨立控制來保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證重要負荷的供電質(zhì)量。

3）可以適應(yīng)分散式負荷的供電需求，安裝位置靈活，減少傳輸損耗，降低整個系統(tǒng)投資，能源充足。

4）系統(tǒng)中分布式電源的模塊化結(jié)構(gòu)，維修方便、控制靈活、運行方式多樣，為系統(tǒng)的發(fā)電提供不同的設(shè)計思路[7]。

根據(jù)對孤立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、數(shù)學(xué)模型等方面進行基礎(chǔ)研究，對孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行控制策略的關(guān)鍵技術(shù)進行綜述分析，對孤立微電網(wǎng)的未來發(fā)展進行展望。

1 孤立微電網(wǎng)研究動態(tài)

由于孤立微電網(wǎng)運行的優(yōu)勢明顯且運行模式與常規(guī)大電網(wǎng)不同，故引起了許多國內(nèi)外電力行業(yè)專家與學(xué)者的重視，并進行了相關(guān)研究。歐盟、日本、美國等對孤立微電網(wǎng)不同方向展開研究并有較多成果，然而我國對于孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究與國外相對成熟的技術(shù)相比仍有較大差距[8]。

歐盟早已對孤立微電網(wǎng)進行系統(tǒng)研究，歐盟對孤立微電網(wǎng)的研究比較注重可再生能源利用率、控制靈活、電能質(zhì)量可靠性等方面[9]。如雅典國家科技大學(xué)搭建的孤立微電網(wǎng)實驗室是以光伏、風(fēng)機與儲能為主的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，采用了分層的控制策略，并對獨立微電網(wǎng)經(jīng)濟性進行評估。

日本能源比較稀少，海島較多，用電量較大，故日本政府大力支持研究孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，并對稀缺的能源問題進行解決。近年來，日本成立了相關(guān)的機構(gòu)專門負責(zé)孤立微電網(wǎng)的應(yīng)用研究[10]。日本對孤立微電網(wǎng)可靠性研究進行了示范工程的搭建，對孤立微電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及能量管理平臺進行了深入研究。

美國已經(jīng)建立多個孤立微電網(wǎng)平臺，并應(yīng)用該平臺取得相應(yīng)的學(xué)術(shù)及實踐成果。如mad river建立的孤立微電網(wǎng)經(jīng)濟模型，可以提供在特定地點的孤立微電網(wǎng)可行性分析研究，對分布式發(fā)電、配電網(wǎng)規(guī)劃等方向進行深入研究[11-12]。

由于我國的研究時間較國外發(fā)達地區(qū)尚晚，理論的不成熟以及相應(yīng)的示范平臺較少，大大減緩了我國的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究速度。但是我國的風(fēng)能以及太陽能等方面研究比較成熟，基礎(chǔ)較好，故其在孤立微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究較為順利，也提供了其應(yīng)用的可能性。國家在863和973計劃中均提到孤立微電網(wǎng)研究與建設(shè)相關(guān)基礎(chǔ)項目。我國需要結(jié)合當(dāng)前能源發(fā)展的現(xiàn)狀來對孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)進行深入研究，以實現(xiàn)孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定迅速發(fā)展[13-14]。

綜上所述，各國孤立微電網(wǎng)的控制策略與智能能量管理是當(dāng)前的研究熱點。由于孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)沒有大電網(wǎng)穩(wěn)定電壓頻率，電網(wǎng)的電能質(zhì)量、孤立微電網(wǎng)檢測與控制、能量管理等對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行會造成一定影響；調(diào)節(jié)孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊的有功與無功功率，保證電壓頻率的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)各微電源的輸出，保證系統(tǒng)的能量平衡。

2 孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

2.1 孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制框如圖1所示。孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)單元主要有風(fēng)力機、直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機、光伏發(fā)電模塊、DC/DC整流器、DC/AC逆變器和濾波裝置；儲能單元主要由蓄電池、DC/DC雙向變流器、儲能逆變器和濾波裝置組成，風(fēng)電單元、光伏單元與儲能單元共同經(jīng)過交流母線向負載供電。儲能單元能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)有功功率的協(xié)調(diào)控制。

圖1 風(fēng)光儲獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制框

風(fēng)輪機子模塊從自然風(fēng)中捕獲最大機械功率，將產(chǎn)生的機械功率通過主軸傳遞給永磁同步電機子模塊進行發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)過背靠背變流器控制子模塊和濾波裝置傳輸?shù)浇涣髂妇€上。光伏發(fā)電模塊通過采光進行發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)過DC/AC電路子模塊和濾波裝置傳輸?shù)浇涣髂妇€上。而儲能系統(tǒng)模塊通過采集交流母線側(cè)電壓電流信號來控制儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)子模塊的運行，以達到抑制因風(fēng)速、采光或負載的突變而導(dǎo)致的風(fēng)光儲獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率的波動，通過采集儲能系統(tǒng)直流側(cè)的直流電壓和直流電流信號進行儲能單元中DC/DC電路子模塊充放電的控制，以此來實現(xiàn)對蓄電池充放電子模塊的控制，增強了孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)性和可靠性。

2.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

在三相對稱的工作狀況下，同時選取兩相d-q旋轉(zhuǎn)坐標系，按照電動機常用模型，從而便可以運用定子坐標系作為參照。在忽略不計定子電磁暫態(tài)的狀況下，其在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下永磁風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型為

式中，ids和iqs分別為定子電流d軸和q軸上的分量；uds為定子電壓d軸上的分量；uqs為定子電壓q軸上的分量；wg為風(fēng)機機械角速度；RS和LS分別為定子電阻和電感；φ為磁通[15]。

2.3 光伏組件數(shù)學(xué)模型

光伏輸出功率Ppv由標準額定條件（太陽輻射度 GSTC為1 000 W/m2，相對大氣光學(xué)質(zhì)量為AM1.5，電池溫度TSTC為25℃）下的輸出功率、光照強度和環(huán)境溫度得到。

式中，Gc代表工作點的輻溫度；k代表功率溫度系數(shù)；PSTC代表額定條件下光伏額定輸出功率；Tc代表電池溫度。

2.4 儲能逆變器數(shù)學(xué)模型

儲能模塊的儲能逆變器d-q坐標系下的數(shù)學(xué)模型為

式中，U0d、U0q和i0d、i0q分別表示儲能逆變器通過abc/dq0變換后得到的電壓和電流的dq分量；w表示交流母線上電壓對應(yīng)的角頻率；rf、Lf分別表示電阻和濾波電感；Cf表示濾波電容；Vd、Vq和id、iq分別表示儲能逆變器通過abc/dq0變換后的得到的電流的dq分量。

2.4 儲能電池數(shù)學(xué)模型

儲能單元中，儲能電池采用液流電池，儲能電池的充放電模型以及剩余電量（SOC）的表達式為

式中，A表示指數(shù)電壓；Ec表示充電電壓；Q表示蓄電池最大容量；i*表示低頻參考電流；Edisc表示放電電壓；i()

t表示低頻動態(tài)電流；it表示可提取的電能；K表示極化常數(shù)；B表示指數(shù)容量；E0表示參考電壓[16]。

3 孤立微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略現(xiàn)狀概述

傳統(tǒng)的電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的無功來維持電壓穩(wěn)定，孤網(wǎng)運行時，需要控制微電源來維持系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率的穩(wěn)定。孤立微電網(wǎng)中的微電源種類較多，控制接口一般采用電力電子設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)的分布式能源輸出功率具有間接性及隨機性的特點，故大大增加了孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率的控制難度[17]。

文獻[18]采用了PQ控制方法并進行電流PWM調(diào)節(jié)來控制微電源的額定功率，但需要其他額外的電源來進行控制，保證電壓和頻率的穩(wěn)定輸出；文獻[19]采用PQ和V/f兩種常用的微電源控制方式，根據(jù)系統(tǒng)的運行特點來選擇控制方式，可以實現(xiàn)有功、無功、電壓頻率的輸出，為孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐；文獻[20]采用主從控制和對等控制模式的微電源平臺，分析了分層控制模式的應(yīng)用及實踐意義；文獻[21]從孤立微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行方面出發(fā)，提出了一種孤立微電網(wǎng)搭建的方法，如何在孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)中選擇恰當(dāng)?shù)倪B接點和連接位置是該文獻講述的重點，并對孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的搭建有很重要的參考價值；文獻[22-23]使用MATLAB/Simulink仿真軟件建立孤立微電網(wǎng)的仿真模型，分析了電磁暫態(tài)穩(wěn)定特性，并通過仿真結(jié)果得出結(jié)論，表明儲能電池在孤網(wǎng)系統(tǒng)中有很好的穩(wěn)定電壓頻率的作用，保證了孤立微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行與電能質(zhì)量可靠性。文獻[24]提出了一種風(fēng)電—儲能系統(tǒng)孤立微電網(wǎng)的控制策略，通過上層的廣域功率平衡控制和下層的儲能設(shè)備V/f控制，在盡可能短的時間內(nèi)進行投切量計算保證最小的經(jīng)濟成本。文獻[25]針對具有諧波電壓擾動的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)疊加原理，提出一種電壓源并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)諧波電流抑制策略，通過利用陷波器將網(wǎng)側(cè)電壓基頻與諧波分量進行分離，并在保證逆變器向電網(wǎng)注入基頻電流的同時，減少網(wǎng)側(cè)與逆變器輸出端諧波電壓誤差，降低系統(tǒng)的諧波含量。文獻[26]考慮了常規(guī)的發(fā)電機組（柴油發(fā)電機），提出了一種以提高系統(tǒng)全壽命周期的經(jīng)濟型為主要優(yōu)化目標的孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)，利用了仿真平臺對不同控制策略原則進行仿真并進行比較。文獻[27]根據(jù)序列運算理論，提出一種基于機會約束規(guī)劃的孤立微電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，并通過對不同離散化步長對結(jié)果影響的討論進行驗證其合理性。

儲能系統(tǒng)中的電池存儲容量有限，由于某些自身因素，難以維持整個孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，而且分布式能源的波動性與間接性也必然導(dǎo)致了儲能系統(tǒng)的壽命大幅度縮減。針對這一問題，學(xué)者進行了研究，文獻[28]提出了孤島模式下的微電網(wǎng)下垂控制策略，可以根據(jù)不同儲能設(shè)備的工作特性，改變其輸出功率的比例系數(shù)，保證不同負荷在不同儲能設(shè)備中得到合理分配，從而補償了微電源的間接性缺點，延長了儲能電池的使用壽命；文獻[29]基于電池系統(tǒng)的傳統(tǒng)下垂控制，提出了外環(huán)功率控制，考慮到下垂控制的誤差等其他方面也提出了內(nèi)環(huán)電壓控制，其結(jié)果表明該控制策略可以為負載波動較大的孤島進行供電，同時還可以提高電池的使用壽命；文獻[30-32]提出了混合儲能的控制策略，提高了儲能系統(tǒng)使用年限。孤立微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的引入可以增加可再生能源的利用率，實現(xiàn)孤立微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益最佳。文獻[33]對孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)進行了綜述，以孤立微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行、效益等經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，以微電源運行、系統(tǒng)穩(wěn)定為約束條件進行研究分析；文獻[34]提出了改進粒子群優(yōu)化算法，以運行成本最低、經(jīng)濟損耗等經(jīng)濟指標為約束目標，得出最優(yōu)的運行方式；文獻[35]提出了一種針對可再生能源，以運行成本為最小目標的智能優(yōu)化能量管理系統(tǒng)分配策略。

4 結(jié)論

雖然孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展受著各種技術(shù)的約束，但是其運行與控制的技術(shù)需要更多的挖掘及優(yōu)化研究。孤立微電網(wǎng)運行與控制技術(shù)的研究如下：

1）儲能系統(tǒng)可以維持系統(tǒng)運行的電壓與頻率的穩(wěn)定，實現(xiàn)孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的峰谷轉(zhuǎn)換。然而，儲能單元的容量有限，需要研發(fā)出功率密度大、能量密度大且經(jīng)濟成本較低的多元復(fù)合儲能系統(tǒng)，這對孤立微電網(wǎng)的運行與控制具有重大意義。

2）孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行需要能量管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，如何實現(xiàn)風(fēng)力出電、太陽能轉(zhuǎn)化及電池狀態(tài)預(yù)測為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)的各個模塊的控制技術(shù)，數(shù)學(xué)模型以及目標函數(shù)的優(yōu)化都是能量管理系統(tǒng)工作的重點，如何實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)的最優(yōu)配置也是今后研究的關(guān)鍵[36-37]。

3）孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要風(fēng)電、光伏及儲能三者之間的協(xié)調(diào)配合，三者之間的最優(yōu)容量配置也是保證系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制重要因素之一。因此，開展孤立微電網(wǎng)容量配置的研究，提高孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力對孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行有著積極的現(xiàn)實意義。