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第4章微电网运行与控制技术简介：微电网主要以分布式电源为主，由于分布式电源的容量一般不大，但是却数目众多，从而使微电网的控制不能像传统电网那样由电网调度中心统一控制以及处理故障，这就对微电网的运行和控制提出了新的要求。如：根据电网需求或者电网故障情况，能够实现自主与主电网并列、解列或者是两种运行方式的过渡转换运行，同时实现电网有功和无功的控制、频率、电压控制，可实现微电网与主电网的协调优化运行以及对主电网的安全支撑等。微电网相对于主电网可作为一个可控的模块化单元，其可对内部负荷提供电能，满足负荷用户的需求，这就需要良好的微电网控制和管理能力。微电网的运行控制应该能够做到基于本地信息对电网中的事故作出快速、独立的响应，而不用接受传统电网的统一调度。4.1微电网自动控制结构与体系4.1.1微电网的经典结构与控制目标1、经典微电网的基本结构如图4.1所示，它由微电源、储能装置和电/热负荷构成，并联在低压配电网中。微电源接入负荷附近，很大的减少了线路损耗，增强了重要负荷抵御来自主电网故障的影响的能力。微电源具有“即插即用”的特性，通过电力电子接口实现并网运行和孤岛运行方式下的控制、测量和保护功能，这些功能有助于实现微电网两种运行方式间的无缝切换。图4.1中微电网包括A、B和C3条馈线，整个网络呈辐射状结构，馈线通过微电网主隔离装置与配电网相连，可实现孤网与并网运行方式的平滑切换。其中A和B为重要负荷，安装了多个DG为其提供电能，馈线A上接敏感负荷，安装了光伏电池和微型燃气轮机，其中微型燃气轮机运行于热电联产，向用户提供热能和电能；采用风力发电和燃料电池共同在为馈线B的可调节负荷供电；馈线C为非敏感负荷，没有配置专门的微电源为馈线C上的负荷供电，直接由配电网供电，孤网运行时，当微电网内部过负荷时，可切断系统对馈线C上的负荷的供电。并网运行时，当外界主电网发生故障停电或者出现电能质量问题时，微电网通过静态开关切断与主电网的联系，孤网运行。微电网的负荷由微电源承担，馈线C可通过母线从母线得到电能并维持正常运行。如果孤网运行模式下无法保证电能的供需平衡，可切断馈线C的负荷，停止对非重要负荷供电。故障消除后，主断路器重新合上，微电网恢复并网运行模式。通过有效的控制方式实现微电网两种运行模式的平滑切换。此外，微电网还配备了潮流控制器和保护协调器，在能量管理系统的统一控制下，通过数据采集，实现调压、控制潮流、馈线保护等多项措施。在大电网发生故障或其电能质量不符合标准情况时，微电网可以孤网运行，保证微电网自身和大电网的正常运行，从而提高供电安全性和可靠性。因此孤网运行时微电网最重要的能力，而实现这一性能的关键技术是微电网与主电网之间的电力电子接口处的控制环节—静态开关。该静态开关可实现在接口处灵活控制的接受和输送电能。从大电网的角度看，微电网相当于负荷，是一个可控的整体单元。另一方面，对用户来说，微电网是一个独立自治的电力系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求。34图4.1典型微电网的基本结构562、微电网控制的主要目标（1）可对微电源出口电压进行调节，保证电压稳定性。（2）孤网运行时，确保微电源能够快速响应，满足用户的电力需求。（3）根据故障情况或系统需求，可实现平滑自主的与主电网并网、解列或者两种运行方式的过渡转化。（4）调节微电网的馈线潮流，对有功和无功进行独立解耦控制。4.1.2微电网的控制方式目前，微电网的控制方式主要有以下几种：（1）主从控制。即对各微电源采取不同的控制方式，从而使分布式电源实现不同的职能，让其中一个（或几个）微电源作为主控电源，支撑系统的频率，保证电压的稳定，而其他微电源作为从属电源，不负责电压的控制和频率的调节。主从控制的实现：并网运行时各分布式电源均采用P/Q控制，孤岛运行时，一个分布式电源（主控电源）转换成v/f控制，保持电压不变，电流随负荷的变化而变化。但是主从控制存在的缺点有：孤岛运行时对主控电源依赖性高，对通信可靠性要求高，负荷波动时需要较高的旋转备用容量。（2）对等控制策略。即基于电力电子的“即插即用（PlugandPlug）”和“对等（PointtoPoint）”的控制。系统中各个分布式电源是“平等”的关系，不存在从属关系。根据微电网的控制目标，灵活的设定下垂系数，调节受控微电源，保证整个微电网的电压稳定、频率稳定以及电能的供需平衡，具有简单可靠的优点。但是对等控制策略只考虑了一次调频，而忽略了传统电网的二次调频问题，即没有考虑微电网系统电压和频率的恢复问题，因此，在微电网受到大扰动时，很难保证系统的频率质量，不能保证负荷的正常运行。另外，此方法是针对有电力电子技术的微电源的控制，没有考虑传统发电机如微型燃气轮机与微电网之间的协调控制。（3）基于功率管理系统的控制。该控制方式采用不同的控制模块，分别对有功和无功进行解耦控制。较好的满足了微电网P/Q、v/f等多种控制方式的要求，尤其是对于功率平衡的调节，应用了频率恢复算法，可以很好地满足系统对频率质量的要求。针对微电网中各用户对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入了无功补偿装置，提高了系统的控制能力，同时也提高了控制的灵活性。但是该方法没有考虑含有调速和励磁系统的常规发电，特别是没有考虑含电力电子接口的微电源间的协调控制（4）基于多代理技术的控制。该方法将传统电网的多代理技术应用到微电网控制系统。该控制策略综合了多种控制方式，能够随时插入某种控制，实现了微电网的经济优化调度，保证了微电网系统安全稳定运行。多代理技术具有很好的自愈能力，响应能力强等特点可很好的满足微电网的分散控制的需要。但目前多代理技术在微电网中的应用还处于起步阶段，还只是集中对微电网的系统频率、电压等进行控制的层面，因此要使多代理技术在微电网的控制中发挥更大的作用，还需要大量的研究工作。微电网中的分布式电源的控制方法主要有：PQ控制VF控制下垂控制1）PQ控制PQ控制也就是恒功率控制，通常在并网运行状态下采用PQ控制，控制的目的是不考虑其对微电网频率和电压的调节作用，使分布式电源输出的有功和无功能够实时跟踪参考信号，而频率和电压支撑由大电网提供。对于光伏发电和风力发电等分布式电源，其出力受环境影响较大，输出功率具有间歇性，采用PQ控制策略可以保证可再生能源的充分利用。第一种方法是分别控制有功和无功功率，通过给定微电源原动机的有功功率参考值来控制微电源发出的有功，直接给定微电源的无功功率参考值来控制其发出的无功功率。如图4.2所示：图4.2PQ控制示意图从图4.2可知，控制原动机发出的有功功率，有功功率参考值为,在原动机自身功率调节器的作用下跟踪输出的有功功率，通过在逆变器直流侧的电压PI1控制器来保持母线电压恒定，从而实现微电源的有功输出调节。第二种方法是直接通过逆变器控制有功和无功功率。逆变器的输出功率就是微电源输出的功率，实现该种控制的具体方法是：通过锁相环得到交流侧的三相电压和电流，经过由Park变换得到dq0分量，通过式（4-1）得到微电源输出的有功和无功功率。（4-1）通过式（4-1）计算得到dq轴的电流值，把它作为电流环参考值，与实际的电流值做差，然后通过PI控制器。得到滤波电感参数后，设置dq轴电压参考分量，通过Park反变换，得到三相交流分量，通过PWM输出给逆变器。iuiuiuPddqqddrefiuiuiuQddqqddref（2）VF控制V/f控制通过控制微电源逆变器的输出量，使逆变器输出的电压和频率为参考量，以保证微电网在孤岛运行时的电压和频率的稳定，使负荷功率能够很好的跟踪变化特性。通过设定电压和频率的参考值，再通过PI调节器对电压和频率进行跟踪，作为恒压、恒频电源使用。其控制示意图如图4.3所示：图4.3v/f控制示意图从图4.3中可以看出，电源在进行v/f控制时只采集逆变器端口的电压信息，可通过调节逆变器来调节电压值，频率采用恒定值50HZ。（3）下垂（Droop）控制Droop控制主要是指电力电子逆变器的控制方式，其与传统电力系统的一次调频类似，利用有功-频率和无功-电压呈线性关系的特性对系统的电压和频率进行调节。目前主要有两种Droop控制方法，一种是传统的有功-功率（P-f）和无功-电压（Q-U）进行Droop控制，一种是对有功-电压（P-U）和无功-频率（Q-f）进行反Droop控制。如图4.4所示Droop控制有功-频率（P-f）和无功-电压（Q-U）呈线性关系，当微电源输出有功、无功增加时，运行点由A点移动到B点，达到一个新的稳定运行状态，该控制方法不需要各微源之间通信联系就可以实施控制，所以一般采取对微电源接口逆变器控制。图4.4频率、电压下垂特性4.2微电网的逆变器控制4.2.1微电网中逆变器的主要控制目标微电网有并网和离网两种稳定运行模式，在两种模式下都要表现为受控的可靠的发电装置，这都对逆变器施加适当的控制。具体而言，微电网中逆变器的控制目标如下：（1）微电网工作与并网模式下。首先，逆变器需满足电网的接口要求，保证注入电流谐波含量合乎标准，不造成当地电能质量的恶化，保持与电网同步的能力，不发生攻角振荡。其次，微电网作为独立受控的单元，一般要求逆变器向电网发出的有功功率是可调度的，要求逆变器和电网间交换的无功功率是可控的，以满足负荷要求，对大电网的频率和电压起调节和支撑作用。再者，电网运营商可能会提出谐波补偿、有源滤波、电网故障时的低电压穿越等要求。（2）微电网工作于离网模式下。逆变器必须能维持电网交流侧的电压和频率，自动匹配本地负载有功无功需求。此外，如果离网运行时交流侧并联有多台逆变器，那么，最好能够按照逆变器容量或其它原则分配每台逆变器的有功、无功出力。3）微电网在两种模式之间切换。当大电网发生故障或由于其它原因，微电网需要从并网模式切换到离网模式，逆变器的控制从电流控制过渡到电压控制，既要保证交流电压频率的平滑过渡，又要让输出功率匹配负荷的速度尽可能快；当微电网从离网模式切换到并网模式时，为了避免并网瞬间的电流冲击，要保证并网前微电网与大电网同步且电压相等。4.2.2微电网中逆变器的控制方法微电源的控制是微电网控制的基础，而微电网中大多数微电源通过三相电压型逆变器（VSI）接入系统，所以对微电源的控制就是对逆变器的控制。如图4.5，微电源逆变器控制系统拓扑结构可分为内环控制器和外环控制器，内环控制器动态响应快，可以用来提高逆变器输出的电能质量，外环控制器的动态响应速度较慢，用以体现不同的控制目的，并产生内环所需的控制信号。图4.5微电源逆变器控制系统拓扑微电网并网运行时，由大电网提供参考电压和参考频率；独立运行时，则要求微电网至少有一个微电源能建立稳定的电源和频率，为微电网系统提供电压和频率参考值。在微电网不同运行模式下，微电源逆变器的外环控制器主要有PQ控制器和v/f控制器两种。微电网并网运行时，微电源逆变器外环控制采用PQ控制器，微电源按指定功率输出；微电网独立运行时，部分微电源使用v/f控制器，使微电源输出电压和频率在允许变化的范围之内，其余微电源采用PQ控制器。目前针对微电网控制的研究大多以假设电网电压三相对称为前提的，在这种条件下，微电源的逆变器输出及微电网中各种控制器的性能能够满足微电网要求。但是实际微电网系统中，一般都存在三相电压不对称现象，微电网中的三相电压不对称可能由以下原因引起：（1）微电网三相系统参数不对称；（2）三相微电源本地负荷不对称；（3）微电网不对称故障；（4）微电网并网运行时大电网不平衡电压的影响。当微电网内三相电压不对称时，这将直接降低微电网的输出性能。在三相不平衡三相三线制微电网系统，相应的控制规律由于受三相电流之间的耦合关系的影响，只有两个独立方程。微电网系统不对称情况的存在，使其内环控制器三相电流之间存在复杂耦合，此时中性点的电源会影响电流控制效果。因此，需研究三相三线制微电源逆变器的内环控制器的电流解耦控制问题。为了提高微电源在各种扰动下的输出性能，通