分布式發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵途徑 智能微電網(wǎng)的分層控制

科技前沿：微電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的有效方式，能夠促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡。此外，中科院院士周孝信曾指出：第三代電網(wǎng)將采用骨干電網(wǎng)和地方電網(wǎng)、微電網(wǎng)相結(jié)合的模式。智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展的方向。在此背景之下，科學(xué)家和工程師們首先將目光聚焦在了智能化、柔性化的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)既可孤島運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行，黑啟動(dòng)、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、潮流控制、有源濾波、能量管理……，這些都是微電網(wǎng)應(yīng)具備的基本功能，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷端就近發(fā)電、儲(chǔ)能，省去了大容量、長(zhǎng)距離的輸電環(huán)節(jié)，從而顯著地減小了輸電線路上的損耗，提高了電網(wǎng)的可靠性。本文對(duì)智能微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略以及能量管理等問(wèn)題進(jìn)行了綜述。

微網(wǎng)是分布式發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵途徑

智能微電網(wǎng)是將分布式發(fā)電（DistributedGeneration，DG）、分布式儲(chǔ)能（DistributedStorage，DS）、分布式負(fù)載（DispersedLoads，DL）進(jìn)行系統(tǒng)集成的最佳方案。在大電網(wǎng)集中供電體制下，大型電廠通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，因此需要大容量、長(zhǎng)距離輸電。但通過(guò)這些小容量的微電網(wǎng)就可實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷端就近發(fā)電、就近儲(chǔ)能，從而省去大量的輸配電線路以及由此導(dǎo)致的輸配電損耗?？偟膩?lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的集中供電配電模式有很多缺陷：線路損耗太大導(dǎo)致了系統(tǒng)效率低，高壓長(zhǎng)距離輸電線的容升效應(yīng)導(dǎo)致了電壓穩(wěn)定性差，多發(fā)的單點(diǎn)故障以及其他偶發(fā)的網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致了可靠性低。

微電網(wǎng)主要有兩種發(fā)展方向，一是將微電網(wǎng)與公共大電網(wǎng)相連；二是將多個(gè)鄰近的微電網(wǎng)互聯(lián)，形成微電網(wǎng)群（microgridclusters）。因此，未來(lái)的電力網(wǎng)絡(luò)將包含一次能源、原動(dòng)機(jī)、電力電子變流器、DS裝置以及本地的DL，而微電網(wǎng)只是其中的一部分。微電網(wǎng)既可獨(dú)立地自主運(yùn)行，也可接入大電網(wǎng)?？稍诓⒕W(wǎng)模式與離網(wǎng)模式之間進(jìn)行無(wú)縫切換是微電網(wǎng)的主要特征。通過(guò)微電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線即可實(shí)現(xiàn)在多個(gè)微電網(wǎng)之間進(jìn)行能量調(diào)度，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率平衡。這種微電網(wǎng)之間的相互支援，起到了此消彼長(zhǎng)的作用，減小了微電網(wǎng)從公共大電網(wǎng)上吸收的能量，進(jìn)一步減少了不必要的長(zhǎng)距離輸電損耗。此外，微網(wǎng)是一種全新的低壓配電網(wǎng)，其中的發(fā)電機(jī)組不僅包括小型的發(fā)電機(jī)，還包括小型的原動(dòng)機(jī)，例如：光伏電池組件、小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、生物燃料電池等等，這些發(fā)電單元都需要AC/AC或者DC/AC變流器作為接口電路。這些電力電子接口電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分迅速。但與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)相比，電力電子變流器自身的慣量水平非常低，而充足的慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障，是實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間保持穩(wěn)態(tài)同步性的關(guān)鍵因素。

為了提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，學(xué)者們提出了在控制環(huán)路中引入下垂控制，通過(guò)測(cè)量有功、無(wú)功來(lái)線性地調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率、電壓。經(jīng)過(guò)下垂控制之后，微電網(wǎng)就能自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)功率平衡了，同時(shí)避免了交直流母線電壓失穩(wěn)。此外，低電壓穿越、有源濾波、不間斷供電、黑啟動(dòng)、孤島運(yùn)行，以及與主電網(wǎng)保持同步、有功無(wú)功潮流獨(dú)立控制、系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化管理等也是微電網(wǎng)必須具備的核心功能。

下圖給出了一個(gè)典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，包含了風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能以及若干負(fù)載。

微電網(wǎng)通過(guò)智能旁路開(kāi)關(guān)（IntelligentBypassSwitch，IBS）并入大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PointofCommonCoupling，PCC），系統(tǒng)中包含了大量的以電力電子變流器作為接口電路的DG和DS。因此，微電網(wǎng)中的絕大部分元件都是以電流型逆變器（Current-SourceInverters，CSI）或電壓型逆變器（Voltage-SourceInverters，VSI）的形式運(yùn)行。

1）CSI：DG單元經(jīng)常工作在CSI模式，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤；若不需要進(jìn)行最大功率追蹤，那么這些發(fā)電單元也可以根據(jù)系統(tǒng)需要工作在VSI模式。2）VSI：這種工作模式常用于儲(chǔ)能裝置，在孤島運(yùn)行時(shí)為微電網(wǎng)提供頻率、電壓支撐；如果有多個(gè)VSI單元并聯(lián)時(shí)，就必須增加適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，以使各個(gè)單元協(xié)調(diào)工作。l微電網(wǎng)的運(yùn)行模式

1并網(wǎng)運(yùn)行模式微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)必須同時(shí)考慮離網(wǎng)、并網(wǎng)條件下的系統(tǒng)潮流分布以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的可用容量和運(yùn)行方式。微電網(wǎng)必須具備靈活快速的功率控制能力，通過(guò)從電網(wǎng)中吸收或者送出必要的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部的實(shí)時(shí)功率平衡，同時(shí)滿足儲(chǔ)能裝置的能量需求。由于微電網(wǎng)的容量相較于主電網(wǎng)來(lái)說(shuō)非常小，因此微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下的動(dòng)態(tài)特性主要取決于主電網(wǎng)。此外，當(dāng)輸出功率發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)很慢；如果微電網(wǎng)交流母線沒(méi)有同步發(fā)電機(jī)，那么電力電子變流器的控制系統(tǒng)中需要增加虛擬慣量控制環(huán)節(jié)；暫態(tài)過(guò)程中需要蓄電池、超級(jí)電容、飛輪等來(lái)保證動(dòng)態(tài)功率平衡。發(fā)生停電事故之后，微電網(wǎng)需要自行建立電壓頻率條件，同時(shí)在一系列預(yù)設(shè)指令下逐步恢復(fù)各個(gè)層級(jí)的DL和DG單元，即黑啟動(dòng)。在并網(wǎng)模式下，所有的DG都應(yīng)該在能量管理系統(tǒng)的調(diào)度下輸出指定的功率，以最大化地減少?gòu)闹麟娋W(wǎng)吸收的電量，即削峰。此外，每一個(gè)DG單元均可通過(guò)公共通訊線來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)，與其它單元實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，需要根據(jù)用戶的需要，與主電網(wǎng)以及本地的DG一起，為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電力。2孤島運(yùn)行模式在下述條件下，微電網(wǎng)將脫離主電網(wǎng)自主運(yùn)行：1）計(jì)劃性的孤島運(yùn)行模式：當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間電壓跌落或其它一般性故障時(shí)，微電網(wǎng)可以主動(dòng)地脫離大電網(wǎng)，進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)；2）非計(jì)劃性的孤島運(yùn)行模式：當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生停電時(shí)，微電網(wǎng)必須通過(guò)孤島檢測(cè)算法來(lái)自動(dòng)識(shí)別主電網(wǎng)的停電狀態(tài)，并通過(guò)IBS進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。

在孤島運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于其中的DG單元，這些DG單元將自動(dòng)地調(diào)整微電網(wǎng)的電壓、頻率。此時(shí)，系統(tǒng)的頻率、電壓一般會(huì)出現(xiàn)小范圍的偏移。因此，需要啟動(dòng)DS來(lái)平衡微電網(wǎng)功率，通常是讓DS根據(jù)頻率偏移量成比例地吸收或者釋放有功功率。在該模式下，IBS處于斷開(kāi)狀態(tài)，微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，DG單元必須承擔(dān)起穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓、頻率的重要責(zé)任，確保各個(gè)變流器不過(guò)載，確保負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)系統(tǒng)依然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。為了達(dá)到上述目標(biāo)，微電網(wǎng)通常采用有通訊線的主從控制模式，尤其是基于公共交流母線的微電網(wǎng)。通常來(lái)講，低帶寬通訊方法更加經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定，因此在實(shí)際的工程項(xiàng)目中應(yīng)用較多。

在孤島運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)下述技術(shù)指標(biāo)：1）電壓、頻率控制：微電網(wǎng)必須工作在電壓源模式，通過(guò)電壓、頻率調(diào)整策略來(lái)控制微電網(wǎng)的潮流，確保微電網(wǎng)的關(guān)鍵物理參數(shù)都在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。2）實(shí)時(shí)功率平衡：并網(wǎng)模式下，DG單元的頻率由大電網(wǎng)決定；離網(wǎng)模式下的系統(tǒng)頻率需要根據(jù)功率平衡的原則進(jìn)行調(diào)節(jié)；改變DG的輸出頻率，使微電網(wǎng)內(nèi)部保持功率平衡。3）電能質(zhì)量治理：微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制可從兩個(gè)層次分別展開(kāi)，首先必須要滿足微網(wǎng)內(nèi)部的無(wú)功平衡和諧波電流補(bǔ)償；其次是對(duì)PCC處的無(wú)功和諧波進(jìn)行治理，向大電網(wǎng)提供電能質(zhì)量支撐。