微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)控制研究綜述

薛詩(shī)語

（華中科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)控制研究綜述

薛詩(shī)語

（華中科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

摘要：本文簡(jiǎn)單地介紹了微網(wǎng)的形成背景以及基本概念，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外微網(wǎng)運(yùn)行控制策略和能量?jī)?yōu)化方法。簡(jiǎn)要講解了微網(wǎng)的運(yùn)行控制狀態(tài)及切換過程，并對(duì)幾種典型的策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要地概述并分析優(yōu)缺點(diǎn)。最后做了簡(jiǎn)單的總結(jié)，提出了目前研究不足之處，也對(duì)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；研究現(xiàn)狀；控制

1.研究背景

微電網(wǎng)是一種由電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和控制裝置組成的系統(tǒng)。微電網(wǎng)即微型電網(wǎng)，微電網(wǎng)中的電源多為分布式電源例如光伏發(fā)電組件，相對(duì)大電網(wǎng)較不穩(wěn)定，但已有相對(duì)穩(wěn)定的控制策略。然而，伴隨著光伏發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率的提高，又出現(xiàn)了電網(wǎng)不穩(wěn)定性增加、高次諧波增加、無功功率不平衡、微網(wǎng)控制難度增加等問題。因此研究者們提出了多種微網(wǎng)控制來解決面臨的難題。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在微網(wǎng)控制中，部分研究者將基本控制方法結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的自主控制。例如，對(duì)一個(gè)有3個(gè)分布式電源的系統(tǒng)，一個(gè)分布式電源在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)使用PQ控制然后在孤島狀態(tài)使用下垂控制；另外兩個(gè)分布式電源在并網(wǎng)和孤島狀態(tài)均使用PQ控制。在simulink仿真中可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行的無縫切換。文獻(xiàn)[3]中，DER系統(tǒng)的引入實(shí)現(xiàn)了無功和有功的分別控制，動(dòng)態(tài)地滿足需求，并可以自主地切換自身的狀態(tài)。另外，在PCC處引入能量電子轉(zhuǎn)換器（PET），限制微網(wǎng)中的能量流動(dòng)，并利用分層控制用電網(wǎng)中頻率的變化來控制微網(wǎng)中活躍的能量產(chǎn)生和消耗來實(shí)現(xiàn)小擾動(dòng)不影響微網(wǎng)頻率，微網(wǎng)中能量驟減時(shí)電源輸出及消耗和負(fù)載消耗的自主調(diào)控以及即使在頻率不同步的情況下的微網(wǎng)運(yùn)行的無縫切換。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的控制研究，我國(guó)也有不少成果。例如部分研究者針對(duì)直流微電網(wǎng)中復(fù)雜狀況，在孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行這兩種狀況下劃分出的4種工作模式；通過對(duì)各部分的狀態(tài)和開關(guān)的斷合進(jìn)行劃分，使工程師能針對(duì)性地設(shè)計(jì)方案并解決問題，將問題簡(jiǎn)單化。針對(duì)混合系統(tǒng)的微網(wǎng)控制，研究者提出混合系統(tǒng)控制是采集本地電壓和電流信號(hào)并進(jìn)行PQ控制；而當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)控制重點(diǎn)為考察隨機(jī)性較強(qiáng)的分布式電源對(duì)混合系統(tǒng)控制效果的影響；故可通過微網(wǎng)控制層，將各電源狀態(tài)整合并通過采集公共母線狀態(tài)進(jìn)行混合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。周念成教授給出了特定情境下控制微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的解決方案。研究者還提出并網(wǎng)時(shí)需考慮盡可能降低沖擊電流，故應(yīng)盡量保證并網(wǎng)前微網(wǎng)電壓幅值低于電網(wǎng)電壓幅值，電網(wǎng)頻率稍高于微網(wǎng)頻率，微網(wǎng)相位滯后于電網(wǎng)。天津大學(xué)的綜合微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室也對(duì)聯(lián)網(wǎng)到孤島模式切換、孤島到聯(lián)網(wǎng)模式切換這兩種暫態(tài)情況做了詳細(xì)地研究。

3.微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)控制

微電網(wǎng)存在多種運(yùn)行狀態(tài)，主要有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，功率可以雙向流動(dòng)，即可從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，也可從微電網(wǎng)流向大電網(wǎng)；當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過保護(hù)動(dòng)作和解列控制，可使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列而使微電網(wǎng)變?yōu)楣聧u運(yùn)行狀態(tài)，獨(dú)立向其所轄重要負(fù)荷供電；在大電網(wǎng)故障消除后，通過并網(wǎng)控制可再次將微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)，重新進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)一般與中壓或低壓配電系統(tǒng)相并，微網(wǎng)的運(yùn)行特性既與其內(nèi)部的分布式電源特性和負(fù)荷特性有關(guān)，也與其內(nèi)部的儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特性密切相關(guān)；同時(shí)還與大電網(wǎng)相互作用，尤其在微網(wǎng)滲透率比較高的情況下（微網(wǎng)中含大量的風(fēng)力發(fā)電和光伏電池），這種相互作用將直接影響到二者的穩(wěn)定性和可靠性。

微網(wǎng)孤島運(yùn)行控制需要優(yōu)先保證微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷（敏感負(fù)荷）的供電可靠性和供電質(zhì)量，即當(dāng)分布式電源所發(fā)出的功率不能滿足所有負(fù)荷供電需求時(shí)，優(yōu)先切除次要負(fù)荷，當(dāng)微網(wǎng)能量足夠時(shí)再重新投入。

在微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)方面，主要要考慮并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行狀態(tài)之間的平滑切換以及孤島運(yùn)行時(shí)的微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題。接下來要介紹微電網(wǎng)的運(yùn)行控制。

下面簡(jiǎn)單介紹兩個(gè)典型的微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)例。

3.1 實(shí)例1

第一個(gè)實(shí)例是混合系統(tǒng)的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略，其中的風(fēng)力發(fā)電可以與光伏發(fā)電進(jìn)行類比，并獲得一定的啟示。

圖2　微網(wǎng)控制層次關(guān)系和策略示意圖

根據(jù)穩(wěn)定性，可以將控制劃分為負(fù)荷控制和本地控制，本地控制用于對(duì)多個(gè)混合系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖2所示。

其中PQ控制實(shí)現(xiàn)恒有功功率輸出和恒無功功率調(diào)節(jié)；V/f控制主要應(yīng)用于獨(dú)立運(yùn)行和孤島狀態(tài)下的電壓頻率調(diào)節(jié)；整流器和逆變器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要采取PQ控制或V/f控制。

在此基礎(chǔ)上，混合系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)網(wǎng)—孤島狀態(tài)和風(fēng)速等級(jí)劃分了6個(gè)狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　混合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的劃分

并根據(jù)各個(gè)狀態(tài)不同的特性來制定對(duì)應(yīng)的控制策略，見表1。

表1　混合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及控制策略

3.2 實(shí)例2

首先確定不同運(yùn)行狀態(tài)下微電網(wǎng)系統(tǒng)各元件的控制方式，采用排列組合的方法，列出間歇性電源、儲(chǔ)能裝置、連續(xù)型電源、大電網(wǎng)和可中斷負(fù)荷是否連接的排列組合，然后根據(jù)情況排除不可能的組合，最后留下了12種不同的運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)，然后逐一設(shè)計(jì)策略，見表2。

微電網(wǎng)采用兩級(jí)分層的控制結(jié)構(gòu)，將微電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和觸發(fā)事件作為MGCC的輸入變量，輸出變量則為各元件的控制方式，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)按預(yù)先制定的轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。其中上層控制的MGCC主要實(shí)現(xiàn)功率管理和運(yùn)行狀態(tài)管理的功能。微網(wǎng)狀態(tài)關(guān)系圖如圖4所示。

轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件見表3。

3.3 分析與總結(jié)

以上兩個(gè)實(shí)例均是以PQ控制和頻率電壓控制為基本控制元素結(jié)合使用。對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境，制定相應(yīng)的策略。這兩者的思想可以很好地應(yīng)用于光伏發(fā)電中。如實(shí)例1中的風(fēng)速可以替換為光照強(qiáng)度，實(shí)例2中的表3狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件。

間歇性電源替換為光伏組件，并根據(jù)光伏的特性，選擇合適的MPPT算法。兩者對(duì)解列和并網(wǎng)的判斷均是根據(jù)IEEE1547國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)微網(wǎng)存在干擾或者大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，密切觀察系統(tǒng)公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）的電壓和頻率，在兩者超過規(guī)定幅值或未超過但異常時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，斷開系統(tǒng)公共連接點(diǎn)PCC即解列，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)。

圖4　微網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表2　不同狀態(tài)下微網(wǎng)系統(tǒng)各元件的控制方式

表3　狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件

不同的是，實(shí)例2更加依賴于儲(chǔ)能的作用，且狀態(tài)的劃分不是簡(jiǎn)單地根據(jù)微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和間歇性電源的出力程度來劃分狀態(tài)，而是根據(jù)每個(gè)元件的狀態(tài)進(jìn)行劃分并簡(jiǎn)化。此外實(shí)例2中對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的觸發(fā)事件做了詳細(xì)地分類，并逐一制定對(duì)策，不是單純地只關(guān)注解列和并網(wǎng)。

4.總結(jié)與展望

大電網(wǎng)和微電網(wǎng)有時(shí)會(huì)面臨不穩(wěn)定和故障狀態(tài)，因而發(fā)生解列，使微電網(wǎng)從并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)到孤島狀態(tài)，為使系統(tǒng)維持穩(wěn)定并盡量減小影響，希望此過程能平滑進(jìn)行，因此也產(chǎn)生了相應(yīng)地研究。在孤島運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定后，要保證孤島時(shí)微電網(wǎng)能較好地運(yùn)行下去，系統(tǒng)控制與能量管理顯得尤為重要。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定且大電網(wǎng)的故障解除后，在適當(dāng)條件下可以進(jìn)行同期并網(wǎng)，讓微電網(wǎng)回到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

[1] Niu H, Jiang M, Zhang D, et al. Autonomous micro-grid operation by employing weak droop control and PQ control[C].Power Engineering Conference（AUPEC）, 2014 Australasian Universities. IEEE, 2014: 1-5.

[2] Jiang Z, Dougal R A. Hierarchical microgrid paradigm for integration of distributed energy resources[C].Power andEnergy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE. IEEE, 2008: 1-8.

[3] Shah J, Wollenberg B F, Mohan N. Decentralized power flow control for a smart micro-grid[C].Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE. IEEE, 2011: 1-6.

[4]王歸新，劉小娟，楊世凱，等.直流微電網(wǎng)能量管理控制系統(tǒng)的研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，37（4）：77-81.

[5]馬力.混合系統(tǒng)微網(wǎng)控制策略分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22（6）：104-108.

[6]周念成，胡斌，王強(qiáng)鋼，等.含多種形式能源發(fā)電的微網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)控制策略[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35（9）：61-69.

[7]胡萍.風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式切換控制策略研究[D].電子科技大學(xué)，2013.

[8]武星，殷曉剛，宋昕，等.中國(guó)微電網(wǎng)技術(shù)研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高壓電器，2013，49（9）：142-149.

[9]王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（20）：1-4.

TM315

A