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題進(jìn)行了綜述。l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（Distributed Generation，DG）、分布式儲(chǔ)能（Distributed Storage，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。總的來說，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（microgrid clusters）。因此，未來的電力網(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)行無縫切換是微電網(wǎng)的主要特征。通過微電網(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，通過測(cè)量有功、無功來線性地調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率、電壓。經(jīng)過下垂控制之后，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)通過智能旁路開關(guān)（Intelligent BypassSwitch，IBS）并入大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（Pointof Common Coupling，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。
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，通過從電網(wǎng)中吸收或者送出必要的功率來實(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)來說非常小，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)過程中需要蓄電池、超級(jí)電容、飛輪等來保證動(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單元均可通過公共通訊線來實(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?？偟膩碚f，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)必須通過孤島檢測(cè)算法來自動(dòng)識(shí)別主電網(wǎng)的停電狀態(tài)，并通過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，通過電壓、頻率調(diào)整策略來控制微電網(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，首先必須要滿足微網(wǎng)內(nèi)部的無功平衡和諧波電流補(bǔ)償；其次是對(duì)PCC處的無功和諧波進(jìn)行治理，向大電網(wǎng)提供電能質(zhì)量支撐。
孤島運(yùn)行模式下，所有的DG單元均工作在恒功率源模式，向微電網(wǎng)提供預(yù)期的功率。
3 并離網(wǎng)切換模式
如前文所述，IBS始終實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)主電網(wǎng)與微電網(wǎng)的狀態(tài)。當(dāng)IBS及時(shí)檢測(cè)到孤島信號(hào)之后，微電網(wǎng)必須立即與主電網(wǎng)斷開連接，盡快進(jìn)入到孤島運(yùn)行模式。通常來說，電網(wǎng)頻率偏移需小于2%，電壓幅值偏移需小于5%。若微電網(wǎng)沒有超出最大允許偏移范圍，微電網(wǎng)即可根據(jù)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的實(shí)際需求，在下垂控制的作用下輸出有功功率和無功功率，確保系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)DG單元之間的功率合理分配。
孤島運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓和相位會(huì)出現(xiàn)偏差，在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻并網(wǎng)會(huì)引起較大的沖擊電流，因此需要設(shè)計(jì)預(yù)并列單元來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)發(fā)出并網(wǎng)指令時(shí)，將微電網(wǎng)相應(yīng)的DG由孤島運(yùn)行模式切換到預(yù)并列控制模式，將DG單元的輸入?yún)⒖贾登袚Q為大電網(wǎng)的電壓和頻率。
在并離網(wǎng)切換過程中，中央控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)檢測(cè)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的電壓差、頻率差和相位差，當(dāng)其均滿足合閘條件時(shí)，啟動(dòng)合閘信號(hào)，閉合IBS，并將孤島控制策略切換到并網(wǎng)控制策略，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。
微電網(wǎng)的分層控制
從功能上來說，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)非常相似，也可基于下述三個(gè)層次分別控制：1）一次控制：下垂控制，主要實(shí)現(xiàn)DG單元間的功率分配（負(fù)荷分配）；2）二次控制：無差控制，對(duì)下垂控制之后的微小偏差進(jìn)行消除，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)頻調(diào)壓；3）三次控制：優(yōu)化控制，從系統(tǒng)優(yōu)化的層面對(duì)微電網(wǎng)潮流進(jìn)行規(guī)劃、分配。
1 一次控制：下垂控制
一般而言，微電網(wǎng)中的逆變器均由基于下垂控制策略的功率外環(huán)實(shí)現(xiàn)，這種模式常被稱為分散控制或自治控制，目的是實(shí)現(xiàn)多個(gè)DG單元間的功率分配，并保證系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定，如下圖所示。
微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，沒有大電網(wǎng)的電壓頻率支撐，要自治地負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電壓、頻率調(diào)節(jié)，通常由DG完成。微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制的多個(gè)DG具有同等地位，在下垂控制下進(jìn)行負(fù)荷分配，如下圖所示。
上述下垂控制的思想來源于高壓電網(wǎng)功率傳輸理論：發(fā)電機(jī)頻率隨著負(fù)荷增加而減小。高壓輸電系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出電感性（X?R），P、Q之間近似獨(dú)立可控，這也是上述下垂控制可行的根本原因。然而，采用電力電子變流器的低壓微電網(wǎng)，系統(tǒng)阻抗不再是電感性了，更多的是阻感性，甚至以阻性為主（R?X）。此時(shí)，PQ之間存在強(qiáng)耦合作用，影響下垂控制的效果，可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，甚至不穩(wěn)定。因此，下垂控制策略必須進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)阻性微電網(wǎng)的需要。
閉環(huán)控制下的微電網(wǎng)逆變器，其輸出阻抗特性影響著功率分配算法的準(zhǔn)確性。對(duì)逆變器輸出阻抗進(jìn)行合理設(shè)計(jì)即可削弱線路阻抗帶來的功率分配誤差。最常用的方法就是虛擬阻抗控制，其大致思路可用下圖描述。
DG與母線間的線路阻抗ZL＝R＋jX呈阻性，將原DG等效為一個(gè)虛擬發(fā)電機(jī)Ev，通過虛擬電抗Xv連接至Ｂ點(diǎn)。如果Xv?ZL，則虛擬發(fā)電機(jī)與母線間的阻抗將呈感性，此時(shí)若對(duì)虛擬發(fā)電機(jī)使用下垂控制，即可實(shí)現(xiàn)Pv和Qv的解耦控制。顯然Pv＝P，因此調(diào)節(jié)虛擬發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DG有功功率的解耦控制?；谔摂M阻抗的下垂控制如下圖所示。
采用上述控制策略之后，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DG間的功率合理分配。此外，從可靠性、穩(wěn)定性的角度來說，電壓幅值控制也非常重要。如果缺乏無功控制，DG單元可能輸出不確定的無功功率，導(dǎo)致母線電壓振蕩。
2 二次控制：無差控制
一次控制響應(yīng)快速，但卻無法實(shí)現(xiàn)無差控制。下垂控制雖然能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓頻率穩(wěn)定和功率合理分配，但它是一種有差控制，負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會(huì)有所變化。因此，二次控制的主要目標(biāo)就是恢復(fù)微電網(wǎng)的電壓和頻率，如下圖所示。
此外，微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換控制也在該次控制中實(shí)現(xiàn)，因此二次控制部分應(yīng)具備電網(wǎng)故障檢測(cè)、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同步等功能，并對(duì)微電網(wǎng)IBS和DG控制模式切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
3 三次控制：優(yōu)化控制
該層控制主要從安全性、經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行能量管理與調(diào)度，通過相應(yīng)的優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)：1、并網(wǎng)運(yùn)行模式下，確定微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線輸出功率參考值（作為微電網(wǎng)二次控制目標(biāo)參考值）；2、孤島運(yùn)行模式下，調(diào)整各DG單元輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點(diǎn)和分配比例系數(shù)設(shè)定等信息，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。如下圖所示。
此外，在該層控制中還可以進(jìn)行孤島監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析治理、最大功率跟蹤等多種運(yùn)行目標(biāo)?？偟膩碚f，微電網(wǎng)通過這種多層次、分散式控制能夠?qū)崿F(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可控地運(yùn)行。
需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容
微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)的下垂控制需進(jìn)行如下方面的改進(jìn)：1）提升DS、DG單元以及微電網(wǎng)的暫態(tài)響應(yīng)性能；2）基于虛擬阻抗思想的諧波功率分配算法以及DG、DS熱插拔技術(shù)；3）研究自適應(yīng)下垂控制算法，提高系統(tǒng)在各種可能工況下的交互作用性能。
交流微電網(wǎng)的分層控制還需要做如下改進(jìn)：1）基于下垂原理的一次控制應(yīng)當(dāng)能夠允許不同類型的交流電源自主地接入，即類同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)；2）二次控制必須徹底地解決一次控制遺留的電壓、頻率偏移問題，實(shí)現(xiàn)無靜差控制。該層控制需要精心地設(shè)計(jì)同步控制方案，以實(shí)現(xiàn)孤島模式向并網(wǎng)模式無縫切換。3）三次控制不但需要對(duì)輸出能量進(jìn)行管理和控制，還需具備微網(wǎng)阻抗在線測(cè)量、非計(jì)劃性孤島檢測(cè)、諧波電流注入控制（補(bǔ)償PCC點(diǎn)的電壓諧波）等功能。
對(duì)柔性的、智能的微電網(wǎng)來說，還需要具備如下技術(shù)特征：1）在PCC點(diǎn)處，應(yīng)當(dāng)具備異常電壓穿越以及電能質(zhì)量治理功能，其中異常電壓包括高電壓、低電壓以及零電壓；2）黑啟動(dòng)功能；3）微電網(wǎng)阻抗在線測(cè)量以及孤島在線檢測(cè)。4）微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制與管理。
上述這些技術(shù)特征的實(shí)現(xiàn)將會(huì)促進(jìn)DG、DS更加智能地、靈活性接入微電網(wǎng)以及未來的智能電網(wǎng)，從而推動(dòng)全球清潔能源大規(guī)模地應(yīng)用，構(gòu)建起可持續(xù)發(fā)展的清潔電力系統(tǒng)。
