施芝元 晏睿婷 赵毅峰
【摘要】近年来，由分布式电源组成的微电网以其高可靠性、可持续性，成为众多学者研究的热点。微电网是一个小型的配电网系统，为分布式电源的接入提供了一种可行方法。微电网有并网和孤岛两种运行状态，并网时可以从大电网获取电能或向大电网提供电能，当大电网出现故障时，微电网能与大电网断开单独运行，微电源和存储设备必须合作才能维持微电网孤岛运行时的能量平衡，因而微电网的协调控制策略一直是一个研究的热点。文中列举并讨论了现有的微电网协调控制策略，对这些不同的控制策略进行比较分析，提出根据微电网不同运行模式和影响因素采取的相应的控制策略。
【关键词】微电网;控制策略;分布式电源;并网;孤岛
1.引言
随着人们对电力需求的日益增长，大电网在过去的几十年中得到了飞速的发展，它所体现出来的优势，已然成为主要的电力供应渠道。但是，由于电网规模的不断扩大，传统的大规模电力系统的弊端逐渐显现出来。在发展集中式电网的同时，在负荷的周围配置一些分布式电源，如果大电网出现故障突然断电，周围的分布式电源能够及时的给就进的负荷提供电力支援。但是，分布式电源的接入是一个难点。分布式电源并入大电网时，会带入大量的电子元器件，从而产生了大量的谐波，其发电的方式和转换器的工作模式会影响谐波的幅度和阶次。其次，分布式电源相对于大电网来说是一个不可控源。
为了协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式电源的潜能，美同电气可靠性技术解决方案联合会（CRETS）研究了分布式电源对低压电网的冲击，增强电力系统的可靠性，提出了微电网（MG，Micro-grid）的概念：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量;微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。
微电网的运行模式十分灵活，它既可以与大电网相连，作为大电网的一个分支，当微电网无法满足负荷需求时，主网对其提供电量补充，当电量富余时，可以对主网提供电量支持;同时当主网出现故障或有特定需要时，微电网又可以与主网断开连接，单独运行，即为孤岛运行模式。但与常规的发电机组不同，由于微电网中分布式电源的种类和特征不同，需要一些特殊的协调控制方式才可能使其满足负荷对系统电压和频率的要求。同时，跟踪微电网中负荷的变化，也需要针对微电网中的分布式电源采取不同的协调控制策略。
本文先详细介绍了微电网的结构组成，然后对现有的微电网协调控制策略做了一个详细的研究，并将不同的控制策略方法进行对比分析，得出了在不同情况下应该采用的控制策略的结论，有一定的参考价值和实际意义。
2.微電网的具体结构
2.1 微电网的基本结构
图1所示为微电网的结构图，微电网通过隔离变压器与大电网连接。微电网中，大部分微电源都使用电力电子变换器和负载相连接。微电网内部有三条馈线，其中馈线A和B上连接有敏感负荷和一般负荷，根据用电负荷的不同需求情况，微电源安装在馈线上的不同位置，而没有集中安装在公共馈线处。馈线C上接入一般负荷，没有专门配置微电源，而直接由电网供电。每个微电源出口处都配有断路器，同时具备功率和电压控制器，能够调整各自功率输出以调节馈线潮流。当检测到大电网出现电能质量问题或供电中断时，隔离开关S1动作，微电网转入孤岛运行模式，以保证微电网内的重要敏感负荷能够不间断供电，同时各微电源在能量管理系统的的控制下，调整功率输出，保证微电网正常运行。对于馈线A、B、C上的一般负荷，系统则会根据微电网功率平衡的需求，将其切除。
图1 微电网典型结构
微电网中包含了光伏，小型燃气轮机和蓄电池等微电源形式的电源。在微电网中有各种不同类型的负荷，需要用不同的策略进行供电，如某些当地的负荷可以直接进行供电。微电网可以通过主隔离器与主电网实行并网运行，并改善主网的电能质量。
2.2 微电源的分类
微电源是微电网的重要组成部分。主要为可再生能源，如风能、太阳能、生物质能等，发电系统类型主要有风力发电机（Wind Generator）、太阳能电池（PV Panel）、微型燃气轮机（Micro-Turbine）、燃料电池（Fuel Cell）等，系统容量约为20kW～10MW。
风力发电是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。它是一种没有公害的能源，并且取之不尽，用之不竭，可以根据情况因地制宜地利用风力发电。
太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种，目前光伏发电的发展速度较快。它是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。但输出的功率由光能决定，因此是断续的，不能与负荷完全匹配，因此常常需要蓄电池或其他辅助系统。一般光伏电池发电模块拥有最大功率点跟踪（MPPT）功能、电池板监测和保护功能、逆变并网等功能，以保证光伏电池能够可靠、安全地运行。
微型燃气轮机是一类新发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围25～300Kw，具有体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单可以统一调度。具有电力电子转换和控制接口的微型燃气轮机可跟随电网的电压和频率变化，主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。它在完成基本的有功功率控制的同时，还可以调节系统输出的无功功率，实现电压调节和功率因数的调整。因此是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。
3.微电网的能量协调控制策略
微电网的能量协调控制策略与传统电力系统有很大的不同，主要原因如下：分布式电源（DG）具有静态和动态特性，尤其是电磁耦合单元，不同于传统大型水轮机;相当一部分微电网内部电源为不完全可控电源，如风力发电机;短期和长期储能单元在微电网控制中起重要作用;在经济上要求微电网在正常运行时，能够连接或切除分布式电源;微电网要能够提供较好的电能质量和对一些负荷提供特殊的服务。
微电网相对于主网来说可以视作一个整体模块，对内可以提供满足微电网内部负荷需求的电能，而实现这些功能，必须具有良好的微电网协调控制策略，做到能够基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应。具体来讲，微电网控制应当保证：任意一个微电源的接入不对系统运行造成影响;自主选择运行点;平滑地与大电网并列、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。
目前，微型电网常用的控制策略主要分为三种，主从型（master-slave operation），对等型（peer-to-peer control）和多代理型（Multi-Agent）。
3.1 主从控制法
主从控制按照是否以某一分布式电源作为主单元可分为以分布式电源作为主控制单元的主从控制和以上层中心控制器作为主控制单元的主从控制两大类。
（a）以分布式电源作为主控制单元
以一个分布式电源作为主单元，来检测电网中的各种电量，根据电网的运行情况来采取相应的调节手段，通过通信线路来控制其他“从属”电源的输出来达到整个微电网的功率平衡，使电压频率稳定在额定值。当微电网在并网模式运行时，大电网可以稳定系统的频率，微电网自身不需要进行频率调节;而孤岛模式运行时，主从控制系统中的主控制单元需要维持系统频率和电压的稳定。所以，在并网运行时微电网中所有分布式电源采用P-Q控制，即微电网不参与系统频率调节，只输出指定的有功和无功功率;在孤岛运行时主单元采用V-f控制维持系统的电压和频率恒定。
（b）以中心控制器作为主控制单元
随着微电网概念的发展和多微电网概念的出现，以中心控制器作为主控制单元又可以分为对一个微电网使用分层控制和对多个微电网的管理使用分层控制。这种主从控制的原理是上层管理系统管理底层多个分布式电源和各类负荷的一种控制方法，所以底层分布式电源与上层管理系统之间亦需要通信联系。但是这种通信联系是弱联系，即使短时间通信失败，微电网仍能正常运行。
3.2 对等控制法
所谓对等控制（peer-to-peer operation）顾名思义，每个分布式电源有相等的地位，没有一个单元像主控制单元或中心储能单元那样对微电网有着特别重要的作用。所有的微电源以预先设定的控制模式参与有功和无功的调节，从而维持系统电压频率的稳定。对等控制策略基于外特性下降法，分别将频率和有功功率、电压和无功功率关联起来，通过一定的控制算法，模拟传统电网中的有功-频率特性曲线和无功-电压曲线，实现电压、频率的自动调节而无须借助于通信。
两种基于下垂特性的典型控制方法在对等控制策略的分布式电源控制中被广泛应用。一种是f-P和V-Q下垂控制方法，它利用測量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源的参考有功和无功功率，如图2所示。另一种方法是利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值，称作P-f和Q-V下垂控制法，如图3所示。
图2 f-P和V-Q下垂控制
图3 P-f和Q-V下垂控制
图4 多代理系统结构图
3.3 基于多代理技术的控制法
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网的控制系统，提供了一个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。该方法主要的思路为：微电网中各底层元件（包括发电机、负荷等）都作为独立的Agent运行;同时设定微电网Agent对这些底层Agent进行管理，例如接受元件Agent信息、根据微电网运行状况及调整策略为其提供相应的控制策略等;微电网Agent与上级电网Agent之间通过通信协调解决各Agent之间的任务划分和共享资源的分配;上级电网Agent负责电力市场以及各Agent间的协调调度，并综合微电网Agent信息做出重大决策;不同的Agent还保持一定量的数据通信以更好地保证各自决策的合理性。这种结构与通信方式适应了微电网分布、复杂、灵活的特性。其结构图如图4所示。
目前多代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易和对能量进行管理方面，还未深入到对微电网的频率、电压等进行控制的层面。
4.微电网运行目标和不同控制策略的比较分析
4.1 不同模式下的运行目标
在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部微电源工作在电压源或电流源状态，在能量管理系统控制下，调整各自的功率输出。微电网和大电网共同承担内部负荷。并网运行发生故障时，由于微电源的分布式特性，可由微电源能量管理系统迅速定位故障点位置。当故障点在微电网内部时，由微电网能量管理控制器通过综合各微电源的信息给出相应调整;当故障点在微电网外部时，通过主网调度中心与各高级调度中心相互通信以确定故障严重程度。如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行，这样可同时保证主网与微电网的安全稳定运行。
微电网孤岛运行的基本要求是微电源必须建立一个稳定的电压和频率，并且使之处于允许范同内。负荷和微电源常用来维持功率平衡以此确保微电网的电压和相角的恒定。因此控制策略必须确保敏感负荷的正常供电。
4.2 各个控制策略的比较
下垂控制方法是基于“即插即用”与“对等”的控制思想，采用与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。此外，该方法仅针对基于电力电子技术接口的微电源间的控制。如果只要求在发电机或负荷改变时，对功率的不平衡提供快速响应的功能，就需要有存储容量足够的存储单元;如果存储单元仅仅用于功率快速产生和吸收，不需要长时间输出功率，在采用主从站控制方法和多代理的协调方案中也可以使用容量较小的存储单元。
如果逆變器有孤岛检测的能力，所有的协调方法中，除了基于多代理的方法，其他方法都不要求微电源、存储单元和控制器之间进行通信。具有孤岛检测能力的存储单元和微电源能自动从P-Q控制切换到下垂控制，反之亦然。然而，如果微电源依靠断路器开关等信息来决定微电网的状态，就必须在控制器和微电源间安装快速通信装置。
微电网元件的关系也影响协调方法的选择。如果微电源属于几个不同用户所有，每个用户都希望利益最大化。如果并网时微电网向主电网输出功率，孤岛时由于需求的减少，将迫使微电源减少发电量，它们将竞争发电。基于多代理的P-Q控制最适合于这种情况。用户和微电源的所有者要事先通过协议来安排需进行交换的总功率。
如果微电网是属于单个用户，所有的协调方法都可以采用，即微电源不用去竞争发电。微电网控制器的目标是整个利益最优化，而不是单个元件利益最大化。对于复杂多微电网系统，分布式控制策略和多代理控制策略结合是最佳的选择。
然而，在众多的微电网能量控制策略中，基于多代理技术的微电网控制策略是最具发展前景的技术之一。这种方法主要是将计算机科学中广为使用的Multi-Agent技术应用在微电网的控制系统之中。这其中各个Agent都具有很强的自治性和可靠性，可以独自进行决策、运行管理等行为，这极大地满足了微电网对于权限下发到底层的要求，可以在诸多电子元件中合理使用。
在实际微电网中，可能有多种类型的分布式电源接入，既有像光伏风机这样随机性较强的分布式电源，又有燃气轮机、燃料电池这样比较稳定和容易控制的分布式电源或储能装置，不同类型的分布式电源控制特性可能差异较大。对于同一种类型的分布式电源，在微电网中作用不同时，也可采用不同的控制策略。单一的控制策略显然不能满足微电网运行的要求。因此结合微电网内分布式电源和负荷都具有分散性的特点，根据分布式电源的不用类型和作用采用不用的控制策略，可以采用综合控制方式。
5.结论
由于微电网中的微电源种类样式繁多，控制方式不同，同时微电网的运行模式也有并网和孤岛两种模式，因此微电网中的协调控制问题一直是学者们研究的热点。本文针现有的微电网能量协调控制策略做了总结讨论，比较了不同控制策略的应用条件和优劣势，分析了不同情况下应采取的相应的微电网控制策略，具有一定的参考价值和实际意义。
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