分布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层控制

科技前沿：微电网是实现主动配电网的有效方式，能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能网络过渡。此外，中科院院士周孝信曾指出：第三代电网将采用骨干电网和地方电网、微电网相结合的模式。智能化是电力系统发展的方向。在此背景之下，科学家和工程师们首先将目光聚焦在了智能化、柔性化的微电网。微电网既可孤岛运行，也可并网运行，黑启动、电压稳定、频率稳定、潮流控制、有源滤波、能量管理……，这些都是微电网应具备的基本功能，只有这样才能实现在负荷端就近发电、储能，省去了大容量、长距离的输电环节，从而显著地减小了输电线路上的损耗，提高了电网的可靠性。本文对智能微电网的拓扑结构、控制策略以及能量管理等问题进行了综述。

微网是分布式发电并网的关键途径

智能微电网是将分布式发电（DistributedGeneration，DG）、分布式储能（DistributedStorage，DS）、分布式负载（DispersedLoads，DL）进行系统集成的最佳方案。在大电网集中供电体制下，大型电厂通常远离负荷中心，因此需要大容量、长距离输电。但通过这些小容量的微电网就可实现在负荷端就近发电、就近储能，从而省去大量的输配电线路以及由此导致的输配电损耗。总的来说，传统的集中供电配电模式有很多缺陷：线路损耗太大导致了系统效率低，高压长距离输电线的容升效应导致了电压稳定性差，多发的单点故障以及其他偶发的网络故障导致了可靠性低。

微电网主要有两种发展方向，一是将微电网与公共大电网相连；二是将多个邻近的微电网互联，形成微电网群（microgridclusters）。因此，未来的电力网络将包含一次能源、原动机、电力电子变流器、DS装置以及本地的DL，而微电网只是其中的一部分。微电网既可独立地自主运行，也可接入大电网。可在并网模式与离网模式之间进行无缝切换是微电网的主要特征。通过微电网之间的联络线即可实现在多个微电网之间进行能量调度，以同时实现各个微电网的实时功率平衡。这种微电网之间的相互支援，起到了此消彼长的作用，减小了微电网从公共大电网上吸收的能量，进一步减少了不必要的长距离输电损耗。此外，微网是一种全新的低压配电网，其中的发电机组不仅包括小型的发电机，还包括小型的原动机，例如：光伏电池组件、小型的风力发电机、生物燃料电池等等，这些发电单元都需要AC/AC或者DC/AC变流器作为接口电路。这些电力电子接口电路的动态响应十分迅速。但与传统的同步发电机相比，电力电子变流器自身的惯量水平非常低，而充足的惯量是系统稳定性的保障，是实现各个单元之间保持稳态同步性的关键因素。

为了提升系统稳定性，学者们提出了在控制环路中引入下垂控制，通过测量有功、无功来线性地调节逆变器输出的频率、电压。经过下垂控制之后，微电网就能自动地实现功率平衡了，同时避免了交直流母线电压失稳。此外，低电压穿越、有源滤波、不间断供电、黑启动、孤岛运行，以及与主电网保持同步、有功无功潮流独立控制、系统能量优化管理等也是微电网必须具备的核心功能。

下图给出了一个典型的微电网结构图，包含了风电、光伏、储能以及若干负载。

微电网通过智能旁路开关（IntelligentBypassSwitch，IBS）并入大电网的公共连接点（PointofCommonCoupling，PCC），系统中包含了大量的以电力电子变流器作为接口电路的DG和DS。因此，微电网中的绝大部分元件都是以电流型逆变器（Current-SourceInverters，CSI）或电压型逆变器（Voltage-SourceInverters，VSI）的形式运行。

1）CSI：DG单元经常工作在CSI模式，以实现最大功率追踪；若不需要进行最大功率追踪，那么这些发电单元也可以根据系统需要工作在VSI模式。2）VSI：这种工作模式常用于储能装置，在孤岛运行时为微电网提供频率、电压支撑；如果有多个VSI单元并联时，就必须增加适当的控制策略，以使各个单元协调工作。l微电网的运行模式

1并网运行模式微电网的能量管理系统必须同时考虑离网、并网条件下的系统潮流分布以及储能系统的可用容量和运行方式。微电网必须具备灵活快速的功率控制能力，通过从电网中吸收或者送出必要的功率来实现微电网内部的实时功率平衡，同时满足储能装置的能量需求。由于微电网的容量相较于主电网来说非常小，因此微电网在并网模式下的动态特性主要取决于主电网。此外，当输出功率发生变化时系统响应很慢；如果微电网交流母线没有同步发电机，那么电力电子变流器的控制系统中需要增加虚拟惯量控制环节；暂态过程中需要蓄电池、超级电容、飞轮等来保证动态功率平衡。发生停电事故之后，微电网需要自行建立电压频率条件，同时在一系列预设指令下逐步恢复各个层级的DL和DG单元，即黑启动。在并网模式下，所有的DG都应该在能量管理系统的调度下输出指定的功率，以最大化地减少从主电网吸收的电量，即削峰。此外，每一个DG单元均可通过公共通讯线来实现输出功率调节，与其它单元实现协调工作。总的来说，当微电网处于并网状态时，需要根据用户的需要，与主电网以及本地的DG一起，为负载提供优质的电力。2孤岛运行模式在下述条件下，微电网将脱离主电网自主运行：1）计划性的孤岛运行模式：当主电网发生长时间电压跌落或其它一般性故障时，微电网可以主动地脱离大电网，进入孤岛运行状态；2）非计划性的孤岛运行模式：当主电网发生停电时，微电网必须通过孤岛检测算法来自动识别主电网的停电状态，并通过IBS进入孤岛运行模式。

在孤岛运行模式下，系统的动态特性主要取决于其中的DG单元，这些DG单元将自动地调整微电网的电压、频率。此时，系统的频率、电压一般会出现小范围的偏移。因此，需要启动DS来平衡微电网功率，通常是让DS根据频率偏移量成比例地吸收或者释放有功功率。在该模式下，IBS处于断开状态，微电网脱离大电网独立运行，DG单元必须承担起稳定微电网电压、频率的重要责任，确保各个变流器不过载，确保负载在一定范围内变化时系统依然能够保持稳定运行。为了达到上述目标，微电网通常采用有通讯线的主从控制模式，尤其是基于公共交流母线的微电网。通常来讲，低带宽通讯方法更加经济、可靠、稳定，因此在实际的工程项目中应用较多。

在孤岛运行模式下，微电网需要实现下述技术指标：1）电压、频率控制：微电网必须工作在电压源模式，通过电压、频率调整策略来控制微电网的潮流，确保微电网的关键物理参数都在规定的误差范围内。2）实时功率平衡：并网模式下，DG单元的频率由大电网决定；离网模式下的系统频率需要根据功率平衡的原则进行调节；改变DG的输出频率，使微电网内部保持功率平衡。3）电能质量治理：微电网电能质量控制可从两个层次分别展开，首先必须要满足微网内部的无功平衡和谐波电流补偿；其次是对PCC处的无功和谐波进行治理，向大电网提供电能质量支撑。