微电网关键技术

微电网分布式控制理论与方法　 顾伟等

微电网内包含了多种分布式电源、储能、负荷、能量转换装置以及相关监测、控制系统，是电力、风、光、化学、热力等能源形式相互依存的动力系统，也是能源转换、监控、保护等运行功能相互影响的复杂系统。微电网的网架结构灵活，可以单微电网运行，也可以通过智能开关以动态多微电网的形式运行。此外，微电网可以存在多种运行状态，当微电网并网运行时，功率可以在微电网与主网之间双向流动；监测到外部电网故障后，通过紧急解列控制与配电网解列，形成独立微电网，保证本地重要负荷的持续不间断供电，而在外部故障解除后，微电网经过预同步控制重新并网；在远离供电中心的偏远区域(如海岛、边防等)，孤岛微电网作为分布式电源的有效组成形式，可以长期向所在地区提供居民用电和工业用电等。总而言之，**微电网的运行特性既与网内分布式电源、储能及负荷特性密切相关，也与能源转换、监控、保护装置的功能有关；既受到外部电网运行状况的影响，又与系统能源优化管理有关。**因此，微电网的研究和发展面临多方面的技术挑战。

（1）微电网与外部配电系统的相互作用

高渗透率的微电网接入外部配电网从根本上改变了系统的网架结构，将对微电网和配电网各自的动态特性产生重要影响。传统配电网一般呈辐射状，电压沿馈线潮流方向逐渐降低，负荷随着时间的变化也会引起局部电压波动，越接近末端波动幅度越大，微电网接入配电网后，尤其是网络末端，由于传输功率的双向性以及微电网输出的无功支持，对馈线各节点的供电质量产生多重影响：

1. 微电网与本地负荷协调运行(微电网输出随负荷可调度)时，电压波动得到抑制；
2. 微电网未能与本地负荷协调运行，譬如光伏、风力等间歇性能源发电容量超过系统储能可承载容量时，对本地电压的稳定性产生冲击；
3. 大容量微电网启动并网或脱网解列引起功率骤变，造成电压波动。

配电网与微电网连接时，为微电网提供电压和频率的支撑，提升了系统的惯性，而配电网对微电网的不利影响主要为不平衡电压和电压骤降，此时如果达到孤岛运行条件，公共连接点(PCC)会断开，从而微电网进入孤岛模式，但如果未达到孤岛条件，PCC仍保持与配网连接的状态可能对敏感负荷和系统的稳定运行造成不利影响。随着高渗透率微电网的广泛应用，两者间影响会越来越复杂，分析其相互作用机理可以为含微电网的配电系统的运行控制奠定基础。

（2）微电网优化配置

微电网是发挥分布式电源效能，向用户提供多样化能源的最有效方式，其优化配置是指在满足微电网稳定运行和所需负荷的条件下，通过优化选择电源构成、电源容量、网架结构和接入点选址等满足和实现系统建设和运行期间成本最小化的目标。优化配置是微电网是否能够可持续发展的关键，主要包括：

1. 可再生能源供能和负荷需求分析，指的是根据风速、光照强度和负荷的历史统计信息与分布式特性，通过预测方法对风、光等新能源和可变负荷的日控分布进行准确分析，为优化配置提供可靠的决策数据；
2. 优化配置建模，是指综合考虑网络中的冷、热、电负荷的需求，从技术、经济、环境等角度选取合适的控制变量、优化目标和约束条件，建立完整合理的优化模型；
3. 根据优化模型的复杂度、优化目标的精度，选择优化算法求解微电网优化配置问题。现有的预测方法受外部条件的影响，预测结果存在较大的不确定性，微电网优化目标多样且不尽相同，优化算法各有利弊，必须有针对性发展微电网优化设计的理论与方法。

（3）微电网中电力电子技术的应用

电力电子技术是保证微电网能源梯级综合利用、供电可靠性和电能质量的重要技术，网内功能可以分为两类：

1. 柔性交流输电系统FACTS，如静止同步补偿器、有源滤波器、统一电能质量调节器等用以维持系统电能质量；
2. 分布式电源需要通过电力电子装置并网，包括斩波器、整流器、变频器以及最受关注的逆变器。

FACTS装置提高传统配电网供电质量的功能对微电网同样适用，同时此类装置可以与分布式电源/微电网形成整体系统提高配电网的运行特性，有助于充分利用微电网的储备功率，减少对配电网的冲击。分布式电源并网型电力电子装置的应用，使微电网可以灵活地选择网内运行频率和电压以适应不同的应用场合，有助于实现未来智能电网快速、连续和灵活的控制目标。电力电子接口型分布式电源与传统旋转电机型分布式电源相比，等效转动惯性较小，供电可靠性受到电网侧扰动和电力电子装置本身的影响，因此提高本地电能质量需要提高电力电子装置的鲁棒性，维持功率传输在可控范围内并维持接入点的稳定性，尤其是降低微电网运行模式切换冲击，实现平滑过渡。

（4）微电网运行控制以及多源协调控制

微电网的运行控制是微电网技术的研究核心和热点领域。与传统的电力系统不同，微电网设备种类繁多、运行模式多样、控制策略各异、可控程度不同，大量新型的现代电力电子技术、通信技术和控制技术的应用，使得传统的电力控制方法不适应于微电网的运行控制，需要一套全新的、科学有效的运行机制和控制方法进行微电网多源协调控制，保证系统的安全稳定运行。针对微电网协调控制的特点，应从单元级的分布式电源控制和系统级的微电网控制两个方面进行研究，包括配电网内多微电网协调控制、微电网中多源协调控制以及多个电力电子接口、监控设备的协调控制。

根据系统中分布式电源的作用不同，微电网运行模式主要包括主从控制和对等控制这两种典型的控制模式；而分布式电源的控制方法主要有恒功率控制、恒压/恒频控制和下垂控制，应综合考虑分布式电源自身的出力特性和微电网的运行模式选择合理的控制方法。在这种情况下，微电网内多源协调控制问题较突出，如分布式电源与分布式电源间、分布式电源与储能间、不同储能与储能间、电力电子接口与接口间的操作运行时序契合、响应速度配合、过程量幅值匹配等问题，小则引起电压和频率偏差、有功无功环流、电能质量下降等，大则影响系统稳定性甚至造成系统解列，这些都是值得重点关注和解决的问题。多微电网协调控制的主要目的是提高系统可靠性和经济性，最大化分布式电源整体效益。微电网与配电网是有机整体，可以通过公共连接点灵活连接或断开，并网运行时两者间功率双向流动互为支撑。由于故障微电网进入孤岛模式，依靠自身能源形式为本地负荷提供持续不间断的供电，相对传统电力系统具有更多的自由度应对不同的运行工况，如何制订能量管理策略高效管理微电网和配电网间的能量交换，实现分布式电源的最优利用；如何决策微电网并网或孤岛的运行状态以及实现准确的孤岛检测，避免错误操作对系统稳定性的影响，保证整体系统供电可靠，需要进行科学的研究。

（5）微电网以及包含微电网的智能配电网保护技术

由于分布式电源及含有分布式电源的微电网接入，很大程度上改变了配电网的网架结构以及系统的故障特征，使故障后电气量的变化更加复杂，对传统的保护方法提出新的挑战：微电网内存在双向短路电流，故障点两侧的等效电源容量与故障电流大小相对应；分布式电源的短路电流差异大，与电源容量、接入位置、负荷类型有关，逆变型分布式电源故障时在较短时间内能够输出恒定的短路电流，幅值主要取决于逆变器电流饱和模块，旋转电机型分布式电源故障恢复过程电流呈衰减特性；微电网在并网和孤岛两种模式下的短路电流差异明显，并网时主要由外部电网提供，孤岛时主要由分布式电源提供，保护技术要求在短路容量差异较大时仍可切除故障；由于微电网等效惯性较小，更需要保护元件和控制策略的快速响应才能避免失稳。因此，微电网以及含微电网的智能配电网的保护不仅要实现传统继电保护的要求，还要与具体物理特性相适应，针对性地发展新的保护技术。在这个过程中，需要掌握微电网以及分布式电源在故障中的电流和电压暂稳态特性，能够建立准确的故障模型。在微电网并网运行时，应确保故障点切除后微电网能够安全稳定地并网运行；与微电网相连的外部电网出现故障时，应能够可靠地定位并切除故障，确保其与主网解列后继续可靠运行。由于微电网既要能够并网运行又要能够独立运行，同一套保护策略需要适应两种模式，当系统拓扑改变时保护策略仍然有效。

（6）微电网系统的电能质量控制

随着各种精密电子仪器和数字化设备在居家和工业中的广泛应用，对电力系统的电能质量提出了越来越高的要求。与传统的电力系统相比，微电网中存在很多与电能质量相关的独特问题：

1. 系统中可能存在部分间歇性分布式电源，其功率输出的波动性、随机性不可避免地给本地用户带来电能质量问题；
2. 微电网内包含的大量单相分布式电源或设备，如单相入户式光伏逆变器、非线性负荷和不平衡负荷，使微电网成为单相-三相混合的复杂供电系统，增大了系统三相不平衡程度；
3. 系统中存在大量的电力电子装置，如变流器型并网接口、电力电子开关等以满足用户电压和频率的电能要求，根据所采用的电力电子技术可能会产生不同水平的谐波，随着分布式电源/微电网的渗透率的提高，系统的谐波比例也会提高，最终导致电能质量下降；
4. 由于各分布式电源输出阻抗、等效阻抗、滤波器的不同，微电网内环流不可能完全消除，对功率合理分配、系统稳定性等造成不利影响。

此外，微电网中能否实现无功补偿、频率稳定等也对系统的电能质量提出新的挑战。目前有关微电网电能质量问题的监测评估以现有的电能质量国家标准和国家电网公司企业标准《分布式电源接入电网技术规定》(GB/T19939—2005)为依据，微电网接入技术标准仍在制定中。针对微电网运行过程中的电压、频率、谐波、直流注入、环流等呈现出不同特性的问题，需要更加系统、深入地研究并提出解决方案。

（7）微电网经济运行与优化调度

与常规电力系统的节能降损类似，微电网经济运行和优化调度的目标是通过调节分布式电源的输出功率、储能装置的配置、线路节点的电压电流水平、热电联供机组的热负荷和电负荷比例、电力电子装置的数量等，在保证系统稳定运行的前提下实现优化运行和能量合理分配，提高可再生能源的利用效率，最小化系统运行成本。为了实现微电网经济运行，需要综合运用分布式电源出力和负荷需求的预测、储能成本和电力市场信息等基础数据，建立考虑经济目标和环境目标的优化调度模型，最终获得包含分布式电源间功率分配、储能装置投入量、与配电网功率交互等内容的优化调度策略。目前，微电网经济运行的研究热点侧重于处理分布式电源出力的波动性和提高含微电网的配电网的效益：

1. 针对间歇性分布式电源的随机性和波动性，可以通过配置相应种类和容量的储能设备予以平抑，在能量优化策略制订过程中不仅需要考虑不同储能装置的动态性能，还需要将其全生命周期的经济性加以考虑；
2. 靠近负荷侧的微电网可以看作配电网需求侧管理的直接参与者，在高峰电价时微电网调度网内各分布式电源满发送电上网，缓解电力紧张现象；在低谷电价时微电网低价从配电网处购电用于满足本地负荷和储能充电的需求，实现微电网经济运营。此外，通过对微电网输出的控制，可以有效降低配电网内变压器损耗和馈线损耗，提高系统经济性。

（8）面向微电网系统的仿真平台和应用软件

通过仿真软件平台对微电网运行特性进行模拟验证、计算，为微电网工程的实施、保护装置和控制器的设计提供重要参考。微电网内既有同步发电机等具有较大时间常数的旋转设备，也有等效转动惯性较小的以逆变器为代表的电力电子设备；既有微秒级快速变化的电磁暂态过程，也有毫秒级变化的机电暂态过程和秒级变化的慢动态过程。如何综合考虑它们之间的交互影响，需要着力于控制特性和物理特性，通过对仿真模型输入输出外特性进行统计分析和拟合，将数字仿真与物理模拟仿真相结合，形成数字/模拟混合仿真系统。目前流行的仿真软件，如PSCAD、DigSILENT等。微电网多为单个电源仿真模型的简单罗列，如何高效地实现大规模配电网机电暂态仿真和局部微电网电磁暂态仿真的平滑连接，并有效地解决仿真步长和仿真精度、海量仿真测点和计算机系统开销间的矛盾，从而提高高渗透率微电网接入配电网的快速分析和决策能力，是发展微电网动态全过程数字仿真系统的难点。

相比于传统电力系统，作为智能电网重要内容之一的微电网具有高度智能化、自动化和自愈性，首先需要实现信息在电力系统内的双向流动和有效利用，将信息通信系统和物理电力系统相结合，发展信息-物理系统(cyber-physical systems, CPS)混合实时仿真技术是模拟微电网系统对外界摄动、系统内部组件扰动等过程感知和控制能力的有效手段。由于微电网是时变连续系统，电气量以潮流的形式流经支路和节点，而通信系统是离散系统，数字化信息离散触发，CPS研究的主要问题是如何深入探索物理系统和通信系统的交互机理，无缝融合两者的运行机制，研究与混合仿真平台相适应的建模、分析和控制方法，指导实际微电网工程的实施操作。尽管有一些仿真思路正在探索中，如基于RTLAB和OPNET的仿真平台，尚未形成完整的仿真架构和仿真系统，这也是目前微电网领域的研究热点。

此外，在多形式分布式储能协调技术、多级混合微电网技术、微电网智能化信息与通信技术、微电网政策规范等方面仍存在很多问题，需要进一步深入研究推进微电网技术的发展应用。其中，微电网的运行控制以及多源协调控制作为微电网关键技术研究领域的核心问题，是保证系统安全、稳定、可靠运行的前提，也为微电网其他问题的解决奠定了极为重要的基础。