微网运行状态控制研究综述

薛诗语

（华中科技大学电气与自动化工程学院，湖北 武汉 430074）

微网运行状态控制研究综述

薛诗语

（华中科技大学电气与自动化工程学院，湖北 武汉 430074）

摘要：本文简单地介绍了微网的形成背景以及基本概念，总结了国内外微网运行控制策略和能量优化方法。简要讲解了微网的运行控制状态及切换过程，并对几种典型的策略进行了简要地概述并分析优缺点。最后做了简单的总结，提出了目前研究不足之处，也对未来的发展方向进行了展望。

微网运行状态；研究现状；控制

1.研究背景

微电网是一种由电源、负荷、储能装置和控制装置组成的系统。微电网即微型电网，微电网中的电源多为分布式电源例如光伏发电组件，相对大电网较不稳定，但已有相对稳定的控制策略。然而，伴随着光伏发电在电网中渗透率的提高，又出现了电网不稳定性增加、高次谐波增加、无功功率不平衡、微网控制难度增加等问题。因此研究者们提出了多种微网控制来解决面临的难题。

2.国内外研究现状

2.1 国外研究现状

在微网控制中，部分研究者将基本控制方法结合起来，取长补短，实现微网的自主控制。例如，对一个有3个分布式电源的系统，一个分布式电源在并网运行时使用PQ控制然后在孤岛状态使用下垂控制；另外两个分布式电源在并网和孤岛状态均使用PQ控制。在simulink仿真中可实现并网运行和孤岛运行的无缝切换。文献[3]中，DER系统的引入实现了无功和有功的分别控制，动态地满足需求，并可以自主地切换自身的状态。另外，在PCC处引入能量电子转换器（PET），限制微网中的能量流动，并利用分层控制用电网中频率的变化来控制微网中活跃的能量产生和消耗来实现小扰动不影响微网频率，微网中能量骤减时电源输出及消耗和负载消耗的自主调控以及即使在频率不同步的情况下的微网运行的无缝切换。

2.2 国内研究现状

对微电网运行状态的控制研究，我国也有不少成果。例如部分研究者针对直流微电网中复杂状况，在孤岛运行和并网运行这两种状况下划分出的4种工作模式；通过对各部分的状态和开关的断合进行划分，使工程师能针对性地设计方案并解决问题，将问题简单化。针对混合系统的微网控制，研究者提出混合系统控制是采集本地电压和电流信号并进行PQ控制；而当微网孤岛运行时，微网控制重点为考察随机性较强的分布式电源对混合系统控制效果的影响；故可通过微网控制层，将各电源状态整合并通过采集公共母线状态进行混合系统的协调控制。周念成教授给出了特定情境下控制微网运行状态的解决方案。研究者还提出并网时需考虑尽可能降低冲击电流，故应尽量保证并网前微网电压幅值低于电网电压幅值，电网频率稍高于微网频率，微网相位滞后于电网。天津大学的综合微电网实验室也对联网到孤岛模式切换、孤岛到联网模式切换这两种暂态情况做了详细地研究。

3.微网的运行状态控制

微电网存在多种运行状态，主要有并网运行和孤岛运行。当微网处于并网运行状态时，功率可以双向流动，即可从大电网流向微电网，也可从微电网流向大电网；当大电网出现故障时，通过保护动作和解列控制，可使微电网与大电网解列而使微电网变为孤岛运行状态，独立向其所辖重要负荷供电；在大电网故障消除后，通过并网控制可再次将微电网并入大电网，重新进入并网运行状态。

微电网并网时一般与中压或低压配电系统相并，微网的运行特性既与其内部的分布式电源特性和负荷特性有关，也与其内部的储能系统的运行特性密切相关；同时还与大电网相互作用，尤其在微网渗透率比较高的情况下（微网中含大量的风力发电和光伏电池），这种相互作用将直接影响到二者的稳定性和可靠性。

微网孤岛运行控制需要优先保证微网内重要负荷（敏感负荷）的供电可靠性和供电质量，即当分布式电源所发出的功率不能满足所有负荷供电需求时，优先切除次要负荷，当微网能量足够时再重新投入。

在微电网运行状态方面，主要要考虑并网运行与孤岛运行状态之间的平滑切换以及孤岛运行时的微电网的稳定性问题。接下来要介绍微电网的运行控制。

下面简单介绍两个典型的微网运行状态的实例。

3.1 实例1

第一个实例是混合系统的微网运行控制策略，其中的风力发电可以与光伏发电进行类比，并获得一定的启示。

图2　微网控制层次关系和策略示意图

根据稳定性，可以将控制划分为负荷控制和本地控制，本地控制用于对多个混合系统进行控制，如图2所示。

其中PQ控制实现恒有功功率输出和恒无功功率调节；V/f控制主要应用于独立运行和孤岛状态下的电压频率调节；整流器和逆变器根据系统运行的需要采取PQ控制或V/f控制。

在此基础上，混合系统根据联网—孤岛状态和风速等级划分了6个状态，如图3所示。

图3　混合系统运行状态的划分

并根据各个状态不同的特性来制定对应的控制策略，见表1。

表1　混合系统运行状态及控制策略

3.2 实例2

首先确定不同运行状态下微电网系统各元件的控制方式，采用排列组合的方法，列出间歇性电源、储能装置、连续型电源、大电网和可中断负荷是否连接的排列组合，然后根据情况排除不可能的组合，最后留下了12种不同的运行状态状态，然后逐一设计策略，见表2。

微电网采用两级分层的控制结构，将微电网当前的运行状态和触发事件作为MGCC的输入变量，输出变量则为各元件的控制方式，以实现微网运行状态按预先制定的转换方案进行实时调整。其中上层控制的MGCC主要实现功率管理和运行状态管理的功能。微网状态关系图如图4所示。

转换触发事件见表3。

3.3 分析与总结

以上两个实例均是以PQ控制和频率电压控制为基本控制元素结合使用。对不同的运行状态和环境，制定相应的策略。这两者的思想可以很好地应用于光伏发电中。如实例1中的风速可以替换为光照强度，实例2中的表3状态转换触发事件。

间歇性电源替换为光伏组件，并根据光伏的特性，选择合适的MPPT算法。两者对解列和并网的判断均是根据IEEE1547国际标准规定，当微网存在干扰或者大电网出现故障时，密切观察系统公共连接点PCC（point of common coupling）的电压和频率，在两者超过规定幅值或未超过但异常时间较长时，断开系统公共连接点PCC即解列，微电网转入孤岛运行状态。

图4　微网状态转换图

表2　不同状态下微网系统各元件的控制方式

表3　状态转换触发事件

不同的是，实例2更加依赖于储能的作用，且状态的划分不是简单地根据微网的运行状态和间歇性电源的出力程度来划分状态，而是根据每个元件的状态进行划分并简化。此外实例2中对运行状态的触发事件做了详细地分类，并逐一制定对策，不是单纯地只关注解列和并网。

4.总结与展望

大电网和微电网有时会面临不稳定和故障状态，因而发生解列，使微电网从并网运行状态到孤岛状态，为使系统维持稳定并尽量减小影响，希望此过程能平滑进行，因此也产生了相应地研究。在孤岛运行状态相对稳定后，要保证孤岛时微电网能较好地运行下去，系统控制与能量管理显得尤为重要。当系统稳定且大电网的故障解除后，在适当条件下可以进行同期并网，让微电网回到并网运行状态。

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