微电网控制策略综述_苏玲
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Abstract： Microgrid is different from traditional grid due to its flexible operation ，especially control method． Distributed generation （ DG） and load are components of microgrid，and its control strategies are introduced in detail． Microgrid control strategy is categorizing into centralized control，decentralized control and hybrid control and the characteristic of each control is described． In the end microgrid control strategies are summarized． Key words： distributed generation control； load control； centralized control； decentralized control； hybrid control Foundation items： The National Natural Science Foundation of China（ 51377054）
为实现对微电网的灵活、可靠控制，首先介绍 了微电网基础构成元件分布式电源和负荷的控制 策略，在此基础上将现有微电网控制策略分为集 中控制、分散控制和混合控制三类，并对各种控制 策略的不同控制模式进行详细阐述，最后总结了
微电网各种控制方法的优缺点。
1 分布式电源控制策略
分布式电源接入电网的方式通常有两类： 通 过逆变器接入和通过旋转电机接入。通过旋转电 机接入的分布式电源控制技术较为成熟［6］，且大 部分微电网的电源主要是逆变型 DG，故本文针 对逆变型分布式电源介绍控制策略。逆变型分布 式电源控制策略可分为有功、无功控制（ PQ control） 或 有 功、电 压 控 制 （ PV control ） ，下 垂 控 制 （ droop control） 和电压频率控制 （ V / f control） ［7］ 三类。 1． 1 有功、无功控制或有功、电压控制
3 微电网控制策略
微电网灵活的运行方式与高质量的供电服务 离不开完善控制系统。对目前微电网研究现状与 示范工程案例进行总结，其控制策略可分为三大 类： 集中控制、分散控制和混合控制。 3． 1 微电网集中控制策略
微电网集中控制类似于传统电力系统或大规 模分布式发电系统的集中控制，设立中央控制单 元，所有的信息都流入该单元，实时处理后下达控 制指令，控制信号通过高速的通信网络传送至微 电网内各单元。分层控制和基于多代理技术的分 层控制一般均通过中央控制单元对逆变器发出控 制命令并参与动态调节，可看作集中控制。 3． 1． 1 分层控制模式
有功、无功控制可使 DG 输出功率与指定有 功和无功功率一致； 有功、电压控制可使 DG 输出 的有功功率和出口电压与指定有功和电压一致。 其中 P 通过微电网能量管理系统给定或跟踪间
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歇性 DG 的最大输出功率，Q 和 V 可通过能量管 理系统给定或通过电压无功下垂方法确定。当微 网系统并网运行或有维持电压和频率的 DG 时， 光伏和风电等间歇性 DG 可采用该类控制方法， 实现能源的最大化利用。 1． 2 下垂控制
负荷变化导致频率和电压波动，波动幅值取 决于负荷的电压 /频率敏感度和下垂特性。微电 网的频率控制通过调节 DG 的有功输出使微电网 频率恢复到额定值（ 如 50 Hz） ，类似于传统发电 机的二次调频功能。电压控制通过调节 DG 的无 功输出使电压幅值保持在指定值。微电网采用主 从控制策略时，主控 DG 一般采用该控制方法，孤 网运行时可提供电压和频率支撑，相当于平衡节 点。燃气轮机、燃料电池及储能装置输出功率稳 定，且可根据负荷需求调整发电量，可采用该类控 制策略。
为实现微电网负荷经济控制，文献［12］针对 风光柴储联合发电系统，综合考虑购售电价、节点 负荷约束条件和节点单位切负荷费用等因素，建 立以赔偿费用最小为目标的微网负荷控制模型， 根据当时微电网运行的发电和用电情况决定切 / 并负荷顺序和相应的切 / 并负荷量，实现微网经济 运行。
农村微电网孤网运行且 DG 输出功率不满足 负荷需求时，存在切除负荷或调节负荷的顺序不 确定问题，文献［13］提出了基于模糊聚类的农村 智能电网 负 荷 控 制 策 略，利 用 多 元 统 计“物 以 类 聚”的分 类 方 法，将 农 村 微 电 网 孤 网 运 行 模 式 下 的负荷按等级、可控特性及位置 3 个属性进行聚 类，得出负荷的控制顺序，提高了农村电网的供电 可靠性和经济性。
微电网中央控制单元需处理大量信息、数据， 基于多代理技术的分层控制模式是将微电网控制 系统 划 分 为 若 干 小 型 的、相 互 通 信、易 于 管 理 的 Agent，完成不同 控 制 功 能，是 对 传 统 分 层 控 制 方 法的 改 进，具 有 很 好 的 自 主 性、启 发 性 和 响 应 能 力。
摘 要： 微电网灵活运行方式使其与传统控制有显著不同。详细介绍了微电网构成元件分布式电源和负荷的 控制策略； 在此基础上对现有微电网控制策略进行分类，并阐述了集中控制、分散控制和混合控制各种方法的 特点； 最后对微电网各控制策略优缺点进行总结。 关键词： 分布式电源控制； 负荷控制； 集中控制； 分散控制； 混合控制 作者简介： 苏 玲（ 1977） ，女，博士，工程师，从事智能电网技术研究及管理工作。 中图分类号： TM71 文献标志码： A 文章编号： 1001-9529（ 2014） 11-2249-05 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51377054）
Overview of Microgrid Control Strategy
SU Ling1 ，ZHOU Xiang2 ，JI Liang1 ，ZHAO Dong-mei3 （ 1． Department of Science and Information Technology，State Grid Smart Grid Ｒesearch Institute，Beijing 102200，China；
下垂控制是通过解耦进行电压和频率调节的 方式，主要有两类： 一种与传统同步发电机调节相 似，为有功—频率和无功—电压正调差方式，另一 种为有功—电压和无功—频率反调差方式。此两 种下垂控制的原理相同，采用何种调差方式不仅 受线路阻抗参数、滤波器参数的影响，还与控制器 参数密切相关［8］。但一般情况下，由于反调差下 垂控制存在诸多限制，在微电网中采用正调差下 垂控制比采用反调差下垂控制会取得更好的效 果［9］。下垂控制根据局部测量量实现控制，在微 电网采用对等控制策略时，各 DG 一般采用该控 制方法。 1． 3 电压频率控制
2． Department of Science Technology＆ Smart Grid，State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China； 3． School of Electrical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）
调轮、细条轮，紧急启动轮等方法，可自适应地切 除负荷。基于频率变化率负荷控制有以下缺陷： 频率变化率与被切负荷的数量关系难以确定； 不 同地点的频率变化率不同，按相同的频率变化率 切负荷易引入误差。
为保证微电网紧急运行状态下电压稳定，文 献［11］引入 Hopfield 模型，以二次能量函数为目 标函数、将负荷潮流雅可比矩阵的最小特征值作 为近似指标，切除一定数量负荷来维持指标的阂 值，使电压保持在允许范围内。
第 42 卷 第 11 期 2014 年 11 月
Vol． 42 No． 11 Nov． 2014
微电网控制策略综述
苏 玲1 ，周 翔2 ，季 良1 ，赵冬梅3
（ 1. 国网智能电网研究院科技信息部，北京 102200； 2. 国家电网公司科技部（ 智能电网部） ，北京 100031； 3. 华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206）
2 负荷控制策略
微电网 由 并 网 运 行 向 孤 网 切 换 或 孤 网 运 行 时，检测到电流、电压等超过允许范围时，需按照 预先设定的负荷控制策略切除部分负荷，使线路 潮流保持在允许范围内，在维持稳定运行的基础 上，考虑负荷控制的经济性。
微电网负荷波动时，频率变化率（ df / dt） 可作 为电网功率缺额的信号，用于加速切负荷（ 或机 组） 及早抑制频率的大幅度变化。文献［10］ 基 于频 率 变 化 率 提 出 微 电 网 低 频 减 载 策 略，采 用 PID 控制器构成频率闭环控制回路，根据微网系 统的功率缺额，调整 PID 控制算法，并分别采用粗
微电网分层控制模式适用于其分布式特性、 海量的控 制 数 据 以 及 灵 活 的 运 行 方 式。 文［28］ 中的微电网采用三层集中控制结构，在微电网并
Hale Waihona Puke Baidu
苏 玲，等 微电网控制策略综述
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网运行时，考虑双向（ 用户竞价和市场定价） 竞价 机制，通过集中控制器来优化各 DG 的功率输出 与大电网进行能量交换，参与微电网动态调节。
文献［30］将多代理技术应用于微电网控制， 设立 3 层 Agent： 元件 Agent、微电网 Agent、上级电 网 Agent。微电网 Agent 接受元件 Agent 信息并进 行管理，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。上级电网 Agent 综合下层 Agent 信息，以多目标优化（ 主要包括： 经济性指 标和电能质量指标） 的思想对电网进行分析后， 通过通信为各微电网 Agent 分配定值，微电网 Agent 通过对元件 Agent 的调度形成对上级电网的 有效支撑，如参与配电网的频率、电压控制和谐波 治理等。当微电网内部发生故障时，由微电网 Agent 综合各元件 Agent 的信息给出相应调整； 当 故障点在微电网外部时，通过主网 Agent 与各高 级 Agent 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 Agent 可选择与主网 断开，进入孤岛运行，同时保证主网与微电网的安 全稳定运行。 3． 2 微电网分散控制策略
微电网是将分布式电源、负荷、储能元件以及 控制和保护装置等集合，形成一个单一可控的单 元，同时向用户提供冷、热、电能 ［1］。良好运行控 制是实现微电网诸多技术经济优势的前提，也是 微电网研究 领 域 的 关 键 问 题 之 一［2］。 微 电 网 灵 活的运行方式带来了潮流和信息的双向互动，使 其控制与传统控制有显著不同，其控制必须保证： 在并网和孤岛运行方式下，都能控制局部电压和 频率，使系统安全稳定运行； 提供或者吸收电源和 负荷之间的暂时功率差额； 根据故障情况或系统 需要，平滑自主地实现实现与主网分离、并列或两 者的过渡转化［3-5］。
日本 Hachinohe 微电网示范项目采用两层控 制结构，中央控制器与各 DG 间采用光纤通讯，通 讯失败将导致整个系统无法正常工作。中央控制 器首先对 DG 发电功率和负荷需求量进行预测， 然后制 定 相 应 运 行 计 划，进 行 经 济 调 度 （ 分 钟 级） ； 根据采集的电压、电流、功率等信息，对运行 状态进行实时调整，实现潮流控制（ 秒级） ； 控制 各 DG、负荷和储能装置的起停，实现微电网电压 和频率的控制（ 毫秒级） ，并为系统提供相关保护 功能［29］。 3． 1． 2 基于多代理技术的分层控制模式
为实现对微电网的灵活、可靠控制，首先介绍 了微电网基础构成元件分布式电源和负荷的控制 策略，在此基础上将现有微电网控制策略分为集 中控制、分散控制和混合控制三类，并对各种控制 策略的不同控制模式进行详细阐述，最后总结了
微电网各种控制方法的优缺点。
1 分布式电源控制策略
分布式电源接入电网的方式通常有两类： 通 过逆变器接入和通过旋转电机接入。通过旋转电 机接入的分布式电源控制技术较为成熟［6］，且大 部分微电网的电源主要是逆变型 DG，故本文针 对逆变型分布式电源介绍控制策略。逆变型分布 式电源控制策略可分为有功、无功控制（ PQ control） 或 有 功、电 压 控 制 （ PV control ） ，下 垂 控 制 （ droop control） 和电压频率控制 （ V / f control） ［7］ 三类。 1． 1 有功、无功控制或有功、电压控制
3 微电网控制策略
微电网灵活的运行方式与高质量的供电服务 离不开完善控制系统。对目前微电网研究现状与 示范工程案例进行总结，其控制策略可分为三大 类： 集中控制、分散控制和混合控制。 3． 1 微电网集中控制策略
微电网集中控制类似于传统电力系统或大规 模分布式发电系统的集中控制，设立中央控制单 元，所有的信息都流入该单元，实时处理后下达控 制指令，控制信号通过高速的通信网络传送至微 电网内各单元。分层控制和基于多代理技术的分 层控制一般均通过中央控制单元对逆变器发出控 制命令并参与动态调节，可看作集中控制。 3． 1． 1 分层控制模式
有功、无功控制可使 DG 输出功率与指定有 功和无功功率一致； 有功、电压控制可使 DG 输出 的有功功率和出口电压与指定有功和电压一致。 其中 P 通过微电网能量管理系统给定或跟踪间
2250
2014，42（ 11）
歇性 DG 的最大输出功率，Q 和 V 可通过能量管 理系统给定或通过电压无功下垂方法确定。当微 网系统并网运行或有维持电压和频率的 DG 时， 光伏和风电等间歇性 DG 可采用该类控制方法， 实现能源的最大化利用。 1． 2 下垂控制
负荷变化导致频率和电压波动，波动幅值取 决于负荷的电压 /频率敏感度和下垂特性。微电 网的频率控制通过调节 DG 的有功输出使微电网 频率恢复到额定值（ 如 50 Hz） ，类似于传统发电 机的二次调频功能。电压控制通过调节 DG 的无 功输出使电压幅值保持在指定值。微电网采用主 从控制策略时，主控 DG 一般采用该控制方法，孤 网运行时可提供电压和频率支撑，相当于平衡节 点。燃气轮机、燃料电池及储能装置输出功率稳 定，且可根据负荷需求调整发电量，可采用该类控 制策略。
为实现微电网负荷经济控制，文献［12］针对 风光柴储联合发电系统，综合考虑购售电价、节点 负荷约束条件和节点单位切负荷费用等因素，建 立以赔偿费用最小为目标的微网负荷控制模型， 根据当时微电网运行的发电和用电情况决定切 / 并负荷顺序和相应的切 / 并负荷量，实现微网经济 运行。
农村微电网孤网运行且 DG 输出功率不满足 负荷需求时，存在切除负荷或调节负荷的顺序不 确定问题，文献［13］提出了基于模糊聚类的农村 智能电网 负 荷 控 制 策 略，利 用 多 元 统 计“物 以 类 聚”的分 类 方 法，将 农 村 微 电 网 孤 网 运 行 模 式 下 的负荷按等级、可控特性及位置 3 个属性进行聚 类，得出负荷的控制顺序，提高了农村电网的供电 可靠性和经济性。
微电网中央控制单元需处理大量信息、数据， 基于多代理技术的分层控制模式是将微电网控制 系统 划 分 为 若 干 小 型 的、相 互 通 信、易 于 管 理 的 Agent，完成不同 控 制 功 能，是 对 传 统 分 层 控 制 方 法的 改 进，具 有 很 好 的 自 主 性、启 发 性 和 响 应 能 力。
摘 要： 微电网灵活运行方式使其与传统控制有显著不同。详细介绍了微电网构成元件分布式电源和负荷的 控制策略； 在此基础上对现有微电网控制策略进行分类，并阐述了集中控制、分散控制和混合控制各种方法的 特点； 最后对微电网各控制策略优缺点进行总结。 关键词： 分布式电源控制； 负荷控制； 集中控制； 分散控制； 混合控制 作者简介： 苏 玲（ 1977） ，女，博士，工程师，从事智能电网技术研究及管理工作。 中图分类号： TM71 文献标志码： A 文章编号： 1001-9529（ 2014） 11-2249-05 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51377054）
Overview of Microgrid Control Strategy
SU Ling1 ，ZHOU Xiang2 ，JI Liang1 ，ZHAO Dong-mei3 （ 1． Department of Science and Information Technology，State Grid Smart Grid Ｒesearch Institute，Beijing 102200，China；
下垂控制是通过解耦进行电压和频率调节的 方式，主要有两类： 一种与传统同步发电机调节相 似，为有功—频率和无功—电压正调差方式，另一 种为有功—电压和无功—频率反调差方式。此两 种下垂控制的原理相同，采用何种调差方式不仅 受线路阻抗参数、滤波器参数的影响，还与控制器 参数密切相关［8］。但一般情况下，由于反调差下 垂控制存在诸多限制，在微电网中采用正调差下 垂控制比采用反调差下垂控制会取得更好的效 果［9］。下垂控制根据局部测量量实现控制，在微 电网采用对等控制策略时，各 DG 一般采用该控 制方法。 1． 3 电压频率控制
2． Department of Science Technology＆ Smart Grid，State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China； 3． School of Electrical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）
调轮、细条轮，紧急启动轮等方法，可自适应地切 除负荷。基于频率变化率负荷控制有以下缺陷： 频率变化率与被切负荷的数量关系难以确定； 不 同地点的频率变化率不同，按相同的频率变化率 切负荷易引入误差。
为保证微电网紧急运行状态下电压稳定，文 献［11］引入 Hopfield 模型，以二次能量函数为目 标函数、将负荷潮流雅可比矩阵的最小特征值作 为近似指标，切除一定数量负荷来维持指标的阂 值，使电压保持在允许范围内。
第 42 卷 第 11 期 2014 年 11 月
Vol． 42 No． 11 Nov． 2014
微电网控制策略综述
苏 玲1 ，周 翔2 ，季 良1 ，赵冬梅3
（ 1. 国网智能电网研究院科技信息部，北京 102200； 2. 国家电网公司科技部（ 智能电网部） ，北京 100031； 3. 华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206）
2 负荷控制策略
微电网 由 并 网 运 行 向 孤 网 切 换 或 孤 网 运 行 时，检测到电流、电压等超过允许范围时，需按照 预先设定的负荷控制策略切除部分负荷，使线路 潮流保持在允许范围内，在维持稳定运行的基础 上，考虑负荷控制的经济性。
微电网负荷波动时，频率变化率（ df / dt） 可作 为电网功率缺额的信号，用于加速切负荷（ 或机 组） 及早抑制频率的大幅度变化。文献［10］ 基 于频 率 变 化 率 提 出 微 电 网 低 频 减 载 策 略，采 用 PID 控制器构成频率闭环控制回路，根据微网系 统的功率缺额，调整 PID 控制算法，并分别采用粗
微电网分层控制模式适用于其分布式特性、 海量的控 制 数 据 以 及 灵 活 的 运 行 方 式。 文［28］ 中的微电网采用三层集中控制结构，在微电网并
Hale Waihona Puke Baidu
苏 玲，等 微电网控制策略综述
2251
网运行时，考虑双向（ 用户竞价和市场定价） 竞价 机制，通过集中控制器来优化各 DG 的功率输出 与大电网进行能量交换，参与微电网动态调节。
文献［30］将多代理技术应用于微电网控制， 设立 3 层 Agent： 元件 Agent、微电网 Agent、上级电 网 Agent。微电网 Agent 接受元件 Agent 信息并进 行管理，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。上级电网 Agent 综合下层 Agent 信息，以多目标优化（ 主要包括： 经济性指 标和电能质量指标） 的思想对电网进行分析后， 通过通信为各微电网 Agent 分配定值，微电网 Agent 通过对元件 Agent 的调度形成对上级电网的 有效支撑，如参与配电网的频率、电压控制和谐波 治理等。当微电网内部发生故障时，由微电网 Agent 综合各元件 Agent 的信息给出相应调整； 当 故障点在微电网外部时，通过主网 Agent 与各高 级 Agent 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 Agent 可选择与主网 断开，进入孤岛运行，同时保证主网与微电网的安 全稳定运行。 3． 2 微电网分散控制策略
微电网是将分布式电源、负荷、储能元件以及 控制和保护装置等集合，形成一个单一可控的单 元，同时向用户提供冷、热、电能 ［1］。良好运行控 制是实现微电网诸多技术经济优势的前提，也是 微电网研究 领 域 的 关 键 问 题 之 一［2］。 微 电 网 灵 活的运行方式带来了潮流和信息的双向互动，使 其控制与传统控制有显著不同，其控制必须保证： 在并网和孤岛运行方式下，都能控制局部电压和 频率，使系统安全稳定运行； 提供或者吸收电源和 负荷之间的暂时功率差额； 根据故障情况或系统 需要，平滑自主地实现实现与主网分离、并列或两 者的过渡转化［3-5］。
日本 Hachinohe 微电网示范项目采用两层控 制结构，中央控制器与各 DG 间采用光纤通讯，通 讯失败将导致整个系统无法正常工作。中央控制 器首先对 DG 发电功率和负荷需求量进行预测， 然后制 定 相 应 运 行 计 划，进 行 经 济 调 度 （ 分 钟 级） ； 根据采集的电压、电流、功率等信息，对运行 状态进行实时调整，实现潮流控制（ 秒级） ； 控制 各 DG、负荷和储能装置的起停，实现微电网电压 和频率的控制（ 毫秒级） ，并为系统提供相关保护 功能［29］。 3． 1． 2 基于多代理技术的分层控制模式