微电网孤岛运行模式下的协调控制策略

第42卷中国电力电力系统（微电网及分布式发电专栏）微电网孤岛运行模式下的协调控制策略薛迎成1，2，邰能灵1，刘立群1，杨兴武1，金楠1，熊宁1（1．上海交通大学电气工程系，上海200030；2.盐城工学院电气系，江苏盐城224001）摘要：微电网是一种特殊形式的有源配电网，为大规模分布电源控制提供了一种有效方法。

微电网能运行在并网和孤岛状态，并网时可以从主网吸收电能或向主网提供电能，当主网发生电能质量事件时，微电网能从主网脱离单独运行。

微电源和存储设备必须协作才能维持微电网孤岛运行。

列举并讨论微电网孤岛运行，总结不同作者提出的微电网协调控制策略，对这些不同的控制方法进行比较，提出应根据微电网不同运行模式和影响因素对分布式电源采用不同控制策略。

关键词：分布式发电；分布式电源；有源网；微电网；控制中图分类号：TM727文献标识码：A文章编号：1004-9649（2009）07-0036-05收稿日期：2009-03-13基金项目：上海市曙光计划资助项目（07sg11）作者简介：薛迎成（1969—），男，江苏盐城人，博士研究生，从事新能源、分布式发电、继电保护的教学和研究工作。

E -mail:xyc_xyc_xyc@1微电网及其构成为协调大电网与分布式电源（DR ）间的矛盾，充分挖掘DR 潜能，为电网和用户带来更多的价值和效益，美国电气可靠性技术解决方案联合会（CRETS ）研究了DR 对低压电网的冲击，为增强电力系统的可靠性，提出了微电网概念。

微电网是一些负荷和微电源的组合，可作为一个可控系统来运行，一般与用户端的配电网相连，至少含有一个分布式电源和相关负荷。

微电网技术为大规模分布电源应用提供了一种有效方法，是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合。

微电网正常通过变压器并网运行，当微电网从公共连接点脱离后，它本身至少可给其中一部分负荷提供电能，运行于孤岛状态（自治状态）。

现有的电力公司一般不允许电网无计划孤岛运行和自动同步，主要基于人和设备安全考虑。

然而，微电网可以孤岛运行和并网运行，能在两者之间平滑切换（经孤岛检测及瞬时同步化），从而充分利用微电网中的电源。

微电网也被称为分布式电源孤岛系统，按照范围、大小和所有权的不同，分布式电源孤岛系统（微电网）具有多种形式，可以分为单元孤岛、分支路孤岛、支路孤岛、变电站母线孤岛、变电站孤岛和邻近支路孤岛［2］（见图1）。

微电网中的微电源可分为2类：第1类是传统旋转电机；第2类是通过电力电子接口与电网联接的电源。

第2类微电源又分2种：一种是直流电源，如燃料电池、光伏电池等存储单元；另一种为高频交流电源，如微型燃气轮机，必须进行整流，得到的直流电压可通过逆变器转换成交流电压。

微电网中的微电源也可分为不可控、部分可控和全控3种，并可冷、热、电三联供。

有的配有储能装置，通过双向交/直/交变换器与微电网相联，使用电力电子装置进行能量调节。

可控微电源的输出功率可以由中央监控单元提供设定值来控制。

不同的微电源响应速度可能不一样，微型燃气轮机和燃料电池响应速度较慢并缺少惯性，可能出中国电力ELECTRIC POWER第42卷第7期2009年7月Vol ．42，No．7Jul.2009Fig.1MG lsland Systems classify图1微电网弧岛系统分类薛迎成等：微电网孤岛运行模式下的协调控制策略第7期电力系统（微电网及分布式发电专栏）图2微电网的P -Q 控制Fig.2P -Q control现负荷跟随问题，其原动机功率输出的时间常数为10~200s ，这对大多数负荷来说太慢了，因此微电网在孤岛运行时，必须提供某种形式的能量存储，以保证负荷变化时的能量平衡。

微电网的能量存储单元（电池或超级电容）可以安装在每个微电源的母线上，也可以直接将存储单元（电池、飞轮）联到电网上，或使用传统有惯性的发电机，当然如果微电网不要求孤岛运行，不平衡功率可由电网来提供，微电网内部不需要存储单元。

微电网负荷可分为可控负荷和不可控负荷、重要负荷和一般负荷、敏感性的负荷和非敏感性的负荷等。

实际中，部分非敏感性的负荷可看作可控负荷，可以用于削峰和平滑负荷波形，当需要切负荷时，非敏感性负荷中的不可控部分是第1个被选择切除的对象，可以通过能量管理控制器执行。

微电网也可以带热负荷，在并网时，配电系统可视为“缓冲总线”，发出或吸收任何微电网和负荷之间的功率差，以维持功率平衡；在孤岛模式，可以切除部分负荷或发电机，来维持系统功率平衡，保持微电网电压稳定，因此必须保证关键负荷享受优先服务，能对用户提供差别服务，提高特殊负荷的电能质量和可靠性，适应负荷大范围变化。

2微电网控制微电网的控制和运行策略与传统电力系统有很大的不同，甚至是概念上完全不同，主要原因如下：（1）分布式电源（DR ）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；（2）由于单相负荷和DR 的存在，微电网中内部都有一定程度的不平衡；（3）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；（4）短期和长期储能单元在微电网控制中起重要作用；（5）在经济上要求微电网在正常运行时，能够联接或切除DR ；（6）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。

微电网存在2种典型的运行模式［4］:正常情况下微电网与常规配电网并网运行，称为并网模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而独立运行，称为孤岛模式（自动模式、孤岛运行、紧急模式、有计划孤岛）。

微电网孤岛运行的基本要求是微电源（基于逆变器或旋转电机）必须建立一个稳定的电压和频率，并且使之处于允许范围内。

具体来讲，微电网控制应当保证［5-6］:（1）任一微电源的接入对系统不造成影响；（2）自主选择运行点，微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件，诸如电压跌落、故障、停电等，做出自主反应，发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式，而不是像传统方式中由电网调度统一协调；（3）平滑地与电网并列、脱离；（4）对有功、无功进行独立控制；（5）具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

2.1微电源控制基于存储单元的电源，或可控电源，可以控制其输出功率，负责微电网孤岛运行时的频率控制，又叫网络构成单元，以方便P -Q 控制电源的接入。

在孤岛运行时，微电网中的负荷由本地微电源供电，因此，网络构成单元，将控制负荷的电压、频率、维持孤岛系统中有功、无功平衡。

网络一般由逆变器构成单元接口，采用“频率-有功，电压-无功”下垂特性控制电网的电压频率，模拟电力系统同步发电机的下垂特性，使微电网中的负荷合理分配，该控制采用本地测量数据，可以不需要多个单元之间的通信。

如果微电源可以控制其输出的有功和无功为常数，这种类型控制称为P -Q 控制，微电源就相当于电压控制电流源［8-10］。

输出电压分解成直轴和交轴分量，输出电流也分成直轴和交轴分量，控制电流的大小和相角，使有功、无功功率输出为设定值，如图2所示，图中P b 、Q b 、i bd 、i bq 、V bd 和V bq 为参考值。

仅采用基本的P -Q 控制来实现大规模微电源构成的微电网的控制是不太可能的，为使微电网能够可靠、稳定运行，电压控制是必须要的，如果没有电压控制，微电网将产生电压无功振荡，电压控制能保证电源之间无较大的无功环流，这与控制大规模同步发电机原理完全一样，在电力系统中，只要发电机之间的阻抗足够大，就能够极大减少环路电流，如果微电网电源没有电压控制，则即使很小的电压误差产生的环流也可能超出微电源的额定值，采用电压-无功电流下垂控制可防止这种情况的发生［9-10］。

2．2孤岛微电网中微电源的协调控制相对于所连接的大电网，微电网可看作是具有独特运行特征的虚拟发电机，并网运行时可以向大电网供电（有时为负值）。

与常规发电机组并网运行时相似，第42卷中国电力电力系统（微电网及分布式发电专栏）率条件。

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并网运行条件。

微电网作为自治系统，具有脱网独立运行的能力，此时为了满足负荷对系统电压和频率的要求，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相关的协调控制措施。

由于其设备种类繁多（单纯供电、热电联供、冷热电联供等）、运行模式多样（供热为主发电为辅、供电为主供热为辅）、可控程度不同（集中控制、分散控制、自动控制、用户控制），微电网中分布式电源的协调控制问题非常复杂。

从已有的参考文献看，有如下几种主要的控制策略：（1）主从站控制；（2）负荷、频率二次控制；（3）连络线（tie line ）控制；（4）基于多代理技术的微电网控制方法；（5）多微电网分层分布式控制。

2.2.1主从站控制文献［7］提出了一种主从站控制策略，图3为主从站控制的总体结构，一个电压源变换器（VSI ）作为主站，在主电网失电的时候，提供电压参考，其他逆变器运行在P -Q 模式（从站）。

本地微电源控制器可接收来自微电网中央控制器（MGCC ）的信息，根据MGCC 信息控制相应的微电源。

2.2.2负荷、频率二次控制文献［11-12］提出了负荷、频率二次控制策略。

孤岛时，存储单元就相当于同步发电机，采用二次控制恢复电压和频率。

二次控制主要指下垂特性的移动，可采用如下2个方法：（1）本地二次控制，通过每一个可控微电源的PI 控制器来实现；（2）由MGCC 主导的集中二次控制。

2种情况的原动机的无功功率目标值都根据频率偏差来确定。

2.2.3连络线（tie line ）控制文献［13］中提出连络线（tie line ）控制策略，连络线（tie line ）这里指微电网和主网之间连接馈线，连络线控制管理连接点馈线的潮流和电压，通过协调微电网中各分布式电源，如发电机、能量存储设备及可控负荷，使微电网从连接点来看，是一个可分离的整体，即微电网是电网的好市民（Good Citizen ），管理自己内部的功率并与电网进行交换，能对连接点，能控制微电网和主网交换的有功无功，允许微电网成为独立运行实体，可用来补偿某些新能源（如：风力和太阳能发电等）的间歇性。

2.2.4基于多代理技术的微电网控制方法该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。

代理的自治性、反应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌人各种控制功能但又无需管理者经常出现的系统。

但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，还未深人到对微电网的频率、电压等进行控制的层面。

2.2.5多微电网分层分布式控制文献［17］中提出多微电网分层分布式控制策略，采用一个中控单元（即MGCC ），控制微电网内所有元件。