论析微电网分布式电源的控制方案

论析微电网分布式电源的控制方案
论析微电网分布式电源的控制方案
摘要：微电网中的分布式电源控制是微电网研究中的关键问题之一。

文章主要介绍了分布式电源的控制方式与实现机理，以及微电网能量控制的分类，分析了不同控制方式存在的优点与缺陷。

阐述了微电网中分布式电源控制的研究方向，以期为进一步的研究提供参考。

关键词：微电网；分布式电源；能量管理
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
微电网是将分布式能源纳入中、低压配电网以解决未来能源问题及利用新能源、绿色能源的重要途径。

分布式电源是分布式能源的主要实现形式。

世界上很多国家都参与到微电网的研究和开发中，关于微电网的理论和试验研究已经取得了一定成果。

微电网中的分布式电源与大电网概念下的分布式电源在单体的功率控制方法上是相同的，但是由于微电网中的分布式电源肩负着支撑微电网运行的责任，因而不能像大电网中的分布式电源那样一旦遇到大电网发生故障则退出运行。

因此，对于微电网分布式电源控制的研究具有重要的意义。

二、分布式电源控制的类型
分布式电源是微电网主要的能量源，在目前的研究中分布式电源主要以通过电力电子逆变器的电气耦合方式为主。

依据逆变器所控制电气参数的类型，逆变器的控制方式主要有： 1）电压控制方式；2）电压控制方式衍生出的间接功率控制方式；3）由电流控制方式。

本文主要针对这三种方式进行论述：
（1）电压控制方式，是指分布式电源的逆变器以输出参考电压波形为目标。

如图 1 所示，通过对输出电压U（a，b，c）和参考电压U（a，b，c)(ref)进行dq变换，将三相对称正弦波形转换为dq 轴上的直流波形Ud 和Uq，通过 PI 控制器实现对参考电压的无差跟踪该方式的优点是孤岛运行时，分布式电源能够为微电网提供电压
与频率支撑与参考。

缺点是多个电压控制型逆变器并联会产生无功环流继而增加了控制难度，不能完全地解耦有功、无功控制，对故障电流缺乏限制能力，以及在微电网并网运行方式下会对大电网的电压和频率控制造成干扰。

图1电压控制框图
( 2) 间接功率控制模式。

间接功率控制是通过分别调节输出电压的频率和电压便可实现有功和无功输出的近似解耦控制。

如图2所示，将有功(P)、无功(Q)的误差量送入控制器以获得参考电压波形的频率和幅值，进而将算出的U（a，b，c)(ref)送入图1 描述的电压控制器中。

由于间接功率控制对有功、无功的解耦是近似的，因此调节过程较为缓慢，调节质量受线路参数影响较大，调节过程易对微电网造成扰动，但是其基于电压控制方式的特点能够对微电网的电压和频率起支撑作用。

图2间接功率控制框图
( 3) 电流控制方式的控制结构与电压控制类似，只是被控量与参考波形换成了电流。

电流控制方式的优点是能够完全地解耦有功、无功控制及限制短路电流，缺点是需要其他电源提供参考电压，用以调节自身输出功率的功率因数角，如图3 所示。

图3 电流控制框图
三、微电网能量控制的分类
微电网的运行方式分为并网模式与孤岛模式。

在并网运行方式下，微电网的电压由大电网支撑，因而微网内的分布式电源(以下简称微电源)主要采取功率控制方式( PQ方式)，输出的有功或无功一方面满足微电网的内部需要，另一方面可以为大电网提供功率因数校正、无功补偿等作用。

在孤岛运行方式下，微电网必须为自身提供电
压与频率支撑，以及有功和无功平衡，因而需要有一台或多台采用电压控制方式(U/f方式)的微电源，当多台微电源运行于U/ f方式时，还需考虑相互之间的无功环流问题。

当负荷超过微电源总的承受能力时，须甩开非关键性负荷以保证微电网的安全稳定运行。

当微电源由并网运行的PQ控制方式转变为孤岛运行的U/ f控制方式时需要靠孤岛检测装置触发。

目前，国内外学者已提出三类微电网能量控制策略。

3.1 对等控制
对等控制是指每个分布式电源有相等的地位，没有一个单元像主控制单元或中心储能单元那样对微电网有着特别重要的作用。

在对等控制策略下，微电源只需测量自身输出端的电气量，独立地参与电压和频率的调节，不用知道其他电源的运行情况，整个过程无须通信；而且，当某一个微电源因故障退出运行时，其余的电源仍然能够不受影响地继续运行，系统的可靠性高。

对于新增的电源设备可将其直接接入系统而不用对系统中的其他设备进行改动，实现“即插即用”，便于系统扩容。

在对等控制中具有代表性的方法有虚拟阻抗法。

虚拟阻抗法是通过改变 Kr的值实现逆变器对外阻抗特性的变化。

Kr代表的虚拟阻抗越大，逆变器就需要承担更大的功率输出；Kr越小，逆变器的功率输出则越小。

通过对各个微电源配置不同的Kr实现功率的均衡分配。

U 输出电压；i 输出电流；Kc 电压比例控制器参数；Kr 虚拟阻抗
图4虚拟阻抗法
3.2 集中控制方式
集中控制方式依靠高速通信设备，将微电网中的电源、负载、潮流等信息汇聚至中央能量管理系统，如图5所示。

中央能量管理系统针对不同工况下微电网对能量的不同需求，可采用多种控制及优化算法，根据控制需求切换微电源的运行方式，并将负荷指令下达给各个微电源。

在调节功率平衡时，针对不同的负荷节点能够在局部甚至
微电网全局采用频率或电压恢复算法，很好地满足不同负荷节点的电能质量要求。

另外，通过对全局信息的把握，能够实现微电网多约束条件下的最优控制。

本文提出基于神经网络发电预测的微电网集中能量管理系统。

该预测系统通过神经网络建立天气与太阳能发电量的关系，从而依据当天天气预测出今后几天内的太阳能发电量，由此改变各微电源以及潮流控制器的功率设定值，实现微电网能量的优化配置。

图5 集中控制方式示意图
3.3 多代理技术
基于多代理技术的微电网能量控制方法将传统电力系统中的自
动或半自动化的多代理技术应用到微电网的能量控制系统中，如图6所示。

各级代理负责协调自身辖区内的电能供需平衡，并与上一级代理交换运行和市场信息；微电源与负荷不仅受本级代理控制，相互之间也能传递重要的运行信息(如重要电源和负荷的脱并网信息)；总代理则负责协调全局能量平衡并收集各级代理经济运行信息，参与电力市场以实现经济最优化，如图7所示。

代理的自治性、自反应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，多代理结构提供了一个能够融入各种控制方法，但又无需总代理经常干预的系统。

图6 多代理方式示意图
图7 局部代理与总代理信息交换
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、对能量进行管理方面，还未深入到对微电网中的频率、电压等进行控制的层面。

四、控制方案的比较
对等控制与集中控制是两类特点分明的控制思想，而多代理技
术能量管理的特点则居于上述两者之间。

具有“即插即用”特性的对等控制方案尤其适合于微电网中地理分布较广、通信设备或线路可靠性不高的情况。

在此类情况下，所有微电源皆可以根据当前微电网的频率及电压偏差自动分担一定量的有功和无功功率。

但是此类方法存在着一些不足：1）该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，难以实现频率及电压的无差调节，电能质量不高；2）在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证；3）孤岛状态下无法进行调频和调压以实现与大电网的重并网；4）在并网状态下无法自主调节微电网与大电网的功率流量，因此，需额外配置变频装置作为微电网与大电网的并网接口。

上述三种方法并非相互对立的，在当前的研究过程中已有学者结合对等控制与集中控制的特点，提出下垂特性曲线可调节的控制方法，中央能量管理系统通过改变下垂特性曲线的斜率实现功率调节，即便失去了通信联络，微电源依然能够按既定的下垂特性曲线继续运行。

又有学者指出微电源的距离不仅仅影响线路阻抗的分布而且影响控制拓扑结构的选择。

当微电源距离较远时可采用对等控制，反之，采用基于高通信带宽的集中控制方式。

因此，为综合利用对等控制及集中控制的优点，本文提出利用低通滤波器对功率信号分频，在低频段采用集中控制，高频段采用对等控制的复合控制方式。

五、结束语
由于分布式电源的随机性及间歇性，微电网的系统稳定性相对于传统电网将面临更高的风险，尤其是在孤岛运行方式下，缺乏大惯性元件的微电网对各类扰动的承受能力会更加脆弱，因此，研究微电网的能量管理方式，采取有效地控制方法，从中不断地保证微电网安全、稳定、高效的运行。

参考文献
[1]鲁宗相，王彩霞，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007 ( 19) ．
[2]黄伟，孙昶辉，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009( 9) ．
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