何世雄 袁三男 田梁玉
摘 要：在集中式大电网的发展遇到瓶颈的背景下，微电网的研究得到了广泛的关注。目前微电网的研究热点在于微电网的运行控制策略和经济性评估2个方面，该文目的在于阐述微电网的运行控制策略，即实现微电网的运行方式的无缝切换。论文重点讨论并网模式的控制策略、孤岛模式的控制策略，最后结合当前并、离网控制策略的优缺点对进一步的发展研究进行展望。
关键词：微电网；控制策略；无缝切换
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.159
传统的大电网具有较长的建设周期、复杂的网络结构、资源的不合理浪费和环境造成的污染等缺点，已经成为人们关注的焦点，为了解决这些问题，人们将关注点转移到了小型的微电网[1-2]。微电网能够提供对于整合大量分布式电源应用到电网并提供了可靠的电力到关键负载的最有前途的手段。微电网连接了分布式电源和负载，相对于输电网来说是一个可控的单一实体。微电网可以并网运行也可以脱网运行，最引人注目的特征是在突发状况时可以孤立自身，在大电网检修或者电能质量下降时它也会选择性的断开，一旦电网恢复正常工作，微电网又可以在没有中断的情况下连接到大电网。提供了更高的稳定性，能源的安全性和保证性，并对重要重要的系统效率的改善方面打开了通道。近年来，欧美等发达国家基于各国电力系统的实际现状提出了相应的微电网概念和发展目标，开展了相关的微电网示范工程项目的研究，对相关的概念进行了验证、控制策略进行了测试及运行特征的研究并取得了一定的成果。我国微电网起步虽晚一些，但国家能源局已明确提出加快推进新能源微电网示范工程建设，探索适应新能源发展的微电网技术及运营管理体制。微电网的控制方面关注点主要有：保持稳定、调节电压和频率、适当的有功和无功负载分担以及更快更容易的实现孤立和重连。微电网孤立和重连的难点在于不同的运行模式下微电源的运行状态发生了变化，对微电网的电压和频率造成了一定程度的波动影响。
本文针对近年来微电网孤立和重连的控制策略的新方案和新进展，对并网模式的控制策略与孤岛模式的控制策略等2个方向进行综述，并结合未来微电网的发展进行展望。
1 并网模式的控制策略
微电网中的分布式电源一般可分为连续型微电源和非连续型微电源。非连续型微电源主要包括风力发电和光伏发电等间歇性的新能源，连续型微电源有微型燃气轮机等用于控制功率的能源。风力发电容易受风力的影响，光伏发电容易受阳光的影响，这种清洁新电源受天气和环境的影响较大，通常采用最大功率跟踪法。微型燃气轮机是以可燃性气体或液体为燃料的能同时产生电能和热能，控制方法较为灵活，通常采用恒功率控制或恒压恒频控制。
并网运行模式是指微电网与大电网互联，微电网与大电网同电压、同频率，两者之间存在功率交换。工作模式可以理解为当负荷比重较大，微电网满足不了发电需求时，由大电网提供额外的电能；而负荷比重较小、微电网有多余发电量时，微电网可以将多余的电反馈到大电网。当微电网独立于大电网这个主网时，微电网就是小型的供电系统，它能调控和监测小单元内的负荷用户的需求。基于主从结构的微电网在并网时通常采用PQ控制策略，可以保证恒功率的输出，缺点是不能保证电压和频率的稳定。采用PQ控制的微电网主逆变器通常以单电流环结构运行，其控制原理为：给定的功率值与实测的功率值做偏差，通过PI控制器的调节输出电流的参考值，从而得出各分布式电源的恒定功率输出值。考虑到控制的难易程度以及功率的最大化利用，风力发电、光伏发电[3-7]等间歇性电源通常采用PQ控制。
PQ控制可以输出有功和无功的参考值，但此控制方式下的控制器不能保证微电网电压和频率的稳定，当微网系统内的负荷发生变化时，会引起电压和频率的波动，并影响大电网的稳定性。由于并网时各分布式微电源连接在大电网上，因此可以直接采用大电网的电压和频率作为基准。
PQ控制器的原理图如图1所示：
三相电压源型逆变器输出的三相电压和三相电流进行Park变换，转换成dq轴的电压分量以及电流分量。通过功率计算可得到有功功率和無功功率的实测值，将功率给定值和实测值做偏差运算，将其偏差通过比例积分（PI）控制后得出相应的电流分量的参考值，并与dq轴实测的电流值相减然后进行无静差控制调节，引入PCC电压前馈补偿，并考虑到耦合分量的解耦，得到逆变器的dq轴的参考电压分量。参考电压经过反Park变换和SPWM调制，可以获得正旋调制信号，再将其输送到三相电压源型逆变器，从而实现PQ解耦的恒功率控制。
2 孤岛模式的控制策略
在微电网脱离主网孤立运行时，微电网就是一个完全独立的体系，因此电压和频率就需要由电压源来提供。输出功率恒定的燃气轮机、功率密度高的超级电容器、能量密度大的蓄电池等可加以控制的电源、储能设备[8-11]在孤岛运行模式时一般通过恒压恒频（V/f） 控制，来保证电压和频率的稳定。
V/f控制是由下垂控制演变而来的，下垂控制[12-14]是根据微电网的控制目标，选择与传统发电机相似的下垂特性曲线来模拟各分布式电源的逆变器控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取恒定的电压和频率，下垂控制通常是在微电网采取对等控制结构时各逆变器采取的一种控制策略，采用下垂控制策略时无需分布式电源之间的信息联络就可以确保微电网在孤岛运行时电压和频率的稳定，逆变器利用下垂特性工作时的方程如式（4）所示：
控制原理图如图2所示：
分布式电源逆变器进行恒压恒频控制的目的是无论这些微电源的输出功率如何变化，其输出电压的幅值和频率的变化均要在可允许的范围内（一般规定电压偏差，为额定电压；频率偏差），确保微电网系统的正常运行。基于主从控制的逆变器在微电网孤立运行时通常采用V/f控制来保证系统所需要维持的电压和频率的稳定，V/f控制是确保微电网的输出电压和频率跟随系统的预设值，采用电压电流双闭环控制运行，外环通常用于内环需要的电压、电流参考信号，内环通过这些信号再产生电压源所需要的电压，经过矢量控制反馈到逆变器中。其控制结构图如图3所示：endprint
3 微电网无缝切换控制策略
微电网从并网运行状态转换到孤岛运行状态或者从孤岛运行状态转换到并网运行状态时，存在缝隙时间，这段时间由于状态的突发改变会导致频率和电压发生波动，波动对电网会造成一定程度的影响，因此学者们提出了无缝切换的控制策略，以保证微电网频率和电压的稳定，避免波动对电网造成影响。文献[15]-[17]针对微网的孤岛模式进行了研究，文献[18]将系统并网与离网运行模式结合在一起设计基于直流母线电压信息的协调自治控制方案，根据当前直流母线电压实现并网、离网运行的无缝切换。文献[19]提出了一种基于频率电压分区控制的微电网运行控制策略来实现孤岛型微电网的稳定运行。文献[20]提出一种双向AC-DC切换控制方法来研究微电网的稳定性。文献[21]提出基于主从结构的控制策略，利用并网预同步算法减小电流冲击来稳定微电网的切换运行。文献[22]提出了一种基于PQ控制器初始输出状态对V/f控制器输出状态同步跟随的平滑切换方法。文献[23]-[27]针对微电网的切换过程进行了研究，文献[24]提出了微电网的拓扑结构，通过对控制算法的改进来实现了交直流微电网的平滑切换，文献[25]通过对下垂控制和V/f控制的切换来实现微电网的平滑转换。文献[26]提出了改进的并/离网下垂但模式切换方法，并在切换前对逆变器功率输出进行调整，实现并/离网平滑无缝切换。文献[28]-[30]利用功率—频率—电压的变化来检测微电网的稳定程度，并采取相应的控制策略来实现微电网切换过程的稳定。文献[31]介绍了模糊控制与下垂控制的结合控制策略。文献[32]提出了完全分布式的多代理系统控制方法。文献[33]-[34]针对直流微电网，分别提出了直流母线信号控制策略与含负荷功率自动分配的协调控制策略。文献[35]提出了虚拟子微电网稳定控制策略。
3.1 并网转为孤岛模式的平滑切换控制策略
当微电网从并网运行模式向孤岛运行模式切换时，存在两种情况，即自由切换和非自由切换。自由切换主要是出于运行或检修的需要，微电网管理中心根据相应的需求提前做好切换准备，并选择适宜的时机进行切换，以确保切换能够平稳的进行；非自由切换主要由电网故障或其他异常情况引起的，通过检测大电网侧电压，如果满足并网要求则继续检测，如果大电网侧发生故障或异常，则微电网便会断开PCC点处静态开关，进入孤岛运行[36]。
自由切换时的控制策略为：当微电网中心控制器发出切换指令时，首先对储能装置进行充电，保证储能设备有一定的容量，若连接在微电网的所有负载所需要的功率大于所有分布式能源提供的满功率的8层，此时保留重要负载，而将非重要负载有选择性的暂时切离，通过对所有分布式能源的出力进行控制使其达到当前能输出的满功率的8层，通过对脱网前负载功率的控制使其达到与分布式能源所发的功率基本等同，分布式能源另外的2层发电功率分配在孤岛时的功率控制。若负载所需的功率总和还不到分布式能源所发功率的8层，则控制分布式能源的输出，满足于负载所需功率即可。将储能装置的模式切换成V/f控制策略，通过状态跟踪器，使孤岛模式运行时的状态分量同步到并网时刻运行的状态量，而后通过切出静态开关，使微网转变为孤立的运行体系，从而实现微电网由并网转为孤岛运行。
非自由切换时的控制策略即应对主网突发状况时主逆变器采取的控制策略，这种非常规情况下的突发事件有时会造成极大的影响，因此很有必要对此作出研究。文献[25]研究了应对电网突发状况的非计划性孤岛，通过对故障的检测，分段开关检测到并作出相应的控制指令，使并网状态平滑的切换到孤立状态，当故障消除，恢复电网正常运行时，再通过并网预同步的操作，使微网实现重连。对于切换时间的要求通常要小于10毫秒。
3.2 孤岛转为并网模式的平滑切换控制策略
微网在孤岛运行时，所需的电压和频率都是由电压源提供的，因此当微网重新连接到主网工作时，必须将电压和频率进行调整，即预同步处理。在预同步阶段有了改進的相位控制方法和微网锁相环控制等处理方法，当电压幅值和频率的偏差在一定的范围内符合并网的运行条件，就可以将运行模式切换成并网时的控制策略，同时接通静态开关，使微网重新接入主网。并网时的难点就是预同步处理，如何控制微电网的输出电压使其频率和相位达到主网的允许误差范围要求。
3.2.1 改进的相位控制
传统的相位控制法在并网转孤岛状态时，主逆变器的相角来源发生了变化，即并网时相角来自主网，孤岛时相角来自于控制器，因此这种相角的状态就不统一，有可能引起相位的跃变；其次，进行预同步操作时，主逆变器的参考电压相角和主网电压的相角并不同步，存在一定的偏差，在进行PI调节时，不能解决频率的增量问题。改进后的相位控制法，在原有结构的基础上，通过构造2个包含主网电压相角和主逆变器参考电压相角的变量，使其等式平衡为零，同时构造一个带有闭环反馈的PI控制环节。当等式为零时，主网电压相角和主逆变器的参考电压相角处在同一状态，同时由于闭环的控制环节，消除了频率的增量，从而达到并网所需的条件，实现孤岛到并网的转换。
3.2.2 微网锁相环的控制
采用微网锁相环结构的预同步处理措施一般分为三步控制方案：首先是电网电压的动态监测，在微网与主网并联运行时，由于微网的电压和频率都是以主网为基准的，因此就需要一个监测器对主网实时跟踪来确保微网和主网相位的信息；其次是微网孤立于主网独立运行时，需要对相位进行锁定，以确保电压的角度不会发生变化，并保证频率的平稳运行；最后是微网重新连接到主网，通过监测器得到主网的电压和频率的信息，然后微网的对频率和电压做一定的补偿，当两者的条件都符合并网条件时，就可以使微网重新接入到主网并网运行。
4 讨论与展望
随着大电网的弊端日益突出，微电网的灵活性突显，大电网与微电网的协同运行将成为发展趋势，对于大电网和微电网之间的运行切换要求也越来越高：endprint
（1）微电网要能实现被动切换的无缝连接。对于非计划性故障，如何通过对电压或频率的快速检测，采取相应的控制策略，解决电网的波动问题将成为切换运行的一大难点。
（2）对于切换的时间要有较高的精确度。在切换过程中，要考虑孤岛检测的时间以及静态开关的动态延迟时间对转换过程的影响。
（3）减少模式的切换次数。将主从结构与下垂控制结合来改善模式转换的效果取得了一定的成果，但是切换次数较多容易出现失误，研制出混合控制的算法减少切换的次数将成为研究的新问题。
5 结论
本文针对并网模式的控制策略、孤岛模式的控制策略以及两者运行模式的平滑切换控制策略进行了综述，对PQ控制策略和V/f控制策略以及平滑切换的控制策略行了阐述和分析，探讨了对被动切换的控制策略以及切换时间和次数的研究方向，对并、离网平滑切换的研究有一定的参考意义。
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作者简介：何世雄（1991-），男，山西临汾人，硕士研究生，主要研究方向：微电网的控制策略和经济性分析等。
*为通讯作者endprint
