微电网的结构模式与控制策略

● 山东·国网茌平县供电公司 刁鸿飞

微电网是规模较小的、分散的独立系统，它将微型燃气轮机、光伏发电、风电、燃料电池、储能设备等连接在一起，直接接在用户侧，以输送电力。微电网允许在孤岛和并网2种方式下自由切换，有助于提高重要负荷的供电可靠性。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以响应外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地供电可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。

微电网和大电网通过能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。微电网可以部分解决少量分布式电源并网的问题，并且能借助于电力电子技术的灵活可控性实现对微电网并网和孤立运行方式的有效控制。

1 微电网的分类和结构

微电网可以按照输电方式、结构、规模等不同属性进行分类。

从输电方式来说有交流微电网和直流微电网；从拓扑结构来说有并联式微电网，串联式微电网和混合式微电网。此外，也可以根据容量大小将微电网系统分为3类：系统级微电网、工商业区级微电网以及偏远乡村级微电网。目前交流微电网、以母线为中心的并联式结构仍然是微电网的主流形式，但直流微电网也被认为是未来更有价值的技术发展趋势。

系统级微电网结构由母线和多条馈线呈辐射状组成，每条馈线可分层接入大量分布式电源和就地负荷，网架可以经多个公共并网点接入电网。系统级微电网可以利用不同种类分布式能源间的相互补充，电源与负荷的相互协调来提高微电网的稳定性与可靠性。其优点包括：（1）降低了分布式电源的间歇性和波动性对电网的影响；（2）有助于帮助解决负荷增长给输电网带来的阻塞，延缓中压配电网的扩建投资；（3）在电网发生严重故障时，可作为电网的黑启动电源。但系统级微电网中含有大量电力电子设备，微电网的控制与保护复杂，技术难度较大。若组网时不能做到电源容量和特性与负荷容量和特性的较好匹配，就可能要求较大的储能投资，并对配电网安全运行带来不利影响。

工商业区级微电网通常用在医院、学校、大型商业中心以及数字通信大楼等一类负荷区，供电的高可靠性是其最大特点。因此工商业区级微电网结构上一般具备一定的冗余性，以保证接入网架的重要负荷和敏感负荷有多个回路、不同类型的电源提供电能。在电源容量充足的情况下，可满足微电网内全部负荷的不间断供电。若电源容量不足时孤网运行，则通过依次切除不重要负荷来保证对微电网内重要负荷的供电。

偏远乡村级微电网可能以孤岛运行为常态。其网架结构多为简单的串并联形式，并需要预留足够多的分布式电源接口，以便应对微电网负荷增长，并预留备用容量应对微电网故障。偏远乡村级微电网由于缺少电网的支撑容易受到分布式电源随机性和波动性影响，因此一般需要接入旋转备用设备，为微电网提供电压、频率支撑的同时也作为热后备容量。乡村级微电网负荷通常为不重要负荷，简单的串并联网架结构保证了微电网的经济性与故障易恢复性。

由于分布式电源往往都需要经过逆变器并网，同时用电侧设备对电源的需求也呈现出明显的直流化，因此，采用直流微电网就能有效降低供/需两侧的变流成本。此外，直流微电网没有频率稳定问题，控制也相对简单，这一点对于孤立运行的微电网也有很大的吸引力。近几年来直流配电引起了国内外学术界的广泛兴趣。

按用户对电能质量的多样性需求，直流微电网已提出的结构包括：多环状直流微电网和辐射状直流微电网。目前直流微电网仍缺少广泛认可的标准，大范围的应用推广还需要一定时间。

作为过渡，采用既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电交直流混合微电网也是可行的选择。不过，混合微电网的能量管理、控制及运行管理比交、直流微电网要复杂，控制模式的设计和实现是其最大的难点。

2 微电网的控制策略

要实现微电网灵活的运行方式，尤其是保障孤岛运行时的能量平衡与供电质量，控制系统的设计是关键。无论从可靠性还是效益来看，对微电网的控制均不宜由大电网的控制中心集中实现。微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应，包括并网和独立运行方式的切换，以及内部的能量平衡和电压、频率控制等。

具体来讲，微电网控制应当保证：任一微电源的接入不对系统控制模式造成影响；自主选择运行点；平滑地与电网并列、分离；对有功、无功进行独立控制；具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

微电网控制设计思路目前主要有3种：（1）基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想。一般选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制。此时，系统不平衡功率会动态分配给各机组承担，简单、可靠、易于实现。（2）微电网的集中式功率管理系统。理论上可以实现各种有功、无功控制策略。但需要集中决策，当电源和负荷组成变化时需要进行策略的调整。（3）基于多代理技术的微电网控制方法。它强调代理的自治性、反应能力、自发行为等特点，能更好地实现微电网的分散控制，使微电网兼顾即插即用和优化决策的功能。

孤岛模式是微电网控制设计主要的困难所在。其控制目标以有功和能量平衡为主，对交流电网还包括频率和无功电压控制。

3 典型的微电网运行策略

并网功能在面向锂电池时分为恒功率充放电和恒压充放电2个阶段；并网放电，放电倍率可预先固定设置或者从监控系统实时控制；四象限独立控制有功和无功；与电网调度系统相配合，可按照历史曲线或者实时负荷进行调峰，实现电网的“削峰填谷”；实现对波动性间歇式能源输出功率的平抑，改变间歇式能源的输出特性，满足电网调度和稳定的要求。

孤岛运行时，可为离网内的负荷提供稳定的电压和频率，并可防止过功率放电；可平衡就地系统内部功率，实现新能源对蓄电池的充电。

运行模式切换，经变流器装置与快速开关配合，可实现计划及非计划模式切换，切换时间一般为20ms。