基于电储能的微电网控制关键技术研究及应用

奚力强 何 斌 朱佳琪 赵钧儒

1.申能股份有限公司

2.上海申能新动力储能研发有限公司

0 引言

为解决化石能源日渐枯竭和气候变化威胁人类可持续发展两大关键问题，世界各国纷纷在探索新的能源生产和消费模式，寻求多元化的能源供应策略，一场以推动可再生能源和新能源发展为核心的新能源革命已席卷而来[1]。微网通过“源网荷储”规范化配置构成自治的小微型供用电系统，能实现分散、多类型的分布式能源，尤其是新能源就地消纳和即插即用提高了利用率，同时可作为一个整体独立的运行，避免了配电网直接调度大规模分布式新能源带来的技术和管理困难，成为配电网与分布式能源之间的联系纽带。因此，作为未来电力系统关键技术之一的微网、能源互联网的“有机细胞”，受到广泛关注。

微网的控制是一项多目标的复杂系统工程，需要考虑不同技术领域，在不同时间阶段及不同物理层面的各种问题。微网的控制系统旨在为各种运行模式（如与大电网相连接的模式、孤岛模式，以及介于两者之间的过渡阶段）的微网提供控制、管理和优化服务。对于微网的协调控制有两类主要的架构，集中式和分散式。集中式依赖于中央控制器进行数据采集、计算并确定各控制单元的控制行为，对系统的检测、控制精度、运算速度和通讯的可靠性有很高的要求。分散式则完全依赖本地信号，不利于各控制单元之间的协调控制和系统优化。JOSEP M. GUERRERO 等人为解决这一矛盾提出了微网分层控制的架构[2]，并受到广泛关注。此架构逐渐成为微网控制的标准架构[2]。本文对分层控制的热点问题进行了归纳整理，介绍分层控制应用在微网的实践成果，并对分层控制未来研究方向展望。

1 分层控制关键技术

分层控制根据时间和空间尺度分解为三个层次。不同的控制目标根据时间尺度被分配于不同的层次，具体分配见图1。

图1 分层控制框图

一次控制主要指分布式电源通过本地信息以维持系统电压频率稳定运行，确保通信出现故障时，系统仍能履行基本的功率控制职能。二次控制针对一次控制的不足，补偿电压和频率的静态偏差，满足功率精确分配。三次控制作为模式监管设定并在离网模式下的控制方式，实现对外部调度指令的响应并支持经济性运行。

1.1 一次控制策略

一次控制对电源和负荷的变动有毫秒级的快速响应，有助于提高网络可靠性。典型一次控制策略采用如图2 所示的双环控制：外环控制器主要用于控制有功、无功功率或者调节电压幅值、频率，体现不同的控制目的，同时产生内环参考信号，一般动态响应较慢。内环控制器主要进行精细的电流调节，用于提高逆变器输出的电能质量，一般动态响应较快[6]。

图2 变流器一次控制策略

1.1.1 内环控制

内环控制的研究基于三种坐标系dq 旋转坐标系、αβ静止坐标系、abc 自然坐标系。相对而言αβ 静止坐标系和自然坐标系更适用于三相非平衡系统。基本的控制算法有比例积分（PI）控制、比例谐振（PR）控制、重复控制、非线性控制（滑模控制、滞环控制、无差拍控制）等。

1.1.2 外环控制

常见的外环控制方法主要有恒功率控制（PQ控制）、恒压恒频控制（VF 控制）、下垂控制（Droop控制）、虚拟同步机(VSG控制)。

在微网并网时，外环控制的主要目标是调节电流/功率输出，一般采用PQ控制的方式，其电流或功率参考值来自预先设定或上层控制。关于恒功率控制的研究主要集中在网络不对称条件下的恒功率研究[3]。

在微网孤岛运行时，外环控制的主要目标是调节电压幅值/频率输出。其电压幅值和频率参考值根据自身控制特性或来自上层控制。外环控制方法主要有VF控制、下垂控制、VSG控制等。目前的研究主要集中在后两者。

1）下垂控制

下垂控制是基于传统发电机一次调频特性提出。在中高压电网中一般认为系统中的电感值远大于电阻值，有功-频率、无功-电压呈线性关系，有Pf/QV下垂控制式：

其中，ω*、V*分别为变流器角频率和电压参考值，ω，V 为变流器输出角频率和电压，P*、Q*为变流器输出有功、无功参考值，P、Q 分别为变流器输出的有功和无功功率，kP、kQ为下垂系数。

微电网的线路阻抗模型尤其是低压网络可能呈现阻感性，甚至阻性。如果采用传统基于感性的下垂控制，会引入有功和无功功率的耦合，使系统不能稳定运行。除此之外，不同容量逆变器之间的功率分配受不同线路阻抗的影响，线路上会产生不同的电压降，导致无功功率很难实现均分，很小的电压降差异会引起很大的无功误差，造成变流器过流[15]。

解耦技术被用来解决上述问题，包括虚拟阻抗技术和线性变换技术。

虚拟阻抗技术通过引入感性虚拟感性阻抗或虚拟负电阻，改变线路阻感比，修正逆变器的等效输出阻抗为感性，实现功率解耦和均分，抑制系统环流。由虚拟阻抗重塑过的阻抗特性可能会受到电压、电流和线路阻抗动态变化的影响。因此，可以实时整定的自适应虚拟阻抗是虚拟阻抗技术发展的一个趋势[4]。此外，随着越来越多单相负载和非线性负载被接入微网系统，仅采用传统下垂控制已无法实现功率的负载合理分配。复合式的虚拟阻抗[5]等概念也逐渐被学者们提出并应用。

线性变换技术[6]是针对微电网线路阻抗比的不同而引起的功率耦合问题通过坐标旋转正交变换矩阵，实现功率解耦控制，使传统高压电网的下垂策略应用到低压微网中。

对于低压纯阻性的网络，PV/Qf 下垂控制策略被提出，以保证系统功率变化时微源与负荷之间的功率平衡,并为系统提供电压和频率支撑。

2）虚拟同步发电机(VSG)

为了模拟同步发电机的阻尼和惯性环节，虚拟同步发电机技术应运而生并被应用于变流器控制。虚拟同步机的控制同样需解决输出阻抗和线路阻抗差异引起的功率分配问题和系统稳定问题。文献[7]分析了VSG 功率精确分配的条件，提出了一种基于电压补偿的改进无功控制方法，同时，为平抑负荷响应波动，重新设计了基于准谐振控制器的底层双环控制结构。文献[8]采用脉冲响应分析法对线路进行阻抗辨识，通过精确计算线路压降，解决VSG 控制的电压补偿问题，实现了各并联逆变器线路阻抗不匹配下的无功均分。文献[9]引入惯性中心的概念，抑制系统中功率波动减少振荡。

1.2 二次控制策略

二次控制动态响应速度慢于一次控制。分层控制应用到微网之初，相关文献中普遍采用微电网中心控制器（Micro Grid Center Controller,MGCC）进行集中式二次调节。由MGCC 采集全网的运行信息，经优化计算后向底层控制发送指令。此方法调节准确度高，但数据通信量大，难以实现快速、灵活的响应且存在中心节点，系统可靠性、可扩展性差。

因此，专家们提出了分布式的分层控制结构。在各种分布式系统结构中，应用最为广泛的是多代理 系 统(multi-Agent systems，MAS)[10]。分 布 式MAS能够将复杂系统划分为彼此通讯协调、易于管理的单元，有效满足分布式控制的需求。

1.2.1 电压频率无差调节和功率精确分配

频率和电压的稳定以及精确合理的有功和无功分配是微网重要的性能指标。常规的二次控制很难同时满足电压调节和功率均分的要求。在增加系统可靠性、鲁棒性的同时实现多并联变流器之间精准的有、无功的合理分配成为二次控制一个主要的研究方向。文献[11]将模型预测控制应用于频率和电压的二次调节，将DG的状态空间模型作为精确的预测模型，获得电压和频率的控制变量，作为二次调节量补偿到电压和频率中，实现无功功率的精确分配，减小电压偏差，并将频率始终维持在额定值。文献[12]基于分布式内模设计方法设计了微电网二次协调电压和频率控制策略，使微电网频率和电压恢复参考值，同时保证各分布式电源按照设计的下垂特性分配有功功率。

1.2.2 电能质量改善

关于改善电能质量的研究有很多是针对变流器一次控制，可有效地减小逆变器端口的电压不平衡，但是均未考虑对系统不平衡电压进行补偿。现在逐渐有学者尝试通过改进二次控制的方式提高系统电能质量。微网电能质量研究一般包括两个方面：一是解决微网大量单相负荷接入引起的不平衡问题；二是谐波抑制问题。

关于不平衡问题。有学者提出基于微网系统二次调整的PCC 的不平衡电压补偿方法，根据PCC的电压不平衡度计算出补偿系数，下发给逆变器进行负序电压控制，实现对PCC不平衡电压的补偿，但忽略了逆变器端口电压的不平衡问题。文献[14]在此研究的基础上，给出一种兼顾逆变器端口和PCC电压不平衡度的补偿方法，参与不平衡电压补偿控制的各台逆变器优先补偿本机的端口电压，在本机端口电压不平衡度达到供电标准要求，并且有剩余补偿能力的情况下，再根据本机端口电压的不平衡度和微网中央控制器（MGCC）下发的PCC电压不平衡度，综合计算出新的负序电压参考值，控制逆变器端口负序电压，实现同时对逆变器端口和PCC电压进行补偿。

关于谐波抑制问题。文献[15]针对单相多并联变流器微网提出了二次控制进行谐波补偿、无功分配和电压频率恢复。文献[16]提出了一种基于一致性算法动态调节虚拟阻抗的分布式谐波功率均分控制方法。该方法通过应用多智能体理论设计了一致性算法来自适应调整谐波虚拟阻抗，从而消除线路阻抗不匹配带来的影响，实现了分布式发电单元按容量精确分配负荷谐波，极大地降低了公共连接点的电压谐波含量。

1.3 三次控制

三次控制主要涉及经济上的优化运行、计划调度和微网与主网间的潮流控制，并预设各运行模式下的控制方式。本文以协调控制为主，优化调度研究。三次控制的核心问题是降低微电网运行模式切换冲击和实现平滑过渡。因储能装置控制灵活、便捷，基于储能技术实现微网并/离网运行模式无缝切换成为研究热点。并、离网无缝切换包括并网转孤岛切换和孤岛转并网切换。微网一次系统图见图3。

图3 微网一次系统图

1.3.1 并网转孤岛切换

微网主电源必须满足网内负荷电能需求，并提供电压支撑。计划性的并网转孤岛，将联络线交换功率逐步调整为零，微网内部有合理的电压频率支撑控制策略，然后断开PCC 开关，较易实现。目前研究的焦点在于当电网发生故障的非计划情况下，微网如何平滑地从并网转向孤岛模式，实现不间断供电。文献[17]提出一种适用于储能并网逆变器的广义控制算法，利用被控制对象逆模型、二自由度控制原理，将储能系统部分传函“单位化”，消除微网不同运行模式下控制层的结构差异，实现储能输出电流所含有害扰动量的动态全补偿。文献[18]提出一种基于控制器状态跟随的并行切换方法，即PQ 控制的电流源模式和VSG控制的电压源模式的相位和电流指令都实时跟踪，为PQ/VSG 控制模式间的无缝切换奠定基础。

1.3.2 孤岛转并网切换

当微网从孤岛连接到主网工作时，必须将电压和频率进行调整，即预同步处理。多机预同步并网是该领域的技术难点。文献[19]针对分散式结构，提出利用VSG进行无通信的预同步控制方法，并通过引入电流限幅环节解决环流问题。文献[20]提出了基于电压频率恢复控制的微电网预同步控制方法。由MGCC 获取系统内的电压和频率信息，计算出电压频率和幅值的反馈量，反馈量与参考值之差通过二次调频控制算法计算后得到总调节功率，再按照各分布式电源逆变器的分配系数分配给各分布式电源，参与调频的分布式电源按照MGCC下发的功率调节量调节下垂曲线。文献[21]提出一种基于虚拟功率和电压频率二次控制的预同步单元，实现带载离/并网切换。

2 研究应用及效果

结合目前微网技术发展的现状，笔者进行了微网项目的工程实践，建设适用于微电网各项技术研究的综合性实验平台，协调源、网、荷、储各环节，保障系统稳定。

2.1 系统构架

微网采用交流微网形式，应用于用户侧，电压等级为400 V，包含电化学储能、光伏发电和工业负荷。电化学储能分1C/2C 磷酸铁锂电池和退役动力电池。后续将考虑扩展风电、柴发、充电桩、可调节负荷等。

2.2 控制策略

系统控制采用两层分层控制架构。

1）一次控制主要为分布式发电系统接口变流器的控制。

2）将二次和三次的控制融合，统一于基于DCS的微网处理器，主要完成下述任务：提供友好的用户接口、经济性运行调度（发电、储能、用户优化调度）、接受上级电网调度、运行状态监控、运行模式切换、电能质量监测与管理（谐波、电压跌落、不平衡）、母线频率和电压的二次调整。

需改进的控制策略：

（1）储能装置改进的下垂控制策略

下垂控制模式多以逆变器出口电压为控制目标，由于线路电压跌落的原因，直接影响了微网母线电压的稳定性，导致电能质量降低。从变流器出口到公共连接点PCC功率计算式为：

其中，P，Q 分别为变流器输出的有功和无功功率，R 和X 分别为变流器和PCC 之间的线路电阻和电抗，V 和U 分别为变流器输出电压幅值和公共连接点电压幅值，δ 为变流器输出电压和公共连接点电压相角差。

对于式(3)，在感性环境下，可简化如下：

因此设想，利用IQ-U代替作为母线电压下垂策略

则变流器出口电压下垂控制变为

有功下垂仍采用常规下垂控制，当然还可以引入虚拟阻抗等上文介绍的方式以增加在低压环境的适应性。

（2）二次调压调频策略

在二次调压调频方面，微网中央控制器根据公共母线电压和公共母线角频率计算有功功率和无功电流的调节量所采用的公式为：

其中，Uref、ωMref表示电压频率的参考值，ΔPM表示有功功率的调节量，ΔIQ表示无功电流的调节量，kω1、kω2、ku1、ku2表示PI调节系数。

则变流器的下垂控制变为

（3）预同步策略

频率、电压幅值调节考虑，将式（8）和式（9）变换为

其中，ωG表示大电网的角频率，UG表示大电网的电压。相位调节采用q 轴电压比较的方式，预同步框图见图4。

图4 预同步框图

（4）对退役电池进行梯次利用

退役电池采用不拆包直接利用的方式。针对退役电池的不一致性问题，采用基于多机并联技术的组串式PCS 技术。直流侧针对每个电池包进行独立接入，并独立控制电压和功率，以实现对电池包的精细化管理，以寿命管理最优的方式进行控制。交流侧并联并接受PCS 控制单元（CU）统一控制，并接入DCS，以满足微网的需求，实现对微网的整体响应。组串式PCS 控制架构见图5。

图5 组串式PCS控制架构

（5）通信方式的优化

微网系统涉及的控制设备较多，应用的通信规约也多样化。很多控制对象，其通信规约已固化，后续开发的工作量较大。优化方案着重考虑各设备原通信规约不改变的情况下，对各通信规约进行梳理和分级。对保护和控制的及时性要求高、通信速率要求快的就地设备优先考虑使用CAN、61850-GOOSE 和PROFINET 等通信方式。DCS作为上层控制器，用于处理微网可控设备之间和对外的协调控制，还需满足微网信息数据采集和人机交互，涉及通信量大、时效性并不高，用MODBUS和60870-103 等通信规约。若涉及到个别控制设备需要DCS 直接控制，而DCS 与其的通信规约不一致时，需要考虑采购规约转换器来满足DCS控制的要求。

2.3 主要功能

微网系统优化运行是微网系统的研究核心。孤岛优化运行主要考虑稳定性及持续运行能力；并网优化运行更侧重于提升微网系统经济指标。该系统主要功能见图6。

图6 微网系统主要功能

2.4 功能验证实例

1）并离网切换实例

申能系统的微网储能项目通过普通的400 V框架断路器实现微网计划和非计划并/离网的功能，非使用大功率晶闸管实现与公网的快速分断，对今后普遍运用于微网场景提供了很好的经验积累。

在未通知整个储能系统的情况下，直接分断其微网的进线开关，结果整段微网在扰动很小的情况下，顺利地完成了非计划并、离网切换。整个切换过程中，电压最低仅跌到额定电压的79%，电流过渡平稳。切换过程仅用时40 ms，包含系统稳定的总计时间仅为100 ms。切换波形见图7。

图7 非计划并离网切换波形

2）低电压穿越实例

申能系统的微网还具有良好的低电压穿越能力，在电网发生故障，电压降低到一定值的情况下，不脱离电网而继续维持运行。具体情况如下：

2019年3月1日，220 kV某线路单相接地，电压骤降，电网保护动作并切除故障，200 ms 后电压恢复稳定。期间微网母线电压也随之骤降，但由于储能系统的支撑，成功维持了微网负荷。12:45:42.456，系统故障，母线电压下降至60% Un。+20 ms，PCS“电网动态支持”功能启动，设定值为70%In。+60 ms，PCS实测无功功率达98.5 kVar。电压抬升89% Un。微网下的所有负荷未受影响，而公网上的变频负荷跳闸。

3 结语

随着微电网作为智能电网的一个重要组成部分，将在未来电网中发挥重要的作用。基于分层构架的控制策略已成为微电网协调控制的主流方式。本文介绍的微电网的分层控制将微网整体的控制分解为不同时间维度和空间维度的问题分别加以研究，以实现微网精确的功率分配、电压频率恢复、电能质量改善、运行状态无缝切换等。

微电网技术的发展，微电网的结构将趋于复杂，为微电网协调控制带来新的挑战。（1）交直流混合型微电网的形式将更为多见，一方面需要同时保证交流子微网和直流子微网单独运行的要求；另一方面需要确定交直流互联变流器的控制策略，使功率在交直流子微网间合理地双向流动，实现交直流混合微网系统的协调运行。（2）单个微电网的容量约束使多个微电网可能共存于区域配电网中。各子网间的并网/解列运行、电压频率调节、潮流控制、电能质量提高等问题需要解决，以实现配电系统和微网群的可控连接。（3）从长期看，微电网必然会向多种能源有机整合、集成互补的能源体系方向发展，微电网将承载信息和能源双重功能。其中将涉及到多种形式能量的动态平衡、转化、能源路由器控制，能源交易以及需求侧响应等多个环节的协调和实时响应，需要电力电子技术、信息交互技术和自动控制技术的进一步发展作为支撑。