多源协调的微电网分布式优化控制策略研究

李博洋 白迪 王依娜

摘要：目前，随着人口的不断增加和能源的不断利用，世界能源问题和环境问题备受各国关注。为了寻找更加节能环保的新能源发电方式，分布式发电以环境污染少，能源利用率高的优势开始不断的推广与发展。然而由于分布式发电的大量接入会对大电网产生非常大的冲击，为了解决这一问题，微电网应运而生。微电网改变了传统能源作为唯一发电源的问题，使新能源得到了充分的利用。微电网的出现为人类赖以生存的环境问题和能源问题作出了巨大的贡献，因此大力发展微电网对于我国乃至全世界都具有重要的现实意义。

关键词：能源利用;微电网;优化控制策略;分布式发电

为了解决环境与能源问题，世界各国开始发展分布式发电模式，并且提出将分布式发电取代核发电的战略目标，我国也在大力发展分布式发电，并提出了提出到2020年，我国分布式发电总装机量将达到3.17亿千瓦，占我国总发电装机容量的31.7%，到2050年，分布式发电总装机量将超过9.6亿千瓦，占总发电装机容量的43%的战略目标。由此可见，分布式发电将是电力系统发展的必然趋势。为了避免分布式发电对于大电网的冲击，国家开始大力发展微电网，微电网是指通过电力电子接口将微电源接入到网内，这一做法不仅增加了微电网控制的灵活性能，同时也减小了系统的惯性，增加了系统能量的平衡与频率稳定的控制难度，所以，想要解决这一问题，就必须找到一套良好的控制策略方案。本文以多源协调的微电网分布式优化控制策略为主题进行了深入的研究和探讨，并做出如下总结报告：

一、国内外发展微电网的现状

由于起步较早，美国和日本等欧洲国家对于微电网的研究已经取得了重大的突破。这些国家对于微电网的基本理论研究已经完成，并且开始根据各国的情况建立微电网示范工程。我国对于微电网技术的研究目前来说还处于起步阶段，但是自2007年起，国家科研部就设立了“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”，其中就包括了对于微电网技术的研究和探讨项目【1】。近年来，我国对这项科研项目投入了大量的人力物力，并且取得了非常大的进展。虽然与欧美，日本等国家相比还存在较大的差距，但是我国对于微电网技术仍然在努力钻研。对于我国来说，解决能源危机与环境问题，深入开展微电网技术研发具有非常重要的现实意义【2】。

二、微电网控制策略存在的问题

微电网主要是以两种运行模式存在的，一种是并网运行模式，一种是孤岛运行模式。另外，微电网有三种典型的运行状态：并网运行状态，孤岛运行状态以及两种运行模式切换时的暂停状态。当微电网处于并网运行状态时，必须要满足配电网的接口，并且不能参与主电网的操作。此时微电网的控制目标应该设定为保持功率平衡和供电质量。另外，在某些时候，微电网还需要为主电网提供一些辅助，例如帮助主电网调节电压和频率，参与整个电网的稳定运行等【3】。

当微电网处于孤岛运行模式时，系统的电压，频率都是由微电网自身提供的。微电网与传统电网最大的不同就是采用了大量的电力电子装置作为微电源的接口，这样就会导致系统的惯性较小，甚至没有惯性。但是由于微电源的特性比较多样化，以及微电网的负荷功率比较多变，因此就增加了微电网电压，频率的控制难度。作为一个低压系统，微电网的配电网线路阻抗呈阻性，这就说明系统电压不仅与无功功率有关联，还和有功功率有关联。所以想要完成微电网的电压控制，就需要通过控制有功功率和无功功率两个方面。或者直接阻止逆变器的等效输出，使电压只与无功功率有关系，从而只需要通过无功功率来控制系统电压【4】。

当微电网处于两种运行模式切换的暂停状态时，保证微电网的继续稳定运行是微电网研究的关键问题，当切换成暂停状态时，想要确保运行稳定，就要控制微电网产生的电能和负荷需求电能之间的平衡。

三、微电网的控制方法及控制策略

如上文所说，控制多逆变电源并联运行可以有效的控制微电网稳定，可靠，安全的运行，通过控制功率从而完成对微电网的控制。按照功率分配的控制策略进行分类，常见的几种接口逆变器的控制方法主要有恒功率控制（PQ控制）、恒压恒频控制（v/f控制）、下垂控制（Droop控制）三种。恒功率控制是指使逆变器的输出的有功功率和无功功率等于参考功率，比较适合风力，光伏等间歇性电源。恒压恒频控制主要是控制逆变器的输出端电压，通过控制输出端的电压幅度值和频率，使其等于标准值，从而确保无论功率如何变化，电压的幅度值和频率都能够保持不变。而下垂控制是通过模拟的方式同步发电机输出的有功功率和电压频率，以及无功功率和电压幅值的关系特性。然后通过人为的方式使逆变器的输出有功功率和电压频率、无功功率和电压幅值呈线性关系，从而实现各个组成单元的对等控制。根据从属关系进行分类，微电网的控制策略可以分为主从控制和对等控制，具体内容如下：

（一）主从控制策略

主从控制策略共分为两种，一种是以分布式电源为主控制单元的，一种是以中心控制器为主控制单元的。以分布式电源为主的主从控制主要采用了恒压恒频控制策略，通过控制使分布式电压的负荷功率和其他微电源的输出功率不管怎样变化，都可以维持微电源逆变器输出端口电压和频率的恒定，从而满足微电网中的电能供需平衡，确保微电网稳定运行。对于这种控制方法而言，需要注意的就是在采用恒压恒频控制方案之前，要算好微电网可能运行的时间和负荷功率变化范围，这样才能够保证任何微电源容量都不可能无限大，都只能供给有限的功率。

以中心控制器为主控单元的主从控制策略是以上层管理系统管理底层多个微电源以及各类负荷的一种控制策略，这种策略需要注意的就是确保上层管理系统与底层的通信联系，这种联系属于弱通信联系，就算短时间通信失败，微电网仍然能够正常运行【5】。但是主从控制的缺点就在于两者之间的通信关系紧密，一旦出现通信失败，就会导致微电网出现问题，影响使用。

（二）对等控制策略

对等控制策略主要指的是微电网中所有分布式电源在控制上是平等的，不存在主要关系与次要关系，每一个分布式电源都需要根据本地的电压和频率信息进行调控，从而实现无互联线的控制策略，也就是具有什么时候用，什么时候茶的功能。这种功能需要在能量平衡的条件下完成。也就是说微电网中任何一个电源切断或者链接，都不会改变其他单元的设置。采用这种对等控制策略的微电网中的微电源之间没有任何的通信联系，因此提高了微电网的可靠性，并且降低了系统的成本，因此与主从控制策略相比，对等控制策略更受欢迎。

四、总结

发展微电网对于我国乃至世界都具有十分重要的意义，虽然对于这项科研我国的起步较晚，但是通过科研人员的不断努力和国家的重视与投入，目前已经取得了巨大的进展，然而解决微电网的控制策略需要从不同的角度出发，本文以微电网的三个运行状态为研究中心，总结了在三种运行状态下控制微电网的关键因素，并且从主从控制和对等控制两个方面做了深入分析和探讨，希望可以给相关的工作人员提供借鉴和参考，有效的推动微电网稳定运营和发展。

参考资料：

[1]熊蕙，任江波，顾乔根， 等.孤岛微电网分布式协调无功均分策略[J].南京理工大学学报（自然科学版），2020，44（2）：246-251.

[2]沈珺，柳伟，李虎成， 等.基于强化学习的多微电网分布式二次优化控制[J].电力系统自动化，2020，44（5）：198-206.

[3]张弛，曾杰，曾嵘， 等.直流孤岛微电网的两级功率协同控制方法[J].电气传动，2019，49（12）：58-63.

[4]周成，芮涛，王群京.基于模型预测控制的微电网多目标协调优化[J].电测与仪表，2019，56（22）：44-50.

[5]张爱祥，宋士瞻，高扬， 等.含能源互联微网的主动配电网分层分布式协调控制[J].电力系统保护与控制，2019，47（19）：131-138.

李博洋（1995），男，遼宁省锦州市，硕士研究生，分布式发电与微电网技术，沈阳工程学院，110000