微电网EMM基本控制策略和中央控制器设计

郝苓羽

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

微电网中新能源发电以分布式接入电力系统为主，由微电源、能量转换装置、负荷以及EMM等组成，在满足各电源运行约束和负荷需求下通过获取能量管理信息，充分考虑最优控制策略，可使微电网运行经济性最优。

1 微电网基本控制策略

1.1 电压控制

微电源的电压模值和相角调整是微电网负荷及其功率因数控制形式。电力电子变换系统向EMM反馈馈线未全部接入微电网时监测的本地电压值，及时发送信息完成电压调整。

1.2 功率因数控制

微电源不同于传统同步发电机，功率因数取决于负荷特点，不能通过内置功率因数控制电流的相角并尽量减少谐波失真，MC看作负荷函数只需要接收电压设定点控制指令，不能完全集成功率因数控制功能。

1.3 原动机转速控制

旋转原动机可通过调节燃料投注量完成转速调节，但降低转速会直接导致原动机工作效率下降，因此一般保持燃料量在微电源最佳运行点运行。

1.4 频率控制

MC的频率控制特性可使微电源输出任意电压频率。EMM监测一定时间内频率持续下降且未恢复正常状态时判断为紧急状况，通过快速甩负荷以平衡功率变化。

2 典型微电网EMM的并网运行和孤岛运行策略

2.1 并网与孤岛模式运行

并网运行时，EMM控制信号只包含微电网内的有功功率和本地电压，在MC对电压和功率因数的控制下，展现出运行与单位功率因数可控的负荷特性。如果微电网配电馈线轻载，且电压升高，就会被主网控制器识别，EMM只对微电网重要母线进行电压控制[1-3]。

孤岛模式下，EMM主要功能是为MC提供有功功率和电压设定点。频率和无功潮流由MC根据P-f和Q-V下垂特性自动控制。对于相角和频率控制，EMM与MC不会进行交互。

2.2 并网模式微电网故障情况及保护策略

以并网运行模式探讨微电网5种故障的保护策略。PCM进行检测并动作，考虑了微电源和PCC断路器响应时间，具体如图1所示。

图1 微电网和断路器响应配置图

2.2.1 正常情况

微电网正常并网情况下通过闭合的断路器与主网相连，微电网母线通过闭合的断路器连接馈线，负荷由微电源和主网共同供电，此时EMM正常工作。

2.2.2 微电网馈线发生故障

在无源辐射状配电网发生故障时潮流是单向的，即从电源到故障点。所以，馈线断路器就能很容易地清除馈线故障，只考虑故障电流的大小不考虑其方向。微电网馈线包含发电机时，通过分组断路器将馈线分区，包含方向过电流继电器，用以检测故障区并清除，可有效避免电能大量损耗。如果故障区中包含微电源，则本地MC会动作使其从故障区断开，但该微电源会继续对连接在其母线上的本地负荷供电。

2.2.3 主网发生故障

主网发生任何故障时，微电网直接从主网断开。继电器监测每相电流的大小和方向，如果电流在预设时间内超出限值，则发送一个跳闸信号。继电保护的整定由PCM完成，确保隔离不会对重要负荷产生大的干扰。这也保证微电网从主网断开前，微电源不会误跳闸引起不必要的电能损耗，降低断路器的使用寿命[4-7]。

2.2.4 微电网母线发生故障

如果故障发生在微电网母线，那么微电网会从主网断开，同时馈线从微电网母线断开。微电网发生任何故障时，PCM都会与主网的上游保护相协调。继电器级别设置包括对微电源保护装置的设置，这样可以降低供电中断和误跳闸的可能性。

2.2.5 重新连接并保持同步

当主网中的正常功能恢复时，PCM会通过同步检查，使微电网和主网重新连接并保持同步，这一过程的具体时间与馈线和负荷的特性有关。PCM控制策略就是通过检测相电压幅值、相角、频率以及相序，通过自动和手动两种方式使所有的微电源与主网同步。

3 微电网中中央控制器概述

微电网控制系统需要收集大量信息以保持运行稳定性，其不仅受微电源出力特性影响，还与天气、负荷预测、监管因素以及其他类型信息数据息息相关。信息在优化采集和处理过程中应按照控制相对重要性分层分级做好排序。此外，也需考虑可行性、数据的采集方法、数据获取和处理的成本以及获得可选数据的可能性。有关中央控制器（Central Controller，CC）运行所需重点关注以下几个部分。

3.1 能源成本

通过比较主网和微电源能源成本实现合理的能源优化策略。CC运行应获取购电及燃料成本并通过可中断费率、日前定价以及负荷需求紧急响应等合理措施提高微电网的经济效益。

3.2 微电源性能

微电源出力特性需要不断满足负荷变化，关注不同运行级别时的运行指标。微电源出力在负荷急剧变化过程中会产生暂态电流冲击微电网正常运行，设备损坏的额外维修费用也因此增加。因此不仅需要制造商说明规格，而且需应用现场监测和评估系统来完善已有的信息。

3.3 气候预测

天气状况和季节变更在很大程度上会影响微电网内微电源设备的性能和需求。因此，微电网控制系统应从天气预报、历史气候条件以及当地气象站采集数据，其中长期气候状况可从统计数据中获知，短期数据从当地气象站或区域气候服务站采集。

3.4 负荷预测

EMM必须根据负荷类型、运行方式以及要求控制微电源出力，掌握本地负荷历史数据。不同于电力负荷，热负荷无需时刻严格遵守能量平衡，即使能量供应中断，也能依靠热滞后效应维持温度的渐变过程，其灵活性通过使用额外热储备可进一步提高。EMM使用合适的热负荷模型和热约束条件来确定灵活度和允许调节范围[8-10]。

3.5 其 他

微电网CC在设计与运行时，应按照优先级设置参数，确保负荷依据其自身特性完成分类，保证微电网可靠运行。微电网负荷可分为不间断负荷、可调节负荷以及可中断负荷3类。EMM通过负荷调节可以缓解微电源过载，实现供需平衡。

4 微电网中央控制器设计的控制策略

CC的设计和运行需要通过微电网运行效率和实施成本抉择控制策略，一般常采用实时优化、专家系统控制以及分散递阶控制以满足微电网管理需求。

4.1 实时优化

实时优化是最适合CC的控制策略，广泛应用于各个研究领域。通过智能算法或搜索技术计算其满足优化问题的约束条件并求取最优解，在评价目标函数时只需要在小范围系统结构内部搜索，不需要搜索所有的状态，大大提高了求解效率。

EMM应采集微电网变量的信息如表1所示。首先，优化策略下的EMM必须针对所有历史和当前变量，结合随机采集信息性预测微电网未来的运行状态，向其提供决策。

4.2 专家系统控制

实时优化使CC承受的计算负担较大，且要花费大量的时间才能获得解，这和系统本身的复杂性和非线性特性有关，成本很高。应用模糊逻辑等人工智能技术（Artificial Intelligence，AI）来设计CC。AI系统模拟人类的推理行为，其控制算法是使用一系列“If/Then”语句进行编程。专家控制器对一个包含若干控制选项的有限集进行搜索，然后根据规则库作出相应的决策。

相比于传统的专家系统控制器，模糊控制器允许其规则库具有更大的复杂度，基于模糊控制的EMM模拟功能如下。一是评估微电网的状态，二是确定当前状态会进入哪个预定义类别，三是遵循和执行与该类别相关联的调度规则。EMM执行前对各个状态分类并指定规则，应用自适应控制策略重新定义规则以适应系统的管理需求。

4.3 分散递阶控制

分散递阶控制策略可用于汇集微电网的过剩能量出售给大电网或汇集微电源的能量出售给微电网中的用户。控制中决策遵循一个层次结构。单个代理商汇集各类需求信息，然后权衡其他代理商的报价，根据预设规则作出调度决策。

5 结 论

以上分析通过研究新能源发电接入微电网技术，对微电网讨论EMM中基本微电源控制功能、EMM的并网运行和孤岛运行策略以及微电网馈线发生故障的保护策略，分析微电网中中央控制器运行所需的重要数据，对中央控制器设计的控制策略分别从实时优化、专家系统以及分散控制进行讨论，有效提升微电网控制的效率和效果，提升运行稳定性。