[科普中国]-微网分层控制技术

背景

微电网是包括分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷、保护装置集中而成的小型系统川。微电网主要有2种应用模式:直流微电网和交流微电网。这2种微电网运行模式的特有结构使其具有某些特有的功能，针对其结构和功能，世界上很多国家己经提出了很多不同的微电网管理架构。微电网中的分布式电源通过电力电子设备接入配电系统，其主要设备为逆变器，其控制策略可分成PQ控制和V/f控制等。微电网的运行方式包括孤岛运行方式和并网运行方式。在孤岛运行方式中，微电网通常采用V/f控制方法，这种控制方法要求微电网必须确保自身的电压和频率在规定范围，以及有功功率和无功功率的平衡。在并网运行方式中，微电网的稳定主要取决于主网，微电网通常采用PQ控制方法，所发出的有功功率和无功功率需满足微电网自身的要求；与此同时，微电网也能与主网相互传输功率。目前，微电网的控制策略研究可以分为：主从控制、集中控制、分散控制、分层控制和下垂控制等。分层控制主要包括三层，第一层为分布式电源和负荷控制，第二层为在第一层控制信号基础上的频率和电压幅值控制，第三层为微电网功率和主网功率控制1。

分层控制特点为了对复杂系统进行完善的管理和控制就必须对这些系统所具有的分层结构有意识地加以利用，因为要一举设计一个巨大的系统是很困难的。一般来说，多数分层方式是根据系统的物理结构来进行分层的。但也可以根据控制的复杂程度和控制目的，把控制过程从功能上进行分层，控制系统看作是由这些功能联系起来构成的。

分层控制有以下鲜明的特点2：

（1）当控制系统发生局部故障时，分层结构可有效地对故障进行隔离，将故障影响限制在局部范围内，这样就更易于保证整个系统的可靠性。

（2）)对于经常变更和扩大控制对象的大规模系统，如果把它作为子系统的集合来看时，则容易应对局部系统的变更和扩大，因此分层控制结构具有适应系统发展的灵活性。

（3）各子系统为达到其控制目的可能会出现互相排斥或矛盾的情况，必须对各子系统及其功能进行统筹和协调。

（4）若分层系统层次过多，会造成处理时间产生延迟，影响整个系统运行效率。

目前主流的微电网容量相对较小，但电源种类较多，间歇性能源比例较高。利用分层控制结构在不同的时间尺度上分别实现电气量控制、电能质量调节以及经济运行控制，有助于实现微电网的标准化。外国一些学者将不同层次上的微电网控制定义为：初级控制、二级控制以及三级控制。

分层控制结构微电网的分层控制可分为3层3。每层控制的主要功能如下:第一层控制为最低的控制层，一般采用下垂控制方法，底层控制包括分布式电源和负荷控制，通过控制DG的逆变器来提供有功功率和无功功率，实现分配DG的功率与负荷均衡并达到功率分配最优化。第二层控制是通过第一层所发送出的控制信号来调控逆变器的输出频率和电压幅值，实现功率的平衡和主电网系统的稳定。与此同时，第二层控制能够确保微电网和主电网之间的同步，最大限度地减少影响微电网系统稳定性的因素。第三层控制的功能为调控微电网和主电网的功率流动方向，以确保微电网运行的稳定性和经济性。右图分别是分层控制结构图和第一层控制结构图。

在右图中，微电网中分布式电源的接口方式目前可分为两类：第一类为同步电机接口，如燃气轮机、小型柴油发电机，内燃机多用同步电机接口；第二类为通过逆变器接口并网的电源。其中，第二类微电源又分为两种：一种是直流电源，如光伏电池、燃料电池等；另一种为交流电源，如微型燃气轮机、风力发电机等，须先经过整流，所得直流电压再经逆变器转换成工频交流电压。本文假定所有分布式电源己经整流为直流电源，因此微电源并网须经过逆变器，逆变器的交流输出还须经LC滤波器以滤除其中的高次谐波分量。

分层控制体系为了实现一个微电网的电能质量调控，首先需要考虑以下各关键性问题

（1）电能质量的测量与监控。考虑关键或敏感负载区域，一套测量、通信与估测体系有其必要性。

（2）基于电力电子变换器的快速而准确的电压、电流控制。并网逆变器应能快速准确地跟踪正序、零序、负序以及谐波次电压、电流参考。

（3）多目标控制系统的合理集成。针对不同控制目标的各控制系统之间的协同控制关系到系统的可靠性与稳定性。

（4）分布式发电源之间的协同控制。考虑到分布式电源的功率限制与工作模式，其应能协同补偿系统中的电能质量问题。

（5）用户自定义的电能质量要求。根据用户要求而进行相应电能质量调节是合理的，且能够降低运行成本。

为了实现以上各目标，一个多层的控制系统架构是必须的，其基本组成如右图所示。本地控制主要为一次控制，可以包括:(1)内环电压/电流控制，通常使用的控制方法有比例积分控制、比例谐振控制及重复控制等；(2)外环功率控制，下垂控制与主从控制是最常用的控制方法；(3)外环阻尼控制，虚拟阻抗和有源阻尼方法常用在这一控制中以提高系统稳定性。系统控制可以包括二次和三次控制。二次控制主要针对系统电能质量，包括电压频率、幅值、谐波、不平衡等。三次控制的核心通常是管理策略及优化算法，用以实现整体系统的高效、低成本运行，并能够响应用户需求，对电能质量进行调控。

分层控制模型第一层控制（1）PQ下垂控制方法

控制微电网的有功功率和无功功率，需采用下垂控制方法。下垂控制方法可分成两种类型困:一种是根据测量系统的频率和逆变器的输出电压幅值来提出频率和电压参考值；另一种是根据逆变器输出的有功功率和无功功率，提出频率参考值和电压幅值4。

（2）电压和电流的控制

内部控制环由两部分组成，即电压外环和电流内环的双闭环控制。电压外环控制一般采用PI控制器，电流内环控制也采用PI控制器。

第二层控制第一层控制通过调节逆变器输出的功率来控制频率和电压，但这会导致频率和电压的波动。第二层控制可弥补频率和电压的波动造成影响。在此层控制中，微电网的分布式电源输出频率和电压幅值，与其参考值和进行比较，得到频率偏差占和电压偏差。将这些偏差值反馈到第一层，来控制分布式电源的控制器，进而使分布式电源的频率和电压幅值将达到一个稳定值5。

在微电网的并网运行过程中，第二层控制不仅是调节、监控微电网的频率和电压幅值，而且要将参考值与己测量到的微电网和主电网的各相的值进行比较，从而实现电网同步化。同步过程完成之后，微电网可通过静态开关并入主电网。此前，微电网与主电网之间不能交换任何能量。右图就是微电网并网的同步控制图。

第三层控制在并网时，可通过频率和电压幅值来控制微电网的输出功率。三级控制作为最顶层的控制，也是时间尺度最大的控制策略。该层控制主要涉及微电网的经济运行。

结论与展望结论微电网作为一种分布式能源接入的有效形式，在一定的供电区域内形成多种DG协调的供电结构，可以运行在孤岛和并网两种模式下，为传统的集中式供电模式提供了补充。这种新形式的电网结构不但能够满足用户对供电可靠性和电能质量的更高要求，还能有效利用小规模的分布式发电资源，因此研究微电网控制的组织结构具有重要的意义。

从目前DG经典的本地控制出发，根据功能的不同将微电网控制的组织结构进行分层。通过信息交互，一些底层难以实现的控制功能可以利用更大时间尺度的上层控制实现。因此这种控制架构可以有效地简化微电网底层控制的结构，有助于微电网实现标准化。在此基础上，具体在无功控制、功率脉动抑制、多DG微电网经济运行等方面展开了研究。

展望(1)鉴于分布式发电的大规模发展，未来配电网结构中必将容纳相当数量的微电网。在这种情况下，配电网的潮流方向会发生改变，现有的保护和运行模式都会受到影响。因此在配电网管理系统中增加微电网调度控制和市场交易的功能是十分必要的。目前针对配电网内多微电网运行模式的研究尚处于初级阶段，仍需进一步探索。

(2)在微电网的经济运行研究中，多数方法仍然沿袭传统的小时级经济调度。但微电网包含风力发电、光伏发电以及负荷扰动等不确定因素，大时间尺度下的优化很难满足实际的需求，因此迫切需要一种更为智能化的能量管理策略。多智能体技术是目前分布式人工智能研究的前沿，适合解决大型复杂的现实问题。智能体通过一定的学习方法，能够实现燃料费用、安全裕度以及环保指标等方面的优化。因此该理论非常适合用于微电网能量管理领域，是微电网自治化发展的重要方向。