微網分層控制技術

微網分層控制是指採用一個中央控制器來統一協調管理本地各個分散式電源和負荷，實現微電網安全、可靠、穩定的運行。目前最普遍使用的是三層控制結構，通常分為配電層、微電網層和負荷及微電源層。其中，配電層主要是負責配電網的管理和經濟運行的功能；微電網層主要是進行中央處理器對負荷和微電源的控制，並與配電層完成信息的通訊；負荷及微電源層主要涉及的是微電網底層元件的控制。

基本介紹

• 中文名：微網分層控制技術
• 外文名：Microgridhierarchical control technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：分散式電源協調控制
• 分類：集中控制和分散式控制

背景

微電網是包括分散式電源、儲能裝置、能量變換裝置、負荷、保護裝置集中而成的小型系統川。微電網主要有2種套用模式:直流微電網和交流微電網。這2種微電網運行模式的特有結構使其具有某些特有的功能，針對其結構和功能，世界上很多國家己經提出了很多不同的微電網管理架構。微電網中的分散式電源通過電力電子設備接入配電系統，其主要設備為逆變器，其控制策略可分成PQ控制和V/f控制等。微電網的運行方式包括孤島運行方式和併網運行方式。在孤島運行方式中，微電網通常採用V/f控制方法，這種控制方法要求微電網必須確保自身的電壓和頻率在規定範圍，以及有功功率和無功功率的平衡。在併網運行方式中，微電網的穩定主要取決於主網，微電網通常採用PQ控制方法，所發出的有功功率和無功功率需滿足微電網自身的要求；與此同時，微電網也能與主網相互傳輸功率。目前，微電網的控制策略研究可以分為：主從控制、集中控制、分散控制、分層控制和下垂控制等。分層控制主要包括三層，第一層為分散式電源和負荷控制，第二層為在第一層控制信號基礎上的頻率和電壓幅值控制，第三層為微電網功率和主網功率控制。

分層控制特點

為了對複雜系統進行完善的管理和控制就必須對這些系統所具有的分層結構有意識地加以利用，因為要一舉設計一個巨大的系統是很困難的。一般來說，多數分層方式是根據系統的物理結構來進行分層的。但也可以根據控制的複雜程度和控制目的，把控制過程從功能上進行分層，控制系統看作是由這些功能聯繫起來構成的。

分層控制有以下鮮明的特點：

（1）當控制系統發生局部故障時，分層結構可有效地對故障進行隔離，將故障影響限制在局部範圍內，這樣就更易於保證整個系統的可靠性。

（2）)對於經常變更和擴大控制對象的大規模系統，如果把它作為子系統的集合來看時，則容易應對局部系統的變更和擴大，因此分層控制結構具有適應系統發展的靈活性。

（3）各子系統為達到其控制目的可能會出現互相排斥或矛盾的情況，必須對各子系統及其功能進行統籌和協調。

（4）若分層系統層次過多，會造成處理時間產生延遲，影響整個系統運行效率。

目前主流的微電網容量相對較小，但電源種類較多，間歇性能源比例較高。利用分層控制結構在不同的時間尺度上分別實現電氣量控制、電能質量調節以及經濟運行控制，有助於實現微電網的標準化。外國一些學者將不同層次上的微電網控制定義為：初級控制、二級控制以及三級控制。

分層控制結構

微電網的分層控制可分為3層。每層控制的主要功能如下:第一層控制為最低的控制層，一般採用下垂控制方法，底層控制包括分散式電源和負荷控制，通過控制DG的逆變器來提供有功功率和無功功率，實現分配DG的功率與負荷均衡並達到功率分配最最佳化。第二層控制是通過第一層所傳送出的控制信號來調控逆變器的輸出頻率和電壓幅值，實現功率的平衡和主電網系統的穩定。與此同時，第二層控制能夠確保微電網和主電網之間的同步，最大限度地減少影響微電網系統穩定性的因素。第三層控制的功能為調控微電網和主電網的功率流動方向，以確保微電網運行的穩定性和經濟性。右圖分別是分層控制結構圖和第一層控制結構圖。

在右圖中，微電網中分散式電源的接口方式目前可分為兩類：第一類為同步電機接口，如燃氣輪機、小型柴油發電機，內燃機多用同步電機接口；第二類為通過逆變器接口併網的電源。其中，第二類微電源又分為兩種：一種是直流電源，如光伏電池、燃料電池等；另一種為交流電源，如微型燃氣輪機、風力發電機等，須先經過整流，所得直流電壓再經逆變器轉換成工頻交流電壓。本文假定所有分散式電源己經整流為直流電源，因此微電源併網須經過逆變器，逆變器的交流輸出還須經LC濾波器以濾除其中的高次諧波分量。

第一層控制結構

分層控制結構

分層控制體系

為了實現一個微電網的電能質量調控，首先需要考慮以下各關鍵性問題

（1）電能質量的測量與監控。考慮關鍵或敏感負載區域，一套測量、通信與估測體系有其必要性。

（2）基於電力電子變換器的快速而準確的電壓、電流控制。併網逆變器應能快速準確地跟蹤正序、零序、負序以及諧波次電壓、電流參考。

（3）多目標控制系統的合理集成。針對不同控制目標的各控制系統之間的協同控制關係到系統的可靠性與穩定性。

（4）分散式發電源之間的協同控制。考慮到分散式電源的功率限制與工作模式，其應能協同補償系統中的電能質量問題。

（5）用戶自定義的電能質量要求。根據用戶要求而進行相應電能質量調節是合理的，且能夠降低運行成本。

為了實現以上各目標，一個多層的控制系統架構是必須的，其基本組成如右圖所示。本地控制主要為一次控制，可以包括:(1)內環電壓/電流控制，通常使用的控制方法有比例積分控制、比例諧振控制及重複控制等；(2)外環功率控制，下垂控制與主從控制是最常用的控制方法；(3)外環阻尼控制，虛擬阻抗和有源阻尼方法常用在這一控制中以提高系統穩定性。系統控制可以包括二次和三次控制。二次控制主要針對系統電能質量，包括電壓頻率、幅值、諧波、不平衡等。三次控制的核心通常是管理策略及最佳化算法，用以實現整體系統的高效、低成本運行，並能夠回響用戶需求，對電能質量進行調控。

分層控制體系

分層控制模型

第一層控制

（1）PQ下垂控制方法

控制微電網的有功功率和無功功率，需採用下垂控制方法。下垂控制方法可分成兩種類型困:一種是根據測量系統的頻率和逆變器的輸出電壓幅值來提出頻率和電壓參考值；另一種是根據逆變器輸出的有功功率和無功功率，提出頻率參考值和電壓幅值。

（2）電壓和電流的控制

內部控制環由兩部分組成，即電壓外環和電流內環的雙閉環控制。電壓外環控制一般採用PI控制器，電流內環控制也採用PI控制器。

第二層控制

第一層控制通過調節逆變器輸出的功率來控制頻率和電壓，但這會導致頻率和電壓的波動。第二層控制可彌補頻率和電壓的波動造成影響。在此層控制中，微電網的分散式電源輸出頻率和電壓幅值，與其參考值和進行比較，得到頻率偏差占和電壓偏差。將這些偏差值反饋到第一層，來控制分散式電源的控制器，進而使分散式電源的頻率和電壓幅值將達到一個穩定值。

在微電網的併網運行過程中，第二層控制不僅是調節、監控微電網的頻率和電壓幅值，而且要將參考值與己測量到的微電網和主電網的各相的值進行比較，從而實現電網同步化。同步過程完成之後，微電網可通過靜態開關併入主電網。此前，微電網與主電網之間不能交換任何能量。右圖就是微電網併網的同步控制圖。

微電網併網的同步控制

第三層控制

在併網時，可通過頻率和電壓幅值來控制微電網的輸出功率。三級控制作為最頂層的控制，也是時間尺度最大的控制策略。該層控制主要涉及微電網的經濟運行。

結論與展望

結論

微電網作為一種分散式能源接入的有效形式，在一定的供電區域內形成多種DG協調的供電結構，可以運行在孤島和併網兩種模式下，為傳統的集中式供電模式提供了補充。這種新形式的電網結構不但能夠滿足用戶對供電可靠性和電能質量的更高要求，還能有效利用小規模的分散式發電資源，因此研究微電網控制的組織結構具有重要的意義。

從目前DG經典的本地控制出發，根據功能的不同將微電網控制的組織結構進行分層。通過信息互動，一些底層難以實現的控制功能可以利用更大時間尺度的上層控制實現。因此這種控制架構可以有效地簡化微電網底層控制的結構，有助於微電網實現標準化。在此基礎上，具體在無功控制、功率脈動抑制、多DG微電網經濟運行等方面展開了研究。

展望

(1)鑒於分散式發電的大規模發展，未來配電網結構中必將容納相當數量的微電網。在這種情況下，配電網的潮流方向會發生改變，現有的保護和運行模式都會受到影響。因此在配電網管理系統中增加微電網調度控制和市場交易的功能是十分必要的。目前針對配電網內多微電網運行模式的研究尚處於初級階段，仍需進一步探索。

(2)在微電網的經濟運行研究中，多數方法仍然沿襲傳統的小時級經濟調度。但微電網包含風力發電、光伏發電以及負荷擾動等不確定因素，大時間尺度下的最佳化很難滿足實際的需求，因此迫切需要一種更為智慧型化的能量管理策略。多智慧型體技術是目前分散式人工智慧研究的前沿，適合解決大型複雜的現實問題。智慧型體通過一定的學習方法，能夠實現燃料費用、安全裕度以及環保指標等方面的最佳化。因此該理論非常適合用於微電網能量管理領域，是微電網自治化發展的重要方向。