王根平

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

1 微網(wǎng)系統(tǒng)的分層系統(tǒng)結(jié)及構(gòu)協(xié)調(diào)機(jī)制

隨著對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等綠色能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，傳統(tǒng)的集中發(fā)電、集中送電和集中配電的大電網(wǎng)運(yùn)行模式已受到越來(lái)越大的挑戰(zhàn)．為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，專(zhuān)家學(xué)者們提出了微網(wǎng)系統(tǒng)這一概念，所謂微網(wǎng)就是由某一區(qū)域的分布式發(fā)電電源、各種用電負(fù)荷組成的可控的電力系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)而言，表現(xiàn)為一個(gè)可定制的電源，對(duì)大電網(wǎng)而言表現(xiàn)為單一的受控單元．綜合微網(wǎng)的研究成果[1-5]，微網(wǎng)應(yīng)具備如下特性：

1）整個(gè)微網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)應(yīng)符合市場(chǎng)原則，這樣，微網(wǎng)的發(fā)展才有生命力；

2）微網(wǎng)是由分布式用電負(fù)荷和分布式發(fā)電電源（DG）以及儲(chǔ)能設(shè)備共同組成的供配電系統(tǒng)；

3）微網(wǎng)通過(guò)公共接點(diǎn)（PCC）與大配電網(wǎng)連接，二者互為備用；也可以與大電網(wǎng)斷開(kāi)，進(jìn)行孤島運(yùn)行；

4）微網(wǎng)中的DG可以在孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩者之間平滑切換（孤島檢查，瞬時(shí)同步化），從而充分利用微網(wǎng)中的電源；

5）微網(wǎng)運(yùn)行方式靈活，微網(wǎng)中的DG設(shè)備具有即插即用特性；在并網(wǎng)運(yùn)行及孤島運(yùn)行模式下對(duì)各種異常情況具有保護(hù)措施；

6）電力電子器件在微網(wǎng)的電能變換及電路斷開(kāi)接通控制中起著非常重要的作用．

綜合上述微網(wǎng)的組成及工作特性，并考慮在微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用操作的方便，本文將微網(wǎng)總的體系設(shè)計(jì)成分層的3層體系結(jié)構(gòu)：經(jīng)營(yíng)調(diào)度層，控制檢測(cè)層和電源負(fù)荷層，如圖1所示.

圖1中，箭頭方向表示信息傳遞方向．顯然，圖1所示的分層微網(wǎng)系統(tǒng)中，信息的傳遞只有在相鄰兩層之間發(fā)生．為確保整個(gè)體系信號(hào)聯(lián)系的規(guī)范及各層運(yùn)行的相對(duì)獨(dú)立性，層與層之間確立以下協(xié)調(diào)機(jī)制：

1）層與層之間的信息交互，只允許相鄰層之間直接進(jìn)行，而不允許不相鄰的層直接進(jìn)行通信交互；

2）如果確實(shí)有不相鄰層之間信息交互的需要（即第一層經(jīng)營(yíng)調(diào)度層和第三層的電源負(fù)荷層之間存在信息交互的需要，也需要間接地通過(guò)相鄰層的傳遞，即通過(guò)檢測(cè)控制層來(lái)傳遞）；

3）在同一層的各個(gè)單元模塊之間，不允許相互之間進(jìn)行信息交互，如果確實(shí)存在不相鄰的同層模塊之間的信息交互需要，也需要通過(guò)它們的上一層進(jìn)行間接傳遞和協(xié)調(diào)．

這樣一個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制的確立是非常重要的，因?yàn)橹挥羞@樣，才能保證微網(wǎng)系統(tǒng)的通信簡(jiǎn)潔有效，保證微網(wǎng)系統(tǒng)中的各層，以及各層中的各個(gè)模塊能相對(duì)獨(dú)立地工作，系統(tǒng)運(yùn)行才能簡(jiǎn)單高效，也可以大大降低系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本及通信運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)也能有效提升系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性．

圖1 微網(wǎng)分層體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 各層的關(guān)鍵問(wèn)題研究

2.1 經(jīng)營(yíng)調(diào)度層

對(duì)于微網(wǎng)系統(tǒng)而言，各發(fā)電塊單元的運(yùn)行時(shí)是有成本的，而且隨著發(fā)電功率的不同，成本也存在變化．對(duì)于微網(wǎng)中的用電負(fù)荷而言，各負(fù)荷也存在優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，有些負(fù)荷必須保證不間斷供電，有些負(fù)荷可以允許臨時(shí)斷電等．所以，微網(wǎng)作為一個(gè)系統(tǒng)，需要考慮系統(tǒng)的成本因素，也需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行中存在的各種限制因素．

微網(wǎng)系統(tǒng)中的經(jīng)營(yíng)調(diào)度層的關(guān)鍵問(wèn)題就是，如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行．可以將微網(wǎng)系統(tǒng)作為一個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)整體，以運(yùn)行成本最低化作為優(yōu)化目標(biāo)，以各種強(qiáng)行限制作為約束條件，使微網(wǎng)的運(yùn)作能充分滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的平衡．

為此，我們可以在經(jīng)營(yíng)調(diào)度層定義類(lèi)似如下的目標(biāo)函數(shù)（1）：

式（1）中，F(xiàn)S為太陽(yáng)能光伏電池以發(fā)電功率P為變量，以運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；Fw為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以發(fā)電功率P為變量，以運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；Fg為燃?xì)廨啓C(jī)以發(fā)電功率P為變量，以運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；Ft為火電機(jī)組以發(fā)電功率P為變量，以啟動(dòng)與運(yùn)行費(fèi)用為應(yīng)變量的函數(shù)；Ff為燃料電池以發(fā)電功率P為變量，以運(yùn)行費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；Fb為蓄電池以發(fā)電功率P為變量，以運(yùn)行費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；FEn為以外大電網(wǎng)輸入電功率P為變量，以輸入的電費(fèi)為應(yīng)變量的函數(shù)；T為調(diào)度周期，一般為24 h．

約束條件：

1）功率平衡約束：

式（2）中PD為微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)內(nèi)發(fā)電單元的總發(fā)電率負(fù)荷需求;Ns，Nw，Ng，Nt，Nf，Nb分別為太陽(yáng)能電池發(fā)電個(gè)數(shù)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電

個(gè)數(shù)、燃汽機(jī)發(fā)電個(gè)數(shù)、發(fā)電機(jī)組個(gè)數(shù)、燃料電池個(gè)數(shù)以及蓄電池個(gè)數(shù)．

2）各發(fā)電機(jī)功率上下限約束：

3）負(fù)荷有先級(jí)約束：

4）其他約束．

經(jīng)營(yíng)調(diào)度層將各發(fā)電單元的發(fā)電功率，功率約束等下達(dá)到下層檢測(cè)控制層的檢測(cè)控制模塊；通過(guò)檢測(cè)控制模塊控制各發(fā)電單元，按照經(jīng)營(yíng)調(diào)度層給定的目標(biāo)運(yùn)行．同時(shí)，經(jīng)營(yíng)調(diào)度層也將負(fù)荷優(yōu)先級(jí)等參數(shù)下達(dá)到負(fù)荷控制模塊，使負(fù)荷控制模塊按優(yōu)先級(jí)有效管理用電負(fù)荷．

2.2 檢測(cè)控制層

控制檢測(cè)層的關(guān)鍵問(wèn)題有4個(gè)：1）如何實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)按經(jīng)營(yíng)調(diào)度層給出的優(yōu)化控制目標(biāo)；2）如何保證微網(wǎng)的電能質(zhì)量及負(fù)荷滿(mǎn)足要求；3）如何實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)和外網(wǎng)的無(wú)擾動(dòng)切換；4）在各種故障發(fā)生時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)．具體說(shuō)來(lái)，檢測(cè)控制層，包含3個(gè)模塊：檢測(cè)控制模塊、網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷調(diào)度控制模塊和外網(wǎng)控制及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)模塊．

2.2.1 檢測(cè)控制模塊

檢測(cè)控制問(wèn)題是微網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中需要解決的主要關(guān)鍵問(wèn)題．微網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)遇到多種系統(tǒng)干擾和沖擊．這些干擾和沖擊，如果處理不當(dāng)，微網(wǎng)內(nèi)的供電質(zhì)量會(huì)受到嚴(yán)重影響而變差，微網(wǎng)中的用電負(fù)荷也將受到影響，設(shè)備安全也會(huì)受到威脅[6,7]．檢測(cè)控制模塊的功能就是抑制這些干擾和沖擊，保證微網(wǎng)內(nèi)電質(zhì)量的穩(wěn)定，并有效維護(hù)微網(wǎng)中用電設(shè)備的安全．

在微網(wǎng)系統(tǒng)中，可能存在著多種特性各異的DG．這些DG有的受環(huán)境影響較大，如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電；也有的分布式發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，如：微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等．考慮微網(wǎng)中DG的特性及各種用電負(fù)荷的實(shí)際情況，目前,微網(wǎng)一般都采用V/f控制和P-Q控制相結(jié)合的控制策略[8,9]．即，微網(wǎng)中那些發(fā)電易于控制，受環(huán)境因素影響小的DG一般采用V/f控制，這樣可以通過(guò)控制這些DG來(lái)穩(wěn)定微網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電質(zhì)量，保證微網(wǎng)內(nèi)電的頻率和電壓的穩(wěn)定；而那些收環(huán)境影響較大的DG，一般采用P-Q控制．

微網(wǎng)中對(duì)DG采用的這種V/f控制P-Q控制相結(jié)合的方式，既可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的電質(zhì)量的穩(wěn)定控制，又可以充分提高新型清潔電源（如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等）的發(fā)電效率．很多專(zhuān)家把這種V/f控制P-Q控制相結(jié)合的方式稱(chēng)為主從控制，即V/f控制為主，P-Q控制為從．

就目前對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的研究結(jié)果來(lái)看[10-12]，檢測(cè)控制模塊對(duì)微網(wǎng)中的DG組采用主從的控制結(jié)構(gòu)和控制策略是比較適宜的選擇．另外，檢測(cè)控制模塊還需要解決電源組狀態(tài)的檢測(cè)和目標(biāo)值的設(shè)定和調(diào)整問(wèn)題．

2.2.2 網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷調(diào)度控制模塊

根據(jù)負(fù)荷的需求，網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷調(diào)度控制模塊，依據(jù)來(lái)自經(jīng)營(yíng)調(diào)度層的優(yōu)化決策及負(fù)荷優(yōu)先級(jí)排序信息，對(duì)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行控制管理．當(dāng)網(wǎng)內(nèi)電源組出現(xiàn)問(wèn)題，不足于網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求時(shí)，則按負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)，依次關(guān)斷級(jí)別比較低的用電負(fù)荷，并向經(jīng)營(yíng)調(diào)度層申請(qǐng)調(diào)用外網(wǎng)的電力支援．

2.2.3 外網(wǎng)控制及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)模塊

外網(wǎng)控制及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)模塊[13-15]，要解決2個(gè)主要的問(wèn)題：一是根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與外電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)或切斷，確保微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)或孤島狀態(tài)的正常運(yùn)行；二是在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短路等異常情況下，能緊急處理，保證關(guān)鍵負(fù)荷或設(shè)備不受損害．

1）微網(wǎng)并網(wǎng)模式到孤島模式的切換．微網(wǎng)從并網(wǎng)模式到孤島模式的切換存在2種模式，一種是主動(dòng)模式；另一種是被動(dòng)模式．所謂主動(dòng)模式，就是微網(wǎng)主動(dòng)給主控制模式的DG發(fā)出指令，主動(dòng)調(diào)節(jié)微網(wǎng)中的負(fù)荷，減小微網(wǎng)與外網(wǎng)的潮流交換，并在PCC過(guò)電流零點(diǎn)的時(shí)候斷開(kāi)與外網(wǎng)的連接．所謂被動(dòng)模式，就是微網(wǎng)那個(gè)的檢測(cè)控制模塊檢測(cè)到了系統(tǒng)有異常，存在孤島效應(yīng)或電網(wǎng)故障情況，微網(wǎng)被迫發(fā)出斷網(wǎng)請(qǐng)求，主動(dòng)控制模式的DG電壓給定值由外部給定轉(zhuǎn)換為內(nèi)部給定．?dāng)嗑W(wǎng)成功后，主動(dòng)控制模式的DG工作在V/f模式，維持微網(wǎng)供電的電壓和頻率穩(wěn)定．

為減小微網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島模式切換造成的沖擊，主動(dòng)控制模式的DG在工作中一般都要跟蹤記錄電網(wǎng)電壓的幅值和相位值，并把所記錄的幅值和相位值作為主動(dòng)控制模式的DG內(nèi)部電壓參考信號(hào)的初始值．這樣可保證當(dāng)微網(wǎng)從并網(wǎng)向孤島模式切換時(shí)，微網(wǎng)中DG輸出電參數(shù)延續(xù)電網(wǎng)原來(lái)運(yùn)行的參數(shù)．

2）微網(wǎng)獨(dú)立的孤島模式向并網(wǎng)模式的切換．微網(wǎng)從孤島模式切換到并網(wǎng)模式時(shí)，需要保證并網(wǎng)前微網(wǎng)內(nèi)的電壓幅值，電壓的相位值和電壓的頻率值與外網(wǎng)的電壓幅值，電壓的相位值和電壓的頻率值分別一致．

當(dāng)微網(wǎng)通過(guò)對(duì)主動(dòng)控制模式的DG的V/f控制實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)內(nèi)的電參數(shù)和外網(wǎng)的電參數(shù)一致時(shí)，即可閉合PCC，完成微網(wǎng)從獨(dú)立的孤島模式到并網(wǎng)模式的切換．

2.3 電源負(fù)荷層

在電源負(fù)荷層，要配合檢測(cè)控制層實(shí)現(xiàn)主從控制模式，即部分DG需要采用V/f控制，部分DG需要采用P-Q控制．采用V/f控制的DG組成和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2，3所示； 采用P-Q控制的DG組成和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖4，5所示．

微網(wǎng)系統(tǒng)正處于理論研究和實(shí)際應(yīng)用探索的重要階段，微網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是其中非常重要的一個(gè)課題．可以預(yù)見(jiàn)，隨著研究和實(shí)踐的深入，一個(gè)能適應(yīng)各種新型能源接入，能有效承擔(dān)起多樣特性負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，可兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益原則的微網(wǎng)體系能夠逐步建立完善起來(lái)．

圖2 V/f控制的分布式電源組成示意圖

圖3 V/f功率控制器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 P-Q控制分布式電源示意圖

圖5 P-Q控制結(jié)構(gòu)示意圖

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