郝苓羽

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

微電網(wǎng)中新能源發(fā)電以分布式接入電力系統(tǒng)為主，由微電源、能量轉(zhuǎn)換裝置、負荷以及EMM等組成，在滿足各電源運行約束和負荷需求下通過獲取能量管理信息，充分考慮最優(yōu)控制策略，可使微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性最優(yōu)。

1 微電網(wǎng)基本控制策略

1.1 電壓控制

微電源的電壓模值和相角調(diào)整是微電網(wǎng)負荷及其功率因數(shù)控制形式。電力電子變換系統(tǒng)向EMM反饋饋線未全部接入微電網(wǎng)時監(jiān)測的本地電壓值，及時發(fā)送信息完成電壓調(diào)整。

1.2 功率因數(shù)控制

微電源不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機，功率因數(shù)取決于負荷特點，不能通過內(nèi)置功率因數(shù)控制電流的相角并盡量減少諧波失真，MC看作負荷函數(shù)只需要接收電壓設定點控制指令，不能完全集成功率因數(shù)控制功能。

1.3 原動機轉(zhuǎn)速控制

旋轉(zhuǎn)原動機可通過調(diào)節(jié)燃料投注量完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，但降低轉(zhuǎn)速會直接導致原動機工作效率下降，因此一般保持燃料量在微電源最佳運行點運行。

1.4 頻率控制

MC的頻率控制特性可使微電源輸出任意電壓頻率。EMM監(jiān)測一定時間內(nèi)頻率持續(xù)下降且未恢復正常狀態(tài)時判斷為緊急狀況，通過快速甩負荷以平衡功率變化。

2 典型微電網(wǎng)EMM的并網(wǎng)運行和孤島運行策略

2.1 并網(wǎng)與孤島模式運行

并網(wǎng)運行時，EMM控制信號只包含微電網(wǎng)內(nèi)的有功功率和本地電壓，在MC對電壓和功率因數(shù)的控制下，展現(xiàn)出運行與單位功率因數(shù)可控的負荷特性。如果微電網(wǎng)配電饋線輕載，且電壓升高，就會被主網(wǎng)控制器識別，EMM只對微電網(wǎng)重要母線進行電壓控制[1-3]。

孤島模式下，EMM主要功能是為MC提供有功功率和電壓設定點。頻率和無功潮流由MC根據(jù)P-f和Q-V下垂特性自動控制。對于相角和頻率控制，EMM與MC不會進行交互。

2.2 并網(wǎng)模式微電網(wǎng)故障情況及保護策略

以并網(wǎng)運行模式探討微電網(wǎng)5種故障的保護策略。PCM進行檢測并動作，考慮了微電源和PCC斷路器響應時間，具體如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)和斷路器響應配置圖

2.2.1 正常情況

微電網(wǎng)正常并網(wǎng)情況下通過閉合的斷路器與主網(wǎng)相連，微電網(wǎng)母線通過閉合的斷路器連接饋線，負荷由微電源和主網(wǎng)共同供電，此時EMM正常工作。

2.2.2 微電網(wǎng)饋線發(fā)生故障

在無源輻射狀配電網(wǎng)發(fā)生故障時潮流是單向的，即從電源到故障點。所以，饋線斷路器就能很容易地清除饋線故障，只考慮故障電流的大小不考慮其方向。微電網(wǎng)饋線包含發(fā)電機時，通過分組斷路器將饋線分區(qū)，包含方向過電流繼電器，用以檢測故障區(qū)并清除，可有效避免電能大量損耗。如果故障區(qū)中包含微電源，則本地MC會動作使其從故障區(qū)斷開，但該微電源會繼續(xù)對連接在其母線上的本地負荷供電。

2.2.3 主網(wǎng)發(fā)生故障

主網(wǎng)發(fā)生任何故障時，微電網(wǎng)直接從主網(wǎng)斷開。繼電器監(jiān)測每相電流的大小和方向，如果電流在預設時間內(nèi)超出限值，則發(fā)送一個跳閘信號。繼電保護的整定由PCM完成，確保隔離不會對重要負荷產(chǎn)生大的干擾。這也保證微電網(wǎng)從主網(wǎng)斷開前，微電源不會誤跳閘引起不必要的電能損耗，降低斷路器的使用壽命[4-7]。

2.2.4 微電網(wǎng)母線發(fā)生故障

如果故障發(fā)生在微電網(wǎng)母線，那么微電網(wǎng)會從主網(wǎng)斷開，同時饋線從微電網(wǎng)母線斷開。微電網(wǎng)發(fā)生任何故障時，PCM都會與主網(wǎng)的上游保護相協(xié)調(diào)。繼電器級別設置包括對微電源保護裝置的設置，這樣可以降低供電中斷和誤跳閘的可能性。

2.2.5 重新連接并保持同步

當主網(wǎng)中的正常功能恢復時，PCM會通過同步檢查，使微電網(wǎng)和主網(wǎng)重新連接并保持同步，這一過程的具體時間與饋線和負荷的特性有關(guān)。PCM控制策略就是通過檢測相電壓幅值、相角、頻率以及相序，通過自動和手動兩種方式使所有的微電源與主網(wǎng)同步。

3 微電網(wǎng)中中央控制器概述

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)需要收集大量信息以保持運行穩(wěn)定性，其不僅受微電源出力特性影響，還與天氣、負荷預測、監(jiān)管因素以及其他類型信息數(shù)據(jù)息息相關(guān)。信息在優(yōu)化采集和處理過程中應按照控制相對重要性分層分級做好排序。此外，也需考慮可行性、數(shù)據(jù)的采集方法、數(shù)據(jù)獲取和處理的成本以及獲得可選數(shù)據(jù)的可能性。有關(guān)中央控制器（Central Controller，CC）運行所需重點關(guān)注以下幾個部分。

3.1 能源成本

通過比較主網(wǎng)和微電源能源成本實現(xiàn)合理的能源優(yōu)化策略。CC運行應獲取購電及燃料成本并通過可中斷費率、日前定價以及負荷需求緊急響應等合理措施提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。

3.2 微電源性能

微電源出力特性需要不斷滿足負荷變化，關(guān)注不同運行級別時的運行指標。微電源出力在負荷急劇變化過程中會產(chǎn)生暫態(tài)電流沖擊微電網(wǎng)正常運行，設備損壞的額外維修費用也因此增加。因此不僅需要制造商說明規(guī)格，而且需應用現(xiàn)場監(jiān)測和評估系統(tǒng)來完善已有的信息。

3.3 氣候預測

天氣狀況和季節(jié)變更在很大程度上會影響微電網(wǎng)內(nèi)微電源設備的性能和需求。因此，微電網(wǎng)控制系統(tǒng)應從天氣預報、歷史氣候條件以及當?shù)貧庀笳静杉瘮?shù)據(jù)，其中長期氣候狀況可從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中獲知，短期數(shù)據(jù)從當?shù)貧庀笳净騾^(qū)域氣候服務站采集。

3.4 負荷預測

EMM必須根據(jù)負荷類型、運行方式以及要求控制微電源出力，掌握本地負荷歷史數(shù)據(jù)。不同于電力負荷，熱負荷無需時刻嚴格遵守能量平衡，即使能量供應中斷，也能依靠熱滯后效應維持溫度的漸變過程，其靈活性通過使用額外熱儲備可進一步提高。EMM使用合適的熱負荷模型和熱約束條件來確定靈活度和允許調(diào)節(jié)范圍[8-10]。

3.5 其 他

微電網(wǎng)CC在設計與運行時，應按照優(yōu)先級設置參數(shù)，確保負荷依據(jù)其自身特性完成分類，保證微電網(wǎng)可靠運行。微電網(wǎng)負荷可分為不間斷負荷、可調(diào)節(jié)負荷以及可中斷負荷3類。EMM通過負荷調(diào)節(jié)可以緩解微電源過載，實現(xiàn)供需平衡。

4 微電網(wǎng)中央控制器設計的控制策略

CC的設計和運行需要通過微電網(wǎng)運行效率和實施成本抉擇控制策略，一般常采用實時優(yōu)化、專家系統(tǒng)控制以及分散遞階控制以滿足微電網(wǎng)管理需求。

4.1 實時優(yōu)化

實時優(yōu)化是最適合CC的控制策略，廣泛應用于各個研究領(lǐng)域。通過智能算法或搜索技術(shù)計算其滿足優(yōu)化問題的約束條件并求取最優(yōu)解，在評價目標函數(shù)時只需要在小范圍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部搜索，不需要搜索所有的狀態(tài)，大大提高了求解效率。

EMM應采集微電網(wǎng)變量的信息如表1所示。首先，優(yōu)化策略下的EMM必須針對所有歷史和當前變量，結(jié)合隨機采集信息性預測微電網(wǎng)未來的運行狀態(tài)，向其提供決策。

4.2 專家系統(tǒng)控制

實時優(yōu)化使CC承受的計算負擔較大，且要花費大量的時間才能獲得解，這和系統(tǒng)本身的復雜性和非線性特性有關(guān)，成本很高。應用模糊邏輯等人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence，AI）來設計CC。AI系統(tǒng)模擬人類的推理行為，其控制算法是使用一系列“If/Then”語句進行編程。專家控制器對一個包含若干控制選項的有限集進行搜索，然后根據(jù)規(guī)則庫作出相應的決策。

相比于傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)控制器，模糊控制器允許其規(guī)則庫具有更大的復雜度，基于模糊控制的EMM模擬功能如下。一是評估微電網(wǎng)的狀態(tài)，二是確定當前狀態(tài)會進入哪個預定義類別，三是遵循和執(zhí)行與該類別相關(guān)聯(lián)的調(diào)度規(guī)則。EMM執(zhí)行前對各個狀態(tài)分類并指定規(guī)則，應用自適應控制策略重新定義規(guī)則以適應系統(tǒng)的管理需求。

4.3 分散遞階控制

分散遞階控制策略可用于匯集微電網(wǎng)的過剩能量出售給大電網(wǎng)或匯集微電源的能量出售給微電網(wǎng)中的用戶?？刂浦袥Q策遵循一個層次結(jié)構(gòu)。單個代理商匯集各類需求信息，然后權(quán)衡其他代理商的報價，根據(jù)預設規(guī)則作出調(diào)度決策。

5 結(jié) 論

以上分析通過研究新能源發(fā)電接入微電網(wǎng)技術(shù)，對微電網(wǎng)討論EMM中基本微電源控制功能、EMM的并網(wǎng)運行和孤島運行策略以及微電網(wǎng)饋線發(fā)生故障的保護策略，分析微電網(wǎng)中中央控制器運行所需的重要數(shù)據(jù)，對中央控制器設計的控制策略分別從實時優(yōu)化、專家系統(tǒng)以及分散控制進行討論，有效提升微電網(wǎng)控制的效率和效果，提升運行穩(wěn)定性。