微电网的配置与运行模式

保障基本电能质量是微网系统安全应用的前提之一。

由于微电网系统中包含大量电力电子元器件设备，各种非线性、冲击性、波动性负载，储能装置，这些存在意味大量谐波和电压的畸变等电能质量问题。

实际上，由于微电网电能质量问题具有其特点，所需的电能质量检测方法也与传统不同，其研究具有重要意义。如下表所示：

可见，微电网的系统结构与元件特性，以及与大电网的并网关系，决定了微电网的电能质量问题与传统电网的电能质量研究与解决策略并不相同。

不但要从微电网内部关注并解决电能质量危害，也要避免微电网产生的电能质量问题应先回到大电网的稳定运行。对于独立运行的微电网，有必要采用高规格的逆变器、严格按照电能质量标准检测运行状态，确保元器件的稳定运行；对于并网运行的微电网，则有更详细的检测标准。

1.各类微电网

1.1 直流微电网

采用直流母线构成的微电网。

直流微电网的结构如上图，其特征是系统中的DG、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装置连接至直流母线，直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。直流微电网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，DG和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。

直流微电网的优点：

（1）由于DG的控制只取决于直流电压，直流微电网的DG较易协同运行；（2）DG和负荷的波动由储能装置在直流侧补偿。（3）相比于交流微电网，直流微电网由于各DG与直流母线之间仅存在一级电压变换装置，降低了系统建设成本，在控制上更易实现；同时，由于无需考虑各DG之间的同步问题，在环流抑制上更具优势。

直流微电网的缺点：

常用用电负荷为交流负荷，需要通过逆变装置给交流负荷供电。

1.2交流微电网

是指采用交流母线构成的微电网，交流母线通过公共连接点（PCC）断路器控制，实现微电网并网运行和离网运行。

交流微电网仍然是微电网的主要形式，其典型结构如上图。在交流微电网中，DG、储能装置均通过电力电子装置连接到交流母线，通过对PCC端口处开关的控制，可实现并网运行与孤岛运行模式的转换。

优点：采用交流母线与电网相连，负荷交流用电情况，交流用电负荷不需专门的逆变装置。

缺点：微电网控制运行较难。

1.3混合微电网

多种能源供电，有直流耦合，也存在交流耦合，可以给直流负荷供电，也可以给交流负荷供电。其DG数量更多，控制运行策略通常按交流微电网来控制。

2.微电网的控制模式

2.1主从控制模式

其核心理念为V/f控制和PQ控制的有机结合，在微电网处于孤岛运行模式时，其中一个DG或储能装置作为主电源，采取定电压定频率控制（V/f控制），用于向微电网中的其它DG提供电压和频率参考，而其它DG则可采用定功率控制（PQ控制），如下图，采用V/f模式的DG控制器称主控制器，而其它DG的控制器为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式。

这种主从控制方法在很大程度上保证了微电网系统运行的平稳性，但是因为其核心为主电源，是以主电源的负荷要求为控制标准的，并且其容量大小会对电压和频率的稳定性在成影响，这就使得该控制方法具有较大的局限性，当主电源出现异常时，将无法起到有效的控制作用。适于采用主控制器的DG需要满足一定的条件，在微电网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的DG一般为PQ控制，负荷变化主要由作为主控单元的DG来跟随，因此要求其功率输出应能在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动。在采用主从控制的微电网中，当微电网处于并网运行状态时，所有DG一般都采用PQ控制，而一旦转入孤岛模式，则需要作为主控单元的DG快速由PQ模式转换为V/f模式，这就要主控制器能够满足在两种控制模式间快速切换的要求。

采用主从控制的微电网在孤岛发生时，会出现“有缝”切换，尽管使用快速电力电子开关可以缩小“缝隙”，但不能完全做到“无缝”切换，同时储能装置电池不能长期支撑离网运行中系统大的负荷，在负荷较轻时，也不能长期处于充电状态，需要依赖通信的综合分层控制实现能量平衡。

2.2对等控制模式：

该控制方法的核心思想是功率的共享，是指微电网中所有DG在控制上都具有同等的地位，各控制器间不存在主从关系，每个DG都根据接入系统点电压和频率的就地信息进行控制。控制原理是依据微电网电源的下垂特性和与负荷之间的关系，通过采用P-f和Q-V下垂控制方法，对每一个分布式电源进行控制，将系统负荷变化引起的不平衡功率分摊给所有电源，以此来完成对系统功率的调节，保证其稳定性。

微电网在这种控制模式下运行，分布式电源的稳态值会随着负荷的变化发生改变，具有较大的不确定性，前后电压和频率之间存在差值，无法保证输出功率的恒定；并且当负荷变化幅度较大时，电压和频率数值的改变也是较大的，其质量得不到保证，很容易超过允许的偏差范围，系统无法达到平衡状态

2.3分层控制：

是指将管理组织分为不同的层级，各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动。电力系统分层控制，根据电力系统管理体制、组织电网结构和电压等级，各级调度按职责和任务及其管辖范围，对电网的有功-频率、无功-电压、线路潮流进行的控制和管理。

把微电网分成能量管理层、协调控制层、就地控制层的三层控制结构，依赖协调控制层的微电网控制中心(micro-grid control center，MGCC)集中管理各个DG、储能装置、负荷，实现微电网离网能量平衡，是目前微电网普遍采用并具备商业应用的一种成熟技术模式，但分层控制依赖通信，结构复杂，且技术指标不高，存在“有缝”切换、非计划孤岛过电压、并网合闸冲击等问题。

2.4源荷协同

微电网中的电源与负荷具有多样性和分散性的特点，其空间分布广泛，动态特性各异。但总体来看，各DG又具有一定的互补性。通过多源互补可弥补单一DG的随机性与间歇性问题，从而增强微电网的自主调节能力，减少系统备用容量，有效提高可再生能源的利用率。

微电网不仅发电侧的微源可控，用电侧的负荷也可调节。微电网的源荷协调运行是将微电网用电侧的可控负荷参与到微电网有功功率的调节中，实现用电侧与发电侧之间的协调运行，以应对微电网中DG的间歇性问题，达到微电网内资源的优化配置。

与自发的无序运行不同，微电网源荷协调运行具有有效的约束机制，以微电网系统优化可靠运行为总体目标并遵循微电网内部相关策略，实现微电网用电侧与发电侧的良性有序协调运行。

作为电力系统的需求方，负荷的动态特性对微电网的稳定性有着不可忽略的影响。对于微电网的供电可靠性，不同负荷因为优先级的不同对供电可靠性要求也有所不同。对于重要负荷，保证其不断电;对于可控负荷，微源条件允许的情况下，保证其少断电，即实现断电时间最少和断电次数最少。

微电网孤岛运行时，控制策略的选用主要考虑在微电网持续稳定运行的情况下，如何保证重要负荷不断电、可控负荷少断电。微电网实施源荷平衡的过程主要包括：

如某风光储微电网，包含光伏50kW、风机10kW、锂电池组50kW、重要负荷50kW、可控负荷60kW。当PCC开关断开，微电网处于孤岛状态时，以锂电池组作为主微源，以V/f控制模式运行，为微电网提供电压和频率参考，其余DG为从微源，以PQ控制模式运行

当光伏电源出力发生波动，由50kW突降为30kW时，MGCC根据监测到的电气量计算功率失衡量，并将结果下发至储能系统，若锂电池组容量足以补充20kW的功率差额，则储能系统增加20kW出力;若锂电池组不具备增加出力的条件，则关闭部分可控负载，降低20KW需求功率。