窦真兰 张春雁 杨海涛
1.国网上海综合能源服务有限公司
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日前，能源需求的日益增长，使得城市电网系统中的负荷不断加重，对供电的可靠性与稳定性要求。作为消纳分布式能源最高效的方式之一，当发生大面积断电的情况时，能够在孤岛运行的微网可以发挥出巨大作用，同时微网能够更合理地利用自然资源，可以保障环保经济的能源供应，由此针对微电网的相关研究引起了国内外学者的广泛关注。
微网的定义最早是由CERTS提出，微网可以看作是由分布式电源、储能系统、变流器、保护装置和负载组成的发配电系统［1-4］。微电网以可再生的清洁能源发电为主，与各种其它类型能源兼顾，有效缓解了传统分布式可再生能源接入电网的困难，进而提升了资源效率。同时，在电网供电发生异常时，微电网作为补充接入电网，可以保证用户供电的可靠性。
微电网包括交流微电网以及直流微电网两类。交流微电网主要采用交流设备，兼容交流负荷，具有相当成熟的保护装置［5-7］。由于光伏等直流类型能源以及电动汽车等直流用电装置的使用率提高，越来越多的学者把目光投向了直流微电网。由于缺少交直交变换的中间环节，直流微电网的结构更加简单，直流负荷供能更加灵活，减少电量损耗和成本，且不存在频率稳定性等问题。
孤岛和并联是微电网的两种工作状态，利用合适的控制方式，可以使其在这两种状态间平滑切换［8］。在大电网出现故障时，切换至孤岛状态，为内部负荷稳定供电；
在日常使用时可以切换至并网状态，将运行时储存的电能反馈给大电网，起到削峰填谷的作用。但将微电网切换为并网状态时会对大电网带来如闪变、谐波、短路电流增大、直流注入等问题，因此在切换为并网状态时，应选择合适的方式，从而减少对电网系统的安全隐患，保证系统的平稳运行。
对偏远地区来说，大电网的投资规模较大且可靠性也较低［9-11］。在地质较复杂的地区甚难架设供电系统，同时要建立相当规模的、庞大的集中式供配电网需很大的投入，而这些地区本身不会消纳过多的电能，投资效益很低。在上述区域应用微电网技术时，可克服大电网内集中式供电的局限，实现稳定供电。另外，配电网内的一些敏感用户对电力品质和电源稳定性的要求很高，这要求配电网不但能够供应高质量的电力以符合其特殊设备要求，还要尽量避免断电，以实现对重要负荷不间断供电的需求。微电网能够利用先进的电力电子控制技术改善终端用户电能质量，并且在外部设备失效时能够迅速将并网工作状态平滑切换到离网工作状态，从而确保内部敏感负载的电源供应不受影响。
微电网概念最早由美国的CERTS机构提出，一经提出就受到了各国学者的广泛关注。美国在微电网领域的探索和研究应用方面占据优势，占有全球50%左右的微电网示范项目［12］。欧洲的微电网，主要是利用高功率电子技术进行并网。2005年，欧洲国家共同发布了“智能能源网络（Smart Power Networks）”计划，该计划明确提出了未来欧洲的发电目标，并强调欧洲的供电需要具有灵活性、高可接入性、安全可靠性和经济性［13］的目标。由于能源短缺，日本政府重视可再生能源科技的发展，目前通过日本政府与高校、企业以及国家重点实验室结合，在微电网的研发上已获得了良好的成功。日本把主要的研究集中在了微电网运行中的电能需求、环保以及资源的合理利用方面。虽然相比于其他国家，我国的微网事业起步较慢，但随着国家的大力支持以及推广，各个高校及企业的高度重视，我国的微电网事业正处在高速发展的阶段［14-15］。
现阶段微电网容量与规模较小，分布也比较分散。随着新能源领域的不断深入发展，以及分布式电源（distributed generation，DG）特别是可再生能源发电渗透率的持续提升［16-18］，传统的微电网供电方式将很难充分消纳并合理使用大量分散接入的DG［19］。正因如此，微电网的构建方式已逐步由单个小型建设单位向多个微网集群化方向发展，微网群一方面能克服单一微电网设计、管理、维护等因素对DG接入规模的限制，另一方面又可显著增强微电网运行的灵活性、可靠性与经济性。
微电网的结构具有多变性，可以根据各地区的电源形式以及负荷分布灵活配置，但都具有同一个特点：因为容量小并且内部电压等级较低，其拓扑不宜过长，以避免损耗。典型微网结构如图1所示，直流微电网通过直流母线将分布式能源、储能装置（电池、超级电容等）、负荷以及电网连接在一起，并通过公共耦合点并入配电网。分布式电源通过各自的转换器将一次能源转化为电能，并且通过变流器并入电网，分布式能源一般就近获取非可再生能源（天然气、柴油）以及可再生能源（太阳能、风能）［20］。
图1 典型微网拓扑结构
因为微电网的低电压等级以及较低的系统容量，不需要再连接大功率电力设备，所以微电网可以适应于大部分典型的分布式电源如风力发电、光伏发电等接入。微电网大多是微型设备，有益于大规模普及应用，实现消纳分布式电源的目的。为实现给用户输送稳定高效的电能［21］，微网通常与中、低压大电网相连以协调多种形式的能源装置。
直流微电网系统运行中最重要的就是它的协调优化控制，需要统一协调直流微电网系统的分布式能源、储能、交直流双向DC-AC变流器、负载等主要部件，管理各部分的工作情况与出力，从而保证母线电压稳定，保证系统功率平衡，确保直流微电网稳定运行。因为在直流微电网中所有模块都是并联在直流母线上的，所以每个功率单元的电流分配问题也是直流微电网能量管理中的重点课题。
功率单元电流分配控制方法可分为平均电流控制、主从控制以及下垂控制三种［22-25］，其中下垂控制及其变形被广泛应用于直流微电网中。相比于其它控制技术，下垂控制即使是在无通信的情况下也可以实现各模块电流分配的目的，所以更适合于分布式的直流微电网系统。将下垂控制应用于直流微电网系统可使其具备更高的可靠性并做到即插即用，便于系统的扩容［26-27］。直流微电网下垂控制是将下垂曲线控制加在变换器的电流电压双闭环之外，再采用电流电压双闭环控制，图2为控制框图。
图2 下垂控制框图
然而在微电网中，采用下垂控制方式的逆变器还面临着一些弊端和不足，比如受到线路阻抗的影响，微网系统的无功功率不能有效合理分配。当低压微电网系统中，线路的感性与阻性相当时，会导致逆变器输出的有功和无功产生耦合。
为了充分发挥下垂控制的优势并增加它的适用度，国内外学者对下垂控制策略进行诸多改进。文献［28］利用微电网线路总阻抗呈阻性的特点，提出反下垂控制，实现了有功功率和无功功率的解耦，但是依旧无法对无功功率进行分配，且该种方法不能很好地与传统同步发电机兼容。文献［29-31］通过在微电网中加入中央控制器来获取各个分布式电源输出功率及下垂系数，通过计算得到功率的参考值从而对负荷进行精准的功率分配，但是在控制器出现故障时此方法不能使用。文献［32-33］对下垂控制方程进行了修改，通过反正切函数在工作点附近增大下垂系数来提高分配精度，但是线路阻抗的不同会导致工作点的不同，这种方法无法消除分配误差。文献［34］采用了基于小波变换法的改进下垂控制，该方法提高了无功功率分配精度，但是需要微电网中分布式电源的高精度同步控制。此外，在不影响系统可靠性的前提下，部分学者提供了一种运用“虚拟阻抗”来改善系统的功率分配精度的方法。文献［35-36］中加入阻值不变的虚拟阻抗，改变逆变器等效输出总阻抗的阻感比，使得有功和无功可以分开进行调控，无功分配更精准，但是这种方法需要计算线路阻抗参数且由于加入的虚拟阻抗阻值过大，会对电能质量产生影响。文献［37］利用反馈无功功率自适应调节虚拟阻抗，达到提高无功功率分配精度的目的。文献［38］将逆变器输出的无功功率作为自适应虚拟阻抗的调节量，而没有使用无功下垂方程，但是仍然无法消除功率分配误差。文献［39］将二级控制得到的无功功率的参考值与实际值比较计算自适应虚拟阻抗值，但是这种方式需要增设二级控制器。文献［40］利用网络图论的思想，获得相邻分布式电源的信息来自适应调节虚拟阻抗的大小，但是控制方式较为复杂。
所以，在选择下垂控制直流微电网时，可根据不同直流微电网系统的特征，从影响系统运行的重要物理量、需要达成的控制目标、通信情况等因素综合选择合适的下垂控制策略。对于采用一般补偿法的改进下垂控制，可根据系统调节偏差补偿器或者改变关联参数的方式来满足不同系统的应用。对于基于优化补偿法的改进下垂控制，应根据系统相关因素选取合适的智能算法，也可调整算法实现过程中的输入量和优化值等参数，以满足不同系统的应用。
微电网并网运行模式的优化可以提高系统的稳定性。大量的微电源输出功率可以为大电网末端提供电能补充，提高末端电压，同时大电网为微电网提供了电能保障。但是，并网运行也会给大电网带来负面影响，例如会改变系统的无源网络结构、改变电网线路潮流、改变继电保护方式等［41-42］。参与并网操作的并网接口一般采用双向AC/DC换流器，基于换流器实现功率在大电网系统与微电网系统之间的双向流动。
微电网在并网时必然会对电网产生冲击，如何减少并网带来的负面影响，取决于并网时刻和并网条件的选择。下面将从三个方面对微网并网控制技术的研究趋势进行综述。
4.1 微电网并网条件及对电网运行的影响
为了减少微电网并网会对大电网产生的影响，我们需要选择合适的并网条件。文献［43］从微电网拓扑结构、渗透率、安全性和经济效益等方面进行了讨论，对微电网并网电力系统暂态稳定、继电保护和配电网的影响进行了详细阐述，为微电网并网的最优化能量分布和可靠性、安全性给予了足够的理论依据。文献［44］讨论了微电网并网运行所需满足的条件，进一步指明实现微电网并网离网模式平滑切换的最优条件。文献［45］阐述了微电网并网的要求及准则，分析了状态监测，通信保护等方面技术。文献［46］论述了并网变流器的工作方式及单相微网工作状态。文献［47］基于相位角变化提出了一种新的微电网自动并网转换方法。
4.2 微电网的并网特性研究
随着微电网在电网中的应用比例快速增多，其并网对电网造成的影响随之增强，所以需要研究其并网特性以及与大电网的交互特性。文献［48］讨论了恒功率负载和恒阻抗负载发生变化对微电网并网过程产生的影响，结果发现在并网切换时，相角差对并网系统的影响更大，而电压差对并网系统的影响则较小。文献［49］研究了微网系统的准同期并网控制特性，为了改善系统准同期并网控制性能，针对微源虚拟惯性时间常数，提出了微网系统准同期并网控制参数的设计方法。文献［50］对微电网用PSCAD/EMTDC软件进行了仿真研究，分析了燃料电池和微型汽轮机这两种微电网在孤岛和并网的运行方式间的转换。文献［51］讨论了内蒙古北部地区多个微型燃气轮机与其集成的分布式热、电、供冷三联供电系统的运行特性，通过仿真可以看出利用PWM换流器减少注入微电网中的谐波来提高电能质量，并满足系统的电压、频率和负荷的要求。文献［52］对微电网并网控制系统的同步性进行了分析，对微源的数值虚拟惯性时间常数提出了规范。
4.3 微电网并网的控制策略
微电网切换到并网状态采用的方法是改变微电网部分基本参数，如电压幅值、频率等来实现微电网的同步运行。文献［53-54］首先对并网进行频率同步调节，当大电网与微电网的频率差缩小到一定范围后再进行相角调节，其中文献［53］采用比例环节，而文献［54］则采用比例积分环节。文献［55］频率同步调节以及电压调节，通过交叉调节微电网系统的内部电压与外部电网电压相角一致，得到了理想的结果，对幅值和相角分别调节的过程复杂，降低了准同期并网的效率。文献［56］通过串联变换器实现对直流侧母线电压的控制，进而连接大电网。文献［57］对并网变流器采用了一种基于模糊PI控制的算法。文献［58］在微电网并网问题中引进了基于统一潮流控制器，并进行了仿真研究。文献［59］优化了微电网逆变器的并网控制模型，通过智能控制理论对优化控制策略进行了研究。文献［60］基于FPGA技术提出了一种用于微电网并网的方法。文献［61］通过改进的并网逆变器控制策略，减少了电压跳变，维持了微网的稳定。文献［62］研究了飞轮储能的微电网并网状态与短时孤岛状态之间的切换方法。
综上所述，微电网并网控制是微电网运行与控制的关键技术之一，正得到越来越深入的发展［63-65］。实用化的、能考虑并兼容微电网不断变得复杂的运行工况的微电网并网控制策略还需要进一步研究。
微电网既可以与大电网相联并网运行也可以孤岛独立运行。当微电网为孤岛运行状态时，运行特性与并网时有很大差别，若直接将微电网并入大电网，会对系统产生较大的冲击。孤岛和并网间能否平滑切换决定了微电网能否安全运行，降低并网时对电网的暂态冲击，保证重要负载的供电质量。
目前，国内外也对微电网孤岛并网两种模式平滑切换问题进行了很多研究。文献［66］主要考察了微电网孤岛运行，主控制模块复合储能装置能保证微电网在并网离网动作的前后负载有稳定的电能供应。文献［67］优化了同步控制器，在进行并网离网操作过程中，PQ控制和V/f控制两种控制方式的输出做到同步，以此实现微电网的平滑切换。文献［68］针对交直流混合母线微电网的切换问题进行了研究，当微电网由并网运行状态切换到孤岛状态时，对并网运行时的相角积分，当微电网运行状态切换进入并网运行时，同步控制大电网电压与微网系统中逆变器的电压。文献［69］提出一种混合控制策略，在并网运行采用下垂控制，在孤岛操作时变为V/f控制。文献［70］研究了虚拟阻抗和电流反馈共同组成的切换控制方法。切换控制会减轻并网操作中电流波动，缓解逆变器输出电流冲击，但是这种控制方式有一定的复杂性，不容易实现。文献［71］提出了一种新的控制策略，基于滑模控制优化改进下垂控制，增加了它的鲁棒性，减小了微电网两种模式切换过程中的功率振荡，缺点是滑模控制的控制器设计复杂。文献［72］改进了并网逆变器，当微电网发生并网离网操作时控制策略可以保持不变，简化了模式切换，实现了微电网并网时准同期并网，增加了平滑过渡。文献［73］对单相并网电压源型逆变器使用模型预测控制，采用功率解耦控制方式和电压控制相结合的方法，实现两种运行状态之间的平滑切换。
对于控制微电网运行状态平滑切换的研究主要集中在对等控制、主从控制和锁相环三个方面。锁相环的难点在于使其发生运行模式变化时，输出的角频率不发生改变。微电网系统使用主从控制时，逆变器通常在孤岛模式时进行电压控制，在并网时进行电流模式控制。
6.1 微网群研究
我国电网存在一些问题，比如用电交流化程度低、可再生能源不能很好地消纳、配电环节不完善，需要促进智能电网的发展以适应储能技术和电动汽车的发展，微网群概念被提出并得到深入研究［74］。微网群通过合理的协调控制策略可以利用各个微网内的分布式电源，以维持系统可靠稳定运行。
微网群是微电网更高层的结构，目前已经开展了一些对于微电网与微网群的协调控制策略研究，微电网群级协调控制策略主要涉及基于通信的分级管理策略、多智能体控制策略以及主从控制、对等控制等。文献［75］将微网群分为三层控制结构，实现了大电网、微网群和单个微网之间的协调控制。文献［76］从发电模块、微电网、微网群等几个方面对微网群的控制策略进行了研究，提出了虚拟频率下垂控制和状态转移控制策略来控制微电网，并采用了一种微网外特性控制对微网群系统进行协调控制。文献［77］对微网群中采用了多智能体控制系统（Multi-agent），通过系统调度可实现分布式电源自动控制，弊端是采用多智能体技术需要使用通信系统，需要制定相应通信协议。文献［78］采用对等与主从混合控制策略，并结合多分段P/f特性曲线对微电网和微网群进行协调优化控制，最终实现了多微网组网的功率分散管理。
综上所述，在控制结构层面，微网群系统比微网系统多了一层控制级——微网群级控制。微网群中各子微网既有单独的目标，也有微网群系统的整体目标，需要子微网彼此协作完成微网群的整体优化运行，微网群能够有效提高各个微网的抗扰动能力，且微网群协调优化结果优于各子网单独优化结果之和。
6.2 柔性直流微电网
柔性直流输电技术是基于电力电子器件以及高频PWM技术上发展起来的一种新型的直流输电技术，开始发展于20世纪90年代。柔性直流输电技术控制灵活，可以对系统的有功分量和无功分量进行大小方向上的独立控制。由于系统中应用了全控型器件例如IGBT等，基于电压源型换流器的柔性直流输电技术可以独立调节有功和无功功率，并且可以向无源网络送电。正是由于柔性技术的诸多优势，使得柔性直流输电在城市电网中应用前景良好，也可以应用于微网并网方面。同时，由于柔性直流技术的特性，可以将其应用于微网的集群控制中，从而控制微电网之间的功率交换，提高微网群控制的灵活性，可再生能源也可以更广范围地分散接入与波动均担，提高微电网对能源的利用率。
当前对柔性直流微电网的研究主要集中在优化改进微网控制策略、优化调制MMC模块的电平等方面。文献［79］讨论了背靠背的MMC-HVDC控制策略，在逆变侧采用定有功功率控制，在整流侧输入逆变器的给定功率，作为整流侧定直流电压控制的附加控制信号，在系统功率产生波动时，有效抑制电压波动。文献［80］基于MMC等效模型详细分析其运行特性，改进优化传统下垂控制，将所建立模型的直流电压设定值纳入考虑，基于电压偏差，引入多个换流站协调控制系统电压，对暂态故障导致的功率波动具有一定的抑制作用。文献［81］基于电压下垂控制，通过跟踪故障切除前后系统的功率波动，实现受换流站功率实施分配，从而提高系统的功率调节能力。文献［82］基于虚拟惯性作用下交流微电网产生的频率与电压波动的协调控制，提出了一种用于配电网-微电网系统的变流器断面的分布式储能智能控制策略，实时跟踪响应电源侧电压变化，对系统功率波动时直流电压的波动具有一定的抑制作用。文献［83］基于MMC模块，针对逆变站和整流站的协调控制，提出了一种用于两站双端预充电智能控制策略，对MMC模块的充电过程进行拆分，优化改进了充电过程中的电平调制，对换流器解锁产生的冲击电流起到极为有效的抑制作用。
纵观全球柔性直流配电技术的发展趋势，国内直流微电网技术仍处于早期摸索阶段，相比于传统直流微电网，柔性直流微电网具有诸多优势，是未来城市微电网发展的新方向。
针对微电网的协调与控制，未来下垂控制的直流微电网系统还可以在以下两个方向进一步发展。
1)补偿方法
基于例如遗传算法、粒子群算法等更为完善的智能控制算法，改进优化下垂控制过程中下垂曲线系数的寻优。通过不同的补偿方式相结合的方式，针对系统不同的运行模态优化下垂控制，例如将系统的运行模态依据直流母线电压划分，使用更为适合系统不同运行模态运行特点的下垂控制策略。
2）通信方式
在通信技术的选择中，将例如工业以太网、工业总线等更多先进的通信技术应用于直流微电网系统的能量管理中。综合考虑系统数据传输速率、系统规模等相关因素，系统控制策略实现的重要基础为通信方式的可靠性，而未来，采用现代网络管理技术的大规模互联微电网管理系统也将面临例如数据丢包、网络延时等问题。进而，针对下垂控制进行优化和改进时，相关通信网络的结构优化也是必须综合考虑的一个方面。因此，为选择合适的下垂控制策略为直流微电网的控制策略，可针对直流微电网的不同运行工况，综合考虑影响系统的相关参数、控制目标以及系统通信等因素。
很多文献在微网系统孤岛运行与并网运行的平滑切换方面研究了运行状态切换时系统给定指令的变化，但鲜有针对系统不同控制结构对运行状态切换过程影响的研究。在对于对等控制方式的微网系统研究中，逆变器控制方式为改进的下垂控制，可等效为下垂控制的电压源。但由于控制器的结构有时较为复杂，且系统中的功率外环又在一定程度上降低了系统的动态性能，目前，有文献在控制微电网运行状态的平滑切换研究中引入了间接电流控制方式，优化了控制效果，但是依旧存在许多不足之处。
目前，在微网群的研究领域方面现有的文献不足之处主要体现在以下4个方面：大多数文献针对微网群系统的经济性进行改进优化，但是并未综合考虑微网群的环境效益与经济成本的整体协调优化；
微网群处于并网运行状态时，将大电网系统等效考虑为大电源，却忽视了微网群运行时在经济性与稳定性两方面对大电网造成的影响；
针对微网群的优化问题建立模型时，忽视了微网群内部微电网之间的相互影响而仅把微网群等效为更大规模的单微电网；
对于微网群系统中包含的混合储能单元与光伏单元，可针对系统中混合储能单元的功率分配问题与微网群功率的协调和管理控制策略问题开展进一步的探索研究。
