移频控制无通信线互联的微电网控制技术

文章针对微电网分层控制中出现的问题，如微电网并网转离网失败及存在离网“缝隙”，在离网转并网过程中存在合闸冲击等问题。提出移频控制无通信线互联的微电网控制技术，并搭建了20kW，400V微电网物理模型系统进行实验验证。验证了采用该方法可以实现不依赖通信，无MGCC，由储能装置与DG自主并联，无通信线互联的微电网系统，可以实现微电网并网转离网无缝切换，离网运行能量平衡，离网转并网的无冲击并网。

0 引言

分布式发电(distributed generation，DG)接在用户侧附近，采取就近发电、就近并网。DG接入配电网，当电网扰动或故障造成电压频率异常时，要求DG退出运行，避免DG接入对配电网安全运行造成影响。为解决DG接入配电网的矛盾，充分发挥DG优势，Lasseter B提出了微电网(micro-grid，MG)的概念，MG是指由DG(含光伏、风机等DG)、储能装置、负荷和控制装置等组成的具有自我控制、管理和保护的自治系统，既可以与配电网并网运行，也可以孤岛离网运行，MG技术是有效利用DG发电的技术途径。

微电网控制方式主要有主从控制、对等控制、综合分层控制3种控制方式。

1)主从控制。在微电网离网运行时需要主电源(储能装置)由P/Q控制模式转换为V/f控制模式，在并网运行时又需要主电源(储能装置)由V/f转换为P/Q控制模式，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)对等控制。各个DG根据接入点的电压和频率，采用Droop控制并参与微电网离网运行时的电压和频率调节，采用Droop控制可以不依赖通信，但微电网在离网运行时如何保持电压和频率的稳定性是需要继续解决的问题。

3)综合分层控制。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。本文结合采用综合分层控制方式微电网工程，分析其存在的问题;提出移频控制无通信线互联的微电网控制技术并进行实验验证，实现不依赖通信、不增加控制设备、仅由储能装置与DG实现自主并联，是一种最简单物理结构的即插即用微电网方案。

1 微电网分层控制的主要问题

微电网分层控制结构如图1所示，把微电网分成能量管理层、协调控制层、就地控制层的3层控制结构。能量管理层实现配电网中多个微电网能量管理;协调控制层由MGCC集中管理各个DG、储能装置、负荷，响应能量管理层的调度管理并协调就地控制层设备，实现微电网的并网运行及离网运行控制;就地控制层由分布式电源、储能、负荷控制器以及智能终端等设备构成，实现数据采集、就地保护控制、分布式发电调节、储能充放电控制和负荷控制，对于小型简单微电网，可以简化结构，将能量管理层与协调控制层合并，采用2层控制体系结构。

图1 微电网分层控制结构

1.1 并网运行

微电网并网运行时，微电网通过公共连接点(point of common coupling，PCC)与配电网相连接，MGCC对主储能电池进行管理，让储能电池维持在荷电状态(state of ge，SOC)上限，尽可能多储存电能，这样可以使微电网在离网运行时尽可能长时间的工作。

1.2 并网转离网

在外部电源失去时，需要从并网状态转入离网状态，也就是非计划孤岛;或者在计划调度需要时，微电网转入离网状态，也就是计划孤岛。

1.2.1 计划孤岛PCC交换功率调节

在计划性孤岛时，MGCC根据计划调度指令要求，首先调节储能出力，使PCC交换功率为零，储能、各DG出力与负荷达到平衡;MGCC发出指令跳PCC开关，储能由P/Q工作模式转换为V/f工作模式，微电网进入离网运行状态。MGCC调节储能出力使PCC交换功率为零的原因是防止交换功率过大;在MG发电过多、向配电网输送有功过大时切换，会引起微电网在离网瞬时过电压，主储能电源因为过电压保护停机。

1.2.2 非计划孤岛过电压

在非计划性孤岛时，如果MG发电过多、向配电网输送有功过大，由于微电网能量突然不平衡，就会造成微电网还来不及切换，孤岛保护过电压发生，从而造成主储能因孤岛过电压停机，从而使微电网并网转离网失败。

1.2.3 非计划孤岛切换“缝隙”

在非计划性孤岛时，如果PCC交换功率不大，孤岛发生时，孤岛过电压不足以引起主储能停机。此时检测出孤岛后，跳PCC开关，进入离网运行状态，微电网瞬间失电，主储能经过并转离过程，经过一定时间，主储能电压频率恢复正常，从瞬间失电到主储能电压频率恢复正常的时间，就是非计划孤岛“缝隙”，尽管可以采取一定措施，包括采用快速动作的电子开关缩小“缝隙”，但不能彻底消除“缝隙”，这也是目前运行的微电网普遍存在的“有缝”切换问题。

1.3 离网运行

1.3.1 电池充放电管理

离网运行时需要MGCC对主储能电池进行主动管理，尽量多的利用分布式发电，这样可以保障微电网尽可能长时间离网运行。在负荷较小时，由MGCC管理主储能，把DG发出的多余电能储存起来，当主储能充电到储能的上限时，MGCC限制主储能充电，不然会引起主储能过充电保护停机，将整个微电网“黑掉”;在负荷较重时，当主储能放电到储能的下限时，MGCC限制主储能放电，采取切除负荷的方式，维持微电网运行;不然会引起主储能过放电保护停机，将整个微电网“黑掉”。

1.3.2 分布式发电控制

微电网离网运行时，MGCC对分布式发电及负荷进行预测，根据采集到各个节点的电流、电压、功率、开关量等信息，控制各DG及储能的出力，实现微电网的离网能量平衡。MGCC通信出现问题时，无法进行分布式发电控制，微电网不能正常运行。

1.4 离网转并网

微电网在离网运行期间，配电网电源恢复正常，或计划性孤岛恢复，需要微电网从离网恢复到并网运行。由于微电网离网运行时的电压与配电网电压存在角差及频差，并网恢复时采取同期角度小于定值时并网恢复，尽量减少并网恢复瞬间的合闸冲击。如果同期时合闸冲击过大，合闸冲击电流会造成主储能过电流保护动作而停机，整个微电网会被“黑掉”，微电网从离网转并网应尽量做到冲击小，实现“平滑”切换。

通过以上分析：微电网并网运行、并网转离网、离网运行、离网转并网的控制都离不开MGCC，而MGCC又依赖通信;即便这样，还不能解决过电压、切换“缝隙”、合闸冲击等问题。

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