隨筆之十-微網運行與控制

微電網，現在無疑是比較前沿的內容，國內這塊與國外相比有一些差距。參與做過一些微電網規劃，比如三沙島的，也參觀過一些實驗室的微電網模型，許繼的示範項目，試著總結一二。

一、微電網概述

首先說說分散式能源和微電網的區別吧。

分布式能源（DER）：一般定義為包括分散式發電（DG）、儲能裝置（ES）和與公共電網相連的系統。其中DG是指滿足終端用戶的特殊需求，接在用戶側的小型發電系統，主要有內燃機，微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能、風能等發電系統。

分散式能源有很多優點，比如可實現能源綜合梯級利用，彌補大電網穩定性方面不足，環境友好等，但是它的最本質缺點在於不可控和隨機波動性，從而造成高滲透率下對電網穩定的負面影響。

所以，分散式能源和微電網的本質區別就在於前者不可控，後者可控。

微電網（MG）把分散式發電、儲能裝置、負荷通過控制系統協調控制，形成單一可控單元，直接接在用戶側，優點是非常明顯的。

微電網的控制模式和策略是裡面的關鍵部分，無論是系統級的主從、對等和綜合性控制模式，還是逆變器級的P/Q、U/f、下垂控制，乃至和儲能相結合的控制方式，都是微電網的核心部分。而這些，在分散式能源系統裡面是不會涉及的。

所以說，很多外面在搞的微網項目，特別是中國人在國外援建，都是在混淆概念，沒有控制系統，其實只能叫做分散式發電（分散式能源系統都算不上）。

所以說微電網的核心在於「自治獨立，協調互濟」，自治獨立指的是微電網具備阻斷電網故障影響的能力，使微電網的孤網運行具有不失負荷或者少失負荷；協調互濟指的是微電網和主網可以建立互相支援的關係。

國外這塊，美國，歐盟和日本研究和應用較為領先，三者之間對於微電網的定義略有區別但不大，國內這塊，學校裡面天大好像還可以，示範工程許繼有兩個。

二、微電網的架構

微電網的體系結構一般採用國際上比較成熟的三層結構（許繼的示範工程也是如此）：配電網調度層、微電網集中控制層、分散式電源和負荷就地控制層。

這塊就不多展開了，比較直白。

三、微電網控制策略

控制策略是微電網的核心關鍵部分。

微電網的運行分為併網運行和離網運行（孤島運行），控制策略也是圍繞這兩種狀態和切換過程進行。

微電網控制體系主要如下圖所示：

• 第一層為逆變型電源的逆變器級控制

這一層的控制模式主要分為：恆功率控制(PQ控制)、恆壓/恆頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。

恆功率控制(PQ控制)：顧名思義，就是實現有功和無功的控制=參考值。當光伏、風機等分散式發電系統採用最大功率追蹤控制時，屬於恆功率控制。微電網併網運行時，由電網提供電壓和頻率參考，各分散式電源一般採用恆功率控制。當然，部分可控型分散式電源也可採用f-P 和V-Q 下垂控制方法，在電網電壓幅值和頻率降低時，能夠支撐電網電壓和頻率。

恆壓/恆頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)：

恆壓/恆頻控制，即控制電壓和頻率。

下垂控制，則比較重要且複雜些，即選擇與傳統發電機相似的頻率一次下垂特性曲線（Droop Character）作為控制方式，即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取穩定的頻率和電壓，這種控制方法對微網中的微源輸出的有功功率和無功功率分別進行控制，無需機組間的通信協調，實現了微源即插即用和對等控制的目標。

微電網孤立運行時，需由微電網內主電源建立電壓和頻率參考，該層控制可分為主從控制模式和對等控制模式。

在主從控制模式中，微電網內的一個分散式電源(或儲能設備)採取V/f 控制，為微電網提供電壓和頻率參考，而其他分散式電源則採用PQ 控制。

在對等控制模式中，微電網中參與電壓、頻率調節和控制的多個可控型分散式電源(或儲能設備)在控制上都具有同等的地位，通常選擇P-f 和Q-V 下垂控制方法，根據分散式電源接入點就地信息進行控制。

與主從控制模式相比，在對等控制模式中採用下垂控制的分散式電源可以自動參與輸出功率的分配，易於實現分散式電源的即插即用。

所以一般來說，下垂控制核心在於負荷功率變化時，不同分散式電源的功率自動通信和共享，P/Q控制核心在於根據實際運行情況，對分散式電源有功和無功指定控制。

兩者區別已經很清楚了，直觀的說一個主要對外，一個主要對內。PQ控制對外用於併網，被處理為一個恆定的功率輸出；下垂控制用於孤島，沒有公網的電壓頻率支撐，要自治地負責系統的電壓頻率的調節滿足要求。

• 第二層控制

微電網併網運行時，第二層控制的主要目標為降低微電網內可再生能源與負荷的波動對主網的影響，使微電網作為一個友好、可控的負荷接入主網。

通過微電網中心控制器(MGCC)對各分散式電源下發合理的功率指令，通過聯絡線功率控制可實現這一點。微電網孤立運行時，採用主從控制模式能維持微電網電壓和頻率恆定，負荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過MGCC 實現各分散式電源間的功率合理分配。採用對等控制模式時，能同時解決電壓頻率穩定控制和輸出功率合理分配，但這是一種有差控制，負載變化前後系統的穩態電壓和頻率會有所變化。此時，該層控制的目標主要是恢復微電網電壓和頻率。

微電網運行模式無縫切換控制也在第二層控制中實現，該部分應具備電網故障檢測、微電網與電網同步等功能，並對微電網併網靜態開關和主電源控制模式切換進行協調控制。

• 第三層控制

該層主要為微電網能量管理系統層，通過相應能量優化演算法：①確定微電網併網運行時，與大電網之間聯絡線輸出功率參考值(作為微電網第二層控制目標參考值);②在微電網孤立運行時，調整各分散式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩態參考點和分配比例係數設定等信息，實現微電網經濟運行等功能。

這裡其實只是簡單總結了下微電網的控制模式，在實際運行中和儲能模塊相結合這塊還是非常複雜的，特別是離網控制，涉及穩態，動態和暫態的三態控制，併網控制稍微簡單些，只需考慮穩態控制即可。

四、微電網規劃

微電網規劃這塊國內目前也還是慢慢開始做，並不是很成熟。

裡面具體的可以看一些文獻和資料，定容、儲能、協調控制，優化演算法結合在一起，還是比較複雜的。

用的軟體主要是HOMER軟體，軟體本身還是比較強大的，我沒有用過就不多說了，以後想抽空學下。

五、微電網保護

微電網保護問題根源在於分散式電源使得配電系統從單電源輻射式網路變為「潮流雙向性網路」，主要是三個問題：1）分散式電源與原有配電網保護的配合問題 2）分散式電源對線路重合閘的影響 3）孤島監測和反孤島措施。

傳統配電網典型保護設計方案通常是主饋線採用電流速斷保護和過流保護組成的兩段式保護，並配置三相一次重合閘裝置。電流速斷按照線路末端故障有靈敏度的方法整定，過流保護按保護線路全長加時限整定。

1）分散式電源與原有配電網保護的配合問題

如圖所示。

一是導致本線路部分保護靈敏度降低及拒動，部分保護的靈敏度增加。如圖，當K3發生接地故障時，由於MG的分流作用，使B3感受到的故障電流減小，B3的靈敏度降低：當K2點發生接地故障，B4將流過MG提供的故障電流，使保護B4的靈敏度增加。

二是導致本線路保護誤動。當母線處或K1發生接地故障時，B3流過MG提供的反方向短路電流，當MG饋入電網的功率足夠大時，將使B3誤動。

三是導致相鄰線路保護誤動，失去選擇性。當K4發生接地故障，B1流過MG提供的短路電流，如果MG的容量足夠大，那麼B1的保護範圍將可能延伸到下一段線路，使保護失去選擇性。

2）分散式電源對線路重合閘的影響

依舊如圖。

K3發生接地故障，保護B3的電流速斷保護立即動作斷開故障線路，但MG的PCC從檢測外部故障到SS斷開MG需要一段時間，期間MG和B3所在的饋線構成孤島運行，如果此時保護B3的前加速動作，可能會造成非同期合閘。同時，MG繼續向故障點提供電路電流，可能使故障點電弧重燃，擴大事故。

保護B3的前加速必須與PCC處的靜態開關SS動作時間配合。所以，必須限制MG提供的短路電流，以公共配電網電流速斷或定時限過流保護的定值為約束條件，以減輕MG接入對重合閘前加速，後加速的影響。

3）防孤島保護

孤島效應當主電網由於故障或檢修而停止對部分負荷供電時,用戶側的分散式電源可能與負 荷構成一個可獨立運行的孤網系統,從而脫離電網調度系統的控制,如果不能明確地 給出孤網系統與主電網的斷開點,則可能引發一系列人身和運行隱患。

這塊內容涉及到一些孤島監測方法，可以結合IEEE 1547 孤島檢測標準看看。

4）微電網保護措施

一是微電網系統級保護。關鍵是其與公共配電網的連接點PCC，可知，微電網併網運行對配電網繼電保護的影響因素主要取決於兩個因素：注入配電網的短路電流大小和持續時間。當公共電網發生永久性故障或微電網的運行狀態不符合標準時，要求微電網進入孤網運行，PCC的迅速動作能減輕微電網對公共配電網繼電保護的不利影響。所以，PCC安裝的控制與保護裝置必需能夠檢測並準確判斷電網的各種故障情況，迅速做出響應，決定微電網是否進入孤網運行。

二是微電網單元級保護。當公共電網發生故障或電能質量下降，如過電壓，電壓偏低等，對於敏感負荷，需要微點網快速斷開與公共電網的連接，微電網進入孤網運行模式。微電網單元及保護主要是應對微電網內部發生的各種故障所配置的保護。

具體來說比如限制DG的容量與接入位置，配電網故障時，DG立即退出，引入故障電流限制手段如故障限流器等。

保護這塊確實不擅長，也就隨便總結一些。

六、微電網工程實例

許繼河南分散式光伏發電及微電網運行控制試點工程是國內首個包含光伏發電、電力儲能，並具有微電網特性的試點工程，是國家電網公司唯一的微電網試點項目。該項目以河南財政稅務高等專科學校屋頂380 kW光伏項目為依託，由380 kW光伏電源、2 組100 kW/100 kWh 儲能系統、約34 路用電負荷、相關控制單元和保護單元構成光儲聯合微電網系統，可以實現微電網併網到離網，離網到併網的平滑過渡。

圖 中的負荷迴路和光伏發電迴路實際上對應有多路負荷迴路和光伏迴路。本示範工程將離網狀態定義為：1DL 和2DL 均跳開，即孤島狀態。併網狀態定義為：1DL 和2DL有一個合上。

正常運行時，1DL 及分段3DL 合上，2DL 斷開，微電網為併網運行。系統和光伏電源同時給用電負載供電。

如果系統故障，導致1DL 斷開，微電網進入離網運行，光伏發電、儲能系統和用電負荷構成微電網的計劃孤島運行模式，持續供電。當系統電源恢復，則合上1DL 或2DL 開關，微電網由離網運行轉入併網運行。

此項目的保護與控制裝置有：光伏逆變器，儲能變流器，微電網系統控制器，負荷控制器，饋線保護控制器。除了以上保護控制器外，還有一套後台集中控制中心完成系統的集中控制和管理。

在微電網的併網、離網過程中，系統控制流程如圖所示。

本項目中所有光伏逆變器在這整個過程中均作P/Q 控制。在併網狀態，按最大出力發電，在離網狀態，由後台集中控制中心根據需要控制出力。在整個過程中，光伏迴路可以認為是功率為負值的負載迴路。

儲能迴路二配置的2#儲能變流器在這整個過程中均作P/Q 控制，由後台集中控制中心根據需要進行充放電控制。在過程中，儲能迴路可認為是功率可調節的負載迴路。

儲能迴路一配置的1#儲能變流器在併網狀態作P/Q 控制，由後台集中控制中心根據需要進行充放電控制。在離網狀態作V/f 控制，穩定系統的電壓和頻率，作為微電網的主電源，其他光伏迴路和儲能迴路根據此電壓和頻率作P/Q 控制，共同維持系統的穩定運行。

負荷控制器主要完成離網後的快速負荷切除功能，饋線保護控制器完成饋線的保護控制功能。

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