微电网关键技术研究

2014 年 2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.29 No. 2 第 29 卷第 2 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2014 基金国家自然科学基金国际合作项目（ 51261130473）和高等学校博士学科点专项科研基金（ 20120032130008）资助。 收稿日期 2014-01-20 微电网关键技术研究 王成山 ,武震 ,李鹏 （ 教育部智能电网重点实验室 天津大学 天津 300072） 摘要 微电网是发挥分布式电源效能的有效方式，具有巨大的社会与经济意义。由于分布式 电源的多样性及微电网运行方式的复杂性，使得微电网的规划设计、运行调度、保护控制和仿真 实验等方面与传统电力系统有较大区别。本文阐述了微电网中各项关键技术研究中的关键问题与 研究现状，并且探讨了对未来微电网研究的方向。 关键词 微电网 分布式发电 分布式储能 智能配电网 中图分类号 TM727 Research on Key Technologies of Microgrid Wang Chengshan,Wu Zhen,Li Peng （ Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education Tianjin University Tianjin 300072 China） Abstract Microgrid is an effective way to make full use of distributed energy resources. It ha s great significance to both economy and society. Due to the variety of distributed energy resources and the complicated operation modes of microgrid, the planning, operation, protection, control, simulation and experiment of microgrid are quite distinct from traditional power system. Critical issues and current status of the key technologies in microgrid study are elaborated in detail. The future trends of microgrid research are also discussed. Keywords Microgrid, distributed generation, distributed energy storage, smart distribution system 1 引言 微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换 装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发 、 配 、 用电系统 [1]，是一个具备 自我控制和 自我 能量 管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也 可以孤立运行。从微观看，微电网可以看作小型的 电力系统；从宏观看，微电网可以认为是配电系统 中的一个 “ 虚拟 ” 的电源或负荷 [2]。某些情况下， 微电网在满足用户电能需求的同时，还能满足用户 热能的需求，此时的微电网实际上是一个能源网。 将分布式电源组成微电网的形式运行， 具有多 方面的优点，例如 ① 有助于提高配电系统对分布 式电源的接纳能力 。 ② 可有效提高间歇式可再生能 源的利用效率，在满足冷 /热 /电等多种负荷需求的 前提下实现用能优化；亦可降低配电网络损耗，优 化配电网运行方式 。 ③ 在 电网严重故障时，可保证 关键负荷供电，提高供电可靠性 。 ④ 可用于解决偏 远地区、海岛和荒漠中用户的供电问题。 近年来， 微电网的发展在世界各国受到高度重 视。欧盟 在其 发布的 “ 智能电网 欧洲未来电力 发展战略及前景 ” 绿皮书中，提出了欧盟电力发展 的远景规划 “ 建立以集中式电站和微电网为主导的 供电可靠、少环境污染、高经济效益的智能电网形 式 ”； 美国能源部出台的 “ Grid 2030” 发展战略中， 制定了美国电力系统未来几十年的研究与发展规 划，微电网也是其重要组成之一。在我国，国家能 源局发布的可再生能源发展 “ 十二五 ” 规划中 明确 提出到 2015 年，我国将建成 30 个以智能电 网、物联网和储能技术为支撑 的 新能源微电网示范 工程。在此背景下，关于微电网的研究在全球范围 内广泛展开。在 “ 863” 、 “ 973” 等国家重点 项目 的 支持下， 我国也 开展了大量 相关领域 研究 工作，取 得了 丰富的成果。 分布式电源类型的多样性及微电网运行方式的 复杂性使得微电网有别于传统电力系统。本文针对 图 1 所示 微电网的规划设计、运行 优化 、保护控制、 仿真实验等关键技术，阐述了关键问题 和 研究现状， 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 2 并对未来研究方向进行了展望。 图 1 微电网关键技术 Fig.1 Key technologies of microgrid 2 微电网结构 微电网的构成可以很简单，但也可能比较复杂。 例如 光伏发电系统和储能系统可以组成简单的用 户级光 /储微电网， 风力发电系统、光伏发电系统、 储能系统、冷 /热 /电联供微型燃气轮机发电系统 可 组成满足用户冷 /热 /电综合能源需求的复杂微电 网 。一个微电网内还可以含有若干个规模相对小的 微电网，微电网内分布式电源的接入电压等级也可 能不同 ，如图 2 所示，也 可以有多种结构 形式 [3]。 图 2 微电网结构示意图 Fig.2 Illustration of microgrid structure 按照接入配电系统的方式不同， 微电网 可分为 用户级 、 馈线级和变电站级微电网。用户级微电网 与外部配电系统通过一个公共连接点连接，一般由 用户负责其运行及管理；馈线级微电网是指将接入 中压配电系统某一馈线的分布式电源和负荷等加以 有效管理所形成的微电网；变电站级微电网是指将 接入某一变电站及其出线上的分布式电源及负荷实 施有效管理后形成的 规模较大的 微电网。后两者一 般属于配电公司所有，是智能配电系统的重要组成 部分。 按照微电网内主网络供电方式不同， 还 可分为 直流型微电网、交流型微电网和混合型微电网。在 直流型微电网中，大量分布式电源和储能系统通过 直流主网架，直接为直流负荷供电；对于交流负荷， 则利用电力电子换流装置，将直流电转换为交流电 供电。在交流型微电网中，将所有分布式电源和储 能系统的输出首先转换为交流电，形成交流主干网 络为交流负荷直接供电；对于直流负荷，需通过电 力电子换流装置将交流电转换为直流电后为负荷供 电。在混合型微电网中，无论是直流负荷还是交流 负荷，都可以不通过交直流间的功率变换直接由微 电网供电。 3 微电网规划 设计方法 微电网规划 设计的目的 是 在对 负荷需求 和 可再 生能源 资源 情况 进行充分分析预测的基础上 ，依据 特定的目标和系统约束 条件 ，确定系统 结构及设备 配置（包括设备类型、设备容量）， 尽可能实现系统 经济性、环保性及能源利用效率等 量化指标的 优化。 有别于常规配电网的规划，微电网的规划设计问题 与其运行优化 策略 具有高度的耦合性，规划时必须 充分考虑运行优化方法的影响， 基于 系统全生命周 期内的运行 信息 对微电网进行 综合 优化规划 与设 计 。微电网规划设计的研究主要包含三个方面可 再生能源与负荷需求分析、建模方法和优化算法。 3.1 可再生能 源与负荷需求分析 实现微电网合理规划设计的前提是对可再生能 源和负荷需求的分布特性进行准确 的 分析，主要分 析手段包括基于历史数据的方法 [4]和概率统计方 法 [5,6]等。前者简单直接，利用风速、光照强度与负 荷等信息的全年历史数据，对微电网的运行情况进 行序贯分析。 这种方法在 获取小时级的现场历史气 象信息 时 的难度较大，特别是对于偏远地区。在概 率统计相关 类 方法中，一种是基于风、光等的月或 典型年历史统计信息和分布特性，结合蒙特卡洛方 法对可再生能源的全年变化信息进行随机生产模 拟 [5]。当在规划时考虑 复杂的运行优化策略 时，这 类 方法将增加 规划设计时的 计算负担。为此，可利 用随机过程的方法建立风、光及负荷等的 Markov 转移模型 [6]，以较少的状态数替代时序分析，可 有 效 降低计算量。另外，从典型日变化模式的角度出 发，结合风、光、负荷等的统计特性，建立它们各 自的离散状态集 ，通过 聚类方法从风、光与负荷的 历史数据提炼出典型的系统运行场景 ，针对这些典 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 3 型 日变化模式场景集 进行系统规划设计，既可以保 证方案的合理性，又可以 降低计算负担， 同时还可 以依据 各场景出现的概率 进行方案的概率评估 [7]。 3.2 规划设计建模 方法 针对 微电网规划设计 的 建模 工作， 主 要是 在满 足用户用能要求的前提下 ，从技术、经济和环境等 不同角度，选定合理的优化变量、目标函数和约束 条件。 在 优化变量 选择 方面，主要考虑分布式电源、 储能装置与 冷 /热 /电联供 系统所含设备等的 类 型与 容 量， 鉴于微电网规划设计 方案 与运行优化 策略 的 强 耦合性，运行策略及其相关的一些参数也可作为 待决策的变量。具体建模时，一种方式是将所有变 量统一到同一目标函数 下 [8]；另一种是将各层次的 变量区别对待，采用两阶段的建模方式 [9]，即第一 阶段主要确定设备的 类 型、 位置和容量 ， 第二阶段 主要 确定系统的运行策略及其相关的参数。在第二 阶段的 研究中，根据可再生能源与负荷的建模方式 不同， 可采用 基于全年历史数据的序贯优化 方法 [5]， 也 可 有采用典型运行场景的优化 方法 [8,9]。 微电网规划设计目标包含实现系统成本的最小 化、投资收益的最大化、污染物排放的最小化、系 统供电可靠性的最大化等目标中的单个或者多 个 [10]。 在采用 单一目标 函数 时， 主要 考虑系统经济 性 指标的最优化 ， 相关经济性指标由 设备初始投资 、 设备运行维护费用、燃料费用 、 设备更换费用 、 因 资产处置过程中产生的残值以及卖电收益等 构成 ， 覆盖项目的全生命周期。 在采用 多目标 函数 时，可 以考虑经济性、环保性与可靠 性等 目标 的不同组合。 对于环保性 目标 ，可以直接计算相关分布式电源的 污染物排放总量，也可以将计算得到的排放量按一 定的排污惩罚折算为经济性 指标 。而对于系统供电 可靠性的评估，需要计及微电网自身的一些特点。 由于微电网 含有 发 、 配 、 用 环节 ， 需 综合考虑各个 环节的系统可靠性指标。发电环节主要倾向于发电 容量的充裕度评估 [11]，可靠性指标主要有缺供电时 间期望（ Loss of Load Expectation， LOLE）、缺供能 量期望（ Loss of Energy Expectation， LOEE）等， 而配用电环节可借鉴传统配电 网的可靠性评价指 标 [13]。类似配电网的可靠性评估方法，微电网的供 电可靠性也主要采用蒙特卡洛模拟法和解析法两 种 [11,12]。在解析法求解中，主要通过将分布式电源、 储能系统等的运行状态离散化，以枚举系统整体的 运行方式。类似于 对 环保性 指标的处理 ，除了直接 将可靠性作为目标函数外，也可将其折算为经济性 指标 。 由于微电网规划设计 时 需要考虑系统运行优化 策略 的影响，因而在 建立 约束 条件 时，通常需计及 系统运行约束条件，主要包括功率平衡约束、设备 运行约束（出力上下限限制、爬坡率限制、运行时 间限制等）、储能存储容量约束 和 可靠性 约束等。 考虑到储能 系统 的特殊性，微电网中储能 系统 容量配置问题 可单独采取更加有 针对 性 的 优化规划 设计方法 。 例 如，为了抑制可再生能源输出波动 的 影响，可利用离散傅里叶变换对可再生能源输出功 率进行频谱分析 。 基于频谱分析结果，考虑储能系 统充放电效率、剩余能量水平及可再生能源发电系 统目标功率输出波动率的约束，确定所需储能系统 的 最 佳 容量 [14]。 综合以上分析，可建立确定性的规划设计模型， 或者是不确定性的规划 设计 模型 ，并采用合理的优 化问题求解算法进行求解。 3.3 优化算法与软件 为求解微电网规划设计问题，既可采用混合 整 数规划 [8]等数学规划方法，也可采用粒子群算法 [7]、 进化算法 [10]等智能算法。数学规划方法对目标函数 和约束条件的苛刻要求和微电网规划设计问题的复 杂性， 这类方法的应用常常受到一定的 限制 。 智能 算法通常不依赖于具体的应用问题，建模方式相对 宽松，能够方便处理信息的不确定性，在微电网规 划设计 问题求解 中应用 更 为广泛。 目前 ，已有多 种实用化的 规划 设计 软件。 如 HOMER[4]软件，以 微电网全寿命周期成本最低为优 化目标，采用序贯分析的方式，枚举确定最优的分 布式电源配置容量及相关的运行计划 ； DER-CAM[8] 软件，主 要面向 冷 /热 /电联供 微电网 ， 基于给定的 典型运行场景，能够以微电网年供能成本最低为优 化目标，以污染物排放最低为目标或约束，运用混 合整数规划法进行微电网优化规划设计 ； PSDG[19] 软件，提 供了微电网的确定性规划和随机机会约束 规划两种模型，采用两阶段建模框架，能满足设备 选型与定容，单目标与多目标优化，考虑负荷 增长、 设备故障率 、各种 运行控制策略等 因素的影响。 目前针对微电网规划设计的研究 虽然 已有很 多，但仍有 一些 关键 问题 需 要进一步研究解决。例 如 现有的成果在考虑分布式电源选址、可再生能 源的长期波动性、负荷需求的增长 、设备全寿命周 期内的经济性、社会效益等方面的研究还相对简单 ， 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 4 特别是针对可以满足用户冷 /热 /电综合能量需求、 具有综合能源网特征的微电网的规划设计问题，由 于不仅涉及电气设备，还需要考虑各种冷、热设备， 当考虑到冷 /热管网及电力网络时，相关的优化工作 在模型和方法上都还需要进一步深化。 4 微电网 能量管理与 运行优化 微电网的运行优化策略由 能量管理 系统在已知 各种运行信息的基础上制定完成。目的是 根据分布 式电源出力预测、微电网内能源需求、市场信息等 数据，按照不同的优化运行目标和约束条件做出决 策，实时制定微电网运行调度策略 ，通过对分布式 电源、储能设备和负荷的灵活调度来实现系统的优 化运行 。能量管理系统的 主要功能如图 3 所示。 图 3 微电网能量管理的主要功能 Fig.3 Functions of microgrid energy management system 微电网能量管理 系统的 任务可分为短期功率平 衡和长期能量管理 [15]。前者主要用于维持微电网内 电压和频率 稳定， 快速地跟踪负载变化，以及实现 微电网模式切换等，与微电网的控制密切相关；后 者主要是针对不同运行目标的微电网经济调度和优 化运行。 微电网能量管理系统按结构不同主 要有集 中式和分布式两种模式 [16]。 集中式能量管理 系统 由 微电网中央控制器 （ MGCC） 实现能量管理功能， 统一对系统内所有设备进行优化和控制，需要 MGCC 和底层设备间进行双向通 信，可以 及时有效 地 掌握微电网的全局 信息，有利于对微电网的发电 调度与设备控制进行统筹规划 。目前，集中式能量 管理 系统 发展较为成熟，也更易实现。 分布式能量 管理 系统 通过多代理的方式，利用本地控制器对各 设备进行独立的决策和管理。其目标函数和约束条 件与集中式 能量管理 系统 类似，但需建立不同元件 的代理模型，通过代理之间的通 信 和协调完成系统 的优化目标。此结 构弱化了 MGCC 的功能，只利用 MGCC 与外部进行信息交互并处理特殊情况。 采用 分布式能量管理 模式 有助于实现微电网中分布式电 源的 “ 即插即用 ” 和智能化目标，是未来微电网能 量管理系统重要的理论研究和技术 发展 方向。 由于微电网集成了多种能源输入、多种产品输 出 （ 冷、热、电等 ） 、多种能源转换单元，微电网内 能量的不确定性和时变性 很 强，其能量管理与大电 网的优化调度将会有很大不同。 这 主要体现在对各 种信息的预测与优化调度方法两方面。 4.1 预测 方法 在微 电 网中， 预测数据的准确性将直接影响调 度方案的最终效果，相关研究工作包括发 电预测、 负荷预测、市场信息、设备故障等不确定性因素， 评估不确定性对微电网优化运行结果的影响，并采 取相应措施提高系统优化运行的预期效果 等 。发电 预测主要是针对间歇式可再生能源的短、中期输出 能量预测，通过对风速、光照强度和环境温度等的 预测实现。常用的预测方法包括基于数值天气预报 模型的预测方法 [17]和基于历史数据的预测方法 [18]。 负荷预测包含对微电网内冷、热、电在内的多类型 负荷进行短期预测。考虑到需求侧响应、电动汽车 充电以及冷热负荷的延时特性，负荷预测的难度会 进一步加大，相关技术有待进一步研究 [16]。市场信 息 主要指在电力市场环境下，对电价机制进行研究， 把握电价变化规律，有效预测电价信息。 4.2 优化调度方法 微电网的调度策略可划分为优化策略 和 启发式 策略 。前者 根据优化目标自行决定系统运行方案， 后者一般针对有限的系统运行模式按照给定的调度 逻辑确定调度方案。优化策略 一般能获得比启发式 策略更理想的优化效果，但 在实际工程实施时，由 于各种不确定性因素的存在，可能会弱化优化的效 果。 由于微电网调度优化问题是一个复杂的实际工 程问题，在制定调度策略时要综合考虑系统随机、 多目标等自身特性 [19]，特别是针对 冷 /热 /电联供 系 统进行 优化时还需考虑到策略实施的延时性对 优化 结果的影响 [20]。当在规划设计阶段考虑优化调度策 略问题时，需 根据规划设计 方案 制定更合理 的 优化 调度策略 [9]。 在 微电网运行优化 过程中， 最常用的目标为经 济目标和环境目标。经济目标主要 实现 微电网的运 行成本和 设备 折旧成本最低；环境目标主要 是实现 微电网环境效益最 大化 。微电网运行优化模型中的 约束条件包括系统功率平衡方程 、 设备本身的发电 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 5 特性约束 、 资源环境条件约束 、 微电网与配电网之 间的交换功率约束、储能 系统荷电状态约 束、系统 旋转储备约束等。并网型微电网和孤立型微电网的 目标函数和约束 条件有所不同。并网型微电网中应 考虑配电网向微电网的供电费用和旋转储备费用， 以及微电网向电网供电的回购收益约束条件中， 功率平衡方程和旋转储备约束中包含配电网的部 分。而孤立型微电网中，需要微电网内部电源满足 负荷和旋转储备的要求，优化目标和约束条件中不 含配电网的部分，优化模型相对简单。 当进行 多目标 优化 时，由于不同目标之间可能 存在冲突，这就需要充分根据系统实际 情况 ，因地 制宜地对系统优化运行的目标进行协调，实现微电 网综合价值的最大化。以经济和环境 两个 目标为例， 可将环保目标转化为经济性目标进行处理，如采用 碳关税对二 氧化碳排放进行经济惩罚，该方法实际 是将多目标问题转化为单目标问题进行处理 [21]。对 于不能直接转化的目标，可以选取一个基准方案， 使用与基准方案目标值的比值，将各目标转化为无 量纲的数值，然后通过加权平均的方法转化为单目 标问题 [22]。另一种方法是采用多目标方法进行处 理，要求找到由非占优解空间构成的 Pareto 解， 采用 博弈论 方法等找到前沿中适合该问题的最优 解 [23]。 随着微电网的发展， 其 能量管理系统的功能也 将不断发展和完善。从未来微 电 网 “ 即插即用 ” 功 能的要求出发，微电网能量管理 系统 还要 具备 适应 新设备接入和系统 扩展 的 能力，因此对其通用性和 鲁棒性提出了更高要求。 微电网的能量管理系统实 际可以看作是智能配电系统能量管理系统的重要组 成部分，随着配电网中分布式电源与微电网接入数 量的增加，需要更加综合性的能量管理系统，以支 持分布式电源、微电网、配电系统的协调优化运行， 这也是未来能量管理系统的重要发展方向 。 5 微电网保护与控制 5.1 微电网保护 微电网保护涉及的故障情况可分为微电网外部 故障和微电网内部故障。其中，微电网内部故障在 微电网并网运行和孤立运行两种模式下，所呈现的 故障特性及所采取的保护方法又有所不同，且与微 电网 内分布式电源的控制方式紧密相关。 当 微电网 并网运行时 ， 如果 微电网外部或内部 发生故障，应首先检测外部故障是否为永久性故障， 或内部故障是否导致微电网运行状态不符合 IEEE 1547 等标准的要求 [25]，从而判断微电网是否需要从 主网解列。若发生内部故障且无需解列时，应快速 切除故障部分，减小对微电网内其他部分以及外部 电网的影响。 当发生永久性外部故障时，为了保证 外部系统检修的安全性， 微电网 必须与外部电网解 列。检测外部系统是否发生了永久性故障的工作也 称为 孤岛检测 工作 。目前 ， 孤岛检测方法主要有被 动式检测和主动式检测两种方 法 ， 被动式检测在 微 电网内 分布式电源出力与负荷功率匹配的情况下无 法检测出孤岛状态 [24]；主动孤岛检测方法包括主动 频率偏移法 [26]、主动电流扰动法 [27]，以及 采用 自适 应无功功率控制的主动孤岛检测方法 [28]等。大多主 动检测方法主要针对 微电网内仅具有 单个分布式 电 源 的情况，且对分布式电源的控制系统依赖性较大 ， 含多个电源的微电网孤岛 准确 检测算法仍有待深入 研究。 在微电网 孤立运行模式下 ，当 发生内部故障时， 与并网模式下外部电网 一般会 提供 较大的 短路电流 不同，基于 电力电子变换器 的分布式电源所提供的 短路电流 常常 被限制在两 倍额定电流以内 ，这可能 会给保护装置的参数整定造成困难 。一种解决方法 是 根据微电网运行模式的不同改变保护的整定值 。 这种 方法 的优点是 保护的整定值计算简单 ， 但 要求 保护 系统 具有 更 高的适应性 [29]。采用基于通信的差 动保护，通过比较两端保护的电流信息，可以有效 实现故障识别和可靠切除 [30]；针对并网模式下短路 电流大的特点，通过合理设计短路电流限制器参数， 可以得到 较 优的方向过电流继电器整定值，从而实 现两种模式下的微电网保护 [31]。 5.2 微电网控制 微电网中的分布式电源和储能设备按照并网方 式可以分为逆变型电源、同步 机型电源和异步机型 电源 ， 其中大部分为基于电力电子技术的逆变型电 源。 对于逆变型分布式电源， 并网逆变器控制是微 电网控制的关键，当微电网中有多个逆变 型 电源时， 需要对其进行协调控制，以满足微电网在并网运行、 孤立运行，以及两种运行模式间切换时的不同需求， 保证微电网 运行的 稳定 性 [32]。微电网一般采用如 图 4 所示 的 三层控制结构。 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 6 图 4 微电网分层控制结构 Fig.4 Hierarchical structure of microgrids control system 5.2.1 第一层控制 依据分布式电源或储 能设备在微电网中所起的 作用不同，需要采取不同的控制策略，主要分为 恒功率控制 （ PQ控制 ）、 恒压 /恒频控制 （ V/f 控制 ） 和 下垂控制 （ Droop 控制 ） 。下垂控制 又 具有两种基 本形式 ① f-P 和 V-Q 下垂控制方法 [33]； ② P-f 和 Q-V 下垂控制方法 [34]。 前者根据功率的变化决 定频 率和电压值，后者根据频率和电压的变化决定功率 值。当 光伏、风机等分布式发电系统采用最大功率 追踪控制 时 ， 属于 恒功率控制。 微电网并网运行时，由电网提供电压和频率参 考，各分布式电源一般采用恒功率控制。部分可控 型分布式电源也可采用 f-P 和 V-Q 下垂控制方法 ， 在电网电压幅值和频率降低时，能够支撑电网电压 和频率。若主电网发生 非永久性 故障导致微电网并 网点（ PCC 点）三相电压跌落或不对称时，通过相 应控制方法可提高各分布式电源的故障穿越能 力 [35]，从而增大 PCC 点处正序电压分量和减小负 序电压分量，降低电网电压的不对称度。 微电网孤立运行时， 需 由微电网内主电源建立 电压和频率参考，该层控制可分为主从控制模式和 对等控制模式。 在 主从控制模式中，微电网内的一 个分布式电源 （ 或储能设备 ） 采取 V/f 控制，为微 电网提供电压和频率参考，而其 他 分布式电源则采 用 PQ控制 [36]。负荷功率的变化主要由主电源跟随， 因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且 能够足够快 地 跟随负荷的波动变化。 在 对等控制模 式中，微电网中参与电压、频率调节和控制的多个 可控型分布式电源 （ 或储能设备 ） 在控制上都具有 同等的地位 [37]，通常选择 P-f 和 Q-V 下 垂控制方法 ， 根据 分布式电源 接入点就地信息进行控制。 与主从 控制模式相比，在对等控制模式中采用下垂控制的 分布式电源可以自动参与输出功率的分配，易于实 现分布式电源的即插即用 。 5.2.2 第二层控制 微电网并网运行时，第二层控制的主要目标为 降低微电网内可 再 生能源 与负荷的波动对主网的影 响，使微电网作为一个友好、可控的负荷接入主网。 通过微电网中心控制器 （ MGCC）对各 分布式电源 下发合理的功率指令 ，通过 联络线功率控制 可 实现 这一点 。利用功率型和能量型储能组成的混合储能 系统，可分别抑制可再生能源输出功率的高频和低 频波动分量，但应注意维持各储能设备运行在合理 的荷电状态范围，避免过充或过放 [30]。通过需求侧 响应对可控负荷进行控制，也可实现微电网联络线 功率的控制 [40]。 微电网孤立运行时，采用主从控制模式能维持 微电网电压和频率恒定，负荷的变化主要由主电源 跟随，需要通过 MGCC 实现各分布式电源间的功率 合理分配 [41]。采用对等控制模式时，能同时解决电 压频率稳定控制和输出功率合理分配，但 这是一种 有差控制， 负载变化前后系统的稳态电压和频率会 有所变化。此时，该层控制的目标主要是恢复微电 网电压和频率，以保证电压和频率满足负荷可靠运 行的要求 [42]。一种可行的方法是 采用集中二次控 制，由 MGCC 根据检测到的电压和频率，调整微电 网中各下垂控制器的下垂曲线设定点等控制参数， 实现微电网电压和频率恢复控制。其缺陷为过于依 赖 MGCC，一旦 MGCC 出现故障将无法实现电压和 频率恢复 。另一种方法为采用分布式 二次控制，各 分布式电源根据微电网内其他分布式电源出口电 压、频率等信息，在本地分布式电源的控制器内通 过电压和频率恢复控制算法实现下垂控制参数的调 节，使得微电网电压和频率恢复控制系统的可靠性 得到提高 [43,44]。 微电网运行模式无缝切换控制也在第二层控制 中实现，该部分应具备电网故障检测、微电网与电 网同步等功能，并对微电网并网静态开关和主电源 控制模式切换进行协调控制 [36]。 当采用主从控制模 式时，一种典型的 控制时序如图 5 所示，包含微电 网运行状态切换和主电源控制模式切换。 若主电源在微电网并网和孤立运行模式下均采 用 P-f 和 Q-V 下垂控制方法，则在微电网运行模式 切换时，无需切换控制模式 [45]。否则，为保证微电 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 7 图 5 微电网 无缝 切换运行模式基本控制时序 Fig.5 Basic control sequence for the microgrid seamless mode transfer 网主电源控制模式平滑切换，主电源控制系统在 PQ 控制和 V/f 控 制模式之间切换时 应 尽可能减少切换 功率变化量 [46]。如采用图 6 所示控制结构，在切换 前后，两种控制模式中使用相同的电流内环，模式 切换时仅对外环控制器进行切换。在模式 切换中， 采用合理的补偿控制算法和切换控制逻辑，可有效 降低模式切换过程中的暂态冲击 [36]。 图 6 主电源控制结构示意图 Fig.6 The control structure for the master DG 5.2.3 第三层控制 该层主要为微电网能量管理系统 层 [32]，通过相 应能量优化算法 ① 确定微电网并网运行时，与大 电网之间联络线输出功率参考 值（ 作为微电网第二 层控制目标参考值 ） ； ② 在微电网孤立运行时，调整 各分布式电源输出功率参考 值 或下垂曲线稳态 参考 点和分配比例 系数 设定等信息，实现微电网经济 运 行等功能。 6 微电网仿真与实验研究 6.1 微电网数字仿真 数字仿真是微电网研究的主要手段之一，对于 研究微电网运行机理、规划设计、优化运行、保护 控制等问题提供了必要的工具和强有力技术支撑。 从 数字 仿真角度看，微电网 是 化学、热力学、电动 力学等行为相互耦合的复杂非线性系统。微电网中 不同设备和控制系统的时间常数差异较大，整个微 电网系统呈现出强刚性的特点。数字仿真技术应实 现对微电网中微秒级快速变化的电磁暂态过程、毫 秒级变化的机电暂态过程、秒级到分钟级变化的中 长期动态过程和系统稳态运行过程的全过程仿真。 微电网的 强非线性、强刚性等特点对数字仿真技术 从计算能力、数值稳定性和计算速度方面提出了更 高的要求，传统的数字仿真工具有时不能满足各种 情况下微电网全过程仿真的需 要 。目前，相关研究 主要从建模和仿真方法两方面对微电网的数字仿真 性能进行提升。 6.1.1 微电网综合建模技术 对微电网的建模涵盖各个结构层面及不同时间 尺度，应针对不同的研究目的，建立各种元件在不 同时间尺度下的仿真模型，并根据需要合理选择仿 真模型，从而保证仿真精度和效率。此外，对于微 电网中非线性部分的化简或降维能够极大地提高仿 真速度，如对分布式电源的非线性静态 特性通过分 段线性拟合化简 [48]，以及结合自动微分技术降低计 算中仿真模型的雅可比矩阵维数 [49]等。 6.1.2 微电网数字仿真方法 微电网稳态分析是微电网稳定性仿真、规划、 调度的基础，与常规配电系统稳态分析相比，其特 殊性首先体现在分布式发电系统的建模方面。根据 分布式电源的运行方式和控制特性，可将其处理为 PV、 PI、 PQ、 PQV 节点等几种类型 [50]。此外，还 需要考虑交直流混合微电网的特性，发展微电网交 直流混合潮流模型，为稳定性仿真提供交直流初始 运行点 [51]。 在微电网稳定性仿真中，与传统的电力系统 机 电暂态仿真类似，系统由一组微分和代数方程进行 描述。考虑到微电网的特性，在求解过程中，传统 的显式算法可能无法满足数值稳定性的要求，而隐 式算法 较大的 计算量可能影响仿真速度。为此，多 种改进的算法显示出在仿真速度和稳定性上的优 势，如多速率求解算法 [52]、显式 隐式混合积分算 法 [53]、基于数值微分求导的隐式求解算法 [54]，以及 适用于刚性微分方程的投影积分算法等。 在微电网 电磁 暂态仿真中，大量的电力电子设 备要求在仿真中采用更小的计算步长来满足精度需 求。对电力电子设备的精确求解涉及计算矩阵时变、 步长间开关动作、数 值 振 荡等问题，需通过线性插 值结合临界阻尼调整法 [55]进行处理，而微电网的强 非线性使其精确求解过程又涉及非线性方程迭代求 解 [56]。这使得微电网暂态仿真的计算规模严重受限 于其仿真计算速度。除了高效的稀疏技术外，采用 第 29 卷第 2 期 王成山 等 微电网关键技术研究 8 并行仿真算法可大大提高求解效率，其核心是网络 分割和并行计算技术，及多节点、多任务之间的数 据通 信 技术。针对微电网特点，可将电气系统与控 制系统的求解过程进行解耦及并行计算 [57]。另一种 思路是从算法层面研究加快仿真速度的可能性，如 基于矩阵指数运算的显式数值积分算法、基于状态空 间的网络化简方法等 [58]，均能在保证 算法 稳定性的同 时改善微电网 电磁 暂态仿真的计算精度与速度。 微电网暂态实时仿真是与现实时钟同步的暂态 仿真，对计算速度要求严格。与传统输电网实时仿 真相比，微电网实时仿真 应 依据研究问题的不同， 选择合适的研究部分或环节定义 仿真区域，最极端 的情况可能需要以整个微电网系统为对象进行实时 仿真。因此，实时仿真一般需要通过系统分块、预 存矩阵等技术手段保证仿真速度，而且综合考虑仿 真实时性以及成本因素，采用 PC-Cluster[59]、 FPGA 等新型底层硬件开发微电网实时仿真系统也成为发 展趋势。 6.2 微电网实验 研究 与传统电力系统相比，微电网规模较小，其相 关研究不仅可以借助真实的物理装置进行实验，甚 至可以按 1 1 的比例构建微电网实验系统，真实地 再现研究对象。构建微电网物理模拟仿真实验室或 示范性微电网系统的意义在于 （ 1） 通过微电网实验与仿真结果的对比，验证 或修正仿真模型与参数的正确性，为微电网仿真研 究提供验证平台 。 （ 2） 通过微电网实验发现微电网实际运行中 真 实存在的问题，为更深入的研究创造条件 。 （ 3）微电网实验系统能够 作 为微电网的运行、 控制、保护、能量管理及相关技术理论的实现载体。 将物理模拟实验与数字仿真结合 ，形成数字仿真与 物理模拟的微电网综合仿真和实验系统，可以扩展 已有物理动模实验室的仿真规模，充分发挥现有动 模实验室的仿真能力，是未来的发展趋势。 近年 来，在欧美、日本等微电网发展较早的国 家陆续建立了多个微电网实验平台，早期的微电网 实验平台 大 多结构简单，功能单一，针对性较强。 雅典国立大学建立的 NTUA微电网是最早一批的欧 洲微电网实验平台 [60]。该微电网为单相低压系统， 其目的主要是对分层控制的微电网结构进行验证。 美国电力可靠性技术协会（ CERTS） 为验证其微电 网概念，在威斯康辛大学麦迪逊分校建立了一个包 含 3 台分 布式电源的微电网实验平台 [61]。通过相关 实验验证了在微电网中能够利用分布式电源的下垂 控制策略，实现微电网的暂态电压和频率调整，以 及微电网并网和孤岛模式间的模式切换。美国国家 可再生能源实验室（ NREL）建立了包含三个子微 电网的交直流混合微电网平台，在此基础上进行了 各种分布式发电系统的可靠性测试、并网技术研究， 并在此基础上参与了美国分布式发电和微电网相关 的导则制定工作 [62]。 微电网在全球范围内发展迅速，中国、韩国、 新加坡以及部分南美与非洲国家和地区也相继建立 了 微电网实验平台，近期建设的微电网平台多呈现 出结 构复杂、电源 类型多样 、控制和能量管理功 能 更完善等特点。天津大学在 国家 973计划项目 “ 分布 式发电供能系统相关基础研究 ” 的支持下建立了天津 大学 微电网实验平台 （ Tianjin University Microgrid Testbed, TUMT） 。该实验平台主要有以下特点