徐海亮 張禹風 聶 飛 孟志遠 李 志

(中國石油大學(華東)新能源學院 青島266580)

1 引言

近年來，隨著化石能源危機和環(huán)境污染問題的加劇與凸顯，開發(fā)利用清潔能源，特別是以風能、光伏為代表的新能源，成為世界主要經(jīng)濟體的共同選擇。新能源開發(fā)通常有兩種模式，規(guī)?；惺胶托⌒突稚⑹?。相比前者存在的遠距離電力輸送技術和成本問題，后者可直接接入低壓配電網(wǎng)絡，且臨近負荷中心，便于就地消納。然而，風、光等新能源固有的間歇性、波動性以及電力電子化的接入方式，對低壓配電網(wǎng)絡的規(guī)劃、運行控制構成了新的挑戰(zhàn)。對此，作為解決分布式電源接入電力網(wǎng)絡有效手段，微電網(wǎng)(以下簡稱“微網(wǎng)”)技術一經(jīng)提出就受到廣泛關注，且在新能源運行控制方面展現(xiàn)出強大的技術優(yōu)勢[1-3]。

盡管目前世界各地已建有多個微網(wǎng)示范工程，但關于微網(wǎng)技術的研究依然火熱。從2016～2020 年IEEE Xplore和中國知網(wǎng)關于“Microgrid”、“微電網(wǎng)”主題的文獻檢索情況來看(截止2020 年3 月1 日前，含在線發(fā)表)，論文數(shù)量分別超過10 000篇(其中，期刊論文3 000余篇)和3 800篇。國外學者Josep M.Guerrero(丹麥奧爾堡大學)、Bhim Singh(印度德里理工學院)、Yasser Abdel-Rady I.Mohamed(加拿大瑞爾森大學)、Mohammad Shahidehpour(美國伊利諾理工學院)以及國內(nèi)學者王成山(天津大學)、楊蘋(華南理工大學)、艾芊(上海交通大學)、韓肖清(太原理工大學)等，在微網(wǎng)技術研究領域取得了較為豐富的學術成果。

總體上看，圍繞微網(wǎng)技術研究主要集中于以下幾個方面：規(guī)劃設計[4-6]、建模分析[7-9]、運行控制[2，10-20]、能量管理與儲能[21-23]、功率變換與調(diào)制[24-25]、保護[26-29]、穩(wěn)定性[30-33]、電能質(zhì)量[34-36]等。其中，微網(wǎng)運行控制，作為該技術領域的難點和關鍵之一，更是吸引了國內(nèi)外學者的廣泛研究興趣。如，文獻[10]針對故障情況下PQ 控制分布式電源(Distributed generation，DG)低電壓穿越時引起的無功倒送問題，提出了一種孤島微網(wǎng)的主從控制的優(yōu)化故障控制策略；文獻[11]則針對直流微網(wǎng)變換器并聯(lián)導致的功率分配不均和母線電壓控制問題，研究了一種基于主動電壓擾動的直流微網(wǎng)負載均流控制策略；文獻[12]提出了一種含母線電壓補償和負荷功率動態(tài)分配的協(xié)調(diào)控制策略，解決了孤島直流微網(wǎng)需要獨自承擔系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定和精確功率分配的問題；文獻[13]針對微網(wǎng)中分布式電源下垂一次控制中產(chǎn)生的系統(tǒng)頻率和電壓靜態(tài)偏差的問題，提出了一種基于強化學習就地反饋方法的分布式二次優(yōu)化控制，利用本地信息即可兼顧頻率恢復和電壓調(diào)整的需求。文獻[14-15]則分別就交直流混合微網(wǎng)、直流微網(wǎng)的拓撲機構和控制策略進行了系統(tǒng)綜述。

鑒于近年來微網(wǎng)技術發(fā)展迅猛，關于運行控制層面的研究更是層出疊現(xiàn)。為充分展示該技術領域的最新研究成果，本文對近幾年國內(nèi)外學者提出的微網(wǎng)運行控制技術進行了梳理歸納，從微網(wǎng)運行控制的難點是什么、微網(wǎng)運行控制的關鍵如何把握、 目前已有的控制技術及其優(yōu)缺點、下一步微網(wǎng)運行控制的研究動向等方面進行了分析，并對后續(xù)技術發(fā)展進行了討論和展望。

2 微網(wǎng)運行控制的技術難點

2.1 拓撲結構多元致使控制難以統(tǒng)一的問題

根據(jù)微網(wǎng)的母線連接方式，可以將其分為交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)和交直流混合微網(wǎng)等三類。每一類又可因具體網(wǎng)絡結構的差異細分為若干種子拓撲。以交直流混合微網(wǎng)為例，可粗略地細分為四個子類：孤島型[37-39]、交流側并網(wǎng)型[40-42]、直流側并網(wǎng)型[43-44]、交直流對等型[45]，具體拓撲如圖1 所示。微網(wǎng)拓撲結構和形態(tài)的多元，使得其控制重點和難點有所不同，難以提出一種普遍適用的控制方案。這是目前微網(wǎng)運行控制技術層出不窮的重要或根本原因。以圖 1 所示交直流混合型微網(wǎng)為例，其控制重點分別介紹如下。

(1) 孤島型微網(wǎng)。由于缺少主電網(wǎng)的支撐，其控制重點是通過分布式能源間的配合以及子微網(wǎng)(系統(tǒng))間的功率互動，維持直流子微網(wǎng)電壓和交流子微網(wǎng)電壓頻率的穩(wěn)定。

(2) 交流側并網(wǎng)型微網(wǎng)。通過交流子微網(wǎng)并入交流電網(wǎng)，其控制重點是微網(wǎng)的并離網(wǎng)切合機制設計與運行控制，避免模式切換造成的系統(tǒng)功率振蕩。

(3) 直流側并網(wǎng)型微網(wǎng)。通過雙向DC/DC 變流器經(jīng)由直流子微網(wǎng)接入主電網(wǎng)，其控制重點是離網(wǎng)運行模式下直流母線電壓的穩(wěn)定控制。相比交流側 并網(wǎng)型微網(wǎng)，其并離網(wǎng)過程相對簡單。

(4) 交直流對等型微網(wǎng)。交流、直流子微網(wǎng)分別通過聯(lián)絡變流器接入主電網(wǎng)，其控制重點是交流電網(wǎng)故障下兩聯(lián)絡變流器的協(xié)調(diào)控制，以確保母線電壓和頻率的穩(wěn)定。

2.2 小慣量系統(tǒng)下源荷的不確定性問題

微網(wǎng)中大量可再生能源的接入會帶來兩個方面的問題：一方面，風電和光伏采用電力電子裝置接入電網(wǎng)，使得機組輸出功率與系統(tǒng)頻率解耦，造成系統(tǒng)轉動慣量減小和調(diào)頻能力不足的問題，致使頻率失穩(wěn)風險上升[46-50]；另一方面，風電和光伏等間歇性電源具有明顯的波動性和不確定性[51]。與此同時，微網(wǎng)中負荷亦可能存在波動性，如作為新一代交通工具的電動汽車充放電具有大容量和隨機性的特點。波動性微源和負荷同步接入，導致微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和供電的可靠性面臨巨大挑戰(zhàn)[52-53]。

為使風電、光伏機組能夠像傳統(tǒng)同步發(fā)電機一樣參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，國內(nèi)外的研究學者進而提出了風機-儲能協(xié)同控制[54]、備用功率控制[46，55]和虛擬慣量控制[56-57]等方法。為兼顧系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性，文獻[58]綜合考慮了風電預測誤差、負荷波動以及發(fā)電機非計劃停運等不確定性因素對旋轉備用的需求，研究了一種各時段旋轉備用優(yōu)化配置方法，最終提出一種基于多場景的概率性旋轉備用優(yōu)化方法。文獻[53]建立了電動汽車不同充放電方式下直流配電系統(tǒng)小信號導納模型，提出了不同充放電模式的統(tǒng)一虛擬慣量控制策略。文獻[59]則針對源荷曲線的數(shù)據(jù)分布特性與形態(tài)波動特征，提出了一種新能源-負荷相似度指標和曲線波動度指標，以傳統(tǒng)機組運行成本最小、新能源與負荷的總調(diào)節(jié)量最小、新能源消納量最大為目標，獲得了期望的總負荷曲線和新能源出力曲線。

2.3 微源功率變換模式的多樣性及協(xié)調(diào)控制問題

在微網(wǎng)系統(tǒng)中，風機、光伏、燃氣輪機、蓄電池等分布式電源通過電力電子變換器分別接入交流或直流母線。在同一子微網(wǎng)中，這些變換器通常呈并聯(lián)結構。微網(wǎng)的協(xié)調(diào)能力取決于上述變換器的功率調(diào)節(jié)能力。但是，這些不同類型的變換器具有不同的工作原理和控制策略，加深了協(xié)調(diào)控制的難度。因此，在定義整個微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方式之前，應該依據(jù)各個微源的功能定位對變換器進行分類描述。

微網(wǎng)中變換器的功能目標有兩種，一種是調(diào)節(jié)本地的潮流，另一種是保持微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。但是由于這兩個控制目標存在沖突，每個變換器只能同時服務于一個目標[60]。因此，需要根據(jù)變換器(包括變換器及其所接負荷或電源)控制目標的不同，將其分為終端調(diào)節(jié)單元和母線調(diào)節(jié)單元兩類。終端調(diào)節(jié)單元的控制目標是滿足電力需求，它只能根據(jù)終端條件做出決定，而不參與維持微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。不可控負荷和保持最大功率點跟蹤的分布式電源就是終端調(diào)節(jié)單元，對于這些單元，其功耗或發(fā)電不隨電壓水平而變化。換言之，終端調(diào)節(jié)單元作為微網(wǎng)系統(tǒng)中的恒定功率負載/源，如圖2a所示。而母線調(diào)節(jié)單元控制目標是保持整個微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。這類單元通過根據(jù)電壓反饋信號調(diào)整注入微網(wǎng)的功率來主動調(diào)節(jié)母線電壓[61-62]，可以描述為與等效阻抗Zeq串聯(lián)的電壓源形式，如圖 2b 所示。

2.4 通信聯(lián)絡的取舍及方式問題

無論是交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)，亦或是交直流混合微網(wǎng)，其運行控制必然會對通信網(wǎng)絡有著或多或少的依賴[62-64]。下面將基于有、無互聯(lián)通信網(wǎng)絡的兩類微網(wǎng)控制形式，分析微網(wǎng)中通信的利弊取舍及其實施方式問題。

2.4.1 基于無互聯(lián)通信的控制技術

下垂控制目前是基于無高速互聯(lián)通信中應用最為廣泛的一種微網(wǎng)運行控制方法[65-66]。其之所以能夠在無互聯(lián)通信下進行運行控制，本質(zhì)上利用的是系統(tǒng)本身的電氣參數(shù)作為“通信”信號[67]。對于不同的微網(wǎng)拓撲，傳統(tǒng)的下垂控制原理構成是一樣的，均由兩部分組成：一是將反饋的本地“通信”信號(如直流母線電壓)代入預設下垂曲線，進而得到電壓外環(huán)的參考值；二是具有能夠實現(xiàn)電壓參考值快速、準確跟隨的電壓電流控制環(huán)路[68]。下垂控制的優(yōu)勢是不依賴于強通信，結構簡單、方式可靠，但其仍屬于有差調(diào)節(jié)[65]。當直流母線電壓較大范圍變化時，為保證功率能夠快速達到平衡狀態(tài)，需要選擇較大的下垂系數(shù)，進而會使得頻率出現(xiàn)大幅度的偏移。文獻[69]將線路阻抗產(chǎn)生的影響考慮在下垂系數(shù)的計算之內(nèi)，一定程度上提高了頻率控制精度。為抑制微網(wǎng)母線電壓波動，文獻[70]提出了一種基于下垂系數(shù)步長自適應的下垂控制策略。文獻[71]同樣提出了一種基于自適應下垂特性的控制策略，以期對功率進行精確分配策略進而對直流母線電壓進行無偏差控制，在實現(xiàn)上述功能的同時進一步實現(xiàn)了分散控制模式下的孤立直流微網(wǎng)的功率精確、合理分配，并且在功率分配的策略中考慮到了本地負荷對直流母線電壓波動產(chǎn)生的影響。這些都是有益的改進探索。

2.4.2 基于互聯(lián)通信的控制技術

基于無互聯(lián)通信的控制技術結構簡單、易于實現(xiàn)，但仍存在功率分配精度不足、電能質(zhì)量較低的缺點[72]，需要對其偏差進行校正。對此，文獻[73]提出基于低速通信的分層控制技術：第一層控制沿用傳統(tǒng)的下垂控制，利用低速通信實現(xiàn)各分布式電源之間的信息共享；第二層控制對下垂曲線進行二次調(diào)節(jié)。對原有分布式控制存在的系統(tǒng)冗余較高、分配精度不足問題進行折中處理。

基于高速互聯(lián)通信的分層控制技術相較于上述基于低速互聯(lián)通信的控制技術有著更高的功率分配精度。文獻[74-76]將微網(wǎng)按照時間尺度劃分為三層進行控制，其中第一層為設備級控制，第二、三層為系統(tǒng)級控制，從而進一步提高微網(wǎng)的可擴展性及其整體的運行可靠性。具體各層的實施方案及優(yōu)缺點如下。

第一層控制可分為主從控制或對等控制。主從控制可靠性較差，當主控制單元出現(xiàn)故障，可能會導致整個微網(wǎng)功率失衡進而可能導致母線電壓或系統(tǒng)的崩潰[77]；而對等控制中含有多個主控制單元，其地位是平等的，因而當某一控制單元出現(xiàn)故障時，其余控制單元仍然能夠保持母線電壓穩(wěn)定，使得系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性與可靠性[78]。類似于基于低速互聯(lián)通信網(wǎng)絡的分層控制技術，此時下垂控制仍是較為常見的設備級控制方式[79]。

由于第一層控制中出現(xiàn)的直流母線電壓偏差等問題，第二層控制可分為如下幾種：① 集中式通信與控制[80]，此類控制結構中，第二層通信、控制均由集中控制器實現(xiàn)，因而在其出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將無法正常運行，可靠性較低；② 集中制通信與分布式控制[81]，此類控制結構將第二層控制器嵌入至本地控制單元中，進而使得通信總線接收到來自不同單元控制器發(fā)出的信號。但是此類方法會使得通信總線壓力較大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；文獻[82]為了規(guī)避分層控制結構中的通信故障對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，在控制器中采用雙冗余參考信號；通信情況正常時，接受模型預測主控制器的參考信號，一旦發(fā)生通信故障，本地控制器將迅速將參考信號切換為電壓分層控制策略產(chǎn)生的信號；③ 分布式協(xié)同控制[83]，各主控制單元通過與臨近單元進行信息交換，更新自身狀態(tài)，相較于上述兩種控制方式具有更高的靈活性與穩(wěn)定性。文獻[84]提出的孤島微網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化運行方法不需要中央控制器，僅需要相近分布式微源之間互換各自的微增率，就可以達到微網(wǎng)運行的經(jīng)濟最優(yōu)狀態(tài)，與此同時還提高了系統(tǒng)的控制性能。

第三層控制為能量管理層，通?；谖⒕W(wǎng)的經(jīng)濟性、碳排放等指標對各微源出力進行總體安排，屬于最高決策層。該層通?？捎蓡蝹€綜合能源管理系統(tǒng)實施，其通信聯(lián)絡體現(xiàn)于各微源出力、負荷響應信息的“上傳下達”。此處不再贅述其控制方式。

綜上，可將本小節(jié)基于不同通信技術的實施方法的優(yōu)缺點總結為表1。

表1 基于不同通信技術的控制方法的優(yōu)缺點總結

3 微網(wǎng)運行控制的幾個關鍵

3.1 控制策略需要與系統(tǒng)規(guī)劃耦合設計

良好的控制與規(guī)劃策略對微網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性起著重要的作用。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，微網(wǎng)在控制和規(guī)劃過程中有較大的難度。一方面，微網(wǎng)中存在著風能、光能、熱能、電能等多種能源形式，負荷也分為冷、熱、電、氣負荷。這使得微網(wǎng)在規(guī)劃和控制過程中需要考慮多種能源和負荷的建模過程，調(diào)度過程中需要考慮多個優(yōu)化目標[85-87]，控制過程中也需要考慮多源之間的相互作用，以及負荷與源的協(xié)調(diào)性。另一方面，微網(wǎng)存在著并網(wǎng)和孤島兩種模式，兩種模式下的規(guī)劃和控制方式也不盡相同。

目前，對于微網(wǎng)的控制與規(guī)劃流程的協(xié)同優(yōu)化已經(jīng)有不少研究[88-90]，大致的設計流程如圖3 所示[90]。首先是對微網(wǎng)系統(tǒng)的建模過程，不同于常規(guī)的優(yōu)化調(diào)度過程，微網(wǎng)控制規(guī)劃這一過程多了一個控制方式的建模，控制方式多是常見的下垂控制、主從控制等。完成建模后，需要選取合適的優(yōu)化目標。從圖3中可以看出，微網(wǎng)的控制與規(guī)劃是一個耦合系統(tǒng)，有多種信息的輸入，在運行時考慮電能質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、發(fā)電成本等多種優(yōu)化目標?？刂苾?yōu)化部分和經(jīng)濟優(yōu)化部分可以進行信息的雙向交流，使得二者在優(yōu)化過程中能夠考慮到對方的信息，從而實現(xiàn)優(yōu)化的協(xié)同性。最后在智能優(yōu)化算法的參與下，實現(xiàn)控制與規(guī)劃的一體化，從而實現(xiàn)微源的出力優(yōu)化與經(jīng)濟指標優(yōu)化。

通過上述的方式能兼顧微網(wǎng)的控制方式與規(guī)劃，得到的結果既能滿足系統(tǒng)的功率、能量約束，又能獲得較好的經(jīng)濟性。但上述方式也存在著一定的不足。對于建模過程和優(yōu)化目標這兩部分不會有太大的難度，因為有關微網(wǎng)的控制方式和源荷的數(shù)學建模在國內(nèi)外已有廣泛的研究，并且取得了不少研究成果。但是在優(yōu)化算法這一部分結合控制方式與規(guī)劃的調(diào)度有較大難度，目前的優(yōu)化算法主要應用在電力系統(tǒng)或是微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，控制與經(jīng)濟調(diào)度的耦合程度較低，且執(zhí)行過程較為簡單。對于控制與規(guī)劃高度耦合的情況，需要處理涉及電能、電價、環(huán)境等多方面的信息，這無疑加大了運算量，因此須用到更加復雜的算法。例如文獻[89]所提出的算例，以下垂控制和經(jīng)濟自動發(fā)電為控制方式，考慮了經(jīng)濟調(diào)度和電能質(zhì)量，這種情況下普通的神經(jīng)網(wǎng)絡已無法運算這種復雜的系統(tǒng)，需要借助極限學習機和相關模塊來運算。

綜上，考慮到多優(yōu)化目標的復雜性，學者們對于微網(wǎng)的控制與規(guī)劃研究多是側重于某一方面[90-92]，即電能質(zhì)量或是經(jīng)濟指標。對于兼顧控制與規(guī)劃的高耦合系統(tǒng)研究相對較少，但其基本的方法理論已經(jīng)存在，通過算法優(yōu)化與改進，將是控制與規(guī)劃耦合設計的關鍵技術路徑。

3.2 微網(wǎng)內(nèi)部及微網(wǎng)單元交互穩(wěn)定性

隨著分布式發(fā)電技術的迅速發(fā)展，多種類微電源、負荷的出現(xiàn)，多模式控制方式對功率潮流的影響，多運行模態(tài)的交替以及機械尺度時間與電磁尺度時間的共存使得分布式發(fā)電設備以及分布式儲能元件具備與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)不同的動態(tài)特性。不同動態(tài)特性之間的交互作用，又進一步重塑了電力系統(tǒng)的功率變換、控制策略等動態(tài)特性，從而危及動態(tài)穩(wěn)定性。根據(jù)交互作用的對象不同，將影響微網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性因素分為微網(wǎng)單元交互和微網(wǎng)內(nèi)部單元交互兩個方面，如圖4 所示，具體分析如下。

3.2.1 微網(wǎng)內(nèi)部交互

微電源和多種負荷的強耦合作用影響微網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性甚或引起不同頻率的振蕩。微網(wǎng)內(nèi)各微源控制器的動態(tài)特性對微網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定性起關鍵作用。有研究表明，通過對功率控制器控制參數(shù)的精確選取能夠增加系統(tǒng)阻尼，減少因系統(tǒng)受擾或能量管理策略導致的過補償及誤動作情況[93]。同時，阻感負載與電力電子變流器的鎖相環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)控制器會因控制器帶寬相近產(chǎn)生強耦合引起振蕩[94-96]。通過有源阻尼的方法對接口特性重塑能夠起到抑制振蕩的效果，但也會進一步引起微網(wǎng)的低慣量化，使抗擾能力下降。此外，在微網(wǎng)內(nèi)部，各分布式電源的實時信息采集系統(tǒng)獨立為一個終端節(jié)點，削弱了微網(wǎng)系統(tǒng)的連接性，同樣會影響到微網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定性[31]。

3.2.2 微網(wǎng)單元交互

多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)實質(zhì)上是將空間上臨近的各獨立微網(wǎng)整合，構成內(nèi)部能夠實現(xiàn)能量流動的微網(wǎng)系統(tǒng)。頻率穩(wěn)定性是互聯(lián)微網(wǎng)穩(wěn)定的關鍵因素，各微網(wǎng)受到運行目標、約束條件限制，難以實現(xiàn)功率的動態(tài)平衡，從而危及到穩(wěn)定性。儲能元件的參與以及能量的多向流動為各獨立微網(wǎng)提供了備用容量支撐，極大程度增強了系統(tǒng)魯棒性。需要注意的是，各微網(wǎng)的單獨穩(wěn)定會因為運行狀態(tài)的突變而發(fā)生功率搖擺，當頻率變化率達到解列要求，多微網(wǎng)的交互穩(wěn)定即被打破[97]。文獻[98]提出基于背靠背變流器的協(xié)調(diào)控制策略，既可將微網(wǎng)間的功率置換互為備用，又能夠實現(xiàn)快速功率交換，提高了互聯(lián)系統(tǒng)的魯棒性。

3.3 虛擬同步控制與頻率調(diào)節(jié)

隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的日益增大，電網(wǎng)的慣性下降問題引起了廣泛關注。與傳統(tǒng)火電機組相比，新能源通過電力變換裝備實現(xiàn)最大功率追蹤的運行方式顯著降低了電網(wǎng)的慣量，致使系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性受到較大程度的威脅[99]。傳統(tǒng)同步發(fā)電機能夠參與電網(wǎng)電壓和頻率的一次調(diào)節(jié)和二次調(diào)節(jié)[100]，通過轉子釋放和吸收動能達到輸入輸出功率的平衡，具有較大的轉動慣量和阻尼。虛擬同步控制正是基于模擬同步發(fā)電機的這一特點，為改善新能源的低慣量特性而提出的解決方案。采用虛擬同步控制的微電源無論運行于離網(wǎng)還是并網(wǎng)模式，均能夠根據(jù)微網(wǎng)或負荷的變化需求自主運行和管理，維系系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定[101]。如在并網(wǎng)模式運行時，采用虛擬同步控制的分布式電源，可以模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的運行特性，當電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動時，能夠比照同步發(fā)電機的轉子運動方程，由轉子釋放或吸收能量，友好接入電網(wǎng)。

虛擬同步發(fā)電機主要由直流側儲能元件、三相橋式逆變器和濾波電感以及電阻組成，其慣量支撐特性由直流側的母線電容模擬，其拓撲結構如圖5所示[102]。圖5 中分別為虛擬同步發(fā)電機的內(nèi)電勢、三相并網(wǎng)機端電壓和三相并網(wǎng)電流；L 和R 分別為等效同步電抗，P 和Q 分別為虛擬同步發(fā)電機輸出的有功和無功功率。

虛擬同步控制的實施方案根據(jù)其途徑不同可概括為以下幾個方式，如圖6 所示。

3.4 功率變換器控制技術

高效、高可靠性功率變換器及其先進控制策略是微網(wǎng)運行控制的關鍵。以交直流互聯(lián)變流器為例，它是負責交直流混合微網(wǎng)之間功率流動的關鍵環(huán)節(jié)[39，103]。其運行控制方式對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及效率等方面都起到至關重要的作用。當前大部分文獻對互聯(lián)變流器功率變換技術的研究主要從兩個方面展開：一方面是將傳統(tǒng)變流器控制方法進行移植[104-105]，主要包含電壓-頻率(V/F)控制、恒功率控制[106]、下垂控制等。

另一方面，文獻[107]通過數(shù)學推演，將不同量綱下的交流子網(wǎng)頻率和直流子網(wǎng)電壓進行標幺化處理，進而歸算到同一量綱下進行計算。兩者差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器后可得互聯(lián)變流器的有功功率指令值。當多臺互聯(lián)變流器并聯(lián)時，功率則無法按照自身容量正常分配。針對此時功率分配問題，文獻[108]提出了一種改進的下垂控制方法，用以平衡交直流子網(wǎng)及多互聯(lián)變流器之間的功率分配。文獻[109]提出在功率控制回路中引入一控制變量，該控制變量可以根據(jù)不同的功率控制目標進行靈活調(diào)整，并將功率按照比例分配到交直流子網(wǎng)的平衡節(jié)點中。文獻[110]提出了一種交直流混合微網(wǎng)互聯(lián)變流器統(tǒng)一的分層控制策略。由于其同樣適用于分層控制的交直流混合微網(wǎng)，當通信故障情況出現(xiàn)時，分布式結構能夠使得此系統(tǒng)具有一定通信故障穿越的能力。

當交直流微網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行狀態(tài)之間進行切換時，母線電壓由于其運行狀態(tài)的改變而發(fā)生較大幅度的變化，從而導致互聯(lián)變流器電壓出現(xiàn)波動。因而能否實現(xiàn)兩種運行模式之間的平滑切換同樣值得深入研究。文獻[111]提出了一種能夠在并網(wǎng)和孤島運行模型間平滑切換的控制策略，使得交直流側保持平衡，確保系統(tǒng)在切換前后保持穩(wěn)定。除此之外，由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化仍有可能導致母線電壓發(fā)生較大波動。傳統(tǒng)的比例積分(Proportional integral，PI)調(diào)節(jié)器無法保證在發(fā)生較大擾動情況下仍然能夠得到良好的動態(tài)響應[112]。而比例積分微分(Proportion integration differentiation，PID)調(diào)節(jié)器雖然在一定程度上能夠改善采用PI 調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)的動態(tài)性能，但仍有可能難以快速跟隨[113]。對此，文獻[114]提出一種不使用任何PID 調(diào)節(jié)器的模型預測電壓功率控制策略，用以確保微網(wǎng)與電網(wǎng)之間的潮流保持穩(wěn)定。上述各類功率變換器控制的優(yōu)缺點如表2 所示。

表2 不同功率變換器控制方式下的優(yōu)缺點

4 已有的典型微網(wǎng)運行控制技術

目前，微網(wǎng)微網(wǎng)的運行控制方法大致可以分為三種：主從控制、對等控制和分層控制。下面簡要概述其技術進展。

4.1 微網(wǎng)的主從控制

該控制方式下，系統(tǒng)的一個或多個分布式電源采用V/F 控制，并將該分布式電源的電壓和頻率作為參考，其他的分布式電源采用P/Q 控制。提供電壓和頻率參考的分布式電源為主控制器，其他分布式電源為從控制器。

主從控制的控制方式較為簡單，可以在孤島模式下有效地跟蹤負荷的變化。但是，當采用主從控制下的微網(wǎng)系統(tǒng)如果從并網(wǎng)模式切換到孤島模式時，主控制器就從原來的P/Q 控制方式切換到了V/F控制，其他的分布式電源雖然仍采用P/Q 控制，由于其參考電壓和頻率改變了，模式切換過程技術難度大[115]。另外，主控制器對于處于孤島模式下的微網(wǎng)的穩(wěn)定性起著決定性的作用，如果其容量不足，那么將無法為整個系統(tǒng)提供功率，微網(wǎng)也難以維持穩(wěn)定。

基于以上問題，目前對微網(wǎng)主從控制的研究主要分為了兩部分：一是研究主控制器在微網(wǎng)發(fā)生狀態(tài)轉變時能夠平滑地切換到相應的工作模式，二是減弱主控制器的決定性作用。

對于狀態(tài)平穩(wěn)切換，學者們多是從逆變型分布式電源模型出發(fā)，研究在切換過程中的電壓電流響應情況。如文獻[10]闡述了無功倒送對運行在孤島模式下微網(wǎng)的不利影響，并提出了在故障期間協(xié)調(diào)主控制器與從控制器的優(yōu)化故障策略；文獻[116]則從微網(wǎng)中的主從式逆變器出發(fā)，提出了一種基于滑模控制策略的可調(diào)度電耦合分布式能源電流控制和電壓模式控制方案，能夠在平衡或者失真的負載電流下保證主控制器單元輸出電壓質(zhì)量。

對于減弱主控制器的決定性作用，有學者建議采用儲能的方式，值得關注。如文獻[117]提出將主控制器與儲能單元結合起來，在發(fā)生故障的情況下確保主控制器能夠及時地調(diào)用儲能單元，以維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定；文獻[118]則提出將超級電容和蓄電池組合成復合儲能裝置，通過對兩種儲能裝置的單獨控制，使得復合儲能裝置在響應迅速、大量出力的同時能夠保持穩(wěn)定性。

4.2 微網(wǎng)的對等控制

與主從控制相比，對等控制易于實現(xiàn)“即插即用”的功能，并且由于省卻了通信系統(tǒng)，可大幅度降低系統(tǒng)成本。采用對等控制模式時，各分布式電源需要進行就地控制。然而，對于采用下垂控制的微網(wǎng)，負載變化前后微網(wǎng)的電壓和頻率會有一定差異，即是一種有差調(diào)節(jié)。

目前，實際采用對等控制下的微網(wǎng)較少，對于該控制類型下的研究也處于起步階段，多是從穩(wěn)定性分析[119]、改進控制方式[120-121]等方面進行。值得關注的是，近年來關于直流微網(wǎng)對等控制的研究及示范較多。如文獻[44]提出了一種采用對等控制的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，并在日本沖繩構建了一個可為19人居住的房屋供電的微網(wǎng)系統(tǒng)，證明了其所提出的控制策略的有效性。

4.3 微網(wǎng)的分層控制

分層控制模式與集中控制有關，微網(wǎng)的集中控制是指在微網(wǎng)中設置中央控制器，負責處理來自各處的信息，并將處理后的結果送至各單元，控制各單元的相關裝置，以使微網(wǎng)的電壓和頻率達到穩(wěn)定[18]。

分層控制一般可以分為三層：微源變換器控制層、功率控制層、能量管理層。分層控制能夠及時地處理信息，靈活地協(xié)調(diào)各單元的工作情況，使整個微網(wǎng)在兩種工作模式下都能安全穩(wěn)定地運行。因此，基于分層體系下的微網(wǎng)控制技術成為了當下的研究熱門，也逐漸成為微網(wǎng)常用的控制方式。目前，對于分層控制的研究，主要是從通信[122]、改善主從控制和分層控制中的電能質(zhì)量問題[77，123-124]等方面展開。

值得關注的是，近年來采用分層控制的微網(wǎng)工程應用也取得了積極發(fā)展，相關實驗室和示范性工程開始見諸報道[77]。同時，微網(wǎng)控制研究也在朝著智能化的方向拓展。如文獻[125]提出了一種多智能體系框架，并在一個構建的試驗平臺上實現(xiàn)了分層控制體系下微網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度，這對微網(wǎng)的工程應用有著較好的參考價值。

上述三種微網(wǎng)運行控制方式的對比分析見表3。各種運行控制方式各有優(yōu)缺點，與實際控制對象有關，也與控制的要求有關。對于實際運行的微網(wǎng)，往往采用分層控制為主，多種運行方式并存的工作方式。

表3 各類微網(wǎng)運行控制方法對比

5 結論與展望

通過綜述研究來看，目前國內(nèi)外關于微網(wǎng)運行控制技術已經(jīng)有較為豐富的研究成果。該技術領域研究工作需要重點關注的問題有以下幾點。

(1) 微網(wǎng)拓撲結構和形態(tài)的多元，使得其控制重點和難點有所不同，也就難以提出一種普遍適用的控制方案。這是目前微網(wǎng)運行控制技術層出不窮的重要或根本原因。因地制宜，精準施策，應成為微網(wǎng)運行控制技術設計的基本原則。

(2) 微網(wǎng)中大量可再生能源的接入造成系統(tǒng)轉動慣量下降，導致微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和供電的可靠性面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，可采用新能源-儲能協(xié)同控制、備用功率控制和虛擬慣量控制等方法提升系統(tǒng)的等效轉動慣量。

(3) 微網(wǎng)中各類微源和負荷通過電力電子變換器分別接入交流母線和直流母線。這些變換器的功能定位不盡相同、控制特性迥異，加大了協(xié)調(diào)控制的難度。為此，在協(xié)調(diào)控制方式時宜根據(jù)各個微源、負荷的功能定位對變換器進行分類刻畫，區(qū)別控制。

(4) 無論是交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)，亦或是交直流混合微網(wǎng)，其運行控制一定程度上依賴于網(wǎng)絡通信。即使是無互聯(lián)通信下的下垂控制，本質(zhì)上也是利用系統(tǒng)本身的電氣參數(shù)作為“通信”信號。采用低復雜度通信、高低速通信協(xié)同，或是解決高精度控制要求下的高可靠性通信難題的有效路徑。

(5) 微網(wǎng)的控制與規(guī)劃是一個耦合系統(tǒng)，有多種信息的輸入，且需要考慮電能質(zhì)量、環(huán)境效益、發(fā)電成本等多種優(yōu)化目標。為此，控制策略應與規(guī)劃一并設計，考慮控制優(yōu)化部分和經(jīng)濟優(yōu)化部分信息的雙向交流，使得二者在優(yōu)化過程中能考慮到對方的信息，從而實現(xiàn)優(yōu)化的協(xié)同性、全局性。

(6) 高效、高可靠性功率變換器是微網(wǎng)運行控制的關鍵設備。其運行控制方式對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及效率等方面都起到至關重要作用。為此，應開展高效高可靠性變流裝備拓撲演變規(guī)律與相應控制策略技術攻關，并提高功率變換裝備的智能化水平。

同時，下一步，微網(wǎng)運行控制技術領域可能的研究熱點和動向有如下幾點。

(1) 先進儲能技術與裝備。對于高滲透新能源的微網(wǎng)，特別是離網(wǎng)運行模式下，動態(tài)功率和能量的均衡控制是難點。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，儲能技術和裝備地位日趨顯現(xiàn)，有望獲得快速發(fā)展。

(2) 故障情況下的保護和控制問題。微網(wǎng)中存在多個響應時間尺度的微源和負荷，故障發(fā)生后的保護和控制技術是難點和關鍵。特別是，直流微網(wǎng)中高可靠性直流斷路器的分析設計，會是一個值得關注的研究熱點。

(3) 多微網(wǎng)互聯(lián)及建模分析和控制。隨著技術發(fā)展和進步，微網(wǎng)形態(tài)逐步從單一微網(wǎng)到多微網(wǎng)互聯(lián)的情景發(fā)展，如何進行多微網(wǎng)互聯(lián)控制，特別是復雜微網(wǎng)(群)建模分析和控制，會是今后研究的一個熱點。

(4) 微網(wǎng)向微能源網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)邁進。從國內(nèi)情形看，近年來圍繞高比例新能源電網(wǎng)或系統(tǒng)的概念提法很多。從本質(zhì)上看，多能互補、電為核心會是趨勢，微網(wǎng)將逐步向微能源網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)步邁進。其中，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等技術將發(fā)揮重要作用，已經(jīng)并將繼續(xù)帶動微網(wǎng)運行控制技術的快速革新。

本文從微網(wǎng)運行控制技術的4 個難點、4 個關鍵點、3 類已有控制策略評述等角度，對國內(nèi)外最新研究成果進行了梳理歸納，探討了微網(wǎng)運行控制技術的要點，并對下一步相關研究進行了討論和展望。