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分布式新能源并网的微电网控制策略

摘要：近些年来，风能、太阳能等一系列新能源的应用正逐步崛起，新能源

发电技术也受到全世界各国的重视，这将逐步缓解全球电能紧张并减轻全球各国

对传统能源的依赖。这些新能源发电并网的过程中，其不确定性等劣势逐步体现

出来，对现有的电力网络及微电网带来了新的挑战。本文将就分布式系新能源发

电并网，对微电网提出三级控制的控制策略，并加以讨论。

关键词：分布式能源新能源微电网

引言

大部分电网的传统的发电模式都是以火力发电为主，其他能源为辅。在我国，

2020年上半年火力发电在整个发电行业占比达到75%。火力发电优点是稳定性、

可靠性高，但化石燃料的过度开采和储量逐年减少及随之排出酸性气体、粉尘造

成大气污染，因此转换或减少对传统发电的依赖已经迫在眉睫。近些年太阳能，

风能等新能源的崛起让电力行业看见新的希望。2019年，我国新能源发电机装机

容量近20%，预计2023年新能源发电机装机容量达到29.3%。以上海某电气集团

为例，2020年在我国新疆单一地区新建分布式风电及光伏发电场的数量就有十余

座。但随着越来越多的新能源发电厂的并网也逐渐带来了一系列问题，其中单场

容量低，分布分散及不稳定性高对电网控制的影响尤为显著。为了应对这些问题，

传统电网引入了微电网的概念，在本文中提出了三级控制的微电网控制策略，其

中一级主控制和二级辅助控制与微电网本身的运行有关，而三级主网控制则是关

于微电网和主电网的协调运行，在后续章节会分别详细讨论。

微电网及现有的微电网控制策略

微电网属于大电网/智能电网的重要的一部分，由电源/分布式发电（DG）单

元、储能系统、负荷及保护等部分组成。它们协同工作，可靠地供电，并与配电

系统的主电源系统以公共耦合点连接。对于现有的电力系统，在微电网的控制结

构上可以大体分为两种截然不同的控制方法——集中式控制和分散式控制。现运

行的完全集中式控制方式主要依赖于专用中央控制器收集、整理、计算的数据，

并通过中央控制器和受控单元之间进行多次往复通信，以此来确定单个点上所有

单元的控制动作。而另一种分散式控制方式是将每个单元点由其本地控制器控制，

每个本地控制器仅接收本地信息，该控制器既不能完全了解全系统范围内的各个

单元的变量也无法了解其他控制器的信号与动作而独立运行。现有的电力系统或

电网覆盖的区域逐渐辽阔，以及新能源电厂的分布广阔又零散，由于需要巨量的

相互通信和计算需求，因此实施完全集中式控制的方法的困难性日益显著。与此

同时，由于在仅使用局部变量是无法实现整个系统中各个单元之间强耦合的最低

级别协调或合作的，从而分散式控制方法的弊端也逐渐凸显出来。现有的完全集

中式控制和分散式控制结合的并不完善，因此本文提出了一个可以通过由三个控

制级别的框架（一级本地主控制，二级辅助控制和三级主网控制）来分层控制的

组合策略来实现。

一级主控制

主控制，也可称为本地控制或内部控制，是控制层次结构中最直接、响应最

快和最底层的一级。该层控制完全基于本地度量信息且无需通信，其中包括本地

测量、孤岛检测、输出控制和功率平衡控制四大主要部分。在同步发电机中，一

般由调速器、调压器以及电机的惯性来执行输出控制和功率平衡。用于直流电源

接口的电压源逆变器（VSI）需要模拟同步发电机的惯性特性并提供适当的频率

调节。为此，特殊设计的VSI控制器可分为两部分：逆变器输出控制器和DG功

率平衡控制器。

逆变器输出控制是由电流调节的内环和电压控制的外环组成。其控制回路可

用使用比例积分（PI）控制器，并附加前馈补偿来改善电流调节器的性能。

功率平衡控制可以根据控件采用基于非下垂或下垂的控制方式控制。

基于非下垂的控制方式可以采用集中式控制策略——系统电压由一个外部环

路控制，在测量总负载电流并将其传输到中央控制器后，根据每个分布式能源

（DER）单元的特性确定每个单元的产出，并将输出电流参考设置点发送回该单

元的方式。也可采用主从控制策略，主要由DG单元承担在允许范围内系统电压

的保持任务，而负载则由其他单元负责提供。

下垂控制法是基于大型互连电力系统中同步发电机的功率平衡原理的控制方

式。

频率-功率下垂控制方法是常规DG单元（同步发电机）的较为稳定的操作方

式，进一步来说，此方法可以为电子接口DG单元来专门设计。

二级辅助控制

二级辅助控制，也称为微电网能源管理系统（EMS），主要负责微电网可靠、

安全的并网或孤岛模式及经济的运