2.2　智能微电网的控制方法

智能微电网的控制主要包括智能微电网内分布式电源的控制和智能微电网系统的控制两部分。

2.2.1　智能微电网内分布式电源的控制方法

智能微电网的稳定运行依赖于各个DG，智能微电网中的DG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。智能微电网中大部分的分布式电源是基于电力电子技术的逆变型DG。目前，逆变型DG的控制方法主要有三种：P/Q控制方法、V/F控制方法、Droop控制方法。

1.P/Q控制方法

P/Q控制即是恒功率控制。采用恒功率控制的主要目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，即当并网逆变器所连接的交流电网的频率和电压在允许范围内变化时，分布式电源输出的有功功率和无功功率保持不变。恒功率控制的原理是根据频率和电压的下垂控制曲线，当交流电网的频率和电压在规定的范围内变化时，通过各种控制器和控制算法［如PI（比例-积分）控制器］使得和交流电网并网的分布式电源的输出功率保持不变，其控制原理图如图2-3所示。

P/Q控制方法具体的控制过程：如图2-3（a）所示，假定分布式电源的初始运行点为A，输出的有功功率和无功功率分别为给定的参考值Pref与Qref时，系统频率为f0，这时对应的分布式电源所接交流母线处的电压为u0，如图2-3（b）所示。当交流电网频率在允许的范围内（fmin≤f≤fmax）变化时，有功功率控制器根据频率下垂特性曲线进行调整，使分布式电源输出的有功功率维持在给定的参考值Pref输出；当交流电网电压在允许的范围内（umin≤u≤umax）变化时，无功功率控制器根据电压下垂特性曲线进行调整，使分布式电源输出的无功功率维持在给定的参考值Qref输出，达到恒功率输出的目的。从P/Q控制原理图中可以看出，采用该种控制方法进行控制的分布式电源并不能维持智能微电网系统的频率和电压，如果是一个孤岛运行的智能微电网系统，系统中必须要有维持频率和电压在规定范围内变化的分布式电源；如果是并网运行的智能微电网系统，则由常规电网维持电压和频率。

在智能微电网中，对于风力发电和光伏发电之类的分布式电源，由于其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，如果要求此类分布式电源根据负荷需求调整发电量，则需要配备较大容量的储能装置，这会降低系统的经济性。所以，该类分布式电源的控制目标应该是保证可再生能源的最大利用率，为此更适合采用P/Q控制方法，当光伏发电或风力发电输给电网的功率变化时，只要电网的支撑电压和频率在规定的范围内，就可以将光伏发电或风力发电功率稳定在参考功率向电网输出，也即光伏发电或风力发电通过MPPT（MaximumPower Point Tracking，最大功率点跟踪），最大化功率输出即可。

2.V/F控制方法

V/F控制即恒压恒频控制，采用恒压恒频控制的原理是不论分布式电源输出的功率如何变化，逆变器所接交流母线的电压幅值和频率维持不变，其控制原理图如图2-4所示。

假定分布式电源的初始运行点为A，系统输出频率为fref，分布式电源所接交流母线处的电压为Uref，分布式电源输出的有功功率和无功功率分别为P0与Q0。频率控制器通过调节分布式电源输出的有功功率，使频率维持在给定的参考值；电压调节器调节分布式电源输出的无功功率，使电压维持在给定的参考值。该种控制方法主要应用于智能微电网孤岛运行模式，只要智能微电网系统内的分布式电源输出的有功功率和无功功率在规定的范围内，智能微电网就能为整个系统内的负荷提供稳定电压和稳定频率的电能，但由于任何分布式电源都有容量限制，只能提供有限的功率，故采用此种控制方法时需要提前确定孤岛运行条件下负荷与电源之间的功率匹配情况。

3.Droop控制方法

Droop控制方法即下垂控制方法，其控制原理图如图2-5所示。它是利用分布式电源输出有功功率和频率成线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制的。

假定分布式电源的初始运行点为A，输出的有功功率为P0，无功功率为Q0，系统频率为f0，分布式电源所接交流母线处的电压为U0。当系统有功负荷突然增大时，有功功率不足，导致频率下降；当系统无功负荷突然增大时，无功功率不足，导致电压幅值下降，反之亦然。以系统有功负荷突然增大时频率下降为例，逆变器下垂控制系统的调节作用为：当频率减小时，控制系统调节分布式电源输出的有功功率按下垂特性相应地增大，与此同时，负荷耗电功率也因频率下降而有所减小，最终在控制系统下垂特性和负荷本身调节效应的共同作用下达到新的功率平衡，即过渡到B点运行。该控制方法由于具有不需要分布式电源之间通信联系就能实施控制的潜力，所以一般用于对等控制策略中对分布式电源接口逆变器进行控制。

2.2.2　智能微电网系统的控制方法

1.主从控制方法

所谓主从控制法，是指在智能微电网处于孤岛运行模式时，其中一个DG（或储能装置）采取恒压恒频控制（V/F控制），用于向智能微电网中的其他DG提供电压和频率参考，而其他DG则可采用恒功率控制（P/Q控制），如图2-6所示。采用V/F控制的DG（或储能装置）控制器称为主控制器，而其他DG的控制器则称为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行模式。

在采用主从控制方法的智能微电网系统中，如光伏发电系统、风力发电系统等微电源受自然气候影响，输出功率具有波动性、随机性、间歇性，一般采用恒功率控制，只发出恒定的有功功率或是执行最大功率跟踪，不参与网络电压和频率调节。适于采用主控制器控制的DG需要满足一定的条件，以维持智能微电网的稳定运行。在智能微电网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的DG一般为恒功率控制，负荷的变化主要由作为主控制单元的DG来跟随，因此要求主控制器的功率输出应能在一定范围内可控，且在各个DG单元之间无通信的前提下，能利用本地电压、电流对智能微电网内扰动在数毫秒内做出反应，足够快地跟随负荷或从控制单元DG的功率波动变化。

在采用主从控制的智能微电网中，当智能微电网处于并网运行状态时，所有的DG一般都是采用P/Q控制，而一旦转入孤岛运行，则需要作为主控制单元的DG快速由P/Q控制转换为V/F控制，这就要求主控制器能够满足在两种控制模式间快速切换的要求。常见的主控制单元通常是由储能单元、可控的分布式电源（如柴油发电机）及分布式电源和储能单元一起来充当的。

2.对等控制方法

所谓对等控制方法，是指智能微电网中所有的DG在控制上都具有同等地位，各控制器间不存在主和从的关系，每个DG都根据接入系统点电压和频率的就地信息进行控制，如图2-7所示。

对于这种控制方法，DG控制器的控制方法选择十分关键，一种目前备受关注的方法就是Droop控制方法。对于常规电力系统，发电机输出的有功功率和系统频率、无功功率和端电压间存在一定的关联性：系统频率降低，发电机的有功功率输出将加大；端电压降低，发电机输出的无功功率将加大。DG的Droop控制方法主要也是参照这样的关系对DG进行控制。在对等控制方法下，当智能微电网运行在孤岛运行模式时，智能微电网中每个采用Droop控制方法的DG都参与智能微电网电压和频率的调节。在负荷变化的情况下，自动依据Droop下垂系数分担负荷的变化量，亦即各DG通过调整各自输出电压的频率和幅值，使智能微电网达到一个新的稳态工作点，最终实现输出功率的合理分配。显然，采用Droop控制方法可以实现负载功率变化在DG间的自动分配，但负载变化前后系统的稳态电压和频率也会有所变化，对系统电压和频率指标而言，这种控制实际上是一种有差控制。

图2-7所示的采用对等控制方法的智能微电网结构中，各DG以对等的形式接入智能微电网，智能微电网中的每个DG都具有电压和频率调节能力，并通过本地下垂控制策略维持智能微电网功率平衡，各DG通过调整各自输出电压的幅值和频率，使其达到一个新的稳态工作点，从而实现输出功率的合理分配。如果DG的下垂系数相等，则在稳定后各DG的输出功率相等；如果DG的下垂系数不相等，则斜率大的承担功率小，斜率小的承担功率大。显然，通过这种人为的下垂控制可以实现负载功率的自动可调，但却牺牲了系统输出电压幅值和频率的稳态指标。

与主从控制方法相比，在对等控制中各DG可以自动参与输出功率的分配，易于实现DG的即插即用，便于各种DG的接入。由于省去了昂贵的通信系统，理论上可以降低系统成本。同时，由于无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式，智能微电网中DG的Droop控制策略可以不做变化，系统运行模式易于实现无缝切换。在一个采用对等控制方法的实际的智能微电网中，一些DG同样可以采用P/Q控制，在此情况下，采用Droop控制的多个DG共同担负起了主从控制器中主控制单元的控制任务：通过Droop系数的合理设置，可以实现外界功率变化在各DG之间的合理分配，从而满足负荷变化的需要，维持孤岛运行模式下对电压和频率的支撑作用等。

3.分层控制方法

所谓分层控制方法，是指通过智能微电网中的中央控制器和DG中的本地控制器来分层协同控制，从而达到控制智能微电网内电压、频率的一种控制法。图2-8为日本的两层控制智能微电网结构框图。在该智能微电网中中心控制器首先对DG的发电功率和负荷需求量进行预测，然后制定相应运行计划，并根据采集的电压、电流、功率等状态信息，对运行计划进行实时调整，控制各DG、负荷和储能装置的起停，保证智能微电网电压和频率的稳定，并为系统提供相关保护功能。

在上述分层控制方案中，各DG和上层控制器间需要有通信线路，一旦通信失败，智能微电网将无法正常工作。如图2-9所示，提供了一种中心控制器和底层DG采用弱通信联系的分层控制方案。在这一控制方案中，智能微电网的暂态供需平衡依靠底层DG控制器来实现，上层中心控制器根据DG输出功率和智能微电网内的负荷需求变化调节底层DG的稳态设置点和进行负荷管理，即使短时通信失败，智能微电网仍能正常运行。

在欧盟多智能微电网项目“多智能微电网结构与控制”中，提供了三层控制结构，方案如图2-10所示。

最上层的配电网络操作管理系统主要负责根据市场和调度需求来管理和调度系统中的多个智能微电网；中间层的智能微电网中心控制器（Micro Grid Controlling Center，MGCC）负责最大化智能微电网价值的实现和优化智能微电网操作；下层控制器主要包括分布式电源控制器和负荷控制器，负责智能微电网的暂态功率平衡和切负荷管理。整个分层控制采用多agent技术实现。