微電網是實現(xiàn)主動配電網的有效方式，能夠促進分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，使傳統(tǒng)電網向智能網絡過渡。此外，中科院院士周孝信曾指出：第三代電網將采用骨干電網和地方電網、微電網相結合的模式。智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展的方向。在此背景之下，科學家和工程師們首先將目光聚焦在了智能化、柔性化的微電網。微電網既可孤島運行，也可并網運行，黑啟動、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、潮流控制、有源濾波、能量管理……，這些都是微電網應具備的基本功能，只有這樣才能實現(xiàn)在負荷端就近發(fā)電、儲能，省去了大容量、長距離的輸電環(huán)節(jié)，從而顯著地減小了輸電線路上的損耗，提高了電網的可靠性。本文對智能微電網的拓撲結構、控制策略以及能量管理等問題進行了綜述。l微網是分布式發(fā)電并網的關鍵途徑
智能微電網是將分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）、分布式儲能（Distributed Storage，DS）、分布式負載（DispersedLoads，DL）進行系統(tǒng)集成的最佳方案。在大電網集中供電體制下，大型電廠通常遠離負荷中心，因此需要大容量、長距離輸電。但通過這些小容量的微電網就可實現(xiàn)在負荷端就近發(fā)電、就近儲能，從而省去大量的輸配電線路以及由此導致的輸配電損耗。總的來說，傳統(tǒng)的集中供電配電模式有很多缺陷：線路損耗太大導致了系統(tǒng)效率低，高壓長距離輸電線的容升效應導致了電壓穩(wěn)定性差，多發(fā)的單點故障以及其他偶發(fā)的網絡故障導致了可靠性低。
微電網主要有兩種發(fā)展方向，一是將微電網與公共大電網相連；二是將多個鄰近的微電網互聯(lián)，形成微電網群（microgrid clusters）。因此，未來的電力網絡將包含一次能源、原動機、電力電子變流器、DS裝置以及本地的DL，而微電網只是其中的一部分。微電網既可獨立地自主運行，也可接入大電網?？稍诓⒕W模式與離網模式之間進行無縫切換是微電網的主要特征。通過微電網之間的聯(lián)絡線即可實現(xiàn)在多個微電網之間進行能量調度，以同時實現(xiàn)各個微電網的實時功率平衡。這種微電網之間的相互支援，起到了此消彼長的作用，減小了微電網從公共大電網上吸收的能量，進一步減少了不必要的長距離輸電損耗。此外，微網是一種全新的低壓配電網，其中的發(fā)電機組不僅包括小型的發(fā)電機，還包括小型的原動機，例如：光伏電池組件、小型的風力發(fā)電機、生物燃料電池等等，這些發(fā)電單元都需要AC/AC或者DC/AC變流器作為接口電路。這些電力電子接口電路的動態(tài)響應十分迅速。但與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機相比，電力電子變流器自身的慣量水平非常低，而充足的慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障，是實現(xiàn)各個單元之間保持穩(wěn)態(tài)同步性的關鍵因素。
為了提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，學者們提出了在控制環(huán)路中引入下垂控制，通過測量有功、無功來線性地調節(jié)逆變器輸出的頻率、電壓。經過下垂控制之后，微電網就能自動地實現(xiàn)功率平衡了，同時避免了交直流母線電壓失穩(wěn)。此外，低電壓穿越、有源濾波、不間斷供電、黑啟動、孤島運行，以及與主電網保持同步、有功無功潮流獨立控制、系統(tǒng)能量優(yōu)化管理等也是微電網必須具備的核心功能。
下圖給出了一個典型的微電網結構圖，包含了風電、光伏、儲能以及若干負載。
微電網通過智能旁路開關（Intelligent BypassSwitch，IBS）并入大電網的公共連接點（Pointof Common Coupling，PCC），系統(tǒng)中包含了大量的以電力電子變流器作為接口電路的DG和DS。因此，微電網中的絕大部分元件都是以電流型逆變器（Current-SourceInverters，CSI）或電壓型逆變器（Voltage-SourceInverters，VSI）的形式運行。
1）CSI：DG單元經常工作在CSI模式，以實現(xiàn)最大功率追蹤；若不需要進行最大功率追蹤，那么這些發(fā)電單元也可以根據系統(tǒng)需要工作在VSI模式。
2）VSI：這種工作模式常用于儲能裝置，在孤島運行時為微電網提供頻率、電壓支撐；如果有多個VSI單元并聯(lián)時，就必須增加適當的控制策略，以使各個單元協(xié)調工作。
微電網的運行模式
1 并網運行模式
微電網的能量管理系統(tǒng)必須同時考慮離網、并網條件下的系統(tǒng)潮流分布以及儲能系統(tǒng)的可用容量和運行方式。微電網必須具備靈活快速的功率控制能力，通過從電網中吸收或者送出必要的功率來實現(xiàn)微電網內部的實時功率平衡，同時滿足儲能裝置的能量需求。由于微電網的容量相較于主電網來說非常小，因此微電網在并網模式下的動態(tài)特性主要取決于主電網。此外，當輸出功率發(fā)生變化時系統(tǒng)響應很慢；如果微電網交流母線沒有同步發(fā)電機，那么電力電子變流器的控制系統(tǒng)中需要增加虛擬慣量控制環(huán)節(jié)；暫態(tài)過程中需要蓄電池、超級電容、飛輪等來保證動態(tài)功率平衡。發(fā)生停電事故之后，微電網需要自行建立電壓頻率條件，同時在一系列預設指令下逐步恢復各個層級的DL和DG單元，即黑啟動。在并網模式下，所有的DG都應該在能量管理系統(tǒng)的調度下輸出指定的功率，以最大化地減少從主電網吸收的電量，即削峰。此外，每一個DG單元均可通過公共通訊線來實現(xiàn)輸出功率調節(jié)，與其它單元實現(xiàn)協(xié)調工作?？偟膩碚f，當微電網處于并網狀態(tài)時，需要根據用戶的需要，與主電網以及本地的DG一起，為負載提供優(yōu)質的電力。
2 孤島運行模式
在下述條件下，微電網將脫離主電網自主運行：1）計劃性的孤島運行模式：當主電網發(fā)生長時間電壓跌落或其它一般性故障時，微電網可以主動地脫離大電網，進入孤島運行狀態(tài)；2）非計劃性的孤島運行模式：當主電網發(fā)生停電時，微電網必須通過孤島檢測算法來自動識別主電網的停電狀態(tài)，并通過IBS進入孤島運行模式。
在孤島運行模式下，系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于其中的DG單元，這些DG單元將自動地調整微電網的電壓、頻率。此時，系統(tǒng)的頻率、電壓一般會出現(xiàn)小范圍的偏移。因此，需要啟動DS來平衡微電網功率，通常是讓DS根據頻率偏移量成比例地吸收或者釋放有功功率。在該模式下，IBS處于斷開狀態(tài)，微電網脫離大電網獨立運行，DG單元必須承擔起穩(wěn)定微電網電壓、頻率的重要責任，確保各個變流器不過載，確保負載在一定范圍內變化時系統(tǒng)依然能夠保持穩(wěn)定運行。為了達到上述目標，微電網通常采用有通訊線的主從控制模式，尤其是基于公共交流母線的微電網。通常來講，低帶寬通訊方法更加經濟、可靠、穩(wěn)定，因此在實際的工程項目中應用較多。
在孤島運行模式下，微電網需要實現(xiàn)下述技術指標：1）電壓、頻率控制：微電網必須工作在電壓源模式，通過電壓、頻率調整策略來控制微電網的潮流，確保微電網的關鍵物理參數都在規(guī)定的誤差范圍內。2）實時功率平衡：并網模式下，DG單元的頻率由大電網決定；離網模式下的系統(tǒng)頻率需要根據功率平衡的原則進行調節(jié)；改變DG的輸出頻率，使微電網內部保持功率平衡。3）電能質量治理：微電網電能質量控制可從兩個層次分別展開，首先必須要滿足微網內部的無功平衡和諧波電流補償；其次是對PCC處的無功和諧波進行治理，向大電網提供電能質量支撐。
孤島運行模式下，所有的DG單元均工作在恒功率源模式，向微電網提供預期的功率。
3 并離網切換模式
如前文所述，IBS始終實時在線地監(jiān)測主電網與微電網的狀態(tài)。當IBS及時檢測到孤島信號之后，微電網必須立即與主電網斷開連接，盡快進入到孤島運行模式。通常來說，電網頻率偏移需小于2%，電壓幅值偏移需小于5%。若微電網沒有超出最大允許偏移范圍，微電網即可根據網內負荷的實際需求，在下垂控制的作用下輸出有功功率和無功功率，確保系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定，并實現(xiàn)多個DG單元之間的功率合理分配。
孤島運行模式下，微電網和大電網之間的電壓和相位會出現(xiàn)偏差，在不恰當的時刻并網會引起較大的沖擊電流，因此需要設計預并列單元來實現(xiàn)并網運行。當微電網中央控制系統(tǒng)發(fā)出并網指令時，將微電網相應的DG由孤島運行模式切換到預并列控制模式，將DG單元的輸入參考值切換為大電網的電壓和頻率。
在并離網切換過程中，中央控制系統(tǒng)必須實時檢測微電網與大電網的電壓差、頻率差和相位差，當其均滿足合閘條件時，啟動合閘信號，閉合IBS，并將孤島控制策略切換到并網控制策略，實現(xiàn)并網運行。
微電網的分層控制
從功能上來說，微電網與大電網非常相似，也可基于下述三個層次分別控制：1）一次控制：下垂控制，主要實現(xiàn)DG單元間的功率分配（負荷分配）；2）二次控制：無差控制，對下垂控制之后的微小偏差進行消除，實現(xiàn)無差調頻調壓；3）三次控制：優(yōu)化控制，從系統(tǒng)優(yōu)化的層面對微電網潮流進行規(guī)劃、分配。
1 一次控制：下垂控制
一般而言，微電網中的逆變器均由基于下垂控制策略的功率外環(huán)實現(xiàn)，這種模式常被稱為分散控制或自治控制，目的是實現(xiàn)多個DG單元間的功率分配，并保證系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定，如下圖所示。
微電網孤島運行時，沒有大電網的電壓頻率支撐，要自治地負責系統(tǒng)的電壓、頻率調節(jié)，通常由DG完成。微電網中參與電壓、頻率調節(jié)和控制的多個DG具有同等地位，在下垂控制下進行負荷分配，如下圖所示。
上述下垂控制的思想來源于高壓電網功率傳輸理論：發(fā)電機頻率隨著負荷增加而減小。高壓輸電系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出電感性（X?R），P、Q之間近似獨立可控，這也是上述下垂控制可行的根本原因。然而，采用電力電子變流器的低壓微電網，系統(tǒng)阻抗不再是電感性了，更多的是阻感性，甚至以阻性為主（R?X）。此時，PQ之間存在強耦合作用，影響下垂控制的效果，可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，甚至不穩(wěn)定。因此，下垂控制策略必須進行改進，以適應阻性微電網的需要。
閉環(huán)控制下的微電網逆變器，其輸出阻抗特性影響著功率分配算法的準確性。對逆變器輸出阻抗進行合理設計即可削弱線路阻抗帶來的功率分配誤差。最常用的方法就是虛擬阻抗控制，其大致思路可用下圖描述。
DG與母線間的線路阻抗ZL＝R＋jX呈阻性，將原DG等效為一個虛擬發(fā)電機Ev，通過虛擬電抗Xv連接至Ｂ點。如果Xv?ZL，則虛擬發(fā)電機與母線間的阻抗將呈感性，此時若對虛擬發(fā)電機使用下垂控制，即可實現(xiàn)Pv和Qv的解耦控制。顯然Pv＝P，因此調節(jié)虛擬發(fā)電機即可實現(xiàn)對DG有功功率的解耦控制?；谔摂M阻抗的下垂控制如下圖所示。
采用上述控制策略之后，即可實現(xiàn)多個DG間的功率合理分配。此外，從可靠性、穩(wěn)定性的角度來說，電壓幅值控制也非常重要。如果缺乏無功控制，DG單元可能輸出不確定的無功功率，導致母線電壓振蕩。
2 二次控制：無差控制
一次控制響應快速，但卻無法實現(xiàn)無差控制。下垂控制雖然能同時實現(xiàn)電壓頻率穩(wěn)定和功率合理分配，但它是一種有差控制，負載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會有所變化。因此，二次控制的主要目標就是恢復微電網的電壓和頻率，如下圖所示。
此外，微電網運行模式的無縫切換控制也在該次控制中實現(xiàn)，因此二次控制部分應具備電網故障檢測、微電網與大電網同步等功能，并對微電網IBS和DG控制模式切換進行協(xié)調控制。
3 三次控制：優(yōu)化控制
該層控制主要從安全性、經濟性的角度對微電網進行能量管理與調度，通過相應的優(yōu)化算法實現(xiàn)：1、并網運行模式下，確定微電網與大電網之間聯(lián)絡線輸出功率參考值（作為微電網二次控制目標參考值）；2、孤島運行模式下，調整各DG單元輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點和分配比例系數設定等信息，實現(xiàn)微電網經濟運行等功能。如下圖所示。
此外，在該層控制中還可以進行孤島監(jiān)測、電能質量分析治理、最大功率跟蹤等多種運行目標?？偟膩碚f，微電網通過這種多層次、分散式控制能夠實現(xiàn)安全、經濟、可控地運行。
需要進一步研究的內容
微電網并網時的下垂控制需進行如下方面的改進：1）提升DS、DG單元以及微電網的暫態(tài)響應性能；2）基于虛擬阻抗思想的諧波功率分配算法以及DG、DS熱插拔技術；3）研究自適應下垂控制算法，提高系統(tǒng)在各種可能工況下的交互作用性能。
交流微電網的分層控制還需要做如下改進：1）基于下垂原理的一次控制應當能夠允許不同類型的交流電源自主地接入，即類同步發(fā)電機控制技術；2）二次控制必須徹底地解決一次控制遺留的電壓、頻率偏移問題，實現(xiàn)無靜差控制。該層控制需要精心地設計同步控制方案，以實現(xiàn)孤島模式向并網模式無縫切換。3）三次控制不但需要對輸出能量進行管理和控制，還需具備微網阻抗在線測量、非計劃性孤島檢測、諧波電流注入控制（補償PCC點的電壓諧波）等功能。
對柔性的、智能的微電網來說，還需要具備如下技術特征：1）在PCC點處，應當具備異常電壓穿越以及電能質量治理功能，其中異常電壓包括高電壓、低電壓以及零電壓；2）黑啟動功能；3）微電網阻抗在線測量以及孤島在線檢測。4）微電網儲能系統(tǒng)控制與管理。
上述這些技術特征的實現(xiàn)將會促進DG、DS更加智能地、靈活性接入微電網以及未來的智能電網，從而推動全球清潔能源大規(guī)模地應用，構建起可持續(xù)發(fā)展的清潔電力系統(tǒng)。
