第42
卷中国电力电力系统
（微电网及分布式发电专栏）
微电网孤岛运行模式下的协调控制策略
薛迎成1，2
，邰能灵1，刘立群1，杨兴武1，金楠1，熊
宁1
（1．上海交通大学电气工程系，上海200030；2.盐城工学院电气系，江苏盐城
224001
）摘要：微电网是一种特殊形式的有源配电网，为大规模分布电源控制提供了一种有效方法。微电网能运
行在并网和孤岛状态，并网时可以从主网吸收电能或向主网提供电能，当主网发生电能质量事件时，微电网能从主网脱离单独运行。微电源和存储设备必须协作才能维持微电网孤岛运行。列举并讨论微电网孤岛运行，总结不同作者提出的微电网协调控制策略，对这些不同的控制方法进行比较，提出应根据微电网不同运行模式和影响因素对分布式电源采用不同控制策略。关键词：分布式发电；分布式电源；有源网；微电网；控制中图分类号：TM727
文献标识码：A
文章编号：1004-9649（2009）07-0036-05
收稿日期：2009-03-13
基金项目：上海市曙光计划资助项目（07sg11）
作者简介：薛迎成（1969—），男，江苏盐城人，博士研究生，从事新能源、分布式发电、继电保护的教学和研究工作。
E -mail:xyc_xyc_xyc@https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,
1微电网及其构成
为协调大电网与分布式电源（DR ）间的矛盾，充
分挖掘DR 潜能，为电网和用户带来更多的价值和效益，美国电气可靠性技术解决方案联合会（CRETS ）研究了DR 对低压电网的冲击，为增强电力系统的可靠性，提出了微电网概念。
微电网是一些负荷和微电源的组合，可作为一个可控系统来运行，一般与用户端的配电网相连，至少含有一个分布式电源和相关负荷。微电网技术为大规模分布电源应用提供了一种有效方法，是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合。
微电网正常通过变压器并网运行，当微电网从公共连接点脱离后，它本身至少可给其中一部分负荷提供电能，运行于孤岛状态（自治状态）。现有的电力公司一般不允许电网无计划孤岛运行和自动同步，主要基于人和设备安全考虑。然而，微电网可以孤岛运行和并网运行，能在两者之间平滑切换（经孤岛检测及瞬时同步化），从而充分利用微电网中的电源。
微电网也被称为分布式电源孤岛系统，按照范围、大小和所有权的不同，分布式电源孤岛系统（微电网）具有多种形式，可以分为单元孤岛、分支路孤岛、支路孤岛、变电站母线孤岛、变电站孤岛和邻近支路孤岛［2］（见图1）。微电网中的微电源可分为2类：第1类是传统旋转电机；第2类是通过电力电子接口与电网联接的电源。第2类微电源又分2种：一种是直流电源，如燃料电池、光伏电池等存储单元；另一种为高频交流电源，如微型燃气轮机，必须进行整流，得到的直流电压可通过逆变器转换成交流电压。
微电网中的微电源也可分为不可控、部分可控和全控3种，并可冷、热、电三联供。有的配有储能装置，通过双向交/直/交变换器与微电网相联，使用电力电子装置进行能量调节。可控微电源的输出功率可以由中央监控单元提供设定值来控制。
不同的微电源响应速度可能不一样，微型燃气轮机和燃料电池响应速度较慢并缺少惯性，可能出
中国电力ELECTRIC POWER
第42卷第7期2009年7月
Vol ．42，No．7
Jul.2009Fig.1MG lsland Systems classify
图1
微电网弧岛系统分类
薛迎成等：微电网孤岛运行模式下的协调控制策略
第7期
电力系统
（微电网及分布式发电专栏）
图2
微电网的P -Q 控制
Fig.2P -Q control
现负荷跟随问题，其原动机功率输出的时间常数为10~200s ，这对大多数负荷来说太慢了，因此微电网
在孤岛运行时，必须提供某种形式的能量存储，以保证负荷变化时的能量平衡。
微电网的能量存储单元（电池或超级电容）可以安装在每个微电源的母线上，也可以直接将存储单元（电池、飞轮）联到电网上，或使用传统有惯性的发电机，当然如果微电网不要求孤岛运行，不平衡功率可由电网来提供，微电网内部不需要存储单元。
微电网负荷可分为可控负荷和不可控负荷、重要负荷和一般负荷、敏感性的负荷和非敏感性的负荷等。实际中，部分非敏感性的负荷可看作可控负荷，可以用于削峰和平滑负荷波形，当需要切负荷时，非敏感性负荷中的不可控部分是第1个被选择切除的对象，可以通过能量管理控制器执行。
微电网也可以带热负荷，在并网时，配电系统可视为“缓冲总线”，发出或吸收任何微电网和负荷之间的功率差，以维持功率平衡；在孤岛模式，可以切除部分负荷或发电机，来维持系统功率平衡，保持微电网电压稳定，因此必须保证关键负荷享受优先服务，能对用户提供差别服务，提高特殊负荷的电能质量和可靠性，适应负荷大范围变化。
2微电网控制
微电网的控制和运行策略与传统电力系统有很
大的不同，甚至是概念上完全不同，主要原因如下：
（1）分布式电源（DR ）静态和动态特性，尤其是电磁耦合单元，不同于传统大型水轮机；
（2）由于单相负荷和DR 的存在，微电网中内部都有一定程度的不平衡；
（3）相当一部分微电网内部电源为不完全可控电源，如风力发电机；
（4）短期和长期储能单元在微电网控制中起重要作用；
（5）在经济上要求微电网在正常运行时，能够联接或切除DR ；
（6）微电网要能够提供较好的电能质量和对一些负荷提供特殊的服务。
微电网存在2种典型的运行模式［4］:正常情况下微电网与常规配电网并网运行，称为并网模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开而独立运行，称为孤岛模式（自动模式、孤岛运行、紧急模式、有计划孤岛）。
微电网孤岛运行的基本要求是微电源（基于逆变器或旋转电机）必须建立一个稳定的电压和频率，并且使之处于允许范围内。
具体来讲，微电网控制应当保证［5-6］:（1）任一微
电源的接入对系统不造成影响；（2）自主选择运行点，微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件，诸如电压跌落、故障、停电等，做出自主反应，发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式，而不是像传统方式中由电网调度统一协调；（3）平滑地与电网并列、脱离；（4）对有功、无功进行独立控制；（5）具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。
2.1微电源控制
基于存储单元的电源，或可控电源，可以控制其
输出功率，负责微电网孤岛运行时的频率控制，又叫网络构成单元，以方便P -Q 控制电源的接入。在孤岛运行时，微电网中的负荷由本地微电源供电，因此，网络构成单元，将控制负荷的电压、频率、维持孤岛系统中有功、无功平衡。网络一般由逆变器构成单元接口，采用“频率-有功，电压-无功”下垂特性控制电网的电压频率，模拟电力系统同步发电机的下垂特性，使微电网中的负荷合理分配，该控制采用本地测量数据，可以不需要多个单元之间的通信。
如果微电源可以控制其输出的有功和无功为常数，这种类型控制称为P -Q 控制，微电源就相当于电压控制电流源
［8-10］
。输出电压分解成直轴和交轴分
量，输出电流也分成直轴和交轴分量，控制电流的大小和相角，使有功、无功功率输出为设定值，如图2所示，图中P b 、Q b 、i bd 、i bq 、V bd 和V bq 为参考值。
仅采用基本的P -Q 控制来实现大规模微电源构成的微电网的控制是不太可能的，为使微电网能够可靠、稳定运行，电压控制是必须要的，如果没有电压控制，微电网将产生电压无功振荡，电压控制能保证电源之间无较大的无功环流，这与控制大规模同步发电机原理完全一样，在电力系统中，只要发电机之间的阻抗足够大，就能够极大减少环路电流，如果微电网电源没有电压控制，则即使很小的电压误差产生的环流也可能超出微电源的额定值，采用电压-无功电流下垂控制可防止这种情况的发生［9-10］。
2．2孤岛微电网中微电源的协调控制
相对于所连接的大电网，微电网可看作是具有
独特运行特征的虚拟发电机，并网运行时可以向大电网供电（有时为负值）。与常规发电机组并网运行时相似，
第42卷
中国电力
电力系统
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率条件。但与常规的发电机组不同，由于微电网中分布式电源的种类和特征不同，需要一些特殊的协调控制方式才可能使其满足并网运行条件。微电网作为自治系统，具有脱网独立运行的能力，此时为了满足负荷对系统电压和频率的要求，跟踪微电网中负荷的变化，也需要针对微电网中的分布式电源采取相关的协调控制措施。由于其设备种类繁多（单纯供电、热电联供、冷热电联供等）、运行模式多样（供热为主发电为辅、供电为主供热为辅）、可控程度不同（集中控制、分散控制、自动控制、用户控制），微电网中分布式电源的协调控制问题非常复杂。从已有的参考文献看，有如下几种主要的控制策略：（1）主从站控制；（2）负荷、频率二次控制；（3）连络线（tie line ）控制；（4）基于多代理技术的微电网控制方法；（5）多微电网分层分布式控制。
2.2.1主从站控制
文献［7］提出了一种主从站控制策略，图3为主从站控制的总体结构，一个电压源变换器（VSI ）作为主站，在主电网失电的时候，提供电压参考，其他逆变器运行在P -Q 模式（从站）。本地微电源控制器可接收来自微电网中央控制器（MGCC ）的信息，根据
MGCC 信息控制相应的微电源。
2.2.2负荷、频率二次控制
文献［11-12］提出了负荷、频率二次控制策略。孤岛时，存储单元就相当于同步发电机，采用二次控制恢复电压和频率。二次控制主要指下垂特性的移动，可采用如下2个方法：（1）本地二次控制，通过每一个可控微电源的PI 控制器来实现；（2）由
MGCC 主导的集中二次控制。2种情况的原动机的
无功功率目标值都根据频率偏差来确定。
2.2.3连络线（tie line ）控制
文献［13］中提出连络线（tie line ）控制策略，连络线（tie line ）这里指微电网和主网之间连接馈线，连络线控制管理连接点馈线的潮流和电压，通过协调微电网中各分布式电源，如发电机、能量存储设备及可控负荷，使微电网从连接点来看，是一个可分离的整体，即微电网是电网的好市民（Good Citizen ），管理自己内部的功率并与电网进行交换，能对连接点，能控制微电网和主网交换的有功
无功，允许微电网成为独立运行实体，可用来补偿某些新能源（如：风力和太阳能发电等）的间歇性。
2.2.4基于多代理技术的微电网控制方法
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。代理的自治性、反应能力、自发行为等特点正好满足微电网分散控制的需要，提供了一个能够嵌人各种控制功能但又无需管理者经常出现的系统。但目前多代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易和对能量进行管理方面，还未深人到对微电网的频率、电压等进行控制的层面。
2.2.5多微电网分层分布式控制
文献［17］中提出多微电网分层分布式控制策略，采用一个中控单元（即MGCC ），控制微电网内所有元件。MGCC 可根据市场价格和安全限制情况，通过设定每个DR 和可控负荷的参考值，实现微电网运行的最优化和需求侧管理。
文献［18］提出自动电子网（AEN ）概念，为高渗透率的小型模块化DR 集成提供了解决方案，AEN 采用类似传统电网控制方式，每个DR 可进行一次控制、二次控制和三次控制，这样微电网的控制概念完全与传统电网相对应，不同是微电网是完全分布式控制，而传统电网是集中监督，在每次负荷和发电改变时，二次控制能够使频率和电压的偏移趋向零，三次控制是经济优化运行，在功率限制条件下，能保证所有DR 单元以燃料消耗等微增率进行功率交换，相比较而言，一次控制不采用通信，二次控制和三次控制需要DR 之间通信。
3各种协调控制方法的比较
微电网孤岛运行的基本要求是微电源（基于逆
变器或旋转电机）必须建立一个稳定的电压和频率，并且使之处于允许范围内。
下垂控制方法是基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想［19-20］，采用与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问题，因此，在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。此外，该方法仅针对基于电力电子技术接口的微电源间的控制。
在纯下垂、反下垂、连接线控制中，下垂曲线的斜率、发电机和负荷的功率交换大小决定微电网的频率和电压。如果所带负荷能承受频率和电压波动，这种控制方法是可以采用的。
主从站控制方法、二次负荷频率控制和多代理控制方法能保证电压和频率不会偏移正常值太多，
图3主从站控制的总体结构
Fig.3Control scheme for master slave operation
薛迎成等：微电网孤岛运行模式下的协调控制策略第7期
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这样就获得较高的电能质量。适合于对电能质量敏感的负荷。
如果只要求在发电机或负荷改变时，对功率的不平衡提供快速响应的功能，就需要有存储容量足够的存储单元；如果存储单元仅仅用于功率快速产生和吸收，不需要长时间输出功率，在采用主从站控制方法和多代理的协调方案中也可以使用容量较小的存储单元；相比较，如果存储单元用于补偿负荷，那么存储单元的容量就要大一些，如采用纯下垂方法、反下垂方法、二次负荷—频率控制方法，就需要大容量的存储单元，因存储单元直接参与频率控制，它要求在较长的时间内输出和吸收功率。文献［21］建议，在并网时，存储单元可以参与微电网的电力市场运行。
如果逆变器有孤岛检测的能力，所有的协调方法中，除了基于多代理的方法，其他方法都不要求微电源、存储单元和控制器之间进行通信。具有孤岛检测能力的存储单元和微电源能自动从P-Q控制切换到下垂控制，反之亦然。然而，如果微电源依靠断路器开关等信息来决定微电网的状态，就必须在控制器和微电源间安装快速通信装置。
基于多代理的P-Q控制需要像以太网之类的通信结构，因为中央控制单元需要周期性地发出设定值，代理之间通信的可靠性是基于多代理控制成功的重要因素。
如果孤岛时负荷超出发电机的容量或频率低于下限值，就要切负荷，就需要中控单元和负荷之间的通信。黑启动同样需要微电网各部分之间的通信。当然，黑启动过程也可以通过操作者之间电话进行。
如果是间歇型（光、风能）电源或热电联产，至少要有一个微电源具有负荷跟随功能。因为（光、风能）电源是随机性和间歇性的，热电联产只有在需要供热时才工作。只有负荷跟随的微电源可以调节输出功率以保持功率平衡。如果安装的存储单元较小，采用主从站控制方法以及基于多代理的P-Q控制方法将是最好的选择。如果存储单元容量较大，纯下垂控制是较好的选择。如果微电源要求具有反下垂特性，要慎用二次负荷频率控制，因为存储单元仅仅用于负荷跟随。如果需要控制间歇性电源的馈线潮流，可以采用连接线（tie line）控制。
微电网元件的拥有关系也影响协调方法的选择。如果微电源属于几个不同用户所有，每个用户都希望利益最大化。如果并网时微电网向主电网输出功率，孤岛时由于需求的减少，将迫使微电源减少发电量，它们将竞争发电。基于多代理的P-Q控制最适合于这种情况。用户和微电源的所有者要事先通过协议来安排需进行交换的总功率。
如果微电网是属于单个用户，所有的协调方法都可以采用，即微电源不用去竞争发电。微电网控制器的目标是整个利益最优化，而不是单个元件利益最大化。
对于复杂多微电网系统，分布式控制策略和多代理控制策略结合是最佳的选择。
4结语
本文研究了微电网孤岛运行时微电源和存储单元协调控制策略。由于其设备种类繁多（包括单纯供电、热电联供、冷热电联供等）、运行模式多样（如供热为主发电为辅或供电为主供热为辅）、可控程度不同（包括集中控制、分散控制、自动控制、用户控制），微电网中分布式电源的协调控制问题非常复杂。
影响协调控制方法的因素有：控制结构、电能质量和稳定性、存储单元容量、通信结构、微电源类型、微电源所选择的运行策略及微电网元件的拥有关系等。
应根据微电网不同运行模式和影响因数对分布式电源采用不同控制策略。
参考文献：
［1］ENGLE D.CERTS proves two grids are better than one［EB/OL］.
［2007-03-01］.https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/pdf/LBNL_50829.pdf.
［2］IEEE Std.1547.4－Rev.D5.0－2008Guide for design,operation and integration of distributed resources island systems with electric power systems［S］.
［3］LASSETER R,AKHIL A,MARNAY C.White paper on integration of distributed energy resources—the CERTS microgrid concept［R/OL］.
［2007-06-01］.https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/pdf/LBNL_50829.pdf.
［4］王成山,肖朝霞,王守相.微网综合控制与分析［J］.电力系统自动化,2008,32（7）:98-103.
WANG Cheng-shan,XIAO Zhao-xia,WANG Shou-xiang.Synthetical control and analysis of microgrid［J］.Automation of Electric Power Systems,2008,32（7）:98-103.
［5］NIKOS H，ANTONIS T,JOHN V,KYRIAKOS P.Microgrids-large scale integration of micro-generation to low voltage grids［C］//Session CIGRE2006-International Council of Large Electric Systems.Paris, France,2006:1-6.
［6］IEEE1547-2003IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems［S］.
［7］PECAS LOPES J A,MOREIRA C L,MADUREIRA A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2006,21（2）:916-924.
［8］PECAS LOPES J A,MOREIRA C.L,RESENDE F.O.MicroGrids black start and islanding operation［C］//Proceedings of
第42卷
中国电力
电力系统
（微电网及分布式发电专栏）
Co-operation control strategies for islanded microgrids
XUE Ying -cheng 1，2,TAI Neng -ling 1,LIU Li -qun 1,YANG Xing -wu 1,JIN Nan 1,XIONG Ning 1
（1.Electrical Engineering Dept.of Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200030,China ；
2.Electric Dept.of Yancheng Technical Institute,Yancheng 224001,China ）
Abstract ：Microgrids as a particular form of active networks were explained and presented as an effective solution for the control of grids with high levels of distributed resources.The microgrid can operate in grid-connected mode or island mode.In grid-connected mode,the microgrid either draws or supplies power to the main grid.The microgrid can separate from the main grid whenever a power quality event in the main grid occurs.The micro-sources and storage devices should co-operate with each other to maintain the integrity of the islanded microgrid.The issues concerning the island operation of microgrids were enumerated and discussed.Some co-operation approaches proposed by various authors were presented.The strategies were then compared based on their applicability to different control requirements.The choice of microgrid co-operation strategy should take into account operation modes and variety of affective factors.Key words ：distributed generation ；distributed resource ；active network ；microgrid ；control.
Li ège,Belgium,2005:102-106.
［9］BARSALI S,CERAOLO M,PELACCHI P.Control techniques of
dispersed generators to improve the continuity of electricity supply ［C ］//Proceedings of Power Engineering Society Winter Meeting.
New York,NY,USA,2002:789-794.
［10］ENGLER A,SOULTANIS N.Droop Control in LV-Grids ［C ］//2005
International Conference on Future Power Systems.Amsterdam,Netherlands,2005:1-6.
［11］LOPES J,MOREIRA C,MADUREIRA A,Control strategies for
micro grids emergency operation ［C ］//International Conference on Future Power Systems.Amsterdam,Netherlands,2005:1-6.［12］MADUREIRA A ,MOREIRA C,PESAS LOPES J.Secondary load-
frequency control for micro grids in islanded operation ［C ］//Proceedings of International Conference on Renewable Energy and Power Quality ICREPQ ’05.Balearic Islands ，Spain,2005:1-6.
［13］BOSE S,LIU Y,BAHEI-ELDIN K,DE BEDOUT J,ADAMIAK M.
Tieline controls in microgrid applications ［C ］//Proceedings of 2007iREP Symposium-Bulk Power System Dynamics and Control-VII,Revitalizing Operational Reliability.Charleston,SC,USA,2007:1-9.［14］LAAKSONEN H,SAARI P ，KOMULAINEN R.Voltage and frequency
control of inverter based weak LV network microgrid ［C ］//International Conference on Future Power Systems.Amsterdam,Netherlands,2005:1-6.
［15］DIMEAS A L,HATZIARGYRIOU N.Agent based control for micro -
grids ［C ］//2007IEEE Power Engineering Society General Meeting.Tampa,Florida,USA,2007:1-5.
［16］JIANG.Z .Agent -based control framework for distributed energy
resources microgrids ［C ］//2006IEEE/WIC/ACM International Conference on Intelligent Agent Technology.Hong Kong,China,2006:646-652.
［17］GIL N.J,LOPES G,PECAS A.Hierarchical frequency control
scheme for islanded multi-microgrids operation ［C ］//Proceedings of 2007IEEE Lausanne https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,usanne,Switzerland,2007:473-478.
［18］JOYARZABAL J,JIMENO J,RUELA J,et al .Agent -based micro
grid management system ［C ］//International Conference on Future Power Systems,Amsterdam,Netherlands,2005:1-6.
［19］BRABANDERE K,VANTHOURNOUT K,DECONINCK G,et al .
Control of Microgrids ［C ］//2007IEEE Power Engineering Society General Meeting.Tampa,Florida,USA,2007:24-28.
［20］PIAGI P,LASSETER R H.Autonomous control ofmicrogrids ［C ］//
Proceedings of 2006IEEE Power EngineeringSociety General Meeting.Montreal,Quebec,Canada,2006:8-15.
［21］GEORGAKIS D,PAPATHANASSIOU S,HATZIARGYRIOU N,et al .
Operation of a prototype microgrid system based on micro-sources equipped with fast-acting power electronics interfaces ［C ］//35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference.Aachen,Germany,2004,Vol.4:2521-2526.
（责任编辑李新捷）
微电网并离网控制策略研究及实现 任洛卿，唐成虹，王劲松，黄琦 南瑞集团公司（国网电力科学研究院）, 江苏省南京市211106 The Research and Implementation of Micro-grid's Grid-connected & Off-Grid Control Strategy Ren Luoqing, Tang Chenghong, Wang Jinsong, Huang Qi NARI Group(SGEPRI), Nanjing, Jiangsu 210003 ABSTRACT: This paper analyzes the network structure and operation modes of micro-grid and proposes a method of grid-connected & off-grid control strategy, which is based on fast fault detection and pattern recognition. Improved half-wave Fourier algorithm is used to carry out fast protection computation of the characteristic value so as to implement fast fault detection. The characteristic value is described by logical expressions and its real-time value is used to identify the current running mode and as the criterion to implement smooth switching control between the grid-connected mode and off-grid mode. So far, this method has been successfully applied in Luxi island micro-grid demonstration project. KEY WORD: micro-grid; fast fault detection; pattern recognition; coordinated control strategy 摘要: 本文对微电网组成结构及运行模式进行分析研究，提出了故障快速检测和运行模式识别的微电网并离网控制策略方案。故障快速检测以改进的半波傅里叶计算为基础，通过对微电网特征量的快速保护运算，实现故障的快速检测。微电网并离网平滑切换控制实现方法，将微电网特征量以逻辑表达式的形式进行描述，通过读取微电网特征变量实时值，识别出微电网当前运行模式，实现微电网并离网平滑切换。目前该方法已经成功应用于鹿西岛微电网示范工程。 关键词: 微电网；故障快速检测；模式识别；协调控制策略 1 引言 微电网由分布式发电、负荷、储能等部分组成，一般与中低压配电网相连，是一种可以运行在并网模式或离网模式的小型配电网系统。随着分布式发电技术的发展，分布式电源数量快速增长。智能微源、节能降耗、提高供电质量的目的[1]，因此微电网是处理大规模分布式发电接入电网的必然选择，微电网技术的发展对未来坚强电网的发展起着至关重要的作用[2-3]。 微电网有并网和离网两种状态。当电网发生故障时，微电网可离网运行，进入独立的孤岛状态。然而在微电网的发展中，微电网的运行控制尤其是并离网切换控制具有一定的难度。当电网发生故障时，分布式发电和储能设备的电力输出与实际负荷的电力需求很可能不平衡，造成大量电能缺额或电能过剩。此时需要迅速进行判断并进行相应的调节控制，使微电网能够平滑切换至离网状态运行。 现有的微电网并离网切换控制装置一般是针对特定并网方式设计，而离网控制操作过程需要人工参与[4-6]，无法自动适应微电网运行方式，很难做到并离网平滑切换控制。因此，研究微电网并离网平滑切换控制策略实现方法[7-12]是保证微电网安全高效运行的迫切需求。 本文对智能微电网的并离网控制策略进行了研究，提出了包括基于快速保护运算的故障检测技术和基于模式自识别的协调控制方法。这些新技术组成的微电网并离网控制策略，使微电网可以在并网和离网模式间实现平滑切换，同时保证重要负荷的持续供电。 2 快速故障检测技术 快速的故障判断是微电网的并离网切换控制的重要基础，而更快速的故障判断需要在更短时间内完成保护量的运算。 传统的全波傅里叶变换是电力系统中经常使用的保护计算方法。 传统计算方法公式如下： N -1 电网作为智能电网的重要部分，能灵活有效地运用分布式发电和储能设备，达到最大化接纳分布式电 2 a n =x n N =0 sin(nπ 2π ) N 4∑ N
基于孤岛运行特性的微电网可靠性分析 ABSTRACT: Microgrid as a part of smart grid, can improve reliability and safety with the flexible and effective use of distribution generation, which is an important development direction in the future of grid. With the sequential model of micro-power, load and constraints of energy storage system charging and discharging, a practical and engineered reliability evaluation algorithm is presented based on full sequential simulation of microgrid islanding taking into factors such as state switching of grid to off-grid, coordinated operation of micrgrid component and load shedding strategies considering the importance and location. On the other hand, the indexs of average operation time to first load shedding and rate of steady operation in islanded mode are proposed to evaluate microgrid island health according to the features of the island. Finally, the reliability of modified RBTS Bus6 is evaluated to verify the correctness and effectiveness of the proposed model and algorithm. KEY WORDS: microgrid; full sequential simulation; reliability analysis; load shedding 摘要：微电网作为智能配电网的有机组成部分，可灵活、高效地利用分布式电源，改善用户供电可靠性和安全性，是未来电网的一个重要发展方向。本文计及微电网中新能源机组出力间歇性、储能充放电约束等因素，提出了一种基于全时序模拟的孤岛微电网可靠性评估方法。在可靠性评估过程中所有微电源出力、负荷及储能充放电状态等都采用时序模型，模拟时可综合计入各类影响因素，如微电网由并网向孤岛运行状态的切换，孤岛期间各元件的协调运行，综合考虑负荷重要程度和开关位置影响的负荷削减策略等，使得模型更为贴近工程实际，实用性较强。另外，论文针对孤岛运行特性，提出了孤岛平均首次持续运行时间和运行稳定率两个新的可靠性指标，以评判孤岛的健康度。最后基于改进的RBTS Bus6系统进行算例分析，验证所提模型和算法的正确性和有效性。 关键词：微电网；全时序模拟；可靠性分析；负荷削减 0 引言 微电网以分布式电源（DG，Dsitribution Generation）为基础，将储能系统（ESS，Energy Storage System）、控制装置及负荷紧密联系在一起。储能作为微电网中不可或缺的装置，其故障会对微电网造成极大的影响[1]。在不考虑传统电源的情况下，储能故障后微电网内部没有可以平衡功率波动的电源，电能质量下降，可控性及可调度性降低，直接影响供电可靠性[2-3]。 微电网在紧急情况下脱离主网孤岛运行，以持续稳定供电为主要目标[4]。当微电网内部输出功率不足时，需要削减负荷以保证剩余负荷正常供电。因此，孤岛模式下的负荷削减策略对用户用电需求有重要作用。另一方面，传统的配电系统可靠性指标偏重统计数据或经验数据；而分布式电源及负荷的随机性较大[4-5]，波动变化明显，对于孤岛微电网的可靠性评估略欠适用。 目前国内外对DG进行了大量研究，但对DG 组成的微电网系统研究较少。在可靠性模型方面，主要集中在风力发电和光伏发电，多数文献忽略了储能对可靠性的影响。在可靠性评估算法方面，主要分为解析法和模拟法。文献[6-7]主要应用蒙特卡洛模拟法对含有DG或微电网的配电网进行可靠性分析，但对其内部元件及储能系统的工作情况却未考虑。文献[8-9]均采用最小路法分析含有DG的配电网的可靠性，但对DG的随机出力特性及储能充放电过程未详细讨论。文献[10]通过建立风光蓄元件的时序模型和状态转移模型，分析了含风光蓄的配电系统的故障效果影响及系统可靠性。文献[11]主要建立了分布式电源和储能联合发电系统的可靠性模型。文献[4-5]则重点分析了微电网孤岛状态的可靠性。 本文首先研究分布式电源—风电机组(WTG，Wind Turbine Generation)的出力随机特性，计及储能运行策略、工作状态及其充放电约束，通过全时序模拟重点分析微电网孤岛模式的运行状态及可靠性；其次基于负荷分块的思想，综合考虑负荷重要程度及位置两方面因素，研究孤岛模式的负荷削减策略；最后提出微电网孤岛运行的可靠性指标，并采用改进的RBTS Bus6配电系统对提出的模型及算法进行验证。 1 微电网元件模型 1.1 风速模型
电力系统负荷可分为三种。第一种变动幅度很小，周期又很短，这种负荷变动由很大的 偶然性。第二种变动幅度较大，周期较长，属于这类负荷的主要有电炉、电气机车等带有冲 击性的负荷。第三种负荷变动幅度最大，周期也最长，这一种是由于生产、生活、气象等变 化引起的负荷变动。 电力系统的有功功率和频率调整大体可分为一次、二次、三次调整三种。一次调整或频 率的一次调整指由发电机的调速器进行的，对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整。二次 调整或频率的二次调整指由发电机的调频器进行的，对第二种负荷变动引起的频率偏移的调 整。三次调整其实就是指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事 先给定的发电负荷曲线发电。在潮流计算中除平衡节点外其他节点的注入有功功率之所以可 以给定，就是由于系统中大部分电厂属于这种类型。这类发电厂又称为负荷监视。至于潮流 计算中的平衡节点，一般可取系统中担负调频任务的发电厂母线，这其实是指担负二次调频 任务的发电厂母线。 一：调整频率的必要性 电力系统频率变动时，对用户的影响： 用户使用的电动机的转速与系统频率有关。 系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。 频率变动地发电厂和系统本身也有影响： 火力发电厂的主要厂用机械—风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量和水量将迅速减少， 影响锅炉的正常运行。 低频运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片 断裂。 低频运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常电压，又要求增加励磁电流，以致使 发电机定子和转子的温升都将增加。为了不超越温升限额，不得不降低发电机所发功率。 低频运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大。也为了不超越 温升限额，不得不降低变压器的负荷。 频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大。而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水 平的下降。 频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。 调整系统频率的主要手段是发电机组原动机的自动调节转速系统，或简称自动调速系统， 特别时其中的调速器和调频器（又称同步器）。 二：发电机原动机有功功率静态频率特性 电源有功功率静态频率特性通常可以理解为就是发电机中原动机机械功率的静态频率特性。 原动机未配置自动调速时，其机械功率与角速度或频率的关系： 221212m P C C C f C f ωω=-=- 式中各变量都是标幺值；通常122C C =。 解释如下：机组转速很小时，即使蒸汽或水在它叶轮上施加很大转矩m M ，它的功率输出m P 仍很小，因功率为转矩和转速的乘积；机组转速很大时，由于进汽或进水速度很难跟上叶轮 速度，它们在叶轮上施加的转矩很小，功率输出仍然很小；只有在额定条件下，转速和转矩 都适中，它们的乘积最大，功率输出最大。 调速系统中调频器的二次调整作用在于：原动机的负荷改变时，手动或自动地操作调频器，
无平衡节点孤岛运行微电网的潮流计算方法研究针对去平衡节点孤岛运行微电网系统的无平衡节点、且有下垂控制分布式 电源装置的特性，本文提出一种改良的孤岛微电网潮流计算方法，通过引入两个辅助因子，将原非线性潮流方程分解为一组欠定线性方程、一组超定线性方程与一组辅助向量间的关系函数，分两步对变换后的方程进行迭代求解。一旦实现，将在满足系统稳定运行的基础上，优化功率分配，实现微网运行费用最小的目标，提高微电网系统的可靠性与经济性。 标签：电力系统;微电网;孤岛运行;无平衡节点 1、引言 微电网潮流计算作为微电网稳定分析、优化配置的基础，是一个重要的研究领域。在微电网并网运行时，其潮流计算与配电网潮流计算相似。而孤岛运行的微电网在对等控制下，系统内不存在平衡节点，且存在下垂控制的DG，需对系统频率进行求解[[[] 彭寒梅，曹一家，黄小庆，等. 无平衡节点孤岛运行微电网的连续潮流计算[J]. 中国电机工程学报，2016，36（08）：2057-2067.]]，故传统的潮流计算方法不再适用，需研究更适合孤岛微电网潮流计算的算法。 从当前孤岛微电网潮流计算的研究结果来看，部分方法采用优化的思想对潮流方程进行求解，如基于高斯赛德尔技术和牛顿拉夫逊法进行计算等，但该类算法均存在参数过多，调参复杂的问题，且LM算法存在尾部效应，难以适应高精度要求的计算[[[] 任永捷，冯某. 基于改进牛顿-拉夫逊法的潮流分析计算方法研究[J]. 北京电力高等专科学校学报：自然科学版，2011，28（011）：286-287.]]。另一种思路是把原潮流问题分解为传统潮流计算和下垂节点更新两个子问题，但收敛速度较慢[[[] 李培帅，施烨，吴在军，等. 孤岛微电网潮流的类奔德斯分解算法[J]. 电力系统自动化，2017，41（014）：119-125.]]。为此，有必要提出一种改良的孤岛微电网潮流计算方法，通过引入两个辅助因子，将原非线性潮流方程分解为一组欠定线性方程、一组超定线性方程与一组辅助向量间的关系函数，分两步对变换后的方程进行迭代求解[[[] 王晓娅，马国春. 两种改进的非线性方程组四阶迭代求解法[J]. 杭州师范大学学报：自然科学版，2015.]]。经算例对比验证，该算法具有收敛速度快、鲁棒性强和计算时间短的特点。 2、基本原理 2.1、引入潮流计算公式 潮流计算在数学上可归结为求解非线性方程组，其数学模型[[[] 李婷婷. 小阻抗直角坐标牛顿潮流算法发散机理研究[D]. 大连海事大学，2012.]]简写如下： 2.2、改写方程
电力系统频率的二次调节 一、频率的二次调节基本概念 上一节分析了系统频率特性系数Ks的组成和特点。从分析中可知，系统的频率响应系数愈大，系统就能承受愈大的负荷冲击。换句话说，在同样大的负荷冲击下，Ks愈大，所引起的系统频率变化愈小。为了使系统的频率偏差限制在教小的范围内，总是希望有较大的Ks。 Ks由两部分组成，一部分有负荷本身的频率特性所决定，电力系统的运行人员是无法改变的；另一部分有发电机组的频率响应系数决定的，它是发电机调差系数的倒数。运行人员可以调整机组的调差系数和机组的运行方式来改变其大小。但是从机组的稳定运行角度考虑，机组的调差系数δ%不能取得太小，以免影响机组的稳定运行。 系统的频率响应系数Ks是随着系统负荷的变动和运行方式的变化二变动的。这对用户和系统本身都是不希望的。也就是说，仅靠系统的一次频率调整，没有任何形式的二次调节（包括手动和自动），系统的频率不可能恢复到原有的值。为了使系统的频率恢复到原有的额定频率运行，必须采用频率的二次调节。 频率的二次调节就是改变发电机组的频率特性曲线，从而使系统的频率恢复到原来的正常范围。 如图3-15所示，发电与负荷的起始点为a，系统的频率为f1。当系统的负荷发生变化，负荷增大，负荷特性曲线从PLa变化至PLb时,当系统发电特性曲线为PGa时，发电与负荷的交叉点为a移至b点。此时，系统的频率从f1降至f2。当增加系统发电，即改变发电的频率特性曲线从PGa变到PGb，就能使发电与负荷特性的交叉点移至d点，可使系统的频率保持在原来的f1运行。 反之，当系统的负荷降低，在如图3-15中，发电与负荷的起始点为d，此时，系统的频率为f1。当系统的负荷发生变化，负荷特性从从PLb变化至PLa时,当系统发电特性曲线为PGb时，发电与负荷的交叉点为d和c点。此时，系统的频率从f1上升至f3。为了恢复系统的频率，适当减少系统发电，即改变发电的频率特性曲线从PGb变到PGa，就能使发电与负荷特性的交叉点从c点移至a点，
第42 卷中国电力电力系统 （微电网及分布式发电专栏） 微电网孤岛运行模式下的协调控制策略 薛迎成1，2 ，邰能灵1，刘立群1，杨兴武1，金楠1，熊 宁1 （1．上海交通大学电气工程系，上海200030；2.盐城工学院电气系，江苏盐城 224001 ）摘要：微电网是一种特殊形式的有源配电网，为大规模分布电源控制提供了一种有效方法。微电网能运 行在并网和孤岛状态，并网时可以从主网吸收电能或向主网提供电能，当主网发生电能质量事件时，微电网能从主网脱离单独运行。微电源和存储设备必须协作才能维持微电网孤岛运行。列举并讨论微电网孤岛运行，总结不同作者提出的微电网协调控制策略，对这些不同的控制方法进行比较，提出应根据微电网不同运行模式和影响因素对分布式电源采用不同控制策略。关键词：分布式发电；分布式电源；有源网；微电网；控制中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1004-9649（2009）07-0036-05 收稿日期：2009-03-13 基金项目：上海市曙光计划资助项目（07sg11） 作者简介：薛迎成（1969—），男，江苏盐城人，博士研究生，从事新能源、分布式发电、继电保护的教学和研究工作。 E -mail:xyc_xyc_xyc@https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html, 1微电网及其构成 为协调大电网与分布式电源（DR ）间的矛盾，充 分挖掘DR 潜能，为电网和用户带来更多的价值和效益，美国电气可靠性技术解决方案联合会（CRETS ）研究了DR 对低压电网的冲击，为增强电力系统的可靠性，提出了微电网概念。 微电网是一些负荷和微电源的组合，可作为一个可控系统来运行，一般与用户端的配电网相连，至少含有一个分布式电源和相关负荷。微电网技术为大规模分布电源应用提供了一种有效方法，是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合。 微电网正常通过变压器并网运行，当微电网从公共连接点脱离后，它本身至少可给其中一部分负荷提供电能，运行于孤岛状态（自治状态）。现有的电力公司一般不允许电网无计划孤岛运行和自动同步，主要基于人和设备安全考虑。然而，微电网可以孤岛运行和并网运行，能在两者之间平滑切换（经孤岛检测及瞬时同步化），从而充分利用微电网中的电源。 微电网也被称为分布式电源孤岛系统，按照范围、大小和所有权的不同，分布式电源孤岛系统（微电网）具有多种形式，可以分为单元孤岛、分支路孤岛、支路孤岛、变电站母线孤岛、变电站孤岛和邻近支路孤岛［2］（见图1）。微电网中的微电源可分为2类：第1类是传统旋转电机；第2类是通过电力电子接口与电网联接的电源。第2类微电源又分2种：一种是直流电源，如燃料电池、光伏电池等存储单元；另一种为高频交流电源，如微型燃气轮机，必须进行整流，得到的直流电压可通过逆变器转换成交流电压。 微电网中的微电源也可分为不可控、部分可控和全控3种，并可冷、热、电三联供。有的配有储能装置，通过双向交/直/交变换器与微电网相联，使用电力电子装置进行能量调节。可控微电源的输出功率可以由中央监控单元提供设定值来控制。 不同的微电源响应速度可能不一样，微型燃气轮机和燃料电池响应速度较慢并缺少惯性，可能出 中国电力ELECTRIC POWER 第42卷第7期2009年7月 Vol ．42，No．7 Jul.2009Fig.1MG lsland Systems classify 图1 微电网弧岛系统分类
频率与有功功率平衡 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。 但是，电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内，就需要及时调节系统内并联运行机组的有功功率。 频率质量是电能质量的一个重要指标。中国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏差不得超过，一些工业发达国家规定频率偏差不得超过。 说明电力系统元件及整个系统的频率特性，介绍电力系统调频的基本概念。 12.1.2.1负荷频率特性 负荷的频率静态特性：在没有旋转备用容量的电力系统中，当电源与负荷推动平衡时，则频率将立即发生变化。由于频率的变化，整个系统的负荷也将随着频繁率的的变化而变化。这种负荷随频率的变化而变化的特性叫做负荷的频率静态特性。 综合负荷与频率的关系可表示成： 由于电力系统运行中，频率一般在额定频率附近，频率偏移也很小，因此可将负荷的静态频率特性近似为直线，如下图所示。
12.1.2.2发电机组频率特性 发电机组的频率静特性：当系统频率变化时，发电机组的高速系统将自动地改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力，这种反映由频率变化而引起发电机组出力变化的关系，叫发电机调速系统的频率静态特性。 发电机组的功率频率静态特性如下图：在不改变发电机调速系统设定值时，发电机输出功率增加则频率下降，而当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。图中向下倾斜的直线即为发电机频率静态特性，而①和②表示发电机出力分别为PG1和PG2时对应的频率。
等值发电机组（电网中所有发电机组的等效机组）的功率频率静态特性如下图所示，它跟发电机组的功率频率静态特性相似。 12.1.2.3电力系统频率特性 电力系统的频率静态特性取决于发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性，由发电机组的功率频率特性和负荷的功率频率特性可以经推导得出： 式中――电力系统有功功率变化量的百分值： ――系统频率变化量百分值； ――为备用容量占系统总有功负荷的百分值。 12.1.2.4一次调频 一次调频：由发电机特性和负荷调节效应共同承担系统负荷变化，使系统运行在另一频率的频率调整称为频率的一次调整。
电力系统频率及有功功率的自动调节 摘要 在现实中系统功率并不是一个恒定的值，而是随时变化的，在系统中，每时每刻发电功 率和用电功率基本平衡。而功率又是影响频率的主要因素，当发电功率与用电功率平衡时，频率基本稳定，当发电功率大于用电功率时系统频率则上升，反之则下降，所以系统对有功 功率和频率进行调整。本文研究了电力系统频率及有功功率的自动调节进行了详细的研究与论证。 关键词：频率有功功率自动调节 第一章频率和有功功率自动控制的必要性 1电力系统频率控制的必要性A频率对电力用户的影响 （1）电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化,这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械的转速发生变化,转速不稳定会影响产品质量”甚至会出现次品和废品。 （2）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有 些设备甚至无法工作。这对一些重要工业和国防是不能允许的。 （3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致其所带动机械的转速和出力降低,影响电力用户设备的正常运行。 B频率对电力系统的影响 （1）频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。对于额定频率为50Hz的电力系统，当频率低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能因发生共振而断 裂，造成重大事故。（次同步谐振，1970、1971年莫哈维电厂790MV机组的大轴损坏事故） （2）频率下降到47-48HZ时，火电厂由异步电动机驱动的辅机（如送风机、送煤机）的出力随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度。这种现象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造 成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。 （3）在核电厂中，反应堆冷却介质泵对供电频率有严格要求。当频率降到一定数值时，冷却介质泵即自动跳开，使反应堆停止运行。 （4）电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使无功消耗增加，引起系统 电压下降，频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电势下降，导致全系统电压水平降
Journal?of?Electrical?Engineering 电气工程,?2016,?4(1),?44‐54 Published?Online?March?2016?in?Hans.?https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/journal/jee https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/10.12677/jee.2016.41007
Fault Analysis of Isolated Island Operation of Micro‐Grid
Junjie Jiang, Rong Ju
School?of?Electrical?and?Automation?Engineering,?Nanjing?Normal?University,?Nanjing?Jiangsu
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Received:?Feb.?16th,?2016;?accepted:?Mar.?1st,?2016;?published:?Mar.?8th,?2016 Copyright???2016?by?authors?and?Hans?Publishers?Inc. This?work?is?licensed?under?the?Creative?Commons?Attribution?International?License?(CC?BY). https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/licenses/by/4.0/?
Abstract
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Micro‐grid system is a new development direction of distributed generation system. In this paper, the operation characteristics of PQ and VF control inverter are analyzed, the mathematical model is established based on the control strategy of inverter, and the critical condition of the fault is de‐ rived. According to the working characteristics of the micro‐grid in grid connected operation and islanded operation, by using the node voltages and currents in fault condition, micro‐grid voltage and current equations in the run time are derived, and the fault analysis method is established. At last, by using the PSCAD, a simulation system of isolated island operation of low voltage of 380 V is built, testing the validity of the proposed method.
Keywords
Micro‐Grid, PQ Control Strategy, VF Control Strategy, Equivalent Model, Mathematical Analysis
微电网孤岛运行故障分析
蒋骏杰，居 荣
南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京
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收稿日期：2016年2月16日；录用日期：2016年3月1日；发布日期：2016年3月8日?
文章引用: 蒋骏杰, 居荣. 微电网孤岛运行故障分析[J]. 电气工程,?2016,?4(1):?44‐54. https://www.doczj.com/doc/6b17742005.html,/10.12677/jee.2016.41007?
电力系统频率偏低偏高有哪些危害 电力系统频率的频率变动会对用户、发电厂、电力系统产生不利的影响。1.对用户的影响：频率的变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品质量，雷达、电子计算机等会因频率过低而无法运行；2.对发电厂的影响：频率降低时，风机和泵所能提供的风能和水能将迅速减少，影响锅炉的正常运行；频率降低时，将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，减短叶片寿命甚至使其断裂。频率降低时，变压器铁耗和励磁电流都将增加，引起升温，为保护变压器而不得不降低其负荷；3.对电力系统的影响：频率降低时，系统中的无功负荷会增加，进而影响系统，使其电压水平下降。 当供电电路的频率偏高时，1、电动机的转速回高（n=60f/p(1-&) )，当电动机转速增大时，其实际功率成倍增加，其结果电动机很容易过载烧毁；2、中国电气设备是按50赫兹设计的，如果大于其允许的频率数，电气原件容易损坏。当供电电路的频率偏低时，电动机转速会过低，会使有的设备不能正常工作，如水泵可能不出水，风机风量、风压过低。 频率变化对电力用户及电力系统的影响包括哪些 对用户： 1、用户使用的电动机的转速与系统频率有关，频率变化将使电动机的转速变化，从而影响产品的质量。例如，纺织工业都会因为频率的变化出现次品。 2、近代工业，国防和科学技术都已经广泛使用的电子设备受到频率影响较大。 系统本身： 1、低频运行，会对发电机的叶片所受到的应力有影响。甚至引起共振，降低叶片寿命。 2、增大励磁电流，提高温升等。 系统频率的变化主要是引起负荷端异步电动机转速的变化。 如果频率降低的过多，将使电动机停止运转，会引起严重的后果。比如，火电厂的给水泵停止运转，将迫使锅炉停炉。另一方面，如楼上所讲，对于汽轮机在低频运行状态下时，会缩短汽轮机叶片的寿命，严重时会使叶片断裂。（这是因为汽轮机转子一般瘦长，转速较快，可达1500r/s,突然频率过低，会使叶片断裂）。 如果频率过高，则会出现失步等问题。 推荐楼主看《电力系统分析（上）》诸俊伟和《电力系统分析（下）》夏道止 电力系统频率变化的原因
12.1.1.1频率与有功功率平衡 电力系统频率是靠电力系统内并联运行的所有电机组发出的有功功率总和与系统内所有负荷消耗(包括网损)的有功功率总和之间的平衡来维持的。 但是，电力系统的负荷是时刻变化的，从而导致系统频率变化。为了保证电力系统频率在允许范围之内，就需要及时调节系统内并联运行机组的有功功率。 频率质量是电能质量的一个重要指标。中国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏差不得超过，一些工业发达国家规定频率偏差不得超过。 说明电力系统元件及整个系统的频率特性，介绍电力系统调频的基本概念。 12.1.2.1负荷频率特性 负荷的频率静态特性：在没有旋转备用容量的电力系统中，当电源与负荷推动平衡时，则频率将立即发生变化。由于频率的变化，整个系统的负荷也将随着频繁率的的变化而变化。这种负荷随频率的变化而变化的特性叫做负荷的频率静态特性。 综合负荷与频率的关系可表示成： 由于电力系统运行中，频率一般在额定频率附近，频率偏移也很小，因此可将负荷的静态频率特性近似为直线，如下图所示。
12.1.2.2发电机组频率特性 发电机组的频率静特性：当系统频率变化时，发电机组的高速系统将自动地改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水量以增减发电机组的出力，这种反映由频率变化而引起发电机组出力变化的关系，叫发电机调速系统的频率静态特性。 发电机组的功率频率静态特性如下图：在不改变发电机调速系统设定值时，发电机输出功率增加则频率下降，而当功率增加到其额定功率时，输出功率不随频率变化。图中向下倾斜的直线即为发电机频率静态特性，而①和②表示发电机出力分别为PG1和PG2时对应的频率。
XX大学 本科学位论文题目：微电网协调运行控制策略 摘要
本文主要通过进行了理论研究、仿真平台搭建，研究微电网综合协调控制策略，，仿真结果分析，为后续微电网的深入研究奠定了基础。 本文设计了PQ 控制器、基于下垂特性的V/f 控制器，并对逆变器输出滤波器进行了设计。同时，针对PI 控制器的不足，利用模型预测控制方法设计了微网中分布式微电源逆变器的PQ 模型预测控制策略和基于下垂特性的V/f 模型预测控制策略， 并在MATLAB/Simulink 中建立了仿真模型，对单个微电源分别采用PI 控制和MPC 控制时的不同场景进行了分析，证明了MPC 控制器的效果。 最后，建立了微电网的模型，用风力发电机组、光伏以及蓄电池三种微电源的模型代替直流电压源，并设计相应的控制策略，在MATLAB/Simulink 中，搭建了整个系统的模型，分别在风机和光伏阵列出口处配置蓄电池，用于平抑并网功率并在孤岛下提高电压和频率支撑，仿真结果验证了控制策略的可行性。 关键词：微电网；综合协调控制；风光储；逆变器；模型预测控制
Study on the Coordination Control Strategy of Wind-Solar-Storage Micro-grid Abstract This paper mainly studies the micro-grid integrated and coordinated control strategies, and, by theoretically analyzing, simulation platform construction, and simulation results analyzing, laid the foundations for subsequent in-depth study of micro-grid. In this paper, a PQ controller, a V/f controller based on droop characteristic and the inverter output filter has been designed. Meanwhile, considering PI controller’s insufficiency, the Model Predictive Control strategy was used to design the converter’s PQ model predictive control strategy and V/f model predictive control strategy based on droop characteristics, and the simulation model was established in MATLAB/Simulink. Then, by simulating a single micro-source respectively using PI controller and MPC controller in different scenes and by afterward analyzing and comparing, the effectiveness of MPC controllers was proved. After single micro-source’s integrating strategy research, the model of micro-grid with multiple micro-sources was built, and through the simulating and analyzing under 3 conditions: the micro-grid operation mode switching, cutting or adding load in island mode, cutting a micro-source in island mode, it is found that the micro-source MPC controller designed in this thesis achieved a sound power control behavior under the aforementioned three conditions. Meanwhile, both the micro-grid’s voltage and frequency were within the required range of the system, which proves the effectiveness of control strategies. Last, the wind-solar-storage micro-grid model was built, which used a wind power generation system, a photovoltaic cell and a storage battery to replace DC voltage sources, along with the design of corresponding control strategies. The whole model of the system was then built in MATLAB/Simulink, in which a storage battery was placed respectively in the outlet of wind power generation system and the export of PV array column, for stabilizing grid power and offer voltage and frequency support in island mode. The simulation results validated the feasibility of the control strategies. Key Words: Micro-grid；Integrated coordination control；Wind-Solar-Storage；Converter；Model Predictive Control
微电网控制策略研究Last revision on 21 December 2020
微电网控制策略研究1.分布式电源及其等效模型 1.1分布式电源的定义 国际上关于分布式发电的定义较多，没有形成对分布式发电的统一定义，不仅不同国家和组织，甚至是同一国家的不同地区对分布式发电的理解和定义都不尽相同，以下是几种比较有代表性的：（1）国际能源署对分布式发电的定义为：服务于当地用户或当地电网的发电站，包括内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电技术，以及能够进行能量控制及需求侧管理的能源综合利用系统；（2）美国《公共事业管理政策法》对分布式发电的定义为：小规模、分散布置在用户附近，可独立运行、也可以联网运行的发电系统；（3）丹麦对分布式发电的定义为：靠近用户，不连接到高压输电网，装机规模小于10MW的能源系统；（4）德国对分布式发电的定义为：位于用户附近，接入中低压配电网的电源。接入电压等级限制为20kV，主要包括光伏、风电和小水电；（5）法国对分布式发电的定义为：接入低压配电网，直接向用户供电的电源。接入电压等级限制为20kV，容量限制为10MW，主要是热电联产、小水电和柴油机。综合以上几种定义的共同点，可以认为分布式电源指的是以新能源发电为主，容量较小且靠近负荷中心的发电设备，如小型风力发电机和光伏电池等。 目前，微电网示范工程中的分布式电源主要包括柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、小型风机、燃料电池和光伏电池，此外，还有少数的生物柴油机、液流电池、超级电容、飞轮储能等。
1.2分布式电源的并网方式 虽然各种分布式电源都可以接入微电网为负荷供电，但由于它们自身的一下特点和微电网对电能质量及供电可靠性的要求，各类分布式电源的并网方式不尽相同。小型水力发电机、鼠笼型异步风机和柴油机等小型常规发电机输出稳定，可直接并网。光伏电池、燃料电池和直流风机等直流分布式电源输出直流电，通常需要经逆变器接入交流微电网，这种并网方式称为直—交式并网。微型燃气轮机和同步风力发电机输出幅值频率变化的交流电电气量,需要整流逆变后才能并网，这种并网方式称为交—直—交并网，对应的分布式电源统称交直
微电网运行控制策略 截至目前，国内已开展微电网试点工程30个，既有安装在海岛孤网运行的微电网，也有与配电网并网运行的微电网。“十三五”期间，我国将在太阳能、风能占优势的地区建设微电网示范区，还将推动建设100座新能源示范城市。为进一步保障微电网的安全、可靠、经济运行，结合我国微电网发展的实际情况，一些新的微电网技术需求有待进一步研究。 微电网研究领域，最为关键的技术是微电网的运行控制，微电网控制的基本要求是：任一微电网的接入，不对既有微电网系统造成明显影响；能协调微电网的发电与负荷，自主选择运行点；能稳定的在并网和孤岛两种模式下运行，并在两种模式间平滑切换；可以对有功、无功进行独立控制，具有自主校正电压跌落和系统不平衡的能力。 微电网控制功能基本要求是新的微电源接入时不改变原有设备，微电网解、并列时是快速无缝的，无功功率、有功功率要能独立进行控制，电压暂降和系统不平衡可以校正，要能适应微电网中负荷的动态需求。微电网控制功能如下： （1）基本的有功和无功功率控制 由于微电源大多为电力电子型的，有功功率和无功功率的控制、调节科分别进行，可通过调节逆变器的电压幅值来控制无功功率，调节逆变器电压和网络电压的相角来控制用功功率。 （2）基于调差的电压调节 在有大量微电源接入是用P-Q控制是不适宜的，若不进行就地电压控制，就坑内产生电压或无功振荡。而电压控制要保证不会产生电源间的无功环流。在大电网中，由于电源间的阻抗相对较大，不会出现这种情况。
微电网中只要电压整定值有小的误差，就可能产生大的无功环流，使微电源的电压值超标。要根据微电源所发电流是容性还是感性来决定电压的整定值，发容性电流时电压整定值要降低，发感性电流时电压整定值要升高。 （3）快速负荷跟踪和储能 在大电网中，当一个新的负荷接入时最初的能量平衡依赖于系统的惯性，主要为大型发电机是惯性，此时仅系统频率略微降低而已。由于微电网中发电及的惯量较小，有些电源是响应时间常数又很长，因此当微电网与主网解列成孤岛运行时，必须提供蓄电池、超级电容器、飞轮等储能设备，相当于增加一些系统的惯性，才能维持电网的正常运行。 （4）频率调差控制 在微电网成孤岛运行时，要采取频率调差控制，改变各台机组承担负荷比例，已使各自出力在调节中按一定的比例且都不超标。 储能系统是微电网中的一种特殊微电源。储能系统由储能单元和双向变流器构成，在联网运行时，储能系统能够存储能量；在孤岛运行时，储能系统起着加快切换时间，改善电能质量和平衡多种电源间响应时间不一致的弊端的重要作用。