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近年来，我国的风电产业发展迅速，截至2013 年底，我国风电新增装机容量16 088.7 MW，同比增长24.1％；累计装机容量91 412.89 MW，同比增长21.4％，新增装机和累计装机两项数据均居世界前列[ 20 ]。微电网中的小型风力发电系统，主要是直驱永磁风力发电机。
直驱永磁风力发电机的基本组件包括风轮机、传动系统、永磁同步发电机、变流器等组成。对各个组件的数学模型进行分析，有助于更高效地搭建系统的仿真模型。
直驱永磁风电机组（D-PMSG）的基本结构如图1.8 所示，风力机不经升速齿轮箱直接与永磁同步发电机相连，先将风能转化为频率、幅值均变化的交流电，经过机侧变流器整流为直流电，再经过网侧变流器逆变为幅值恒定的交流电连接到电网。通过背靠背全功率变流器对系统的有功、无功功率进行解耦控制，实现最大风能追踪，使风能得到最大效率的利用。D-PMSG系统包括以下几个模块：风轮机、永磁同步发电机、全功率变流器。
图1.8 D-PMSG拓扑结构图
永磁同步发电机转子上没有励磁绕组，由永磁铁励磁，所以不存在励磁绕组损耗。直驱风电系统的风力机与发电机转子直接连接，省去了容易出故障的齿轮箱，二者转速相等，所以发电机输出的电压和频率随风速的变化而变化。
目前对直驱永磁风力发电机的研究主要有：
文献[21]中选取直流微电网和直驱永磁风力发电机为研究对象，提出了直流微电网的典型拓扑结构和能量管理原则，建立直驱永磁风力发电机仿真模型，配以蓄电池储能装置，对直流微电网下直驱永磁风力发电机与蓄电池的协调控制研究进行了分析，并通过所建模型在MATLAB ／ SIMULINK仿真环境下进行了仿真分析，验证了系统的可靠性和合理性。
文献[22]对微电网常用的两种基本控制策略以及三种经典微电源控制方式做了研究与分析，然后在DIgSILENT仿真软件中建立了由双馈感应风力发电机、蓄电池储能、柴油发电机和感应电动机等微电源和负荷组成的微电网仿真模型，并对所建微电网的并网运行状态、离网运行状态以及并网转离网和离网转并网两种运行切换状态分别进行了仿真分析，验证了所采用的微电网控制策略的有效性。
文献[23]以风电海水淡化孤立微电网作为研究对象，根据海水淡化的负荷特性及风电的运行特性，分析含风电、储能、海水淡化负荷的孤立微电网的运行模式及控制方案。在此基础上，根据风速历史数据，计算机组出力及风功率波动的概率分布，提出风电、储能和海水淡化装置的容量配置方案以及孤立微电网协调运行的控制策略，进而提高系统经济效益和安全稳定运行能力。最后通过仿真试验系统搭建某地区海岛微电网，针对风电海水淡化孤立系统不同运行工况进行实时仿真，验证了所提控制策略的可行性。
风电发电的成本不断下降，其优势不断显现。越来越多的风电、光伏并网参与电力供需平衡，极大推动了电力工业对新能源的开发和利用。风电、光伏具有较强的波动性、间歇性，导致风电、光伏参与系统调度计划时存在诸多问题，也是目前可再生能源发电并网和有效利用的瓶颈。可再生能源并网规模的增加对电网提出了新的挑战，当大电网出现波动或者需要减负荷时，电力调度部门采用粗放、保守的发电编制计划[ 29 ]，首先对接入的可再生能源发电企业“动刀”，减少可再生能源发电企业的输出功率配额，甚至直接将可再生能源发电从大电网中切除，这导致了可再生能源发电成本增加，出现了大规模的弃风、弃光现象。
要提高对风电、光伏等可再生能源发电的消纳能力，就需要对风电、光伏等可再生能源发电的波动性、间歇性进行抑制，提高风电、光伏短期预报预测水平，提高平抑负荷波动的能力，降低对电网中火电等其他发电机组备用容量的依赖性，降低电网系统调节的压力。要解决上述问题，就需要在可再生能源发电系统中配置储能装置，通过储能装置平抑由于风／光的间歇性、随机性、波动性造成微电网输出功率的不可靠性、不稳定性，增加微电网系统的柔性和弹性。适合微电网、常用的储能装置有蓄电池、超级电容、锂离子电池、飞轮等。储能装置的造价较贵，为了降低储能系统的建设成本，需要对储能装置进行优化配置，采用合适的储能方式（例如单一储能模式、混合储能模式、双电池储能模式等），建设合适的储能系统，合理配比储能容量和机组备用，实现能量的供需平衡，这些都是解决可再生能源发电消纳问题的关键。
合理地配置储能资源可降低可再生能源发电成本、备用成本。与此同时，利用储能系统平抑可再生能源发电的波动，提高可再生能源发电的消纳能力，是实现可再生能源大规模利用的前提。在保证大规模可再生能源发电接入电网的安全性、可靠性、稳定性与经济性的前提下，对微电网系统内储能资源进行优化配置，实现需求侧分布式储能系统与电网的有效互动，给电力系统的安全与经济运行提出了新的挑战。
对含可再生能源的机组组合问题的研究主要集中在模型和算法两个方面：
应用于求解机组组合问题的数学优化方法有：动态规划算法 [30] 、拉格朗日松弛法[ 31 ]、分支定界法 [32] 和Benders分解算法 [33] 等。这些优化算法提高了微电网储能优化配置的求解速度，但是在微电网源荷不确定的复杂条件下，由于系统的非线性约束条件的复杂度增加，前几种算法求解的效率下降严重，需采用Benders分解法进行求解。
应用于机组组合问题优化的智能算法有：模拟退火优化算法[ 34，35 ]、蚁群优化算法[ 36，37 ]、遗传优化算法[ 38-40 ]、粒子群优化算法[ 41-43 ]和混合智能算法[ 44，45 ]等。这些算法具有较强的处理非线性、多目标、复杂组合问题的能力，但是常导致组合优化结果陷入局部最优，无法实现全局优化。虽然近年来出现了众多改进策略，有效地避免了局部最优，但仍无法保证求解的稳定性，难以运用在实际调度运行中。
国内外在可再生能源发电储能系统优化配置研究上，已取得了阶段性成果。文献[ 46 ]以微电网系统运行的经济性指标作为目标函数，在系统有功功率平衡约束条件下对储能系统进行优化配置，由于没有考虑微电网系统能量平衡的实时性，储能系统优化配置的结果对功率偏差的动态响应性能较差。文献[47]采用钠硫蓄电池作为储能单元，构建了储能电站，分析了储能电站的动态性能，建立了评价体系，对优化配置的结果进行量化分析，从而得出最优的配置结果。文献[48-50]采用“荷电状态控制”方法对蓄电池储能系统进行分析，平抑了光伏电站输出功率的波动性。文献[51]从大电网调峰操作的角度出发，采用突破调峰瓶颈的松弛算法，对大规模储能电站的优化配置进行了研究。基于电网频谱分析，文献[52]提出了确定储能系统最小容量的频谱分析法，但未考虑对超出储能容量部分功率的补偿问题。上述研究从各方面提出了微电网储能系统优化的方法，但未从提高电网消纳可再生能源发电能力的角度考虑问题，更未考虑对电网机组组合问题的影响。
风电、光伏等新能源的大规模接入给电网带来了丰富的发电资源，也给电力系统的发电侧带来了更多不确定因素。因此，微电网系统的运行需要考虑拓展的储能对微电网运行决策的影响。
大电网系统中，机组组合优化策略也要从可再生能源发电侧考虑，把储能系统纳入机组组合优化策略中，增加了电网系统运行中的不确定因素，对电网安全性要求进一步提高。可再生能源发电大规模接入电网后，在保证电力系统安全性、稳定性和经济性的前提下，对储能系统进行优化配置的需求进一步紧迫。
目前我国的微电网中，微电源主要有直流风机和光伏阵列。由于风能和太阳能具有随机性、波动性、间歇性等特点，微电网电源输出功率就具有了不确定性[ 53-55 ]，再加之微电网系统中负荷的不确定性，需要有储能装置来平抑微电网的波动性。在微电网系统中，要求能对微电网的能量进行调度[ 56 ]，特别是在微电网离网运行模式下，要求保证微电网系统的稳定性、微电网输出电能的质量和微电网各发电单元之间的功率平衡。为了满足微电网运行的上述要求，快速、准确地平抑微电网系统有输出功率、无功功率的波动，储能装置必不可少。同时还应对微电网系统负载功率突变引起的微电网系统输出功率波动进行调节，起到改善微电网系统输出电能质量、提高微电网系统供电可靠性和供电稳定性的作用[ 57-61 ]。
图1.9 各种储能技术的应用领域分析
可用于微电网系统的储能装置很多[ 62 ]，主要包括铅酸蓄电池、锂离子电池、超级电容等[ 63 ]。各种储能技术（应用领域分析如图1.9 所示）可以提供多样化和差异化的供电功率和供电时间尺度。在电压、电流、功率、充放电倍率、温度等多个因素的耦合作用下，储能单元状态表征为荷电状态（State of Charge，SOC）、功率状态（State of Power，SOP）、健康状态（State of Health，SOH）等。研究结果表明，微网中微电源和负荷的波动具有不同的时间尺度，采用单一储能装置的储能系统一般不能同时满足储能系统对功率密度和容量密度的要求。为了降低储能系统的建设成本，延长储能系统的使用寿命，微电网系统一般采用混合储能系统，如铅酸蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，充分发挥二者的优势和互补特性，实现储能系统的高效长寿运行。
对各种储能的特点进行了比较[ 64 ]，目前微电网系统中最常用的铅酸蓄电池具有能量密度大、成本低等优点，能够满足微电网系统对储能装置能量密度的要求[ 65 ]。在微电网系统中，铅酸蓄电池通常作为主要储能装置，以实现微电网系统中的发电单元由于天气等原因无法正常发电时，保证微电网供电的连续性。但是由于铅酸蓄电池化学性能的限制，其充电电流、放电电流很小，系统响应速度慢，系统时间常数大[ 66 ]。当微电网系统负载功率发生突变时，铅酸蓄电池不能快速吸收或者释放功率，无法满足微电网系统动态性能指标对系统响应速度的要求。与铅酸蓄电池相比较，超级电容的能量密度较低，价格高，但是其功率密度高，充电电流、放电电流很大，具有很快的响应速度，可以在很短的时间内提供很大的功率，以满足微电网系统动态性能指标对响应速度的要求[ 67，68 ]。
综上所述，超级电容和铅酸蓄电池具有很强的互补性。考虑微电网系统建设、运行的经济性、可靠性等指标，充分利用超级电容和铅酸蓄电池的互补性，可以采用铅酸蓄电池和超级电容混合储能的方式，构建微电网系统的储能装置[ 69-71 ]。当微电网系统的负载功率发生突变时，利用铅酸蓄电池能量密度大的优势，平抑微电网系统中的低频功率干扰；利用超级电容功率密度大的特点，平抑微电网中的高频功率干扰。这样就能充分发挥超级电容和铅酸蓄电各自的优点，抑制微电网负载功率波动对直流母线的冲击，保证微电网系统安全、稳定、经济地运行。
由于可再生能源发电随机性、波动性、间歇性的特点，微电网系统中的负荷不规律性波动加剧了微电网系统发电的非计划功率波动。加之缺乏有效的能量管理，给系统的可靠运行带来了很大挑战，分布式光伏发电并网容量的不断增加必将会对配电网的安全可靠运行带来越来越严峻的挑战。在分布式光伏发电系统中加入储能系统 [72，73] （Energy Storage Systems，ESS）平抑功率波动，能够提高能源的利用效率，增强电网的安全性、稳定性、可靠性，改善电能质量，增加可再生能源接入比例。由于储能系统自身的限制，必须构建合理的拓扑结构[ 74，75 ]，采用智能化控制策略[ 76 ]，建立可行的能量管理[ 77，78 ]优化解决方案。
ESS作为可再生能源发电系统的重要组成部分，凭借其快速功率调节与供需特性为可再生能源发电系统稳定、经济运行提供了重要保证，而储能系统的配置结果决定了ESS发挥作用的程度。通过ESS建立的双向流动能量对等交换与共享网络，使得分布式光伏发电能量转换的时间尺度得到了巨大拓展，从而改善了系统的性能：
①在电源侧，对电源的随机波动起到稳压、稳流的作用，提升光伏的入网比例[ 79 ]；
②在能量输配环节，起到削峰填谷的作用[ 80 ]，提高输配环节的性能、降低其基建成本；
③在负荷环节中，实现电能管理和电能质量优化[ 81 ]。
根据Younicos官方网站数据[ 82 ]，传统火电调峰调频与锂离子储能调峰调频效果对比如图1.10所示，可知储能调频过程更加及时、准确。
由于分布式光伏发电系统的建设方案、建设时间等不一致，储能装置的类型、型号、批次、性能参数不一致，在进行统一能量管理时，基于传统的串并联方式无法解决储能装置参数杂散性问题，导致其无法发挥各自的价值，造成大量的资源浪费。因此，多种类型储能装置异构接入分布式光伏发电系统，构建适用于带异构储能系统[ 83-85 ]（Heterogeneous Energy Storage，HES）的分布式光伏发电的ESS，对大幅提高新能源消纳比例有重要的理论意义和巨大应用价值。
在多类型储能异构领域取得的阶段性成果主要集中在电力电子变换器拓扑[ 86，87 ]、调制方法[ 88 ]、控制算法[ 89，90 ]等方面。伴随着新能源消纳、电动汽车、电力系统削峰填谷等方面的需求日益迫切，储能技术已成为研究热点[ 91，92 ]。基于各类储能元件的结构优化、控制优化、模型优化，以期实现最大限度发掘储能元件的可用性、稳定性和可靠性，这是可再生能源领域储能技术研究的主线[ 93，94 ]。电动汽车电池管理系统（Battery management system，BMS）[ 95 ]的成功应用，为分布式光伏发电的异构储能系统构建提供了现实依据。清华大学的卢兰光在中美交流会上作的报告《LiFePO 4 battery performances testing and analyzing for BMS》[ 96 ]可作为一个参考，如图1.11所示。
图1.11 BMS系统结构框图
微电网系统中包括了太阳能光伏电池板、蓄电池和超级电容等直流电源，在交直流电源之间需要安装逆变器作为功率变换接口。微电网系统结构采用交直流混合母线型，不仅减少了并网逆变器的数目，方便实现能量管理，而且也可以给直流负载直接供电，其微电网系统结构如图1.12所示。
图1.12 微电网系统结构
从此结构可知，逆变器在微电网系统中的重要作用主要有：首先，微电网系统工作在并网状态下的时候，逆变器作为系统直流侧与交流侧的接口；其次，当微电网系统工作在离网运行状态时，逆变器作为本地交流负荷的供电电源[ 97 ]。
微电网系统可以在并网和离网两种不同模式下稳定运行，但不管运行在何种模式下，都要表现为可控的发电装置，而系统中逆变器装置又是整个微电网系统的核心部分，起到不可替代的作用。因此，必须对系统中逆变器进行有效的控制。具体而言，微电网系统中逆变器的主要控制目标包括以下几个方面：
①当微电网系统运行于并网模式下。首先，逆变器必须满足与外部电网连接的要求，保证注入电网的电流谐波含量满足并网要求（THD＜5％），不对当地电能质量造成影响，保持与外部电网同步的能力，避免系统发生功角振荡[ 98，99 ]。其次，微电网系统作为一个独立可控的发电单元，通常要求系统中逆变器向外部电网输出的有功功率可调度，而逆变器和外部电网之间交换的无功功率可控制，满足负荷需求，并对外部大电网的频率和电压起到调节和支撑作用。最后，市县电网运营商也会提出电力系统谐波补偿、有源滤波和电网发生故障时的低电压穿越等要求。
②当微电网系统运行于离网模式下。逆变器必须能维持微电网系统交流侧母线电压和频率的稳定[ 100 ]，能够自动匹配本地负载对有功、无功的需求。此外，如果微电网系统交流侧存在两台或者多台逆变器同时并联运行时，那么，必须确保本地能量管理系统能够按照各台逆变器的容量或其他原则分配每台逆变器的有功、无功功率的输出。
③微电网系统可在两种不同模式之间切换。当外部大电网突然发生故障时，微电网系统需要从并网模式平滑切换到离网模式[ 101 ]，而逆变器的控制也将从电流控制顺利过渡到电压控制，不仅要保证系统交流电压频率的平滑过渡，又要让系统逆变器输出的功率能够快速匹配本地负荷需求；当微电网系统从离网模式平滑切换到并网模式时，为了避免微电网系统并网瞬间带来的电流冲击，在并网前，务必要保证微电网系统与外部大电网同步且电压幅值相等。
因此，当微电网系统离网运行的时候，微电网系统公共耦合点（Point of Common Coupling，PCC）在没有大电网的电压和频率支撑的情况下，需要通过对微电网各发电单元进行并联控制来稳定微电网交流母线的电压和频率[ 102 ]。在微电网系统中，网侧逆变器输出阻抗的非感性特征，使得进行并联控制的微电网各发电单元之间的线路阻抗存在不平衡性，各线路阻抗存在差异，最终导致微电网系统交流电压和频率的稳定性受阻抗差异的影响，并且出现在微电网各发电单元之间的功率环流难以均匀地分配到并联控制的各台逆变器中[ 103 ]。微电网离网运行模式下，要实现多台逆变器的并联运行，采用传统的下垂控制策略已无法满足要求。
将虚拟阻抗引入下垂控制算法，通过引入虚拟阻抗来减小线路阻抗不确定性对功率耦合造成的影响[ 104，105 ]。由于线路阻抗不平衡而引起的无功功率分布不均衡问题可通过改进电压／无功下垂控制来解决[ 106 ]，通过该方法能有效防止系统出现电压偏差，但是额外增加的虚拟阻抗会导致输出电压幅值发生跌落，进而影响系统输出的电能质量。下垂控制能在无通信的情况下实现离网运行微电网的有功功率、无功功率在各发电单元之间合理分配，但是，电压、频率会产生稳态误差，进而导致电能质量不高，严重时还可能导致系统不稳定[ 107 ]。
近年来，新能源（如光伏、风电、燃料电池等）发电技术受到越来越多的关注。充分利用可再生能源发电，能够有效缓解传统电力系统在用电高峰期供电不足，偏远地区供电以及供电安全等问题。逆变器的控制是可再生能源并网发电系统的主要核心部分。并网电流总谐波失真（total harmonic distortion，THD）是衡量其电能质量的重要指标。必须保证THD＜5％，逆变器交流侧的滤波器装置，主要包括L和LCL两种类型[ 108 ]。
单独采用电感进行滤波，需要电感值很大，L型滤波器的造价高。而采用LCL滤波器后，其中的电感值、电容值相对较小，因此，电感、电容的体积更小，造价更低。采用LCL滤波器，在较低开关频率状态下，逆变器的输出并网电流质量仍然较高，并且具有很强的输出电流高频谐波抑制能力[ 109 ]，滤波效果明显高于L型滤波器。微电网系统处于小阻尼或者欠阻尼状态时，LCL滤波器在谐振频率处存在固有谐振尖峰[ 110 ]，导致了系统不稳定。因此，对逆变器系统的控制策略提出了更高的要求。
增加系统阻尼可以避免LCL滤波器在谐振频率出现谐振尖峰，提高微电网系统的稳定性[ 110 ]。在微电网系统电容支路中串联阻尼电阻来提高系统阻抗，以抑制系统谐振的方法[ 111 ]，控制方法简单、易于实现且效果明显，提高了系统稳定性。阻尼电阻的引入增加了系统损耗，使系统效率降低，同时也削弱了LCL滤波器的滤波效果，仅适用于小功率变换装置。采用电容电流反馈的有源阻尼法增加系统阻尼的方法也能较好地抑制系统谐振[ 112 ]，由于需要安装电流传感器来检测电容电流，在增加系统的硬件成本同时，也提高了系统的控制难度，降低了系统的可靠性。
为了实现对微电网给定正弦电流基波信号的无静差跟踪，有学者提出了多谐振PR电流控制策略[ 113 ]，采用该方法可以抑制系统谐振，提高输出电流质量。多谐振控制器是一个高阶控制器，系统设计难度大，在谐振处控制系统的增益无限大，会导致系统不稳定。
为了构建更合理的储能系统，微电网系统中可调度储能资源对系统的优化运行决策提出了新的要求。在保证电力系统安全、稳定与经济运行的前提下，如何对系统的储能资源进行管理，面临着新的发展机遇和挑战。
对微电网微电源进行优化配置，对储能单元进行优化配置，对各种储能装置进行异构，开发微电网上位信息管理系统，实现微电网在并网运行与独立运行两种模式下的故障检测、处理的快速性与可靠性，可使系统具有一定的容错运行能力。采用高效智能化能量管理策略实现了对微电网的蓄电池和超级电容等储能装置的管理。