1.2 微电网控制系统概述

微电网控制应当保证以下五个方面：①确保系统在各种工况下的稳定运行，包括电压稳定、频率稳定；②根据负荷需求实时调整分布式能源（如太阳能、风能等）的发电量或者储能设备的充放电状态，以实现功率的供需平衡；③优化能量管理和运行安排，提高整个微电网系统的能源利用效率，降低能源损耗；④及时检测并入大电网的故障状态，以确定微电网的工作状态，保证微电网的可靠运行；⑤与外部电网进行良好的配合，实现顺畅的能量互动和信息交流。

为灵活地实现微电网的多种控制目标，提出了分层控制的概念 ^[4，5] ，常见的微电网分层控制如图1-5所示 ^[6] 。最顶层是上层系统交互接口，主要负责本地微电网对大电网或其他微电网的协调，控制目标包括决定孤岛/并网运行、参与能源市场、参与上层系统协调等。中间层是微电网内部控制，控制目标包括优化多变流器之间的功率分配、优化微电网的母线电压/频率二次控制、黑启动、负荷管理等。最底层是变流器本地控制，控制目标包括：功率分配、电压/频率控制、变流器保护、电池管理、孤岛检测等。

1.2.1 变流器本地控制

变流器的本地控制中，每台变流器根据自身的信息，按照需求实现不同的控制目标，包括功率分配、电压/频率调节、变流器保护、电池管理或孤岛检测等。为实现不同的控制目标，本地控制常见的控制策略包括功率控制、恒压恒频控制和下垂控制 ^[8-10] 。

1．功率控制

变流器作为分布式能源/储能与微电网母线的接口设备，变流器需要控制分布式能源/储能与微电网的功率流动。变流器的功率控制结构如图1-6所示，首先变流器端口电压电流经功率计算得到变流器的输出有功、无功功率，并将变流器的输出功率作为功率控制系统的反馈信号。功率控制器系统的给定信号为功率参考给定 P _ref 和 Q _ref ，功率控制系统用于实现变流器输出功率跟踪功率给定。

2．恒压恒频控制

微电网在孤岛运行模式下必须至少有一台变流器控制微电网母线电压，从而保证微电网电压和频率的稳定。变流器的恒压恒频控制系统如图1-7所示，其基本原理是利用电压控制，保证变流器输出电压的幅值和频率保持恒定，无论输出功率如何变化。

3．下垂控制

为了提高微电网供电可靠性，提出了一种新的电压控制策略，该控制策略模拟了同步发电机的下垂特性，被称为下垂控制，能够实现多变流器共同支撑母线电压。典型的下垂控制系统如图1-8所示，变流器的输出电压、电流作为下垂控制器的输入，下垂控制器根据下垂曲线计算得到电压幅值给定和频率给定，电压控制系统则根据电压幅值给定和频率给定调节变流器输出电压的幅值和频率。

1.2.2 微电网协同控制

微电网控制层主要用于单个微电网的内部控制 ^[7] ，控制目标包括优化多变流器之间的功率分配、优化微电网的母线电压频率特性、黑启动、负荷管理等。目前微电网控制层的控制策略可分为两大类：集中式控制和分布式控制 ^{[8，11，12]} 。一个典型的集中式控制如图1-9所示，通过一个集中控制器和所有变流器的本地控制器进行通信，对微电网中的各种设备进行监测、控制和优化调节，以确保微电网的稳定运行和最佳经济效益。在集中式控制中，集中控制器可以根据微电网整体的负荷需求和各个发电单元的输出功率情况，动态地调整各个发电单元的输出功率，以平衡微电网的能量供需关系。因为集中控制器可以全面了解微电网的情况并协调发电单元的工作，所以集中式控制的优点在于控制精度高、控制策略灵活、可实现微电网的最大化效益。此外，在集中式控制中还可以设置多种安全保护措施，以防止微电网发生故障或事故。但是，集中式控制也存在明显的缺点：由于所有的控制都由中心控制器完成，因此当中心控制器出现故障时，整个微电网将无法正常运行。此外，集中式控制需要较高的硬件和软件成本，系统可拓展性差，而且在微电网规模较大时，集中控制器的负担将会非常重，可能出现性能瓶颈问题。

和集中式控制不同，分布式控制系统中没有一个集中控制器，而是每个变流器均采用分布式控制器，这些分布控制器通过相互之间的通信实现整个微电网的控制和优化，如图1-10所示。由于分布式控制中各个发电单元都具有一定的控制能力，因此当某个发电单元出现故障时，只要通信网络保持连接，其他发电单元仍然可以继续工作，以保证微电网的连续供电。此外，分布式控制的微电网结构更加灵活，可以更好地适应微电网规模的变化。但是，分布式控制也存在明显的缺点：各个变流器的分布式控制器只能检测到变流器的本地信息和附近变流器的信息，难以保证所有变流器之间的通信。因此分布式控制器难以监测整个微电网的工作状态，进而难以实现整个微电网的最优控制。

1.2.3 上层系统交互

在微电网并入大电网或和其他多个微电网共同运行时，微电网被大电网或其他微电网视作一个单独的子系统。因此，为实现单个微电网与大电网或其他微电网的协调控制，引入了微电网的上层系统交互接口。一个典型的微电网上层交互系统如图1-11所示，微电网的上层系统交互接口通过和其他大电网或微电网通信从而实现协调，决定微电网孤岛/并网运行状态并参与能源市场。