微网分层控制技术

微电网的分层控制可分为3层 。每层控制的主要功能如下:第一层控制为最低的控制层，一般采用下垂控制方法，底层控制包括分布式电源和负荷控制，通过控制DG的逆变器来提供有功功率和无功功率，实现分配DG的功率与负荷均衡并达到功率分配最优化。第二层控制是通过第一层所发送出的控制信号来调控逆变器的输出频率和电压幅值，实现功率的平衡和主电网系统的稳定。与此同时，第二层控制能够确保微电网和主电网之间的同步，最大限度地减少影响微电网系统稳定性的因素。第三层控制的功能为调控微电网和主电网的功率流动方向，以确保微电网运行的稳定性和经济性。图1、图2分别是分层控制结构图和第一层控制结构图。

在图1、图2中，微电网中分布式电源的接口方式可分为两类：第一类为同步电机接口，如燃气轮机、小型柴油发电机，内燃机多用同步电机接口；第二类为通过逆变器接口并网的电源。其中，第二类微电源又分为两种：一种是直流电源，如光伏电池、燃料电池等；另一种为交流电源，如微型燃气轮机、风力发电机等，须先经过整流，所得直流电压再经逆变器转换成工频交流电压。本文假定所有分布式电源己经整流为直流电源，因此微电源并网须经过逆变器，逆变器的交流输出还须经LC滤波器以滤除其中的高次谐波分量。

为了实现一个微电网的电能质量调控，首先需要考虑以下各关键性问题

（1）电能质量的测量与监控。考虑关键或敏感负载区域，一套测量、通信与估测体系有其必要性。

（2）基于电力电子变换器的快速而准确的电压、电流控制。并网逆变器应能快速准确地跟踪正序、零序、负序以及谐波次电压、电流参考。

（3）多目标控制系统的合理集成。针对不同控制目标的各控制系统之间的协同控制关系到系统的可靠性与稳定性。

（4）分布式发电源之间的协同控制。考虑到分布式电源的功率限制与工作模式，其应能协同补偿系统中的电能质量问题。

（5）用户自定义的电能质量要求。根据用户要求而进行相应电能质量调节是合理的，且能够降低运行成本。

为了实现以上各目标，一个多层的控制系统架构是必须的，其基本组成如右图所示。本地控制主要为一次控制，可以包括:(1)内环电压/电流控制，通常使用的控制方法有比例积分控制、比例谐振控制及重复控制等；(2)外环功率控制，下垂控制与主从控制是最常用的控制方法；(3)外环阻尼控制，虚拟阻抗和有源阻尼方法常用在这一控制中以提高系统稳定性。系统控制可以包括二次和三次控制。二次控制主要针对系统电能质量，包括电压频率、幅值、谐波、不平衡等。三次控制的核心通常是管理策略及优化算法，用以实现整体系统的高效、低成本运行，并能够响应用户需求，对电能质量进行调控。

微电网是包括分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷、保护装置集中而成的小型系统川。微电网主要有2种应用模式:直流微电网和交流微电网。这2种微电网运行模式的特有结构使其具有某些特有的功能，针对其结构和功能，世界上很多国家己经提出了很多不同的微电网管理架构。微电网中的分布式电源通过电力电子设备接入配电系统，其主要设备为逆变器，其控制策略可分成PQ控制和V/f控制等。微电网的运行方式包括孤岛运行方式和并网运行方式。在孤岛运行方式中，微电网通常采用V/f控制方法，这种控制方法要求微电网必须确保自身的电压和频率在规定范围，以及有功功率和无功功率的平衡。在并网运行方式中，微电网的稳定主要取决于主网，微电网通常采用PQ控制方法，所发出的有功功率和无功功率需满足微电网自身的要求；与此同时，微电网也能与主网相互传输功率。微电网的控制策略研究可以分为：主从控制、集中控制、分散控制、分层控制和下垂控制等。分层控制主要包括三层，第一层为分布式电源和负荷控制，第二层为在第一层控制信号基础上的频率和电压幅值控制，第三层为微电网功率和主网功率控制 。

为了对复杂系统进行完善的管理和控制就必须对这些系统所具有的分层结构有意识地加以利用，因为要一举设计一个巨大的系统是很困难的。一般来说，多数分层方式是根据系统的物理结构来进行分层的。但也可以根据控制的复杂程度和控制目的，把控制过程从功能上进行分层，控制系统看作是由这些功能联系起来构成的。

分层控制有以下鲜明的特点 ：

（1）当控制系统发生局部故障时，分层结构可有效地对故障进行隔离，将故障影响限制在局部范围内，这样就更易于保证整个系统的可靠性。

（2）)对于经常变更和扩大控制对象的大规模系统，如果把它作为子系统的集合来看时，则容易应对局部系统的变更和扩大，因此分层控制结构具有适应系统发展的灵活性。

（3）各子系统为达到其控制目的可能会出现互相排斥或矛盾的情况，必须对各子系统及其功能进行统筹和协调。

（4）若分层系统层次过多，会造成处理时间产生延迟，影响整个系统运行效率。

主流的微电网容量相对较小，但电源种类较多，间歇性能源比例较高。利用分层控制结构在不同的时间尺度上分别实现电气量控制、电能质量调节以及经济运行控制，有助于实现微电网的标准化。外国一些学者将不同层次上的微电网控制定义为：初级控制、二级控制以及三级控制。

微网分层控制技术第一层控制

（1）PQ下垂控制方法

控制微电网的有功功率和无功功率，需采用下垂控制方法。下垂控制方法可分成两种类型困:一种是根据测量系统的频率和逆变器的输出电压幅值来提出频率和电压参考值；另一种是根据逆变器输出的有功功率和无功功率，提出频率参考值和电压幅值 。

（2）电压和电流的控制

内部控制环由两部分组成，即电压外环和电流内环的双闭环控制。电压外环控制一般采用PI控制器，电流内环控制也采用PI控制器。

微网分层控制技术第二层控制

第一层控制通过调节逆变器输出的功率来控制频率和电压，但这会导致频率和电压的波动。第二层控制可弥补频率和电压的波动造成影响。在此层控制中，微电网的分布式电源输出频率和电压幅值，与其参考值和进行比较，得到频率偏差占和电压偏差。将这些偏差值反馈到第一层，来控制分布式电源的控制器，进而使分布式电源的频率和电压幅值将达到一个稳定值 。

在微电网的并网运行过程中，第二层控制不仅是调节、监控微电网的频率和电压幅值，而且要将参考值与己测量到的微电网和主电网的各相的值进行比较，从而实现电网同步化。同步过程完成之后，微电网可通过静态开关并入主电网。此前，微电网与主电网之间不能交换任何能量。右图就是微电网并网的同步控制图。

微网分层控制技术第三层控制

在并网时，可通过频率和电压幅值来控制微电网的输出功率。三级控制作为最顶层的控制，也是时间尺度最大的控制策略。该层控制主要涉及微电网的经济运行。

微网分层控制技术结论

微电网作为一种分布式能源接入的有效形式，在一定的供电区域内形成多种DG协调的供电结构，可以运行在孤岛和并网两种模式下，为传统的集中式供电模式提供了补充。这种新形式的电网结构不但能够满足用户对供电可靠性和电能质量的更高要求，还能有效利用小规模的分布式发电资源，因此研究微电网控制的组织结构具有重要的意义。

从DG经典的本地控制出发，根据功能的不同将微电网控制的组织结构进行分层。通过信息交互，一些底层难以实现的控制功能可以利用更大时间尺度的上层控制实现。因此这种控制架构可以有效地简化微电网底层控制的结构，有助于微电网实现标准化。在此基础上，具体在无功控制、功率脉动抑制、多DG微电网经济运行等方面展开了研究。

微网分层控制技术展望

(1)鉴于分布式发电的大规模发展，未来配电网结构中必将容纳相当数量的微电网。在这种情况下，配电网的潮流方向会发生改变，现有的保护和运行模式都会受到影响。因此在配电网管理系统中增加微电网调度控制和市场交易的功能是十分必要的。针对配电网内多微电网运行模式的研究尚处于初级阶段，仍需进一步探索。

(2)在微电网的经济运行研究中，多数方法仍然沿袭传统的小时级经济调度。但微电网包含风力发电、光伏发电以及负荷扰动等不确定因素，大时间尺度下的优化很难满足实际的需求，因此迫切需要一种更为智能化的能量管理策略。多智能体技术是分布式人工智能研究的前沿，适合解决大型复杂的现实问题。智能体通过一定的学习方法，能够实现燃料费用、安全裕度以及环保指标等方面的优化。因此该理论非常适合用于微电网能量管理领域，是微电网自治化发展的重要方向。

分层简介

分层是表示将功能进行有序的分组：应用程序专用功能位于上层，跨越应用程序领域的功能位于中层，而配置环境专用功能位于低层。分层从逻辑上将子系统划分成许多集合，而层间关系的形成要遵循一定的规则。通过分层，可以限制子系统间的依赖关系，使系统以更松散的方式耦合，从而更易于维护。子系统的分组标准包含以下几条规则可见度。各子系统只能与同一层及其下一层的子系统存在依赖关系。

分层典型分层方法

分层表示将功能进行有序的分组：应用程序专用功能位于上层，跨越应用程序领域的功能位于中层，而配置环境专用功能位于低层。层的数量与组成取决于问题领域和解决空间的复杂程度：通常只有一个应用程序专用层。如果领域中已有先前构建的系统，或有由较小的互操作系统构成的大型系统，各设计团队之间尤其需要共享信息。因此，业务专用层很可能部分地存在，并且为明确起见，可能将其分成几个层。如果解决空间得到中间件产品的充分支持，并且复杂的系统软件在其中起着更加重要的作用，解决空间就将具有经过充分开发的低层，并且还可能具有一些由中间件和系统软件构成的层。应当把子系统组织成分层结构，构架的上层是应用程序专用子系统，构架的低层是硬件和操作专用子系统，中间件层是通用服务。下面是一个四层构架的示例.顶层是应用程序层，它包括应用程序专用的服务。下面一层是业务专用层，它包括在一些应用程序中使用的业务专用构件。中间件层包括各个构件，例如 GUI 构建器、与数据库管理系统的接口、独立于平台的操作系统服务以及电子表格程序、图表编辑器等 OLE 构件。底层是系统软件层，它包括操作系统、数据库、与特定硬件的接口等构件。分层结构始于最初略的功能层次，然后逐步发展成多个更为具体的功能层次。

分层分层指南

分层分层从逻辑上将子系统划分成许多集合，而层间关系的形成要遵循一定的规则。通过分层，可以限制子系统间的依赖关系，使系统以更松散的方式耦合，从而更易于维护。子系统的分组标准包含以下几条规则：可见度。各子系统只能与同一层及其下一层的子系统存在依赖关系。易变性。最上层放置随用户需求的改变而改变的元素。最底层放置随实施平台（硬件、语言、操作系统、数据库等）的改变而改变的元素。中间的夹层放置广泛适用于各种系统和实施环境的元素。如果在这些大类中进一步划分有助于对模型进行组织，则添加更多的层。通用性。一般将抽象的模型元素放置在模型的低层。如果它们不针对于具体的实施，则倾向于将其放置在中间层。层数。对于小型系统，三层就足够了。对于复杂系统，通常需要 5-7 层。无论复杂程度如何，如果超过 10 层，就需要慎重考虑了。层数越多，越需慎重。以下列出了一些经验法则：特定层中的子系统和包只应同一层及其下一层的子系统存在依赖关系。如果不这样限制依赖关系，将会导致构架退化，使系统脆弱并难于维护。如果子系统需要直接访问低层服务，则属于例外：应理智地决定如何处理整个系统所需的基本服务（如打印、发送消息等）。如果解决方案是在中间各层之间有效地实施调用传递，将消息限制在低层就毫无意义了。

分层分区模式

分层在系统的顶层作进一步的分区会有助于对模型进行组织。以下分区指南提出了需要考虑的各种问题：用户组织。可以根据业务组织中各种功能的组织形式来组织子系统，如按部门进行分区。由于现有的企业模型具有严格的组织划分结构，所以这种分区通常要在设计的初期进行。这种组织模式通常只影响到顶部少数层，即应用程序专用服务，随着设计工作的深入，它通常会变得无关紧要。根据用户的组织结构来进行分区，可以为模型提供一个良好开端。由于用户组织的结构在很长时间以后可能会因业务重组而变得不稳定，因此不宜用作系统分区的长期基础。系统的内部组织应该使系统便于开发和维护，而不受它所支持的业务组织的影响。技能领域。在开发组织中，可以对子系统进行适当组织，以便将模型中的各个部分分派给不同的开发组。这通常发生在系统的中低层，它反映了在开发和支持复杂的基础结构技术时，需要有专门化的技能。这类技术包括网络与分布管理、数据库管理、通信管理，进程控制等等。根据能力来进行分区也可以在上层进行。在这些层需要具备问题领域内的特殊能力，以便了解和支持关键的业务功能；这样的例子有：电信呼叫管理、证券交易、保险申报处理和航空交通控制。系统分布。在系统的任何层中，都可以将层作进一步的“水平方向”细分，以反映功能的物理分布情况。反映分布情况的分区有助于预见到在系统执行过程中将发生的网络通讯。但是，如果配置模型发生显著改变，反映分布情况的分区则会使系统难以作出相应的改变。保密领域。有些应用程序，特别是那些要求有关人员通过安全审查才能进行开发和/或支持的应用程序，需要根据安全访问权限来进行分区。控制保密区域访问权的软件必须由通过相应审查的个人来开发和维护。如果项目中具有这种背景的人员有限，要求特殊审查的功能必须分区为子系统，并将独立于其他子系统单独开发。对其他子系统言，唯一可见的将是与该保密领域的接口。可变性领域。某些功能可能会用作可选功能，从而只在系统的某些变体中交付，这些功能应组织成独立的子系统，独立于系统的必需功能进行开发和交付。

分层网络层次的划分

分层ISO提出的OSI（Open System Interconnection）模型将网络分为七层，即物理层（ Phisical ）、数据链路层（Data Link）、网络层（Network）、传输层（Transport）、会话层（Session）、表示层（Presentation）和应用层（Application）。

1. 物理层（Physical layer）是参考模型的最低层。该层是网络通信的数据传输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同构成。主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输并监控数据出错率，以便数据流的透明传输。

2. 数据链路层（Data link layer）是参考模型的第2层。主要功能是：在物理层提供的服务基础上，在通信的实体间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

3. 网络层（Network layer）是参考模型的第3层。主要功能是：为数据在结点之间传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互联等功能。

4. 传输层（Transport layer）是参考模型的第4层。主要功能是向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关键的一层。

5. 会话层（Session layer）是参考模型的第5层。主要功能是：负责维扩两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。

6. 表示层（Presentation layer）是参考模型的第6层。主要功能是：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。

7. 应用层（Application layer）是参考模型的最高层。主要功能是：为应用软件提供了很多服务，例如文件服务器、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务。

微网并/离网运行方式故障电流差距较大，微源投退、布局容量、控制方式等影响故障电流大小和方向，因此基于固定值的传统过流保护方案不再适用于微网。

微网线路保护微网不同运行方式

微网的运行方式不同，故障电流的大小不同，因此微网保护整定值也应不同。微网并网运行时，右图2(a)中F1处短路，流过2处保护的故障电流由系统(Is)和微源提供，其中主要由系统提供;而离网运行时，图2(b)中F1处短路，PCC点静态开关断开，流过2处保护的故障电流只有微源提供，其幅值较小。当DG1是逆变器型的微源时，故障电流更小。这是由于含逆变器型的微源故障电流注入能力被限制在两倍额定电流以内，且衰减迅速。

综上，微网并网运行时，故障电流较大;离网运行时，只有微源为其提供故障电流，故障电流较小。这使得基于固定值的传统保护方案不能正确动作，因此微网线路保护的配置必须能适应微网不同的运行方式 。

微网线路保护微源投退

单个微源在微网中具有“即插即用”的特点，意味着微源可以随时接入或者退出微网，这导致微网线路故障时故障电流的不确定性，使得传统保护方案不适用于微网。如图3(a)F2处发生短路故障时，流过保护4处的故障电流由系统和微源提供提供;如图3(b)，当DG3退出运行时，F2处发生短路故障，流过保护4处的故障电流只有Is, IDG1。DG的投退影响了故障电流的大小。而传统无源配电网F2处短路时，右侧无故障电流因此也无保护安装，DG接入配网后F2处短路时向故障点提供反向故障电流，在右侧无保护的情况下会造成故障持续甚至继续发展，影响供电的可靠性 。

微网线路保护微源布局、容量

配电网85%左右的故障都是瞬时故障，广泛采用三段式电流保护。当前由于微网接入容量较小、结构简单，多接入中低压配电网，故在保护方面多配以简单的过电流保护国川」。但是微源接入微网馈线中的位置不同、容量不同，对线路过电流保护的影响不同 ：

（1）DG接入微网馈线始端母线，下游线路中间点故障时，DG产生的助增电流使流过保护的故障电流增大，保护范围也因此增大，可能延伸到所在保护下一段，使保护失去选择性。而且DG输出功率越大，影响越严重。

（2）DG接入微网馈线中间母线，当下游线路中间点故障时，由于微源的助增作用，使流过下游保护的短路电流增大，使得末端保护灵敏性得到增强;同时由于微源的汲流作用，流过DG上游保护的故障电流减小从而使保护的灵敏性降低，保护范围缩小，如果相应保护没有动作切除故障，则相应远后备可能拒动。

（3）DG接入微网馈线末端母线，当相邻线路中间点故障时，DG向上游保护提供反向故障电流，可能引起保护误动作。

微网线路保护微源控制方式

逆变型微源在并网运行时一般采用恒功率(PQ)控制方式，在孤岛运行时根据需要可选择PQ控制、恒压恒频(V /f)控制或Droop控制。因此控制目标不同，在不同的控制方式下逆变型电源提供的短路电流差别较大。且当DG输出功率具有波动性和间歇性时，故障电流数值也随之发生变化。

与大电网不同，微网的保护与运行具有自己的特殊性。

微网线路保护微网潮流

内部的结构决定了微网的双向潮流特性，传统保护中的选择性原则在微网保护中较难满足。

微网中一般根据不同电源的特点采取不同的控制方式，对于风力发电和光伏发电这些输出功率受天气影响比较大的电源，若通过配备储能装置的方法使这类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，因此这类可再生能源的目标是保持最大的利用率，分布式电源能输出多少功率就输出多少功率，微网设计时一般会满足此类电源“即插即用”的特点。这就加剧了微网中潮流流动的不确定性，设计保护方法时应尽可能做到不受潮流的影响。

微网线路保护通信

在同等电压等级配电网中一般较少采用基于通信的保护。微网中，故障的判断较为复杂，有时需要利用多点的信息;为了维持微网的稳定，也需要确保故障能够及时地切除。基于通信的保护可以很好地完成这些功能。

微网线路不会太长，为几百米左右，方便信息信道的铺设。如将微网作为具有孤岛运行功能的智能配电网一部分的角度来考虑，应装设MMS(智能微网管理系统)。MMS为确保微网最经济有效地运行需同微网的各个部分保持联系，在合理设置MMS功能的情况下，可考虑将保护装置同其相结合或者直接利用其通信信道减少系统的投资 。

微网线路保护保护在不同运行方式下的适应性

微网既可以并网运行又可以独立运行的特点给保护的设计带来了新的挑战，孤岛运行条件下，短路电流由DG提供，基于逆变器的DG无法提供足够大的短路电流。并网条件下，短路电流可通过迭加定理来分析，电网能提供很大的短路电流，逆变器DG提供的短路电流只占短路电流很小的一部分。在这两种运行方式下短路电流差别很大，在一种运行方式下可行的保护方法在另一种运行方式下可能变得不再可行。

对于短路电流的这些特点一般有两种应对方法:一是设置限制条件使保护可以针对不同的运行方式;二是设计可以适用于两种运行方式的保护策略。其中前者可通过不同运行方式下故障电流的计算来整定，相对较容易实现，但是因限制条件的加入使得保护变得复杂。后者可以通过一套保护作用于不同的运行方式，但是对保护适应性的要求比较高。

微网线路保护故障切除时间

微网中的分布式电源多采用电力电子接口，这使得微网具有缺少惯性、响应速度快等特点。若采用配电网相同电压等级下的故障切除时间，容易使微网系统失去稳定。

故障切除时间还应该考虑到负荷的敏感程度，保证故障切除后系统还能保持稳定。例如，电动机负荷所占的比例越大，临界故障切除时间越短；三相短路故障点离感应电动机负荷点越近，临界故障清除时间越短。

微网线路保护DG不同控制方式与保护的对应

DG的控制是微网控制的基础，关于DG的控制方法的研究比较多，常见的有恒压恒频控制、PQ控制、P-f, Q-V下垂控制、f-P , VQ下垂控制等。不同方法的控制模块输入量及其所控制DG的输出量不同，当控制方式中没有加入任何针对故障的模块时，故障情况下，控制方式也会使所控制DG的输出量向参考值靠近，从而引起可以用以保护的电气量例如电压、电流等发生失常变化。

在对分布式电源控制方法进行设计时，应该考虑到故障情况并采取必要措施，例如数值限幅，跳闸时间配合等;同时保护方式也应该充分地考虑到DG控制方式的影响，设计与对应控制方式相协调的保护或是可适用于任何控制方式的保护 。