微电网系列之规划和运行控制

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微电网规划设计与经济运行

微电网规划需紧密结合运行策略，基于当地资源优化配置分布式发电单元并设计网络结构，以实现可靠、安全、经济、环保的目标；其运行则依赖能量管理系统，通过灵活调度分布式电源、储能和负荷来实现动态优化分配，最终达成经济高效、绿色优质的供电。

微电网规划设计的核心目标与内容

目标： 实现可靠性、安全性、经济性和环境友好性的多目标优化。

内容：

1. 系统网络结构优化设计
2. 分布式发电单元（DG）配置优化

关键考量因素：

1. 负荷需求与可利用能源情况
2. 设备运行特性、投资与维护费用
3. 能源利用效率、环境友好性
4. 系统控制策略
5. 系统全寿命周期运行特性与费用

分布式发电单元配置的关键点：

1. 策略至关重要： 配置优化策略是实现系统效益最大化的核心。
2. 因地制宜： 必须基于当地优势资源（如风能密集区主选风电，太阳能密集区主选光伏），其他资源作为补充。

微电网规划设计的独特性

1. 与运行高度耦合： 微电网规划必须紧密结合运行优化策略进行，不能孤立设计。

微电网优化运行的核心

1. 目的：通过能量管理系统（EMS）实现系统运行优化。
2. 基础：分布式电源出力预测、负荷需求、电力市场信息等。
3. 手段：灵活调度分布式电源、储能设备、可控负荷。
4. 关键任务：实时制定运行调度计划，实现负荷在分布式电源间的动态优化分配。
5. 核心效益：

⚡经济性：提高吸引力，实现全局运营经济性。

⚡高效利用：促进绿色能源高效利用。

⚡优质供应：保障安全、可靠、优质的个性化电能供应。

分布式发电单元的配置不同于常规的发电单元，在微电网系统规划设计中，单元配置的优化策略对于实现整个系统效益最大化非常重要。有别于常规的电网规划，微电网的规划设计问题与其运行优化策略具有高度的耦合性，规划师必须充分考虑运行优化策略的影响，应基于系统的全寿命周期运行特性即费用对微电网进行综合设计与规划。

微电网的运行控制

微电网稳定运行的核心在于变流器控制，VSC（尤其是两电平CCM-VSC） 是主流选择，通过SPWM/SVPWM调制实现功率控制；三电平拓扑因能改善输出质量、降低损耗而受关注；离网运行时则采用VCM-VSC以维持电压稳定。

运行控制是微电网稳定运行的关键，变流器控制技术也是微电网运行控制的基础，微电网中的各个能量单元多采用变流器实现与配电网的能量交换，作为微电网的核心技术之一，微电网变流器的性能表现直接影响系统的运行和性能。

微电网变流器的分类方法有许多：

Table 7 电压源型（VSC） vs 电流源型（CSC）

类型	直流侧滤波器件	优势	应用场景
VSC电压源型变流器Voltage Source Converter	大容量电容滤波	同等功率下，体积小、功率密度高、结构简单	光伏/储能并网（主流）
CSC电流源型变流器Current Source Converter	大电感滤波	短路耐受能力强	特定工业场景（较少应用）

VSC主拓扑

基于功率等级、电压等级、工作效率、消除共模电流等不同需求，VSC的主电路拓扑具有两电平、二极管中性点钳位三电平、T形三电平等不同形式。

VSC控制模式

基于控制算法和控制目标的不同，VSC又可分：

1. 对输出电流进行控制的电流控制模式VSC（Current Control Mode VSC，CCM-VSC）
2. 对输出电压进行控制的电压控制模式VSC（Voltage Control Mode VSC，VCMVSC）
3. Table 8 CCM-VSC vs VCM-VSC

类型	控制目标	适用场景	关键技术
电流控制模式（CCM-VSC）	精确跟踪输出电流，实现并网功率调节	并网运行： 如光伏/风电并网	通过调节并网电流实现有功/无功功率控制； 需外接电压源维持母线稳定（依赖大电网或主电源）
电压控制模式（VCM-VSC）	直接控制输出电压幅值/频率	离网运行：独立供电（如储能/光伏直供负载） 作为主电压源（如储能变流器构建微网电压）	负载突变时维持电压稳定（如±2%偏差）； 支持100%三相不平衡负载（三相四桥臂拓扑）

无缝切换技术

1. 同步条件：电压幅值误差<2%、相位角Δθ≈0。
2. 案例：虚拟同步发电机（VSG）控制策略，切换过程冲击电流降低70%

主流应用与关键技术点 (CCM-VSC)

两电平CCM-VSC 是连接可再生能源/储能并网的最常用形式，譬如：光伏电池、风力发电机、储能系统和电网或负载的交流系统。

1. 控制目标：该类控制方法可通过控制其并网侧的交流电压实现并网功率控制，通过调整输出电流来实现不同的并网特性。

关键调制技术

为实现变流器并网性能的精确和高效，基于输出电压的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式的选择成为主要技术趋势。目前，两电平CCM-VSC中最常用的PWM调制方式分为两种：

1. 正弦脉宽调制PWM（Sine-wave Pulse Width Modulation，SPWM）。
2. 空间矢量调制PWM（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）。

Table 9 调制方式对比

类型	原理	优势	局限性
SPWM	正弦波与三角波比较	算法简单，易实现	电压利用率低（≤86.6%）
SVPWM	空间矢量合成	电压利用率高（提升15%），谐波更低	计算复杂

潜在技术: 三电平拓扑结构的CCM-VSC

1. 优势：输出电压的电压上升速率（dv/dt）和谐波，并有效减小开关损耗及电磁干扰
2. 研究热点：如何通过 SPWM/SVPWM 等调制方式进一步降低输出谐波和开关损耗；如何将分布式能源与三电平拓扑更好结合以提高发电效率和并网功率等级（尤其小功率光伏）

前沿技术与发展趋势

1. 构网型变流器（GF-PCS）

⚡主动构建电网电压/频率，支持100%不平衡负载；

⚡应用场景：黑启动、新能源基地平抑波动。

2.智能算法融合

⚡基于机器学习优化锁相环（PLL），提升抗干扰能力；

⚡模型预测控制（MPC）实现毫秒级动态响应。

3.多电平与模块化拓扑

⚡五电平及以上拓扑进一步降低损耗，提升效率。

总结

微电网变流器技术正沿 “高效化—智能化—构网化”路径发展：

高效化：三电平拓扑+SVPWM调制成为主流，解决损耗与谐波问题；

智能化：AI算法提升控制精度（如自适应锁相环）；

构网化：VCM-VSC从被动调压转向主动构建电网（VSG/GF-PCS）。

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 参考文章

1. 微电网系列之分布式发电定义与特性
2. 微电网系列之微电网分类定义
3. 微电网系列之微电网控制
4. 微电网系列之潮流方向
5. 微电网系列之微电网关键技术和规划
6. 微电网系列之微电网的运行控制
7. 微电网系列之规划和运行控制
8. 微电网系列之微电网的孤岛运行
9. 微电网系列之微电网的故障检测与接入标准
10. 微电网系列之变流器分类
11. 微电网系列之PQ控制基本原理

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