微电网系列之微电网的孤岛运行

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微电网的孤岛运行

微电网具有++并网++ 和++孤岛++两种运行模式，由于孤岛运行模式下，分布式电源为微电网内部负荷提供频率和电压支撑，由于分布式电源的容量、惯性及过载能力都远小于传统电网的发电机，所以孤岛模式下微电网的控制及运行存在一些问题，系统控制更加具有难度和挑战性。

由于大部分主动配电网中包含多台分布式电源，各电源等效特性各不相同，因此亟需解决的问题：采用++何种控制方法保障多台分布式电源在孤岛模式下实现电压和功率支撑++。

如前文所述：孤岛模式下微电网系统中应用最广泛的控制方法主要包括主从控制、对等控制和分层控制三种。参考<微电网系列之微电网控制>

💎主从控制模式：当孤岛模式下的微电网系统采用该模式，系统的频率和电压的支撑由内部分布式电源提供，该分布式电源多采用恒压恒频控制（V/f控制），称为主电源，而其他分布式电源称为从电源，从电源多采用恒功率控制（PQ控制）来实现孤岛模式下的功率支撑。

💎对等控制模式：当孤岛模式下的微电网采用该模式，系统中的分布式电源多采用下垂控制方式来共同实现电压和频率的支撑；对于对等控制系统而言，采用下垂控制方式可在不改变系统原有控制和保护策略情况下实现"即插即用"，保障分布式电源的快速接入。

💎分层控制模式：当孤岛模式下的微电网系统采用该模式，系统中需增加一个中央控制器，该控制器一方面负责响应上层调度指令，另一方面负责统一协调管理底层分布式电源与负荷，通过低速通信完成分布式电源与负荷的管理，而系统的电压和频率支撑方式由中央控制器来决定。

在三种控制方法中，主从控制方法存在对主电源依赖性较强的弱点，而对等控制方法存在没有考虑系统遭受严重扰动后系统频率和电压恢复的问题，所以分层控制 成为目前最受关注的主动配电网孤岛运行控制形式。

孤岛运行模式下，微电网的频率及电压由主动配电网变流器来支撑，而实现支撑的分布式电源多采用下垂控制，该控制通过++模拟发电机一次控制外特性++，进而完成频率和电压的自主调整。

📚孤岛模式问题

传统电网与微电网的阻抗特性差异

Table 16储能控制策略

|--------|---------------------------------------------------------|---------------------------------------------------------|
| | 传统高压电网 | 低压微电网 |
| 阻抗特性 | 线路阻抗以感性（X）为主（X >> R） | 线路短且截面积小，阻抗以阻性（R）为主（R >> X） |
| 结果 | 有功功率（P）主要影响频率（f）（ΔP → Δf）无功功率（Q）主要影响电压（V）（ΔQ → ΔV） | 有功功率（P）主要影响电压（V）（ΔP → ΔV）无功功率（Q）主要影响频率（f）（ΔQ → Δf） |

孤岛微电网（一般：低压电阻特性强）中，传统P-f/Q-V下垂控制导致功率不完全解耦，降低主动配电网变流器动态性能和稳定性。

🚀问题本质：低压配电微电网中线路电阻（R）与电抗（X）比值较高（R/X >> 1），导致传统下垂控制的P-f（有功-频率）和Q-V（无功-电压）方程存在强耦合，表现为：

💎有功功率变化引起电压波动（ΔP → ΔV ）

1. 电网阻抗特性与压降公式

在低压配电网中，线路电阻（R）远大于电抗（X）（即 R/X >> 1），此时线路压降公式简化为：

其中：

R⋅ΔP：有功功率变化导致的电阻压降（主导因素）；
X⋅ΔQ：无功功率变化的贡献（次要因素）。

物理本质：有功功率（ΔP）增加 → 线路电流增大 → 电阻压降（I·R）显著升高 → 用户侧电压下降。

2. 分布式电源的典型场景

风光发电功率波动：如风速突变导致风机输出ΔP达±30%/min，引发配电网电压波动（±10%以内）。
负荷投切：大型电机启动瞬间ΔP骤增（如额定容量的5~7倍），引起局部电压暂降。

3. 短路容量的影响

电压波动幅度与短路容量（Sk **）**成反比：

短路容量越小（如农村弱电网），相同ΔP引起的电压波动越显著。

💎无功功率变化影响频率稳定性（ΔQ → Δf ）

1. 频率稳定的能量平衡原理

系统频率取决于有功功率平衡：

但无功功率（ΔQ）通过以下路径间接影响频率：

电压下降 → 发电机励磁调整 → 转子加速/减速：当ΔQ不足导致电压降低时，励磁系统增磁 → 发电机转子电流增大 → 电磁转矩变化 → 转速（频率）波动。
无功缺额引发连锁反应：严重无功缺额 → 电压崩溃 → 发电机失步 → 频率失稳。

2. 实际案例：风机脱网事件

无功支撑不足：双馈风机在电网故障时若未及时注入无功（ΔQ↑），电压持续跌落 → 风机保护脱网 → 系统有功缺额（ΔP↓） → 频率下降。
火电机组调节：当ΔQ突增（如电容投切），励磁系统响应滞后 → 暂态功角失稳 → 局部频率振荡。

Table 2 有功-无功耦合关系的对比与关联

|-----------------|-----------|------------------|----------------|
| 变化类型 | 直接影响 | 间接影响 | 主导电网类型 |
| 有功功率变化 (ΔP) | 电压波动 (ΔV) | 电流增大 → 线损↑ → 温升↑ | 低压配电网 (R>>X) |
| 无功功率变化 (ΔQ) | 电压水平 (ΔV) | 励磁调整 → 频率波动 (Δf) | 高压输电网 (X>>R) |

注：在高压电网（X>>R）中，ΔQ对电压的影响更显著（ΔV ∝ ΔQ），而ΔP主要影响功角稳定性。

🚀传统下垂控制局限： Δf=−kp*ΔP,ΔV=−kq*ΔQ 在R/X高的场景下，ΔP与ΔV、ΔQ与Δf的交叉耦合项不可忽略，导致功率分配误差达10%-20%

📚虚拟阻抗控制

作为目前最主流的软件解耦方法，有效解决了此问题，保障了变流器支撑频率/电压的动态性能和稳定性。

⚡硬件解耦：采用滤波电路，但增加成本，应用受限。

⚡软件解耦（主流）：主要方法包括：

虚拟功率下垂控制：无法覆盖实际下垂特性的频率和电压运行范围，使得微电网变流器运行区域缩小。
P-V（有功-电压）/Q-f（无功-频率）下垂控制：无法与旋转电机并联，应用受限。
虚拟频率下垂控制：无法实现功率本质解耦,缩小运行区域。
虚拟阻抗控制：当前应用最广泛的解耦方法。

Table 16虚拟阻抗四种方式与性能对比

|-----------------|----------------------------------|---------------------|---|
| 实现方式 | 原理 | 优势 | |
| 固定虚拟阻抗 | 设定固定Zᵥ（通常Xᵥ=0.1~0.5 p.u.） | 实现简单，计算量小 | |
| 自适应虚拟阻抗非线性虚拟阻抗 | 根据负载率动态调整Zᵥ（如：Xᵥ ∝ P） | 适应工况变化，稳态精度高（>95%） | |
| 自适应虚拟阻抗非线性虚拟阻抗 | 采用分段函数或模糊逻辑调整Zᵥ | 抑制谐波共振，提升抗扰性 | |
| 协同优化虚拟阻抗 | 结合VSG（虚拟同步机）的惯量支撑，调整Zᵥ以平衡阻尼与惯量需求 | 同时优化动态响应与稳定性 | |

🚀虚拟阻抗的核心思想

阻抗重构：在控制环路中注入虚拟阻抗（通常为感性阻抗Zᵥ = Rᵥ + jXᵥ），使变流器输出端呈现高电抗比（Xᵥ/Rᵥ >> 1），模拟高压电网的电抗主导特性（在控制环路中引入虚拟阻抗（通常为感性），将线路阻抗从阻性（R）改造为感性（X）主导），从而解耦P-Q控制。
数学实现：电压指令修正à V*ref=Vref−Io * Zv 其中Iₒ为输出电流，Zᵥ为设计的虚拟阻抗。

💎 总结：虚拟阻抗的技术演进与定位

虚拟阻抗控制通过软件定义阻抗取代硬件改造，成为低压孤岛微电网解耦控制的最优解，其发展路径为：

基础解耦（固定Zᵥ）→ 动态优化（自适应Zᵥ）→ 系统协同（VSG+MPC+Zᵥ）
未来突破点在于智能算法与稳定性边界的融合，实现"阻抗云调度"以支撑100%新能源渗透率的微电网安全运行

📚黑启动

在孤岛运行的微电网系统中，某些突发性故障可能会导致系统出现失电现象，为提高负荷的供电可靠性，黑启动功能成为主动配电网系统不可或缺的一项功能。

所谓黑启动，是指主动配电网系统因故障失电后，在不依赖其他外电网情况下，系统内部能通过自启动的一系列控制自主恢复供电。微电网的黑启动控制方案可分为：

向上恢复（并行恢复）：为系统内负荷提供更为快速的电力恢复。
向下恢复（串行恢复）：控制系统则更为简单，且更容易实现。