独立微电网是指与外部大电网隔离、独立自主运转的小型电力系统，它具体有两种不同形式:1）不与外部大电网相连接的孤岛式的微电网；2）因某种起因通过公共连接点（point of common coupling，PCC）的静态开关断开与大电网的连接而转入独立运行模式的微电网.现有探讨和实践表明，含多种分布式电源的独立微电网能够有效提高系统的供电可靠性和电能质量、降低成本，不仅是排除和改善海岛等偏远地差别散电力需求的一种高效途径，还是提高配电网供电可靠性的一种有效方法.然而，高渗透率间歇性可再生能源如风力发电和光伏发电的随机性出力和负载的不可预测性和多变性，都使得独立微电网系统频率控制具有一定的挑战性

　　近些年来，围绕独立微电网的频率控制研究致使广泛的关注，并取得了一定的成果［11-18］.文献［13］探讨微电网系统内逆变器、同步发电机和异步发电机不同接口型微电源的调频特点，比较叙述了具有无调频特征、有差调频和无差调频的不同微电源对微电网独立运行时的频率特征影响.文献［14］采用了一种改良的自调节下垂系数控制法，探讨微电网逆变器并联控制技术，有效减小在负载突变等情况下的系统频率波动.文献［15］提出一种基于虚拟同步发电机的独立微电网频率控制方式，详细给出了微电网独立运行时逆变电源控制的一次、二次调频策略.相对于目前大多数文献具体集中于逆变器接口微电网的运行控制，文献［16］针对独立微电网内柴油发电机和蓄电池储能系统的不同控制特点，提出了柴油发电机为主控电源时的蓄电池储能系统辅助功率控制，以及柴油发电机和储能系统之间的双主电源无缝转换控制策略，保证系统运行的稳定性，但它没有给出具体的一次、二次频率控制方式.实际上，围绕含多种混合能源独立微电网的研讨和实践已指出，微电网频率波动问题具体是因为高渗透率的间歇性电源如风电和光伏的随机性功率输出、大容量电力负荷的投切而致使的有功容量供需不平衡问题而致使的［17-18］，而为了有效排除此种问题，配置一定功率的蓄电池储能装置和/或柴油发电机组构成的不间断供电微电源组合是保证独立微电网系统频率稳定的关键［16，19］.

　　因此，在充分考虑独立微电网系统的净负荷波动特点，可控型微电源-柴油发电机组和电池储能系统的不同控制特点及其交互协调关系的基础上，本文提出了一种新型独立微电网的频率分层控制组成及其分层协调控制策略，提升了独立微电网频率控制的稳定性和灵活性.在1级频率控制中，利用具有快速响应特点的蓄电池储能系统通过改善的下垂控制参数，高效应对较小变化幅度和较短变化周期的随机净负荷波动，改进独立微电网系统的瞬态频率响应特点和频率质量；而在2级频率控制中，采用柴油发电机的PID调速控制应对较大变化幅度和较长变化周期的系统净负载波动，对超出1级控制范围的系统频率偏差进行恢复控制来保证系统频率稳定.最后，利用PSCAD软件对东澳岛的风柴蓄独立微电网在不同运转状况下的运转控制进行仿真解说，结果验证了所提方式的有效性.

　　独立微电网系统内风电、光伏等间隙性分布式电源的随机性容量输出以及各种阻感性负载的频繁投切都会导致系统有功功率供需不平衡，进而导致系统频率波动问题［20］，因此，根据独立微电网系统的频率动态特点，对频率稳定区域按照一定级别划分为一定区域，如图1所示为频率稳定区域划分的A，B和C三类区域［21-22］，其中，A区域代表频率偏差在电能质量允许范围（49.5Hz≤f≤50.5Hz）内，B区域代表稍微超出额定频率允许波动范围（48Hz≤f＜49.5Hz或50.5Hz＜f≤51Hz），C区域代表严重超出频率允许波动范围（47.5Hz≤f＜48Hz或51Hz＜f≤51.5Hz）.

　　借鉴传统电力系统的分层控制经验，以及综合考虑柴油发电机和蓄电池储能系统的不同动态调节特性（时间响应特点和容量调节特性等）［23］的基础上，提出了基于不同时间尺度的独立微电网频率分层控制组成，如图2所示.其中:第1层为蓄电池储能系统的频率下垂控制，第2层为柴油发电机组的频率无差控制，第3层为基于微电网中央控制中心（microgrid control center，MGCC）的经济运行.第1层和第2层为单元级控制层，而第3层为系统级控制层.每1级控制层都有各自的不同控制目标和控制功能，从而使整个独立微电网系统在面对不同程度的频率扰动问题时都能够根据各级频率控制策略，提高系统频率稳定性.

　　1）第1层为采用下垂控制的蓄电池储能系统的1级控制，具体针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，即图1所示的B区域.这充分利用了蓄电池储能系统的快速瞬时响应性和较好容量补偿性等好处，能够在毫秒级时间尺度内高效补偿负载容量缺额，快速抑制了系统频率波动，提升系统运行的稳定性.

　　2）第2层为采用PID调速控制的柴油发电机的2级控制，具体针对变化幅度大、周期长的冲击性净负载分量，即图1所示的C区域.相对蓄电池储能系统的逆变控制特点，柴油发电机的动态响应速度较慢，很难满足系统负荷和间歇性能源瞬息变化的需要，但是它作为一种技术成熟的不间断可控电源，具有功率大、持续时间长等好处，能够较好实现微电网系统的频率无差控制，使较大偏离的频率偏差恢复到额定值.

　　3）第3层为基于系统级集中控制的微网中央控制中心（MGCC）的3级控制或经济运转，具体关于较长时间周期内变化缓慢的周期性负荷分量.因为3级控制主要针对一天内变化缓慢的负载需求和发电计划，故本文不做详细研讨.

　　在以上各级控制中，独立微电网的第3层控制属于系统级的经济调度范畴，本文不予研讨.下面分别对频率分层控制策略中的1级和2级控制进行介绍.

　　3.1基于电池储能的1级频率控制（Primary frequency control of BS）在独立微电网系统中，储能逆变器是用于连接蓄电池储能装置与微电网之间的双向逆变器，既可以把储能装置的电能放电注入到微电网系统中，也可以把微电网中的电能充电到储能装置，实现电能的双向流动.图3为本文采用的蓄电池储能逆变器控制构成.

　　蓄电池储能系统的下垂控制方法通常被用于1级频率控制中，提升瞬态频率响应特性［24］.蓄电池储能系统根据其下垂控制特点响应系统频率偏移，其逆变监控系统的下垂控制原理框图如图4所示.其中:f0为微电网系统额定频率，fm为微电网系统的实测频率，Kp为下垂控制系数，P0为有功容量初始值，Pm有功容量测量值.

　　蓄电池储能逆变器可以通过控制d轴电流分量快速响应外环的频差（Δf）信号，直接调节蓄电池储能的输出有功功率参考值（Pref）.为了避免由于蓄电池储能的频繁充放电，将图1中频率稳定区域A设定为其下垂控制的调节死区，允许系统频率在该死区范围内波动，储能不参与调节.结合图1和图2可得出蓄电池储能系统的有功-频率（P/f）下垂控制特性，如图5所示.因此，蓄电池储能系统的频率下垂控制区域只是BL区和BH区.

　　由此，蓄电池储能系统的改进有功-频率下垂控制特性函数如式（1）所示，而其下垂控制系数由式（2）求得.

　　式中:Pref为蓄电池储能系统的有功容量输出参考值，Pmax为蓄电池储能系统的最大输出有功功率，Pmin为蓄电池储能系统的最小输出有功容量.

　　为了实现一定的经济效益，独立微电网系统中的柴油发电机通常不再是单台大功率机组，而是选定多台相对小容量的机组［16］，根据负荷实际需求，开启一台或者多台柴油发电机组跟随微电网净负载波动，维持系统稳定运转.柴油发电机的频率调整及并联运行机组的有功容量分配一般是由原动机的调速器和自动调频调载装置来实现.目前，柴油发电机调速技术一般采用PID控制方式，它具有结构简单、鲁棒性强、能够实现无稳态偏差控制等长处［25-26］.在控制流程中，采用“基于前馈控制的PID调速控制”即是利用原动机调速器的原设定转速和实际转速间的偏差，作为PID控制的反馈信号，将偏差值进行比例、积分和微分运算后，再通过线性组合构成控制量，对柴油发电机油门进行控制，达到对柴油发电机组转速和输出频率控制的目的.PID的控制规律如式（3）所示，其中: Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数.

　　由此，若当前运转的单台柴油发电机组采用PID操作系统来跟随独立微电网系统净负载波动时，其有功功率-频率调节特点函数如式（4）所示，实现具有无差特征的2级频率调节.

　　多台并联运行柴油发电机组的有功容量分配通常是由机组的自动调频调载装置来实现的，目前主要采用在机组控制柜中的自动同步并机操作系统（automatic synchronization controller，ASC），就可以实现自动并联运转，自动同步并机控制器的转速调节原理如图6所示.

　　在控制步骤中，在参与并联的每一台发电机上都装设按“频率差”和“功率差”进行调整的操作系统，进而求得系统“频率差”和“功率差”的综合信号Vsri，如式（5）所示.各调整器按接受的Vsri进行调整，直到满足各调整器输入的“频差”与“功差”信号均为零时，调整才完成.

　　式中:Ks和Kp分别为频差和功差的调节比例系数，i为柴油发电机组编号，Pi为柴油发电机i的输出有功功率，αi为柴油发电机组分担系统有功容量的比例系数，n为柴油发电机组的总台数.

　　因为故而Δf=0.这说明基于多台并联运行的柴油发电机组在跟随独立微电网净负载波动变化的调节步骤结束后频率是无差的.

　　由以上总述可知，一次调频是通过蓄电池逆变器控制来实现的，能够快速响应周期短、波动小的扰动分量，但一次调频是有差调节.而在二次调频中，“基于前馈控制的PID控制”柴油发电机的频率调整及并联运转机组的有功功率分配都有效实现了二次频率无差调节，其相对较慢的调频响应速度适合应对较大变化幅度和较长变化周期的系统净负荷波动，并对超出1级控制范围的系统频率偏差进行恢复控制来保证系统频率稳定.总之，基于蓄电池储能系统的一次调频和基于柴油发电机组的二次调频在时间尺度上通过相互协作，共同维持和保障系统频率稳定.

　　由图7所示的独立微电网的频率1级和2级协调控制策略可知，蓄电池储能系统和柴油发电机组的监控系统实时监测微电网系统频率，并判定其处于图1所示的分区状态.若系统净负荷变化不大，系统频率在正常范围内即A区域，则蓄电池储能系统和柴油发电机组不参与调节，但蓄电池储能系统处于待机状态，而柴油发电机组维持恒定的有功容量输出满足系统净负荷需求.若系统内净负荷减少而导致频率抬升并处于图1中的BH区时，负责1级控制的蓄电池储能系统则凭借其瞬时响应特征，率先通过充电来吸收多余的容量，抑制和降低频率波动幅度并处入稳定区域A中.如果净负荷减少幅度大而引起系统频率攀升至CH区时，处于2级控制的柴油发电机则降低容量输出而实现系统容量平衡，而负责1级控制的蓄电池储能系统停止充电而处于待机状态.同理，系统内净负荷增加会致使系统频率跌落，如果处于图1中的BL区域时，负责1级控制的蓄电池储能系统率先通过放电进行功率补偿，满足系统功率平衡；如果系统频率跌落至CL区时，负责2级控制的柴油发电机则增加功率输出来满足系统容量平衡（注:3级控制的MGCC负责蓄电池储能荷电状态（SOC）的优化管理，从而保证其在最佳荷电状态，满足蓄电池储能的一次控制，此处不做详细介绍）.

　　本文以广东东澳岛独立微电网的一期工程为例，在PSCAD中搭建如图8所示的风柴蓄独立微电网系统仿真模型，验证本文提出的分层控制策略的高效性.该微电网系统一期工程包含有2台柴油发电机组、2台风力发电机组和1套蓄电池储能系统共5个微电源以及5个负载，各分布式单元都接入系统10kV母线，再通过降压变压器供给各个负载.电源及负载数据如表1所示.

　　情形1当系统有负荷容量产生变化。
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