中國儲能網(wǎng)訊：華南理工大學電力學院、廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室（華南理工大學）、風電控制與并網(wǎng)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室（華南理工大學）的研究人員趙卓立、楊蘋、鄭成立、許志榮、王月武，在2017年第10期《電工技術(shù)學報》上撰文指出，在微電網(wǎng)內(nèi)部，電力電子變換器接口型分布式電源廣泛存在。
電力電子接口微源與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機在功率變換、控制策略和動態(tài)特性方面差異性較大，控制方法的多樣性以及電力電子接口微源的高滲透率將給低慣量微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。同時，多類型微源、多類型負荷在微電網(wǎng)內(nèi)混合共存，可能引發(fā)源源耦合交互、負荷間交互以及源荷交互，不同特性的設(shè)備間相互作用將重新塑造區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并誘發(fā)穩(wěn)定性問題。
首先對近年來國內(nèi)外微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究進行評述，歸納總結(jié)可再生能源滲透率不斷提升下微電網(wǎng)典型運行特性和存在的動態(tài)穩(wěn)定性問題；在微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，分別從微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題和微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定分析方法兩方面對微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究動態(tài)進行分析、評價和探討；最后，預(yù)測和探討了微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢。
可再生和綠色分布式發(fā)電系統(tǒng)滲透率的不斷提高，將促進發(fā)電方式、輸配電方式和電能使用方式出現(xiàn)新的變革。作為實現(xiàn)智能電網(wǎng)中主動配電網(wǎng)的有效方式，微電網(wǎng)有利于引入大量可再生能源發(fā)電，減少太陽能、風能等強波動性/間歇性能源的接入對大電網(wǎng)造成沖擊，在中低壓層面上有效解決分布式電源高滲透率運行時的問題，同時降低電網(wǎng)脆弱性，使電力系統(tǒng)更可靠、安全、清潔和經(jīng)濟[1-3]。
微電網(wǎng)是由分布式電源（Distributed Generators, DGs）、分布式儲能（DistributedStorages, DSs）、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷、聯(lián)合協(xié)調(diào)控制保護裝置和智能調(diào)度系統(tǒng)組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)[4-6]。
微電網(wǎng)運行分為并網(wǎng)及離網(wǎng)（孤島）兩種運行模式[7]。正常狀況下，微電網(wǎng)通過公共耦合點（Point of CommonCoupling, PCC）與主網(wǎng)相連，微電網(wǎng)與主網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)進行電能交換，共同給微電網(wǎng)中的負荷供電；當監(jiān)測到主網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不能滿足要求時，或應(yīng)用于偏遠地區(qū)和海島供電時，微電網(wǎng)需孤島運行，由微電網(wǎng)內(nèi)的分布式電源給微電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵負荷繼續(xù)供電，保證負荷的不間斷電力供應(yīng)，維持微電網(wǎng)自身供需能量平衡，從而提高了供電的安全性和可靠性。
微電網(wǎng)中央控制器（Microgrid Central Controller, MGCC）需要根據(jù)實際運行條件的變化實現(xiàn)兩種模式之間的平滑切換[8]。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析體系建立在同步發(fā)電機理論基礎(chǔ)上，功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定及其對應(yīng)的小干擾動態(tài)與暫態(tài)穩(wěn)定、短期和長期等穩(wěn)定性問題均與同步發(fā)電機的動態(tài)特性密切相關(guān)[9]。
而在微電網(wǎng)內(nèi)部，分布式電源以電力電子變換器（Power-Electronic-Converter,PEC）接口微源而廣泛存在，電力電子接口微源具備與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源功率變換、控制策略和動態(tài)特性的差異性，控制方法的多樣性、電力電子接口微源高滲透率將給微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制和安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，經(jīng)過數(shù)十年建立并完善的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的控制與穩(wěn)定性分析方法在微電網(wǎng)中很可能不再直接適用，這也成為智能微電網(wǎng)推廣和普及的基礎(chǔ)理論和技術(shù)瓶頸。
由于微電網(wǎng)中風力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源出力的強間歇性、隨機性和弱支撐性的特點，其動態(tài)特性給微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來較大影響。因此，可再生能源高滲透率將給微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)[10]。
近年來，針對微電網(wǎng)穩(wěn)定性問題得到了廣泛的研究。然而，由于微電源接口類型、微電網(wǎng)類型、運行方式、控制策略、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等具有多種形式，微電網(wǎng)穩(wěn)定運行特性也會隨之改變。為應(yīng)對微電網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，全面深入揭示微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行機制，在微電網(wǎng)的動態(tài)特性與穩(wěn)定性分析方法方面亟待進一步探討與研究。
本文針對微電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的背景下，對近年來國內(nèi)外微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性的研究進行評述，歸納總結(jié)可再生能源滲透率不斷提升下微電網(wǎng)中存在的動態(tài)穩(wěn)定性問題，分別從動態(tài)穩(wěn)定問題和動態(tài)穩(wěn)定分析方法的角度對微電網(wǎng)穩(wěn)定性進行分析、評價和探討，最后，預(yù)測和探討了微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢。
1 微電網(wǎng)接口變換類型和控制方法
圖1給出了一個典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)代表了不同類型的微電源和負荷形式的整合。微電源類型、負荷、網(wǎng)絡(luò)拓撲參數(shù)、控制架構(gòu)隨著不同的應(yīng)用場合、需求和實際條件而變化。
圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)典型構(gòu)架圖
分布式發(fā)電技術(shù)的差異化使得各種分布式電源具有不同的動態(tài)特性。表1歸納了典型的用于微電源（包括分布式發(fā)電系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)）并入微電網(wǎng)的接口變換配置和對應(yīng)的功率潮流控制方法。
一般地，微電源可通過多種類型的微電源接口接入微電網(wǎng)：包括AC旋轉(zhuǎn)電機和電力電子變換器接口。AC旋轉(zhuǎn)電機接口一般連接具有較大慣性時間常數(shù)的分布式發(fā)電單元，對應(yīng)響應(yīng)速度較慢，如柴油發(fā)電機、小水電和定速風電機組等[11,12]，其機械轉(zhuǎn)子速度響應(yīng)時間尺度大于500ms。
而電力電子變換器接口單元對應(yīng)響應(yīng)速度相對較快的分布式發(fā)電單元，如光伏發(fā)電系統(tǒng)、變速風電機組、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、能量型和功率型儲能系統(tǒng)等[13-15]。需要指出的是，對于電力電子變換器接口，其直流電容電壓響應(yīng)時間尺度大于100ms，交流電感電流響應(yīng)時間尺度約為10ms[16]。
除少數(shù)直接并網(wǎng)的分布式電源外，大部分分布式發(fā)電通過電力電子變換器并網(wǎng)。因此分布式發(fā)電系統(tǒng)是一個由一次能源、電力電子變換器和控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)相互耦合的強非線性系統(tǒng)，其輸出動態(tài)特性是各單元在多個時間尺度上特性的疊加[17]。
表1 微電源典型接口變換類型和功率潮流控制方法
根據(jù)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)和運行控制的需求，電力電子變換器的功率潮流控制方法能夠歸類分為：電網(wǎng)跟隨型、電網(wǎng)形成型、電壓源型電網(wǎng)支持和電流源型電網(wǎng)支持控制策略，如圖2所示[18-20]。電網(wǎng)跟隨型電力電子變換器主要目標是向微電網(wǎng)輸送特定的有功和無功功率，它們能夠用連接到微電網(wǎng)中的理想電流源及其并聯(lián)高阻抗表示。
電網(wǎng)形成型電力電子變換器可作為微電網(wǎng)主電源控制，提供微電網(wǎng)電壓和頻率參考，該類變換器能夠用并網(wǎng)的具有低輸出阻抗的理想電壓源等效。此外，電網(wǎng)支持型變換器可細分為電壓源型和電流源型，可分別用理想電壓源串聯(lián)輸出阻抗和理想可控電流源并聯(lián)輸出阻抗等效表示；該類變換器能夠通過調(diào)整輸出功率直接或間接地參與微電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)整。
圖2 微網(wǎng)中微電源電力電子變換器的四種基本功率潮流控制結(jié)構(gòu)
由上述分析可知，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性相比，多類型微源、多類型負荷在微電網(wǎng)內(nèi)混合共存，可能引發(fā)源源耦合交互、負荷間交互以及源荷交互，不同特性的設(shè)備間相互作用將重新塑造區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并誘發(fā)穩(wěn)定性問題。
2 微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題
微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定是指微電網(wǎng)遭受小擾動后恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。微電網(wǎng)時刻經(jīng)受著小的干擾，如微電網(wǎng)內(nèi)風電機組、光伏陣列和其他可再生能源發(fā)電受氣候和天氣變化影響導(dǎo)致輸出功率波動，負荷在小范圍內(nèi)切換變化以及部分參數(shù)的緩慢變化等。這些類型的小范圍功率波動事件十分頻繁，時刻影響微電網(wǎng)的運行狀態(tài)。
由第1節(jié)分析可知，通過電力電子變換器接口接入微電網(wǎng)的分布式電源，其運行和控制較為靈活，當受到外部擾動時，由于慣性缺失或低慣量特性，更容易發(fā)生振蕩失穩(wěn)。因此，一個設(shè)計良好的微電網(wǎng)系統(tǒng)，首先必須是動態(tài)穩(wěn)定的，否則，即使在穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)也無法正常運行。保證微電網(wǎng)在小擾動工況下動態(tài)穩(wěn)定的魯棒性，是確保微電網(wǎng)可靠運行的關(guān)鍵。
一般情況下，電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性取決于初始運行狀態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各元件聯(lián)系的緊密程度以及各控制裝置的特性等。而影響微電網(wǎng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定性相關(guān)因素主要包括：微源與微源間的交互作用、微源與負荷間的交互作用、運行點變化、通信延遲、AC-DC網(wǎng)絡(luò)交互作用和多微電網(wǎng)互聯(lián)交互，如圖3所示。
圖3 微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性歸類與相應(yīng)影響因素
2.1 微源和微源交互
微源和微源的強耦合作用嚴重惡化的微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定問題，可能引發(fā)系統(tǒng)低頻振蕩和高頻振蕩等問題。
2.1.1 微電網(wǎng)低頻振蕩
在采用不依賴關(guān)鍵通信設(shè)施的分散式控制架構(gòu)的微電網(wǎng)中，為了實現(xiàn)微電網(wǎng)分布式電源的即插即用功能，多個逆變器型分布式電源均采用圖2中的電壓源型電網(wǎng)支持控制策略，模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機組“功頻靜特性”，共同作為主電源支撐微電網(wǎng)的頻率和電壓[21]。
多逆變器并聯(lián)下垂運行時，微電網(wǎng)系統(tǒng)低頻動態(tài)特性對逆變器最外環(huán)功率分配控制器P-f和Q-V下垂系數(shù)高度敏感[22]。在弱電網(wǎng)系統(tǒng)條件下，使用大下垂系數(shù)有助于提高微電源響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)動態(tài)特性，同時確保不同機組間無功功率分配精度，降低配電網(wǎng)電壓波動對機組無功功率輸出的影響[23,24]。然而，功率分配控制器中采用較大的下垂增益將降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，嚴重時將引發(fā)微電源間低頻振蕩現(xiàn)象。
在微電網(wǎng)整合多類型分布式電源時，電力電子接口型分布式電源與同步電機接口型分布式電源共存，電力電子接口型分布式電源的功率潮流控制策略將顯著影響孤島微電網(wǎng)的小干擾動態(tài)行為。研究表明，電力電子接口型分布式電源基于電壓-無功下垂特性和電壓調(diào)整的功率管理策略將導(dǎo)致過補償問題；有功和無功功率控制器的控制參數(shù)有效改變微電網(wǎng)系統(tǒng)振蕩模式的阻尼[11,25]。
當微電網(wǎng)進一步考慮異步接口型分布式電源的存在時，分布式電源間的交互問題將復(fù)雜化。在混合源微電網(wǎng)中引入異步型定速風電機組，將產(chǎn)生新的欠阻尼低頻段特征根，并重塑系統(tǒng)振蕩模態(tài)[26]。當電力電子接口型分布式電源（儲能系統(tǒng)）采用電流源型電網(wǎng)支持控制策略間接參與微電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)整時，為保證和提高微電網(wǎng)系統(tǒng)在擾動下的頻率和電壓動態(tài)表現(xiàn)而采用的大f-P下垂系數(shù)將產(chǎn)生定速風電機組、儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電機組的功率交互，系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩失穩(wěn)[27]。
由前述分析可見，大部分與電力電子型微源控制回路相關(guān)的穩(wěn)定性問題由最外環(huán)功率控制器及相應(yīng)的控制參數(shù)引起。
2.1.2 微電網(wǎng)高頻振蕩
為了有效抑制高頻諧波，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力電子變換器接口型微源常通過LCL濾波器并網(wǎng)，且多呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。LCL濾波器能夠通過較小的總電感取得單電感的濾波效果，功率密度更大，然而其存在固有的諧振問題。
在電力電子變換器并聯(lián)運行的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，頻域分析結(jié)果表明LCL濾波器引入額外的正向和反向諧振尖峰[28,29]。當變換器數(shù)量、變換器電流環(huán)控制帶寬以及微電網(wǎng)線路等效阻抗變化時，系統(tǒng)高頻振蕩分量可能被激發(fā)，導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)高頻失穩(wěn)[30]。
2.2 微源與負荷交互
RLC負荷、電力電子接口型負荷和感應(yīng)電機動態(tài)負荷在微電網(wǎng)中廣泛存在，負荷動態(tài)與微電源動態(tài)的交互加劇微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定特性的復(fù)雜度。
為簡化微電網(wǎng)建模與分析的難度，目前大部分微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析研究中均采用RL阻抗對負荷進行簡化[31]。在微電網(wǎng)中，RL恒阻抗負荷動態(tài)往往與電力電子變換器內(nèi)環(huán)電流控制器、微電網(wǎng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)共同影響微電網(wǎng)高頻模式[22]。
部分現(xiàn)代負荷，如電機驅(qū)動、感應(yīng)加熱、背靠背變流器和電動汽車等均通過電力電子變換器接口接入微電網(wǎng)，該類型負荷為有源負荷。有源負荷的存在進一步使微電網(wǎng)電力電子化。先進電力電子接口中，為有效實現(xiàn)負荷/發(fā)電表現(xiàn)需求，控制器往往需要對控制變量進行嚴格調(diào)節(jié)。
然而，嚴格調(diào)節(jié)的變換器將產(chǎn)生負輸入阻抗，導(dǎo)致端電壓增加/減小時，吸收電流相應(yīng)減小/增加。因而，該類負荷可用恒功率負荷（Constant PowerLoad, CPL）進行建模[32]。通常地，恒功率負荷（CPL）由于負阻尼效應(yīng)將使直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)失穩(wěn)[33]。
典型地，配電網(wǎng)絡(luò)中超過50%的電氣負荷是感應(yīng)電機負荷，計及78%的工業(yè)負荷，43%的商業(yè)負荷和37%居民用電負荷消耗[34]。為此，微電網(wǎng)中必須考慮感應(yīng)電機負荷與微電源可能產(chǎn)生的交互失穩(wěn)問題。
研究表明，微電網(wǎng)中電機負荷的引入將對系統(tǒng)產(chǎn)生新的欠阻尼特征根，并實際上影響系統(tǒng)特征根分布[35]。感應(yīng)電機的存在也降低微電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵機電振蕩模式的阻尼[36]。由于大型電機轉(zhuǎn)子振蕩的弱阻尼特性，即使在DG低下垂增益情況下，也有可能導(dǎo)致功率振蕩和失穩(wěn)。
2.3 運行點變化
風光等可再生能源發(fā)電輸出功率和負荷功率的隨機性與波動性使微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行點時刻發(fā)生變化，并影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。為確保微電網(wǎng)在寬運行點范圍內(nèi)可靠運行，部分學者研究了運行點對系統(tǒng)阻尼的影響。
文獻[36]研究了光伏-柴發(fā)微電網(wǎng)的小信號穩(wěn)定問題，該研究表明隨著光伏功率滲透率的提升，微電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵機電振蕩模式阻尼不斷減小，高滲透率光伏功率可導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。此外，文獻[26]針對風柴儲微電網(wǎng)，分析了風速波動與擾動導(dǎo)致系統(tǒng)主導(dǎo)特征根阻尼減小的小干擾穩(wěn)定問題。
2.4 通信延遲
融合集中控制和分散控制的優(yōu)勢，分層控制架構(gòu)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)一次控制、二次控制和三次控制，成為微電網(wǎng)控制架構(gòu)的范例。通過二次控制實現(xiàn)的電壓調(diào)整和頻率恢復(fù)在信息采集和傳輸過程中存在固有的通信延遲，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。為此，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略對通信延遲的魯棒性吸引了大量學者的研究[37,38]。
在工程應(yīng)用中，常采用時延微分方程（Delay Differential Equations, DDEs）研究時延系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與忽略通信延遲可采用常微分方程描述的系統(tǒng)相比，時延微電網(wǎng)系統(tǒng)特征方程是超越的因而有無窮多的解，特征根求解更為復(fù)雜。文獻[37,38]建立了考慮二次控制通信延遲的微電網(wǎng)小干擾動態(tài)模型，分析表明信號傳輸中存在大通信延遲將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散失穩(wěn)。
2.5 AC-DC網(wǎng)絡(luò)交互
混合交直流微電網(wǎng)可有效減小交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)單獨整合不同特性的微電源和負荷時產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換過程，在增加系統(tǒng)運行方式靈活性的同時，也增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。一般地，混合AC-DC微電網(wǎng)通過雙向AC-DC變換器進行連接，電氣耦合緊密，直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)間相互影響[39]。
文獻[40]針對混合AC-DC微電網(wǎng)設(shè)計了協(xié)調(diào)控制策略，以維持并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下負荷和可再生能源發(fā)電變化時混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。文獻[41]基于奈奎斯特導(dǎo)納比判據(jù)研究了混合交直流網(wǎng)絡(luò)的小干擾穩(wěn)定問題，認為級聯(lián)多變換器混合微電網(wǎng)系統(tǒng)可能違背穩(wěn)定判據(jù)；此外，混合微電網(wǎng)中大量設(shè)置嚴格調(diào)節(jié)目標的電力電子變換器將產(chǎn)生增量式負輸入導(dǎo)納，并引起公共直流母線的失穩(wěn)。然而，目前針對交直流混合微電網(wǎng)穩(wěn)定的本質(zhì)仍缺乏全面認識，亟待深入研究。
隨著微電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，將地理位置毗鄰的微電網(wǎng)互聯(lián)，則構(gòu)成微電網(wǎng)群系統(tǒng)。微電網(wǎng)群通過群內(nèi)子微電網(wǎng)之間的能量互濟和調(diào)度，以進一步增強彼此間的供電可靠性，提高可再生能源發(fā)電的滲透率[42]。
在多微電網(wǎng)系統(tǒng)中，小干擾穩(wěn)定性問題可能是局部的，也可能是全局性的[43]。局部問題涉及多微電網(wǎng)系統(tǒng)中的一小部分，表現(xiàn)的局部振蕩一般指區(qū)域內(nèi)某一臺微電源幾臺微源相對區(qū)域內(nèi)其余機組的振蕩，電氣距離較小，機組間振蕩頻率較高。
全局小干擾穩(wěn)定問題是由多微電網(wǎng)系統(tǒng)中大量微電源之間相互影響造成的；表現(xiàn)出的全局振蕩是多微電網(wǎng)系統(tǒng)中不同子微電網(wǎng)的兩組微電源群之間的交互振蕩，電氣距離較大，振蕩頻率一般較低。
微電網(wǎng)互聯(lián)時，即使所有子微電網(wǎng)單獨都是局部穩(wěn)定的，但微電網(wǎng)間過度的交互可能導(dǎo)致功率搖擺，失去同步耦合[44]。此外，微電網(wǎng)群的互聯(lián)點的選擇很大程度上將影響形成的微電網(wǎng)群系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，進而影響微電網(wǎng)群系統(tǒng)的動態(tài)表現(xiàn)。
3 微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定分析方法
動態(tài)穩(wěn)定性分析在多機電力系統(tǒng)中已經(jīng)有一段較長的歷史，尤其是用于分析和預(yù)防大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)的低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生[45]。微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性分析主要用于預(yù)測參數(shù)發(fā)生改變時系統(tǒng)的動態(tài)行為，為控制參數(shù)的選擇、微電網(wǎng)系統(tǒng)配置、運行控制策略的制定等提供理論依據(jù)和參考。
與傳統(tǒng)多機電力系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)慣性缺失、動態(tài)時間尺度更寬，傳統(tǒng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定性分析方法能否適用于電力電子變換器主導(dǎo)的微電網(wǎng)中?需要針對微電網(wǎng)特殊的對象進行哪些修正?傳統(tǒng)方法是否能夠準確預(yù)測微電網(wǎng)系統(tǒng)的不同頻率范圍、不同時間尺度內(nèi)的動態(tài)?這些都亟待深入研究。
3.1 特征值分析法（節(jié)略）
微電網(wǎng)工程應(yīng)用中不僅需要判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，而且還希望知道微電網(wǎng)系統(tǒng)在小擾動下的系統(tǒng)過渡過程相關(guān)特征。對于主要存在的振蕩性過渡過程，感興趣的特征主要包括：振蕩頻率、模態(tài)阻尼、相應(yīng)振蕩在系統(tǒng)中的分布（即反映各個狀態(tài)量中振蕩的幅值和相對相位）、振蕩引起的原因、狀態(tài)變量對振蕩的貢獻等等，這些信息可為微電網(wǎng)全局和本地控制策略的最佳整定提供依據(jù)[46]。
此外，穩(wěn)定裕度的計算也是重要的分析內(nèi)容。由于特征根分析法能夠提供系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的大量重要信息，因此成為微電網(wǎng)小干擾穩(wěn)定性分析最有效的方法之一[22]。特征根分析方法和時域仿真法相結(jié)合，可以使微電網(wǎng)系統(tǒng)在線性化模型下設(shè)計的控制策略進一步在大擾動工況和非線性系統(tǒng)模型下進行時域仿真校驗，這是目前微電網(wǎng)系統(tǒng)中控制策略設(shè)計和校驗的科學方法與思路。圖4給出了多源共存微電網(wǎng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定計算的特征值分析法過程。
圖4 微電網(wǎng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定特征值分析法
3.2 辨識方法
廣域測量系統(tǒng)（Wide-AreaMeasurement System, WAMS）的出現(xiàn)促進了辨識方法在電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定分析的應(yīng)用。辨識方法能夠避免求解微電網(wǎng)特征值，無需事先知道微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和詳細參數(shù)。微電網(wǎng)規(guī)模較小的特點，實時全局信息獲取的便捷性將使系統(tǒng)辨識方法成為研究微電網(wǎng)穩(wěn)定性的有力工具。常見的辨識方法包括Prony方法、Matrix Pencil方法、Hilbert-Huang變換和預(yù)測誤差法等。
其中，Prony方法通過指數(shù)函數(shù)的線性組合來擬合原始采樣數(shù)據(jù)，對測量得到的微電網(wǎng)狀態(tài)量進行在線辨識，以獲取微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平衡點信息和主要的振蕩模態(tài)。與特征值分析法相比，Prony方法是模態(tài)辨識的時域方法，能提供全面的系統(tǒng)信息，但不需要求解微電網(wǎng)系統(tǒng)的特征值[47]。然而，由于該方法對噪聲敏感，可能在測量和辨識過程中產(chǎn)生錯誤的模式。雖然改進的迭代Prony算法能夠一定程度上避免噪聲的影響，但迭代算法也大幅度提高了計算復(fù)雜度。
Hilbert-Huang變換法能夠提取系統(tǒng)瞬時模態(tài)信息，但是其端點效應(yīng)問題的抑制需要進一步研究[48]。Matrix Pencil方法能夠有力解決計算復(fù)雜度和噪聲敏感性，然而其閾值的選擇受原始采樣數(shù)據(jù)規(guī)模和噪聲強度的影響，目前該技術(shù)仍有待一般化以提供理論指導(dǎo)[49]。
3.3 頻域分析法
奈奎斯特阻抗穩(wěn)定性判據(jù)是頻域分析法的代表性方法[50]。該準則應(yīng)用時首先將所有子系統(tǒng)模型整合成全系統(tǒng)模型，然后在任意點將該模型分成負荷子系統(tǒng)和源子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過分析全頻段內(nèi)負荷輸入阻抗Zl和源輸出阻抗Zs的匹配以判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于奈奎斯特穩(wěn)定準則應(yīng)用的直觀性，吸引了較多的研究。奈奎斯特判據(jù)最初只適用于單輸入單輸出系統(tǒng)、直流系統(tǒng)以及源變換器為電壓源的級聯(lián)系統(tǒng)[50]。
19世紀70年代，MacFarlane將本身用于標量傳遞函數(shù)的奈奎斯特穩(wěn)定型理論擴展成可用于矩陣傳遞函數(shù)的通用型奈奎斯特判據(jù)[51]。文獻[52]采用近似阻抗模型將多輸入多輸出交互動態(tài)問題轉(zhuǎn)換成單輸入單輸出問題，從而使傳統(tǒng)奈奎斯特判據(jù)得以應(yīng)用。文獻[50]建立了適用于多輸入多輸出（Multiple-InputMultiple-Output, MIMO）系統(tǒng)的通用型奈奎斯特判據(jù)，并應(yīng)用于交流配電網(wǎng)系統(tǒng)。目前，導(dǎo)納比奈奎斯特判據(jù)已應(yīng)用到逆變器型微電網(wǎng)和混合AC-DC微電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定分析中[53]。
然而，阻抗判據(jù)的穩(wěn)定性結(jié)果高度依賴于系統(tǒng)中分為負荷和源子系統(tǒng)的界面。同時，提供的判據(jù)暗中假設(shè)潮流只是單向的，這使得不能直接應(yīng)用在負荷側(cè)中存在DGs的場合[54]。再者，奈奎斯特判據(jù)在微電網(wǎng)場合分析方法的有效性仍需用特征根分析方法、實際微電網(wǎng)中阻抗測量進行驗證。
3.4 奇異攝動法
當微電網(wǎng)中微源和負荷的數(shù)量較多時，特征根計算方法存在耗費計算資源的劣勢。為此，對微電網(wǎng)小干擾模型的降階分析凸顯其優(yōu)勢和需求。微電網(wǎng)降階分析的適用性問題主要來源于其低慣量特性，在降階分析時需要保留哪些狀態(tài)變量方可在降階模型中仍能準確捕捉微電網(wǎng)動態(tài)，值得進一步深入研究。
目前奇異攝動法已開始被應(yīng)用到微電網(wǎng)系統(tǒng)的降階分析中，它可有效解決微電網(wǎng)雙時間尺度降階問題[55]。文獻[56]在多源微電網(wǎng)降階模型中忽略了同步發(fā)電機定子磁鏈暫態(tài)。文獻[57]假設(shè)忽略逆變器中間電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)電流環(huán)以及功率網(wǎng)絡(luò)動態(tài)。
由于描述微電網(wǎng)的動態(tài)模型存在雙時間尺度行為，其中快動態(tài)需要小時間步長，而慢動態(tài)需要較長的仿真時間。快動態(tài)包括與轉(zhuǎn)動慣量、電感電容等狀態(tài)變量。包含快動態(tài)將增加系統(tǒng)模型的階數(shù)。而忽略小參數(shù)則不能確保準確的穩(wěn)定性分析結(jié)果。
3.5 動態(tài)相量法
需要指出，在傳統(tǒng)互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，忽略同步發(fā)電機定子動態(tài)和輸電網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)是合適 的[43]。然而，在快動態(tài)主導(dǎo)的系統(tǒng)中，如低慣量小容量電力電子變換器主導(dǎo)的微電網(wǎng)中，此降階分析可能導(dǎo)致不可信的分析結(jié)果。
動態(tài)相量模型是一種廣義的動態(tài)平均模型，基于傅里葉級數(shù)（Fourier Serie,FS）理論基礎(chǔ)，是一種能在較高精度范圍內(nèi)近似時域模型的建模方法。而動態(tài)相量模型用于預(yù)測系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性兼具準確性和簡潔性，作為一種有效的建模手段，動態(tài)相量法已廣泛用于次同步諧振，可控串聯(lián)補償裝置和柔性交流輸電系統(tǒng)分析中。
文獻[58]基于動態(tài)相量法建立了考慮網(wǎng)絡(luò)電路元件動態(tài)的逆變器型微電網(wǎng)模型，該研究顯示，與降階小干擾穩(wěn)定模型相比，提出的微電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)相量模型能夠準確預(yù)測系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，同時有效降低計算負擔。
此外，在用戶側(cè)單相-三相混合系統(tǒng)中，常規(guī)動態(tài)分析方法由于不平衡系統(tǒng)中負序分量產(chǎn)生的周期性時變狀態(tài)變量而不能有效應(yīng)用[59]。而動態(tài)相量法作為平均化技術(shù)，能夠?qū)⒅芷谛詴r變狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為直流狀態(tài)變量，有效計及單/三相系統(tǒng)不平衡條件，因此具有重要的應(yīng)用前景。
基于上述分析和評述，表2歸納了微電網(wǎng)各種動態(tài)穩(wěn)定分析方法潛在的優(yōu)勢和劣勢。
表2 微電網(wǎng)各種動態(tài)穩(wěn)定分析方法潛在的優(yōu)勢和劣勢
本文通過對微電網(wǎng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定問題和動態(tài)穩(wěn)定分析方法兩方面研究的評述，梳理出微電網(wǎng)穩(wěn)定與控制相關(guān)的研究難點和研究展望。
1）電力電子化微電網(wǎng)系統(tǒng)建模、分析與控制。
前述分析表明微電源外特性顯著影響微電網(wǎng)小干擾動態(tài)穩(wěn)定性，考慮未來能源網(wǎng)絡(luò)的電力電子化趨勢以及電力電子接口微電源功率潮流控制方法的多樣性，研究電力電子變換器型微電源主導(dǎo)/高滲透率的微電網(wǎng)系統(tǒng)建模、動態(tài)特性分析及控制策略改進方案，具有十分重要的實用價值。
2）不平衡微電網(wǎng)系統(tǒng)建模、分析與控制。
由于微電網(wǎng)三相間不均勻的負荷分布以及大量用戶側(cè)光伏發(fā)電以單相形式接入微電網(wǎng)，形成單相-三相混合系統(tǒng)。針對不平衡系統(tǒng)，基于abc框架下的動態(tài)模型能夠用于動態(tài)表現(xiàn)分析。然而，由于周期性變化的狀態(tài)變量，常規(guī)平衡點線性化不能應(yīng)用到這些模型中[59]。動態(tài)相量法可有效應(yīng)對不平衡系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性建模、分析與控制存在的技術(shù)瓶頸，因此將為該研究方向提供重要的理論支撐。
3）考慮多通信延遲的微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析。
未來微電網(wǎng)互聯(lián)視角下，微電網(wǎng)群的控制架構(gòu)將由子微電網(wǎng)中央控制器和區(qū)域微電網(wǎng)中央控制器協(xié)作完成，而此分層控制架構(gòu)下存在多通信延遲。研究含多通信延遲的微電網(wǎng)穩(wěn)定性及控制參數(shù)整定問題，具有十分重要的研究意義。
4）微電網(wǎng)內(nèi)電力電子變換器虛擬同步發(fā)電機控制動態(tài)特性。
虛擬同步發(fā)電機在微電網(wǎng)電力電子變換器控制中顯示優(yōu)異的性能[60-62]，然而，研究虛擬同步發(fā)電機與傳統(tǒng)電壓源型電網(wǎng)支持控制策略的根本性差異，多臺虛擬同步發(fā)電機間的參數(shù)設(shè)計與協(xié)調(diào)控制，以及虛擬同步發(fā)電機與傳統(tǒng)同步發(fā)電機之間的動態(tài)交互與協(xié)調(diào)，對提升微電網(wǎng)系統(tǒng)控制運行穩(wěn)定性具有重要的研究意義。
5 結(jié)論
多類型微源、多類型負荷在微電網(wǎng)內(nèi)混合共存，不同特性的設(shè)備間相互作用將重新塑造區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并誘發(fā)穩(wěn)定性問題。
本文針對微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究進行了詳細的評述，在對微電源接口類型和控制方法進行梳理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了微電網(wǎng)典型運行特性，歸納了微電網(wǎng)存在的穩(wěn)定性問題。微電網(wǎng)存在的動態(tài)穩(wěn)定問題主要由微源和微源交互、微源和負荷交互、運行點變化、通信延遲、AC-DC網(wǎng)絡(luò)交互以及多微電網(wǎng)互聯(lián)交互引起，通常歸因于系統(tǒng)振蕩阻尼不足。
特征值分析法、辨識方法、頻域分析法、奇異攝動法及動態(tài)相量法可預(yù)測參數(shù)發(fā)生改變時微電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)行為，為控制參數(shù)的選擇、微電網(wǎng)系統(tǒng)配置、運行控制策略的制定等提供理論依據(jù)和參考。最后，針對微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究的發(fā)展趨勢，總結(jié)和梳理出一些具有重要參考價值的研究方向。
致謝：本文研究中的微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性問題與歸類分析得到了英國帝國理工學院Timothy C. Green教授的啟發(fā)與建議，在此向他表示衷心的感謝。
