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微電網的孤島運行

微電網具有并網和孤島兩種運行模式，由于孤島運行模式下，分布式電源為微電網內部負荷提供頻率和電壓支撐，由于分布式電源的容量、慣性及過載能力都遠小于傳統電網的發電機，所以孤島模式下微電網的控制及運行存在一些問題，系統控制更加具有難度和挑戰性。

由于大部分主動配電網中包含多臺分布式電源，各電源等效特性各不相同，因此亟需解決的問題：采用何種控制方法保障多臺分布式電源在孤島模式下實現電壓和功率支撐。

如前文所述：孤島模式下微電網系統中應用最廣泛的控制方法主要包括主從控制、對等控制和分層控制三種。參考<微電網系列之微電網控制>

💎主從控制模式：當孤島模式下的微電網系統采用該模式，系統的頻率和電壓的支撐由內部分布式電源提供，該分布式電源多采用恒壓恒頻控制（V/f控制），稱為主電源，而其他分布式電源稱為從電源，從電源多采用恒功率控制（PQ控制）來實現孤島模式下的功率支撐。

💎對等控制模式：當孤島模式下的微電網采用該模式，系統中的分布式電源多采用下垂控制方式來共同實現電壓和頻率的支撐；對于對等控制系統而言，采用下垂控制方式可在不改變系統原有控制和保護策略情況下實現“即插即用”，保障分布式電源的快速接入。

💎分層控制模式：當孤島模式下的微電網系統采用該模式，系統中需增加一個中央控制器，該控制器一方面負責響應上層調度指令，另一方面負責統一協調管理底層分布式電源與負荷，通過低速通信完成分布式電源與負荷的管理，而系統的電壓和頻率支撐方式由中央控制器來決定。

在三種控制方法中，主從控制方法存在對主電源依賴性較強的弱點，而對等控制方法存在沒有考慮系統遭受嚴重擾動后系統頻率和電壓恢復的問題，所以分層控制成為目前最受關注的主動配電網孤島運行控制形式。

孤島運行模式下，微電網的頻率及電壓由主動配電網變流器來支撐，而實現支撐的分布式電源多采用下垂控制，該控制通過模擬發電機一次控制外特性，進而完成頻率和電壓的自主調整。

📚孤島模式問題

傳統電網與微電網的阻抗特性差異

Table 16儲能控制策略

	傳統高壓電網	低壓微電網
阻抗特性	線路阻抗以 感性（X）為主（X >> R）	線路短且截面積小，阻抗以 阻性（R）為主（R >> X）
結果	有功功率（P） 主要影響 頻率（f）（ΔP → Δf） 無功功率（Q） 主要影響 電壓（V）（ΔQ → ΔV）	有功功率（P） 主要影響 電壓（V）（ΔP → ΔV） 無功功率（Q） 主要影響 頻率（f）（ΔQ → Δf）

孤島微電網（一般：低壓電阻特性強）中，傳統P-f/Q-V下垂控制導致功率不完全解耦，降低主動配電網變流器動態性能和穩定性。

🚀問題本質：低壓配電微電網中線路電阻（R）與電抗（X）比值較高（R/X >> 1），導致傳統下垂控制的P-f（有功-頻率）和Q-V（無功-電壓）方程存在強耦合，表現為：

💎有功功率變化引起電壓波動（ΔP → ΔV）

1. 電網阻抗特性與壓降公式

在低壓配電網中，線路電阻（R）遠大于電抗（X）（即 R/X >> 1），此時線路壓降公式簡化為：

其中：

1. R?ΔP：有功功率變化導致的電阻壓降（主導因素）；
2. X?ΔQ：無功功率變化的貢獻（次要因素）。

物理本質：有功功率（ΔP）增加 → 線路電流增大 → 電阻壓降（I·R）顯著升高 → 用戶側電壓下降。

2. 分布式電源的典型場景

1. 風光發電功率波動：如風速突變導致風機輸出ΔP達±30%/min，引發配電網電壓波動（±10%以內）。
2. 負荷投切：大型電機啟動瞬間ΔP驟增（如額定容量的5~7倍），引起局部電壓暫降。

3. 短路容量的影響

電壓波動幅度與短路容量（Sk）成反比：

短路容量越小（如農村弱電網），相同ΔP引起的電壓波動越顯著。

💎無功功率變化影響頻率穩定性（ΔQ → Δf）

1. 頻率穩定的能量平衡原理

系統頻率取決于有功功率平衡：

但無功功率（ΔQ）通過以下路徑間接影響頻率：

1. 電壓下降 → 發電機勵磁調整 → 轉子加速/減速：當ΔQ不足導致電壓降低時，勵磁系統增磁 → 發電機轉子電流增大 → 電磁轉矩變化 → 轉速（頻率）波動。
2. 無功缺額引發連鎖反應：嚴重無功缺額 → 電壓崩潰 → 發電機失步 → 頻率失穩。

2. 實際案例：風機脫網事件

1. 無功支撐不足：雙饋風機在電網故障時若未及時注入無功（ΔQ↑），電壓持續跌落 → 風機保護脫網 → 系統有功缺額（ΔP↓） → 頻率下降。
2. 火電機組調節：當ΔQ突增（如電容投切），勵磁系統響應滯后 → 暫態功角失穩 → 局部頻率振蕩。

Table 2 有功-無功耦合關系的對比與關聯

變化類型	直接影響	間接影響	主導電網類型
有功功率變化 (ΔP)	電壓波動 (ΔV)	電流增大 → 線損↑ → 溫升↑	低壓配電網 (R>>X)
無功功率變化 (ΔQ)	電壓水平 (ΔV)	勵磁調整 → 頻率波動 (Δf)	高壓輸電網 (X>>R)

注：在高壓電網（X>>R）中，ΔQ對電壓的影響更顯著（ΔV ∝ ΔQ），而ΔP主要影響功角穩定性。

🚀傳統下垂控制局限： Δf=?kp*ΔP,ΔV=?kq*ΔQ 在R/X高的場景下，ΔP與ΔV、ΔQ與Δf的交叉耦合項不可忽略，導致功率分配誤差達10%-20%

📚虛擬阻抗控制

作為目前最主流的軟件解耦方法，有效解決了此問題，保障了變流器支撐頻率/電壓的動態性能和穩定性。

?硬件解耦： 采用濾波電路，但增加成本，應用受限。

?軟件解耦（主流）： 主要方法包括：

• ?虛擬功率下垂控制：無法覆蓋實際下垂特性的頻率和電壓運行范圍，使得微電網變流器運行區域縮小。
• ?P-V（有功-電壓）/Q-f（無功-頻率）下垂控制：無法與旋轉電機并聯，應用受限。
• ?虛擬頻率下垂控制：無法實現功率本質解耦,縮小運行區域。
• ?虛擬阻抗控制：當前應用最廣泛的解耦方法。

Table 16虛擬阻抗四種方式與性能對比

實現方式	原理	優勢
固定虛擬阻抗	設定固定Z?（通常X?=0.1~0.5 p.u.）	實現簡單，計算量小
自適應虛擬阻抗 非線性虛擬阻抗	根據負載率動態調整Z?（如：X? ∝ P）	適應工況變化，穩態精度高（>95%）
	采用分段函數或模糊邏輯調整Z?	抑制諧波共振，提升抗擾性
協同優化虛擬阻抗	結合VSG（虛擬同步機）的慣量支撐，調整Z?以平衡阻尼與慣量需求	同時優化動態響應與穩定性

🚀虛擬阻抗的核心思想

1. 阻抗重構：在控制環路中注入虛擬阻抗（通常為感性阻抗Z? = R? + jX?），使變流器輸出端呈現高電抗比（X?/R? >> 1），模擬高壓電網的電抗主導特性（在控制環路中引入 虛擬阻抗（通常為感性），將線路阻抗從阻性（R）改造為感性（X）主導），從而解耦P-Q控制。
2. 數學實現：電壓指令修正à V*ref=Vref?Io * Zv 其中I?為輸出電流，Z?為設計的虛擬阻抗。

💎 總結：虛擬阻抗的技術演進與定位

虛擬阻抗控制通過軟件定義阻抗取代硬件改造，成為低壓孤島微電網解耦控制的最優解，其發展路徑為：

1. 基礎解耦（固定Z?）→ 動態優化（自適應Z?）→ 系統協同（VSG+MPC+Z?）
2. 未來突破點在于智能算法與穩定性邊界的融合，實現“阻抗云調度”以支撐100%新能源滲透率的微電網安全運行

📚黑啟動

在孤島運行的微電網系統中，某些突發性故障可能會導致系統出現失電現象，為提高負荷的供電可靠性，黑啟動功能成為主動配電網系統不可或缺的一項功能。

所謂黑啟動，是指主動配電網系統因故障失電后，在不依賴其他外電網情況下，系統內部能通過自啟動的一系列控制自主恢復供電。微電網的黑啟動控制方案可分為：

1. 向上恢復（并行恢復）：為系統內負荷提供更為快速的電力恢復。
2. 向下恢復（串行恢復）：控制系統則更為簡單，且更容易實現。

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?參考文章

1. 微電網系列之分布式發電定義與特性
2. 微電網系列之微電網分類定義
3. 微電網系列之微電網控制
4. 微電網系列之潮流方向
5. 微電網系列之微電網關鍵技術和規劃
6. 微電網系列之微電網的運行控制
7. 微電網系列之規劃和運行控制
8. 微電網系列之微電網的孤島運行
9. 微電網系列之微電網的故障檢測與接入標準
10. 微電網系列之變流器分類
11. 微電網系列之PQ控制基本原理

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