于 越，宋保业，侯凯祥，朱 然

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

0 引言

随着分布式清洁能源的开发，智能家庭微电网得到了迅速发展[1-4]。由于光伏、风电等分布式电源的随机性、波动性，相比传统配电网，微电网易在谐波、电压波动和频率偏移等方面造成电能质量问题[5-12]，影响微电网的稳定运行且造成难以忽视的经济损失。随着智能家居的发展，家庭负荷种类越来越多，它们对电能质量也有更高的要求。因此，如何合理设计家庭微电网供电系统结构及控制系统，既能充分应用分布式能源发电又能满足家庭负荷对电能质量的要求，减小分布式电源产生的谐波、电压波动等对配电网电能质量的影响，提高供电系统的灵活性和可靠性，是亟需解决的问题。

国内外专家学者对家庭微电网结构和控制系统进行了大量研究。家庭微电网供电模式一般有交流供电模式、直流供电模式和交/直流混合供电模式3类[13-18]。目前在家庭微电网中，将分布式能源产生的电能与市电电能并接在一起，然后共同通过一根火线向家庭负荷供电[13，16-19]。此种供电方式，由于分布式能源电能和市电电能之间相互不独立，无法满足家庭不同负荷对多样性电源的要求；另外，由于家庭负荷对电能质量的要求不同，上述供电方式无法解决不同家庭负荷对于电能接入类型的选择问题；此外，由于分布式能源电能与市电电能是并接在一起的，因而分布式能源中的谐波、电压波动等容易造成配电网的电能质量下降，从而影响分布式能源在家庭电网中的推广。为弥补现有的供电方式的缺点，本文设计一种由双电源、双火线和多负载组成的微电网结构，以实现供电电源与家庭负荷的双向选择以及供电线路的互为备用，提高供电系统的灵活性和可靠性。

1 微电网的结构设计

为解决当前家庭微电网中分布式能源电能与市电电能不能很好兼顾的问题，提出图1所示双电源、双火线和多负载组成的微电网结构。

图1 微电网结构示意图Fig.1 Structure diagram of micro-grid

图1所示的家庭微电网由配套使用的电源控制器、负荷控制器、火线1(L1)、火线2(L2)、零线(N)及地线(E)组成。常规市电电源与新能源电源分别接入电源控制器的控制开关单元，电能由火线1(L1)、火线2(L2)输出，通过负荷控制器选择接通1根火线实现向家庭负荷的灵活供电。

该设计中选择2根火线的目的是在家庭微电网供电系统中，实现新能源电能和市电电能的相互独立和灵活切换。由于不同的家庭负荷对于电能质量的要求不同，假如接入的电能是新能源电能，如果只有1条火线，则整条火线上走的全部是新能源电能，这时家庭中的电脑及打印机等电能要求质量高的负荷只能选择新能源供电，而新能源电网中的谐波、电压波动等势必会对电脑及打印机等的正常工作产生影响。反过来，假如接入的电能是市电电能，如果只有1根火线，则对于一些对于电能要求质量不高的负荷则无法很好地利用到新能源电能。由此可见，1条火线明显无法实现新能源电能和市电电能的灵活供电要求。基于此，本设计选用2条火线以便实现供电系统的灵活供电是非常必要的。

由于家庭中的负荷类型较多且自身特性各有差异，根据负荷运行时对电源的要求，本控制系统将家庭负荷分为A类、B类、C类和D类4类：A类负荷为对电源的供电质量要求高以及不经常使用的家庭负荷，如电脑、打印机等；B类负荷为需要长时间运行的家庭负荷，如冰箱、照明灯等；C类负荷为电热水器类的家庭负荷；D类负荷为待机时负荷较小但运行时负荷较大的家庭负荷，如洗衣机等。

2 微电网控制器设计

在该微电网中有电源控制器和负荷控制器两种控制器，其结构分别如图2、3所示。电源控制器和负荷控制器均包括数据处理单元、电流信号采集单元、电压信号采集单元、控制开关单元、载波通信单元、WiFi单元、键盘以及显示电路单元。当控制器工作时，数据处理单元通过电流信号采集单元、电压信号采集单元采集常规市电电源及新能源电源供电时的负荷数据信息。数据信息经过处理后，一方面用于电源的切换控制及监测保护，另一方面可通过载波通信单元将数据信息传递给其他控制器或通过WiFi单元上传到无线局域网。键盘及显示电路单元可用于用户向控制器输入运行指令或查询信息。

图2 电源控制器组成结构图Fig.2 Structure diagram of power supply controller

图3 负荷控制器组成结构图Fig.3 Structure diagram of load controller

电源控制器的作用在于选择电能的接入类型。在图2 中电源控制器的控制开关单元由4个开关组成：1号开关，被配置为用于将新能源电能接入到1号火线L1上；2号开关，被配置为用于将新能源电能接入到2号火线L2上；3号开关，被配置为用于将市电电能接入到1号火线L1上；4号开关，被配置为用于将市电电能接入到2号火线L2上。通过4个开关可实现新能源电能和市电电能的选择接入；通过控制开关单元与两条火线配合，接入的电能经过1号火线还是2号火线进行输送也可以进行选择，以保证新能源电能不正常或没有市电接入的情况下，家庭供电网络不会或基本不会受到影响，提高了供电灵活性。在数据处理单元上还设计有无线通信单元，采用WiFi或Zigbee方式实现。数据信息经过处理后通过无线的方式发送给各负荷控制器。

负荷控制器作用是根据用户设置，按采集到的电流、电压数据信息或通信指令等方式自动地选择接通火线1(L1)或火线2(L2)，实现向家庭负载提供常规市电电源或新能源电源。在图3中，负荷控制器的控制开关单元由1号开关和2号开关组成。其中1号开关，被配置为用于将1号火线L1上的电能接入，并为相应负荷供电；2号开关，被配置为用于将2号火线L2上的电能接入，并为相应负荷供电。负荷控制的数据信息经过处理后通过无线(采用WiFi或Zigbee方式实现)的方式发送给电源控制器和其他各负荷控制器，利于实现电源控制器与各负荷控制器之间不同形式的组网，方便数据信息的传递。

上述组网方式，方便不同类型的负荷根据对电能质量要求和时段要求的不同，在新能源电能和市电电能之间灵活进行选择，提高了家庭供电系统的灵活性和可靠性。

3 家庭负荷的接入控制策略

为实现向家庭负载提供常规市电电源或分布式能源电源，负荷控制器就应按一定的控制策略自动地选择接通火线1(L1)或火线2(L2)。为表述方便，用PA表示A类负荷功率，PB表示B类负荷功率，PC表示C类负荷功率，PD表示D类负荷功率。家庭负荷的接入控制步骤如下：

1) 根据各负荷控制器中电信号采集单元采集的负荷数据信息，计算出当前新能源电能的输出功率，将该当前新能源电能的输出功率记为Pnew，并定义新能源电能的最大允许输出功率为Pnewmax。

2) 当A类负荷要投入运行时，A类负荷控制器首先判断是否有市电电能接入。如果有市电电能接入，则优先接入市电电能；如果没有市电电能接入，则比较判断Pnew+PA与Pnewmax的大小。若Pnew+PA

图4 A类负荷投入控制框图Fig.4 Control block diagram of class A load input

3) 当B类负荷要投入运行时，B类负荷控制器首先判断新能源电能是否正常。如果新能源电能不正常，则B类负荷控制器将B类负荷接入市电电能；如果新能源电能正常，则判断Pnew+PB与Pnewmax的大小。若Pnew+PB

4) 当C类负荷要投入运行时，C类负荷控制器首先与D类负荷控制器联动，并判断是否有D类负荷接入到新能源电能中。若有D类负荷且满足Pnew-PD+PC≤Pnewmax，则在D类负荷处于待机状态时将C类负荷接入到新能源电能并投入运行，当D类负荷处于运行状态时将C类负荷从新能源电能断开；若新能源电能中没有D类负荷，则判断Pnew+PC

5) 若D类负荷要投入运行，D类负荷控制器先判断Pnew+PD

4 结论

针对目前国内外所研究的微电网结构及控制系统存在的弊端，本文设计了一种由双电源、双火线和多负载组成的微电网结构，并给出了电源控制器和负荷控制器组成结构及相应的控制策略。

采用双火线多负载控制器结构的家庭供电系统，新能源与市电是分开的，因而新能源电网中的谐波、电压波动等不会造成配电网的电能质量下降，促进了新能源在家庭电网中的推广应用；方便不同类型负荷根据对电能质量和时段要求的不同，在新能源电能和市电电能之间灵活进行选择，提高了家庭供电系统的灵活性和可靠性。