具有本地低带宽通信的串并联型微电网频率恢复控制方案

在可再生能源时代保持电网频率稳定

随着越来越多的家庭和企业由太阳能电池板和风力发电机供电，保持电力系统稳定变得更加困难。电网必须始终以非常精确的频率运行（例如每秒50或60个周期）；一旦偏移，灯光可能闪烁，设备可能损坏。本文探讨了一种在一种有前景的小型电力网络——微电网中保持频率稳定的新方法，同时比现有方法使用更少的通信和计算资源。

小型电力网络的新形态

微电网是自成一体的电力系统，可包含许多小型发电单元，如屋顶太阳能、电池和风电。该研究聚焦于一种称为“串并联”微电网的特定布局。在这种设计中，若干小型发电单元首尾相连形成一条“串”，然后几条这样的串并联在一起为共同的电负载供电。这种结构能充分利用低压设备，具有灵活性和模块化扩展的优点，但也使得各单元之间的功率和频率分配更为复杂。

为什么频率会漂移以及其重要性

现代以可再生能源为主的发电机多为电子装置，而非旋转机械，因此它们几乎没有天然惯性。为实现协作，它们常采用简单的“下垂”规则：当负荷上升时，输出频率会略微变化。这有助于分担负荷，但会留下一个小误差——运行频率不再与理想参考一致。现有将频率拉回参考的方法通常依赖于集中控制或所有单元在通信网络上不断互相通信。大量的数据交换会带来成本、易受故障影响以及难以扩展等问题。

让队首的单元来通信

本文的核心思想是利用串联发电单元的一个特殊特性：同一串内的每个单元承载完全相同的电流。这个共同的电流可作为一种共享信号。作者设计了一种控制方案，其中每条串的首个发电机只需与其他串的队首通过低带宽通信链路交换信息。这些“队首”单元仅交换足够的功率输出信息以达成共同目标，同时内置的校正项利用测得的线路电流将整条串的频率向参考值校正。每条串中其余的发电机仅依赖自身的本地测量和该共享电流，完全不需要通信。

稳定性验证与现实工况测试

为确保这种更精简的控制方案不会使微电网失稳，作者建立了数学上的“小信号”模型并采用根轨迹分析——控制工程中的标准工具。他们识别出关键设置的安全范围，以使任何小扰动都会衰减而非增长。随后，他们在多种工况下对一个由九台发电机组成、三条串的微电网进行了仿真：突发负荷增加、不同类型电负载之间的切换、通信链路丢失、故意改变功率分配方式，甚至单台发电机的故障。每种情况下，所提方法都能将频率锁定在标称值，有控制地分配有功（实功）功率，并保持波形平滑，同时所需的通信链路远少于旧有方法。

对未来微电网的意义

通俗地说，这项工作展示了如何通过在少数关键设备间构建一个巧妙的“低声网络”，在系统部分失效或负荷突变时仍能使复杂的可再生能源微电网维持正确的运行节奏。通过减少通信和计算需求，该方法可降低成本并提升可靠性——这是偏远社区、工业园区或希望实现弹性低碳供电的校园等场景的重要优势。该工作也指出了尚待解决的问题，例如对单点故障和现实世界不确定性的敏感性，并指明了未来扩展方向，包括接入电池、电动机负载以及更多样化的微电网布局。

引用: Li, L., Shen, S., Tian, P. et al. A frequency restoration control scheme of series-parallel-type microgrids with local low bandwidth communication. Sci Rep 16, 7618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38888-8

关键词: 微电网频率控制, 分布式发电机, 低带宽通信, 可再生能源稳定性, 串并联微电网