多源協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)分布式優(yōu)化控制策略研究

李博洋 白迪 王依娜

摘要：目前，隨著人口的不斷增加和能源的不斷利用，世界能源問題和環(huán)境問題備受各國關注。為了尋找更加節(jié)能環(huán)保的新能源發(fā)電方式，分布式發(fā)電以環(huán)境污染少，能源利用率高的優(yōu)勢開始不斷的推廣與發(fā)展。然而由于分布式發(fā)電的大量接入會對大電網(wǎng)產(chǎn)生非常大的沖擊，為了解決這一問題，微電網(wǎng)應運而生。微電網(wǎng)改變了傳統(tǒng)能源作為唯一發(fā)電源的問題，使新能源得到了充分的利用。微電網(wǎng)的出現(xiàn)為人類賴以生存的環(huán)境問題和能源問題作出了巨大的貢獻，因此大力發(fā)展微電網(wǎng)對于我國乃至全世界都具有重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：能源利用;微電網(wǎng);優(yōu)化控制策略;分布式發(fā)電

為了解決環(huán)境與能源問題，世界各國開始發(fā)展分布式發(fā)電模式，并且提出將分布式發(fā)電取代核發(fā)電的戰(zhàn)略目標，我國也在大力發(fā)展分布式發(fā)電，并提出了提出到2020年，我國分布式發(fā)電總裝機量將達到3.17億千瓦，占我國總發(fā)電裝機容量的31.7%，到2050年，分布式發(fā)電總裝機量將超過9.6億千瓦，占總發(fā)電裝機容量的43%的戰(zhàn)略目標。由此可見，分布式發(fā)電將是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。為了避免分布式發(fā)電對于大電網(wǎng)的沖擊，國家開始大力發(fā)展微電網(wǎng)，微電網(wǎng)是指通過電力電子接口將微電源接入到網(wǎng)內(nèi)，這一做法不僅增加了微電網(wǎng)控制的靈活性能，同時也減小了系統(tǒng)的慣性，增加了系統(tǒng)能量的平衡與頻率穩(wěn)定的控制難度，所以，想要解決這一問題，就必須找到一套良好的控制策略方案。本文以多源協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)分布式優(yōu)化控制策略為主題進行了深入的研究和探討，并做出如下總結報告：

一、國內(nèi)外發(fā)展微電網(wǎng)的現(xiàn)狀

由于起步較早，美國和日本等歐洲國家對于微電網(wǎng)的研究已經(jīng)取得了重大的突破。這些國家對于微電網(wǎng)的基本理論研究已經(jīng)完成，并且開始根據(jù)各國的情況建立微電網(wǎng)示范工程。我國對于微電網(wǎng)技術的研究目前來說還處于起步階段，但是自2007年起，國家科研部就設立了“863計劃先進能源技術領域2007年度專題課題”，其中就包括了對于微電網(wǎng)技術的研究和探討項目【1】。近年來，我國對這項科研項目投入了大量的人力物力，并且取得了非常大的進展。雖然與歐美，日本等國家相比還存在較大的差距，但是我國對于微電網(wǎng)技術仍然在努力鉆研。對于我國來說，解決能源危機與環(huán)境問題，深入開展微電網(wǎng)技術研發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實意義【2】。

二、微電網(wǎng)控制策略存在的問題

微電網(wǎng)主要是以兩種運行模式存在的，一種是并網(wǎng)運行模式，一種是孤島運行模式。另外，微電網(wǎng)有三種典型的運行狀態(tài)：并網(wǎng)運行狀態(tài)，孤島運行狀態(tài)以及兩種運行模式切換時的暫停狀態(tài)。當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)時，必須要滿足配電網(wǎng)的接口，并且不能參與主電網(wǎng)的操作。此時微電網(wǎng)的控制目標應該設定為保持功率平衡和供電質(zhì)量。另外，在某些時候，微電網(wǎng)還需要為主電網(wǎng)提供一些輔助，例如幫助主電網(wǎng)調(diào)節(jié)電壓和頻率，參與整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行等【3】。

當微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，系統(tǒng)的電壓，頻率都是由微電網(wǎng)自身提供的。微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)最大的不同就是采用了大量的電力電子裝置作為微電源的接口，這樣就會導致系統(tǒng)的慣性較小，甚至沒有慣性。但是由于微電源的特性比較多樣化，以及微電網(wǎng)的負荷功率比較多變，因此就增加了微電網(wǎng)電壓，頻率的控制難度。作為一個低壓系統(tǒng)，微電網(wǎng)的配電網(wǎng)線路阻抗呈阻性，這就說明系統(tǒng)電壓不僅與無功功率有關聯(lián)，還和有功功率有關聯(lián)。所以想要完成微電網(wǎng)的電壓控制，就需要通過控制有功功率和無功功率兩個方面?；蛘咧苯幼柚鼓孀兤鞯牡刃л敵?，使電壓只與無功功率有關系，從而只需要通過無功功率來控制系統(tǒng)電壓【4】。

當微電網(wǎng)處于兩種運行模式切換的暫停狀態(tài)時，保證微電網(wǎng)的繼續(xù)穩(wěn)定運行是微電網(wǎng)研究的關鍵問題，當切換成暫停狀態(tài)時，想要確保運行穩(wěn)定，就要控制微電網(wǎng)產(chǎn)生的電能和負荷需求電能之間的平衡。

三、微電網(wǎng)的控制方法及控制策略

如上文所說，控制多逆變電源并聯(lián)運行可以有效的控制微電網(wǎng)穩(wěn)定，可靠，安全的運行，通過控制功率從而完成對微電網(wǎng)的控制。按照功率分配的控制策略進行分類，常見的幾種接口逆變器的控制方法主要有恒功率控制（PQ控制）、恒壓恒頻控制（v/f控制）、下垂控制（Droop控制）三種。恒功率控制是指使逆變器的輸出的有功功率和無功功率等于參考功率，比較適合風力，光伏等間歇性電源。恒壓恒頻控制主要是控制逆變器的輸出端電壓，通過控制輸出端的電壓幅度值和頻率，使其等于標準值，從而確保無論功率如何變化，電壓的幅度值和頻率都能夠保持不變。而下垂控制是通過模擬的方式同步發(fā)電機輸出的有功功率和電壓頻率，以及無功功率和電壓幅值的關系特性。然后通過人為的方式使逆變器的輸出有功功率和電壓頻率、無功功率和電壓幅值呈線性關系，從而實現(xiàn)各個組成單元的對等控制。根據(jù)從屬關系進行分類，微電網(wǎng)的控制策略可以分為主從控制和對等控制，具體內(nèi)容如下：

（一）主從控制策略

主從控制策略共分為兩種，一種是以分布式電源為主控制單元的，一種是以中心控制器為主控制單元的。以分布式電源為主的主從控制主要采用了恒壓恒頻控制策略，通過控制使分布式電壓的負荷功率和其他微電源的輸出功率不管怎樣變化，都可以維持微電源逆變器輸出端口電壓和頻率的恒定，從而滿足微電網(wǎng)中的電能供需平衡，確保微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。對于這種控制方法而言，需要注意的就是在采用恒壓恒頻控制方案之前，要算好微電網(wǎng)可能運行的時間和負荷功率變化范圍，這樣才能夠保證任何微電源容量都不可能無限大，都只能供給有限的功率。

以中心控制器為主控單元的主從控制策略是以上層管理系統(tǒng)管理底層多個微電源以及各類負荷的一種控制策略，這種策略需要注意的就是確保上層管理系統(tǒng)與底層的通信聯(lián)系，這種聯(lián)系屬于弱通信聯(lián)系，就算短時間通信失敗，微電網(wǎng)仍然能夠正常運行【5】。但是主從控制的缺點就在于兩者之間的通信關系緊密，一旦出現(xiàn)通信失敗，就會導致微電網(wǎng)出現(xiàn)問題，影響使用。

（二）對等控制策略

對等控制策略主要指的是微電網(wǎng)中所有分布式電源在控制上是平等的，不存在主要關系與次要關系，每一個分布式電源都需要根據(jù)本地的電壓和頻率信息進行調(diào)控，從而實現(xiàn)無互聯(lián)線的控制策略，也就是具有什么時候用，什么時候茶的功能。這種功能需要在能量平衡的條件下完成。也就是說微電網(wǎng)中任何一個電源切斷或者鏈接，都不會改變其他單元的設置。采用這種對等控制策略的微電網(wǎng)中的微電源之間沒有任何的通信聯(lián)系，因此提高了微電網(wǎng)的可靠性，并且降低了系統(tǒng)的成本，因此與主從控制策略相比，對等控制策略更受歡迎。

四、總結

發(fā)展微電網(wǎng)對于我國乃至世界都具有十分重要的意義，雖然對于這項科研我國的起步較晚，但是通過科研人員的不斷努力和國家的重視與投入，目前已經(jīng)取得了巨大的進展，然而解決微電網(wǎng)的控制策略需要從不同的角度出發(fā)，本文以微電網(wǎng)的三個運行狀態(tài)為研究中心，總結了在三種運行狀態(tài)下控制微電網(wǎng)的關鍵因素，并且從主從控制和對等控制兩個方面做了深入分析和探討，希望可以給相關的工作人員提供借鑒和參考，有效的推動微電網(wǎng)穩(wěn)定運營和發(fā)展。

參考資料：

[1]熊蕙，任江波，顧喬根， 等.孤島微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)無功均分策略[J].南京理工大學學報（自然科學版），2020，44（2）：246-251.

[2]沈珺，柳偉，李虎成， 等.基于強化學習的多微電網(wǎng)分布式二次優(yōu)化控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2020，44（5）：198-206.

[3]張弛，曾杰，曾嶸， 等.直流孤島微電網(wǎng)的兩級功率協(xié)同控制方法[J].電氣傳動，2019，49（12）：58-63.

[4]周成，芮濤，王群京.基于模型預測控制的微電網(wǎng)多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化[J].電測與儀表，2019，56（22）：44-50.

[5]張愛祥，宋士瞻，高揚， 等.含能源互聯(lián)微網(wǎng)的主動配電網(wǎng)分層分布式協(xié)調(diào)控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47（19）：131-138.

李博洋（1995），男，遼寧省錦州市，碩士研究生，分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術，沈陽工程學院，110000