孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)分布式二次控制研究

蘇州科技大學(xué) 周成龍 陳一帆

在傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過(guò)渡過(guò)程中，旨在解決分布式電源靈活、高效應(yīng)用的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)別于傳統(tǒng)能源的集中式供電、能源枯竭等弊端，可再生能源主要包括太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能等具有發(fā)展清潔、分散性等優(yōu)勢(shì)的新能源。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)一級(jí)下垂控制會(huì)導(dǎo)致電壓及頻率難以同步與恢復(fù)，為使其恢復(fù)至額定值，分布式二次協(xié)調(diào)控制得到廣泛研究。本文主要介紹了分層控制，分布式二次協(xié)調(diào)控制的研究現(xiàn)狀，以及對(duì)分布式二次協(xié)調(diào)控制在未來(lái)微電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)步，用戶對(duì)于電量的需求極具提高，迫使化學(xué)燃料急劇消耗，從而導(dǎo)致環(huán)境惡劣、資源枯竭等問(wèn)題，因此發(fā)展可再生能源成為人們的共識(shí)。清潔能源主要包括生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等，但是這些能源難以像化石能源集中式發(fā)配電，因此采用發(fā)布式發(fā)配電成為利用這些能源的有效方式。

微電網(wǎng)(microgrids)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是一種由分布式電源（distributed generation，DG）、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷等設(shè)備構(gòu)成的局部小型發(fā)配電系統(tǒng)。它可以工作在并網(wǎng)模式、孤島模式以及兩者相互切換的同步模式。在大電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式下，電網(wǎng)穩(wěn)定性主要依靠大電網(wǎng)進(jìn)行維系。當(dāng)大電網(wǎng)因意外出現(xiàn)故障時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作斷開(kāi)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的連接，使得微電網(wǎng)進(jìn)入孤島模式。此時(shí)微電網(wǎng)中的DG就負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)運(yùn)行。大多數(shù)DG通過(guò)電力電子接口接入微電網(wǎng)，主要的控制策略是基于逆變器的下垂控制算法，但傳統(tǒng)的下垂控制算法無(wú)法保證系統(tǒng)的電壓與頻率保持同步以及恢復(fù)至額定值，并且傳統(tǒng)的基于功率、頻率特性或功率、電壓特性的下垂控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度分配無(wú)功功率或有功功率。為了補(bǔ)償電壓、頻率的偏差，二次控制策略就被提出，并逐步將其應(yīng)用至微電網(wǎng)。

二次控制發(fā)展過(guò)程中衍生出集中式控制以及分布式控制，傳統(tǒng)的集中式控制是利用微電網(wǎng)的中心控制器(micro grid central controller，MGCC)來(lái)獲取全局信息，再經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算后向底層提供控制命令，精確度高。但集中式控制存在計(jì)算和通信負(fù)擔(dān)重、存在中心節(jié)點(diǎn)、魯棒性差、可擴(kuò)展性和可靠性差等缺點(diǎn)。分布式二次控制可用于解決電壓和頻率的同步以及恢復(fù)問(wèn)題，針對(duì)具有“即插即用”特點(diǎn)的分布式電源，分布式二次控制是一種無(wú)線通信控制技術(shù)，可靠性高。

微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題(economic dispatch problem，EDP)是近年來(lái)研究微電網(wǎng)的熱點(diǎn)問(wèn)題，由于微電網(wǎng)中DG所占比較高，間歇性和隨機(jī)性都使得微電網(wǎng)的調(diào)度具有極大困難。并且控制層的運(yùn)行時(shí)間尺度往往無(wú)法精確控制在秒級(jí)，導(dǎo)致控制層運(yùn)行時(shí)間不匹配，從而降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 下垂控制(droop control)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法(economic dispatch algorithm)

1.1 下垂控制(droop control)

下垂控制作為系統(tǒng)的一次控制，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的一次調(diào)頻，以保證系統(tǒng)的功率平衡。在微電網(wǎng)的負(fù)荷或輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，或者在孤島模式下，下垂控制能夠保證系統(tǒng)的電壓與頻率在一定范圍內(nèi)的平衡穩(wěn)定，典型的電壓-頻率下垂控制如下：

式中fn，Vn分別是系統(tǒng)的額定頻率和額定電壓，Pi，Qi分別為第i個(gè)發(fā)電單位輸出的有功功率和無(wú)功功率，mi，ni分別為有功功率-頻率和無(wú)功功率-電壓的下垂系數(shù)，Pni，Qni分別為第i個(gè)發(fā)電單元運(yùn)行在額定頻率時(shí)的有功功率和無(wú)功功率，fi，Vi分別為第i個(gè)發(fā)電單元的輸出頻率和輸出電壓。

傳統(tǒng)的下垂控制策略是當(dāng)微電網(wǎng)工作在孤島模式時(shí)，各個(gè)發(fā)電單元根據(jù)下垂系數(shù)mi和額定功率Pni分配輸出的有功功率Pi，但不能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的優(yōu)化分配，同時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的頻率偏移額定值。

1.2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法(economic dispatch algorithm)

假設(shè)微電網(wǎng)有n個(gè)分布式發(fā)電單元，有功負(fù)荷總數(shù)為PD，每個(gè)發(fā)電單元的有功輸出為PD，且成本函數(shù)可表示為：

式中αi，βi，γi，為發(fā)電成本函數(shù)，其中βi由燃料成本系數(shù)和維護(hù)成本系數(shù)構(gòu)成，αi、γi表示燃料成本系數(shù)。

對(duì)于新能源來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有燃料成本，因而新能源的成本僅僅在于儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗，可表示為：

經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)就是使得微電網(wǎng)的總發(fā)電成本最小，即：

且滿足總發(fā)電量和總負(fù)荷間的供需約束：

以及每個(gè)發(fā)電單元的發(fā)電容量約束：

式中的Pi_min和Pi_max分別表示第i個(gè)發(fā)電單元輸出功率的上下限。

可用拉格朗日乘子法計(jì)算不考慮發(fā)電約束條件下的最優(yōu)化增量成本λ和有功功率輸出，且此時(shí)的值是所有增量成本相等且等于拉格朗日乘子λ。

2 分布式二次協(xié)調(diào)控制研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，分布式二次協(xié)調(diào)控制策略得到廣泛研究與應(yīng)用，同時(shí)在解決微電網(wǎng)電壓、頻率恢復(fù)至額定值問(wèn)題上取得很大的成果。但無(wú)法滿足功率精度分配以及母線電壓要求，同時(shí)微網(wǎng)中EDP問(wèn)題并沒(méi)有完全得到解決。

雖然針對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制，陳剛等人提出基于一致性理論的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法，重新設(shè)定下垂控制的額定值，計(jì)算新的下垂系數(shù)，優(yōu)化了下垂控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供需平衡以及低成本運(yùn)行。但仍無(wú)法確保DG的“即插即用”，也就無(wú)法保證在DG加入電網(wǎng)時(shí)在電網(wǎng)和通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下還能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、頻率的恢復(fù)以及同步。因此，就必須在二次控制層進(jìn)行分布式控制，呂振宇等人基于對(duì)等稀疏網(wǎng)絡(luò)的分布式二次調(diào)節(jié)策略，增加了無(wú)中心節(jié)點(diǎn)，采用離散一致性算法進(jìn)行分布式單元功率的高精度功率分配以及系統(tǒng)的平均電壓調(diào)節(jié)，解決了由電路中阻抗引起的功率分配不均和電壓下跌問(wèn)題，同時(shí)該算法能夠針對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的抗干擾能力選擇出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

上述分布式二次控制策略?xún)H僅能夠?qū)崿F(xiàn)漸進(jìn)或指數(shù)收斂，而在一些實(shí)際應(yīng)用中，由于DG的不確定性和間歇性特征，無(wú)法保證控制的快速收斂或者在有限時(shí)間內(nèi)收斂。近年有限時(shí)間分布式二次控制策略被越來(lái)越多的學(xué)者研究，但有限時(shí)間控制的整定時(shí)間與系統(tǒng)的初始條件息息相關(guān)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)定離線整定時(shí)間。陳剛等人提出了分布式固定時(shí)間二次控制策略確保整定時(shí)間的上限與系統(tǒng)初始條件無(wú)關(guān)，并通過(guò)Lyapunov函數(shù)法分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得離線設(shè)定整定時(shí)間成為可能。仿真結(jié)果表明，該策略具有魯棒性強(qiáng)，控制精度高，干擾一致性能好等特點(diǎn)。

同時(shí)基于多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制算法的研究日益增多，基于MAS的算法能夠在實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的恢復(fù)以及同步時(shí)降低系統(tǒng)通訊和計(jì)算負(fù)擔(dān)。并且基于MAS的分布式二次控制具有魯棒性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。顧偉等人提出了電流矯正控制與電壓調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的二次分布式控制方法，通過(guò)基于MAS的分布式交互協(xié)議與有限時(shí)間一致性協(xié)議，將DG設(shè)為代理，監(jiān)測(cè)并采集自身輸出的電流信息，通過(guò)通信耦合實(shí)現(xiàn)信息交互，實(shí)現(xiàn)矯正電流、按比例分配輸出電流的功能，同時(shí)能夠利用平均輸出電流進(jìn)行電壓協(xié)調(diào)控制。仿真表明該控制策略具有優(yōu)異的收斂性及可靠性，其只需要局部DG輸出電流信息就能夠通過(guò)弱通信條件實(shí)現(xiàn)電壓、負(fù)荷的調(diào)節(jié)分配。但未考慮有限時(shí)間參數(shù)對(duì)于微電網(wǎng)電壓、頻率收斂性的影響，以及規(guī)模適應(yīng)性問(wèn)題。

竇春霞等人針對(duì)擾動(dòng)作用下微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，基于MAS提出了分布式協(xié)調(diào)控制策略。在MAS下層分布式Agent中，基于下垂控制算法設(shè)計(jì)出外環(huán)功率控制器、基于分?jǐn)?shù)階PID控制方法設(shè)計(jì)出內(nèi)環(huán)電流、電壓控制器，兩個(gè)控制器共同構(gòu)成了下層的雙環(huán)就地控制器，實(shí)現(xiàn)MAS在大干擾或者小干擾的作用下維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的作用。MAS上層結(jié)合線性矩陣不等式技術(shù)設(shè)計(jì)出H∞魯棒控制器，通過(guò)系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)的測(cè)量以及調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)大干擾作用下微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，其中采取基爾霍夫電流/電壓定律(KCL/KVL)設(shè)計(jì)出狀態(tài)反饋控制器將參數(shù)的不確定性以及外界干擾計(jì)算在內(nèi)。仿真結(jié)果表明該研究提出的控制策略具有很強(qiáng)的抗擾性能以及魯棒性。

以上方法均沒(méi)考慮微電網(wǎng)的運(yùn)行成本，未能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，無(wú)法最大化利用可再生能源。在解決EDP問(wèn)題的過(guò)程中，傳統(tǒng)集中式方法或者算法包括梯度下降法、粒子群算法、遺傳算法、蟻群算法等，這些方法需要MGCC進(jìn)行全局控制，投資較高。針對(duì)以上控制方法的不足，基于MSA的分布式控制解決EDP問(wèn)題的方法被廣泛研究，胡建等人結(jié)合下垂控制與MAS一致性理論分別解決功率平衡和電源出力的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)功率的經(jīng)濟(jì)性分配，其中只需要Agents基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無(wú)需MGCC參與協(xié)調(diào)，提出的完全分布式控制直接利用下垂控制信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)功率精確分配。

謝俊等人提出基于MAS一致性算法的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，將電源增量成本(IC)和柔性負(fù)荷增量效益(IB)設(shè)為一致性算法變量，利用拉格朗日乘子法求解出囊括柔性負(fù)荷加入電網(wǎng)時(shí)的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度解。降低通信網(wǎng)絡(luò)投資以及應(yīng)對(duì)通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變問(wèn)題。董密等人提出基于下垂控制增加額外控制變量，選取幾個(gè)Agents作為領(lǐng)導(dǎo)者(Leaders)的DG，將計(jì)算的偏差傳送至其他控制器，利用分布式通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全局的電壓、頻率的恢復(fù)和同步。該文的控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)、孤島模式之間的無(wú)縫銜接，還將傳統(tǒng)三次控制解決的EDP問(wèn)題置于二次控制層利用完全分布式控制算法解決，降低了通訊成本，減少了運(yùn)行時(shí)間不匹配的問(wèn)題，有效提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 未來(lái)孤島微電網(wǎng)控制協(xié)調(diào)策略的展望

未來(lái)孤島微電網(wǎng)勢(shì)必會(huì)成為整個(gè)智能電網(wǎng)中舉足若輕的研究部分，大量的學(xué)者會(huì)投入其中進(jìn)行研究，大量資源也會(huì)向其傾斜。用戶不再僅僅是電網(wǎng)末端的剛性負(fù)荷，而是會(huì)成為能夠參與系統(tǒng)運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)與電源互動(dòng)的柔性負(fù)荷。因此，在解決分布式電源“即插即用”問(wèn)題的同時(shí)還必須考慮到柔性負(fù)荷的“即插即用”。雖然現(xiàn)在的分布式二級(jí)控制已經(jīng)展現(xiàn)出較好的控制性能，但將來(lái)面對(duì)海量的負(fù)荷加入電網(wǎng)時(shí)，就會(huì)顯得單薄，因此在分布式二次控制的擴(kuò)展性能上還需要進(jìn)行大量研究。包括控制收斂性快慢也會(huì)是重點(diǎn)的研究方向，絕不僅僅局限于針對(duì)二階系統(tǒng)電壓、頻率的同步以及恢復(fù)問(wèn)題給出在有限時(shí)間內(nèi)收斂的充要條件，或是引入收斂因子從而加快收斂速度等采用漸近一致性算法進(jìn)行分布式控制。日后越來(lái)越多的研究目光將投向MAS，將利用MAS實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元的無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的通信，減輕通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，減少計(jì)算，降低網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本等。在此同時(shí)還需要考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化?；贛AS研究直流微電網(wǎng)也會(huì)成為一大熱門(mén)，直流微電網(wǎng)的有功、無(wú)功功率高精度分配、經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題都有待研究。對(duì)于未來(lái)的微電網(wǎng)方面的研究可以嘗試將MAS以及人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能控制等理論與技術(shù)相結(jié)合，研究多負(fù)荷進(jìn)退電網(wǎng)、模式切換等直交流微電網(wǎng)中的收斂時(shí)間、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)調(diào)度等問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)：本文簡(jiǎn)要介紹分布式二次協(xié)調(diào)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，微電網(wǎng)控制過(guò)程中所用的傳統(tǒng)下垂控制技術(shù)以及旨在解決EDP問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法。并結(jié)合現(xiàn)有的研究成果對(duì)于未來(lái)分布式二次協(xié)調(diào)控制技術(shù)前景以及目標(biāo)做出簡(jiǎn)單展望，得出在未來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中穩(wěn)定性不再是唯一課題的結(jié)論。但隨著未來(lái)微電網(wǎng)復(fù)雜程度的加深，不同策略中實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的難度也將會(huì)逐步上升。