主動(dòng)配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)虛擬微電網(wǎng)群分布式群級(jí)協(xié)同控制

張潤凡，別朝紅

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西省西安市 710049）

0 引言

新能源裝機(jī)規(guī)模的快速增長使得電網(wǎng)運(yùn)行面臨系統(tǒng)穩(wěn)定、安全及新能源棄限等突出難題，亟須引導(dǎo)新能源參與電力系統(tǒng)電壓與頻率調(diào)節(jié)，提升電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力、保障電力系統(tǒng)高效、靈活與安全運(yùn)行［1-2］。對分布式電源進(jìn)行資源整合是重要手段之一［3］。

主動(dòng)配電網(wǎng)（active distribution network，ADN）和微電網(wǎng)是兩種常用的能源整合調(diào)控技術(shù)。微電網(wǎng)可孤島或并網(wǎng)運(yùn)行［4-6］。ADN 可對分布式電源進(jìn)行控制與能量管理［7-9］。微電網(wǎng)與ADN 的區(qū)別為:微電網(wǎng)可基本實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部自給自足，較少與電網(wǎng)交換電能；ADN 則具有分布式電源滲透率高、對電源與負(fù)荷主動(dòng)控制特點(diǎn)，在保證電能質(zhì)量及可靠性的基礎(chǔ)上增加對分布式電源的容納［10］。ADN 及微電網(wǎng)均可采用集中式控制及分布式控制。然而，分布式控制所具備的即插即用性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性、兼容單點(diǎn)通信故障等特點(diǎn)［11-12］更適用于新型電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)群是多個(gè)微電網(wǎng)通過耦合協(xié)同形成的集群式電力系統(tǒng)［13-14］，其協(xié)同控制技術(shù)主要基于兩層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有功及無功功率的分配［15-16］。然而，當(dāng)前微電網(wǎng)群控制的研究忽略了儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的作用與儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），且其調(diào)控對象為靜態(tài)微電網(wǎng)，缺乏一定的靈活性。

虛擬微電網(wǎng)群（virtual microgrid cluster，VMC）是充分利用通信系統(tǒng)并基于既定準(zhǔn)則重組分布式電源形成聚合［17-18］。VMC 可增強(qiáng)對分布式電源的網(wǎng)絡(luò)控制管理及降低運(yùn)行成本［19］。VMC 的動(dòng)態(tài)形成必要性主要包括三個(gè)方面:1）ADN 中快速增長的分布式電源容量較小，易被配電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)忽略，造成配電網(wǎng)運(yùn)行不準(zhǔn)確及可再生能源浪費(fèi)，因而動(dòng)態(tài)聚合分布式電源形成VMC 可實(shí)現(xiàn)對其有效的可觀可控［20］；2）對具有相似性的分布式電源進(jìn)行聚合可有效提升其經(jīng)濟(jì)性［19］；3）為不同特性子微電網(wǎng)設(shè)定不同激勵(lì)可有效減少微電網(wǎng)群峰值電能需求，提升新能源利用率［21］。

因此，本文提出了基于動(dòng)態(tài)VMC 的ADN 靈活調(diào)控方法。該方法兼?zhèn)淞颂摂M微電網(wǎng)（virtual microgrid，VM）完備靈活的自治控制及ADN 的新能源高滲透率雙重優(yōu)勢。同時(shí)，提出了適用于VMC 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變時(shí)的全分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 均衡控制、微電網(wǎng)群級(jí)頻率及電壓協(xié)同控制和VM 間SOC 均衡協(xié)同控制，并且有效抑制了通信系統(tǒng)中的時(shí)滯與噪聲影響。

本文創(chuàng)新點(diǎn)如下:1）僅通過一層分布式通信網(wǎng)絡(luò)即實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)級(jí)及微電網(wǎng)群級(jí)的協(xié)同控制，簡化了VMC 協(xié)同控制所依賴的通信網(wǎng)絡(luò)及控制方法；2）分布式控制方法兼容VMC 結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)改變；3）所提出的協(xié)同控制方法計(jì)及通信系統(tǒng)中的時(shí)滯與噪聲；4）提出了新的VM 間儲(chǔ)能SOC 均衡控制。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)及VMC 的控制結(jié)構(gòu)

含分布式電源的ADN 依據(jù)分布式電源及其連接的負(fù)載特征，可通過多智能體分布式實(shí)時(shí)聚類算法被動(dòng)態(tài)的分割為多個(gè)VM［22］，且VM 的結(jié)構(gòu)可依據(jù)實(shí)時(shí)算法動(dòng)態(tài)演化。本文針對已分割好的動(dòng)態(tài)VMC 研究僅需要一層分布式通信網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同控制方法，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)級(jí)及微電網(wǎng)群級(jí)的協(xié)同控 制。ADN 中電池儲(chǔ)能（battery energy storage，BES）或分布式光伏（photovoltaic，PV）能源通過電壓源型變流器（VSC）連接ADN。通過毗鄰連接的通信方式在含有儲(chǔ)能及分布式PV 的VSC 間形成分布式通信網(wǎng)絡(luò)，VSC 及其控制系統(tǒng)可被視為智能體。本文的控制系統(tǒng)圍繞接入PV 及BES 的VSC展開，接入PV 及BES 的VSC 控制系統(tǒng)通過分布式通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頻率、電壓調(diào)節(jié)及SOC 均衡控制。VMC 的控制結(jié)構(gòu)基于無通信的分散式一次下垂控制、分布式通信的二次頻率、電壓調(diào)節(jié)和儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 均衡控制，以及基于同一通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)VMC 平均狀態(tài)預(yù)估計(jì)器和基于該預(yù)估器的VM 間SOC 協(xié)同控制。分布式通信網(wǎng)絡(luò)指毗鄰相連的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可通過諸如以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

文中VMC 指在ADN 中動(dòng)態(tài)構(gòu)建的一系列VM的集合；VM 則是由含BES 的分布式電源所聚合而成的集合；微電網(wǎng)群級(jí)協(xié)同等同于VM 間協(xié)同，是指在VM 間進(jìn)行的電能傳輸、SOC 均衡等策略。所提出的動(dòng)態(tài)VMC 的運(yùn)行方式是動(dòng)態(tài)構(gòu)成多個(gè)VM 的運(yùn)行方式，因此，動(dòng)態(tài)VMC 結(jié)構(gòu)的改變不涉及配電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，是一種適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)及分布式電源更靈活的運(yùn)行方式。

圖1 微電網(wǎng)級(jí)和微電網(wǎng)群級(jí)的兩級(jí)分布式協(xié)同控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-level distributed cooperative control system at microgrid level and microgrid cluster level

1.1 分布式電源接入主動(dòng)配電網(wǎng)

并聯(lián)的PV 或BES 連接在VSC 的直流側(cè)。VSC 通過電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)控制設(shè)定VSC 輸出電壓參考信號(hào)并形成脈寬調(diào)制信號(hào)。本文主要討論ADN 在孤網(wǎng)運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)VMC 控制方法及策略。

1.2 VMC 的控制結(jié)構(gòu)

對于連接PV 及BES 的VSC 采用下垂控制［23］，表達(dá)式為:

式中:ωi(t)為t時(shí)段ADN 中第i個(gè)VSC 的角頻率；vo，d，i(t)為t時(shí) 段 第i個(gè)VSC 輸 出 電 壓 的d軸 分 量；ωref，i(t)為t時(shí) 段ADN 中 第i個(gè)VSC 的 參 考 角 頻 率；voref，d，i(t)為t時(shí) 段 第i個(gè)VSC 輸 出 電 壓 的d軸 參 考分 量；mp，i和nq，i分 別 為 有 功 功 率 及 無 功 功 率 下 垂 系數(shù)；Pi(t)和Qi(t)分別為t時(shí)段第i個(gè)VSC 輸出的有功功率和無功功率。

式中:uω，i(t)為t時(shí)段第i個(gè)VSC 的二次頻率穩(wěn)定控制輸入，用于將頻率穩(wěn)定到ADN 的額定頻率ωADN；u?，i(t)為t時(shí)段第i個(gè)VSC 的二次SOC 均衡控制器輸 入，用 以 實(shí) 現(xiàn)VM 內(nèi) 的SOC 均 衡；uvo，d，i(t)為t時(shí)段第i個(gè)VSC 的電壓穩(wěn)定控制輸入的d軸分量，用以 將ADN 電 壓 穩(wěn) 定 到 額 定 電 壓vo，d，ADN。考 慮 到 電壓與無功功率間的權(quán)衡，僅考慮電壓的精確控制［25］。本文將針對uω，i(t)、u?，i(t)及uvo，d，i(t)研究其相應(yīng)的二次控制方式以實(shí)現(xiàn)各自控制目標(biāo)。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)分布式時(shí)滯及噪聲協(xié)同控制

2.1 分布式通信網(wǎng)絡(luò)

所研究的基于多智能體的二級(jí)控制系統(tǒng)均依賴于分布式通信網(wǎng)絡(luò)。多智能體與其鄰接的智能體通信網(wǎng)絡(luò)可通過稀疏圖G(V，E)、節(jié)點(diǎn)集合V={1，2，…，N}及邊E 描述［26］。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可被看作一個(gè)智能體。本文的智能體為VSC 及其控制系統(tǒng)。邊E 記 作(i，j)，(i，j)∈E 表 示 節(jié) 點(diǎn)i和j間 有 信 息 交互。節(jié)點(diǎn)i的所有鄰接節(jié)點(diǎn)集合記作Ni。如果(i，j)∈E，那 么j∈Ni。稀 疏 圖 的 鄰 接 矩 陣A的 元素ai，j為:

2.2 主動(dòng)配電網(wǎng)分布式時(shí)滯及噪聲協(xié)同控制方法

ADN 的動(dòng)態(tài)VMC 運(yùn)行方式是通過基于多智能體的實(shí)時(shí)分布式聚類算法將ADN 中連接PV 及BES 的VSC 動(dòng)態(tài)分割為多個(gè)VM。分割依據(jù)為PV實(shí)時(shí)輸出功率、實(shí)時(shí)負(fù)載及BES 容量、BES 主體參與頻率調(diào)節(jié)或輔助服務(wù)意愿等［27］。本文主要研究動(dòng)態(tài)VMC 場景下適用于其形態(tài)改變的ADN 頻率、電壓控制及VM 內(nèi)和VM 間的控制系統(tǒng)。

ADN 的頻率控制表達(dá)式為:

式中:αω為頻率控制增益；τ1和τ2分別為相應(yīng)的延遲時(shí)間；Δωi(t)=ωADN-ωi(t)為頻率差；bi為Pining節(jié)點(diǎn)系數(shù)，bi＞0 表示該節(jié)點(diǎn)是Pining 節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可設(shè)定ωADN和vo，d，ADN，否則bi=0；ηω，σ，i，j(·)為第i個(gè)VSC 的頻率控制系統(tǒng)中與第j個(gè)VSC 間通信的第σ維 噪 聲 密 度 函 數(shù)，j∈Ni；ηω，σ，i(·)為 第i個(gè)VSC 的 頻率控制系統(tǒng)中的第σ維噪聲密度函數(shù)；δ為噪聲密度函 數(shù) 的 總 維 數(shù)；ξω，σ，i，j(t)為t時(shí) 段 第i個(gè)VSC 的 頻 率控制系統(tǒng)中與第j個(gè)VSC 間通信的第σ維采樣噪聲；ξω，σ，i(t)為t時(shí) 段 第i個(gè)VSC 的 頻 率 控 制 系 統(tǒng) 的第σ維采樣噪聲。式（10）在常用分布式頻率控制結(jié)構(gòu)［6，15-16］的基礎(chǔ)上引入了時(shí)滯及噪聲，分布式時(shí)滯及噪聲控制的改進(jìn)是基于文獻(xiàn)［28］。

ADN 的分布式電壓控制與頻率控制相似，其Pining 節(jié)點(diǎn)參考電壓的d軸分量設(shè)定為vo，d，ADN。

3 動(dòng)態(tài)VMC 的微電網(wǎng)級(jí)、群級(jí)分布式協(xié)同控制

本章提出動(dòng)態(tài)微電網(wǎng)級(jí)和微電網(wǎng)群級(jí)協(xié)同控制。微電網(wǎng)級(jí)的分布式SOC 均衡控制將維持VM內(nèi)的一致SOC。微電網(wǎng)群級(jí)的分布式SOC 協(xié)同控制將管理VM 間的SOC 協(xié)同。微電網(wǎng)群級(jí)協(xié)同控制包含兩個(gè)過程:VM 分布式平均SOC 預(yù)估和VM間SOC 協(xié)同控制及策略。

3.1 動(dòng)態(tài)VMC 的分布式時(shí)滯及噪聲SOC 均衡控制

VM 內(nèi)部的SOC 均衡控制將維持該VM 內(nèi)所有BES 的SOC 在穩(wěn)定均衡狀態(tài)。假設(shè)ADN 可被動(dòng)態(tài)分割為VMC，表達(dá)式為:

VM 內(nèi)的SOC 均衡控制將使VSC 連接的BES系統(tǒng)SOC 達(dá)到同一水平，其動(dòng)態(tài)分布式控制原理為:任意VSC 僅參與所隸屬的VM，Gμ，κ內(nèi)SOC 均衡控制，若該VSC 不屬于某VM 的Gμ，ρ(ρ≠κ)，則該VSC 智能體將通過傳輸隸屬于其他VM 內(nèi)VSC智 能 體 的SOC 估 計(jì)?κ，j(t)(j?Gμ，κ)協(xié) 助 其 他VM實(shí)現(xiàn)其VM 內(nèi)的SOC 均衡控制。同理，隸屬于其他VM 內(nèi)的VSC 智能體也將協(xié)助該VSC 完成其VM內(nèi)的SOC 均衡控制。因此，當(dāng)VMC 的VSC 隸屬關(guān)系動(dòng)態(tài)改變時(shí)，任意VM 的SOC 均衡控制總能通過其他VM 的協(xié)助而完成，從而在不改變物理分布式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)VMC 群的分布式控制。

3.2 VM 間SOC 協(xié) 同 控 制 策 略

VM 間SOC 協(xié)同控制通過相同的分布式通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。VM 間SOC 協(xié)同控制策略基本原理分為兩部分:1）通過分布式手段獲取VM 內(nèi)的平均SOC 估 值??κ，i，1(t)(i∈Gμ，κ)，任 意VSC 需 要 參 與 其所 隸 屬 的VM 的??κ，i，1(t)(i∈Gμ，κ)，同 時(shí)，需 要 協(xié) 助其他VM 完成平均SOC 估計(jì)??κ，i，1(t)(i?Gμ，κ)；2）依據(jù) 各VM 平 均SOC、SOC 微 分 估 計(jì)??κ，i(t)=[??κ，i，1(t)，??κ，i，2(t)]T及 相 應(yīng) 的 群 級(jí) 協(xié) 同 策 略，實(shí) 現(xiàn)VM 間SOC 協(xié) 同 控 制。

3.2.1 VM 內(nèi)分布式平均SOC 估計(jì)

VM 內(nèi)的平均SOC 估計(jì)與VM 內(nèi)SOC 均衡控制思路相似。對于i∈Gμ，κ的VSC 智能體，其通過自身SOC 測量值進(jìn)行VM 內(nèi)的SOC 平均估計(jì)；對于i?Gμ，κ的VSC 智能體則需要通過傳遞其他VM的ρ≠κ(ρ∈M)的SOC 平均估計(jì)。智能體的VM平均SOC 估計(jì)為:

式 中:η??，σ，i，j(·)為VM 平 均SOC 預(yù) 估 的 噪 聲 密 度 函數(shù)；ξ??，σ，i，j(t)為t時(shí)段VM 平均SOC 預(yù)估噪聲。

3.2.2 VM 間分布式SOC 均衡協(xié)同策略

盡管ADN 中儲(chǔ)能系統(tǒng)單一SOC 均衡策略具有延長儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命、提高電能質(zhì)量、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，但SOC 均衡過程中的電能損耗在大規(guī)模接入儲(chǔ)能系統(tǒng)的ADN 場景下急劇增加。因此，需要在VM 間進(jìn)行SOC 均衡協(xié)同，一方面具備SOC 均衡所帶來的優(yōu)勢，同時(shí)一定程度上減少了SOC 均衡過程中的電能損耗。

假 設(shè)ADN 中 動(dòng) 態(tài)VM 的 平 均SOC 為??1，i，1≥??2，i，1≥…≥??κ，i，1≥…≥??|M|，i，1，則 具 體 的 集 群 協(xié) 同機(jī)理如附錄A 表A1 及圖2 所示。

圖2 VM 間SOC 協(xié)同策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of SOC cooperative strategy among multiple VMs

式中:αM，?為VM 間SOC 均衡控制增益；Mi為第i個(gè)VSC 需要進(jìn)行群間SOC 協(xié)同的集合，可通過表1 獲得；uM，i(t)為t時(shí)段群間協(xié)同控制信號(hào)。

表1 參數(shù)表Table 1 Table of parameters

4 仿真驗(yàn)證與分析

4.1 IEEE 34 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

采用已接入分布式PV 和BES 的IEEE 34 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)驗(yàn)證所提出的VMC 協(xié)同控制。配電網(wǎng)的接線如圖3 所示。圖中有12 個(gè)節(jié)點(diǎn)接入了PV 及BES 系統(tǒng)，7 個(gè)節(jié)點(diǎn)接入了PV。配電網(wǎng)包含兩個(gè)電壓等級(jí)，節(jié)點(diǎn)888 和890 的額定電壓為4.16 kV，其他節(jié)點(diǎn)的額定電壓為24.9 kV。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為600 kW·h。VSC 輸出額定電壓為415 V，通過變壓器接入配電網(wǎng)。分布式PV 額定功率為85 kW，PV的最大功率數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［27］中的配電網(wǎng)線路參數(shù)，負(fù)荷為IEEE 34 節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。通信系統(tǒng)中的時(shí)滯為1 s，噪聲采用Gaussian 白噪聲。所提出的協(xié)同控制策略的參數(shù)如表1 所示。

圖3 IEEE 34 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)接入分布式光伏及電池儲(chǔ)能Fig.3 IEEE 34-bus distribution system with distributed PVs and BES

4.2 動(dòng)態(tài)VMC 結(jié)構(gòu)變化

測試配電網(wǎng)及控制系統(tǒng)參數(shù)均與4.1 節(jié)相同，但在6 h 時(shí)VMC 的結(jié)構(gòu)因運(yùn)行需要產(chǎn)生如下改變:節(jié)點(diǎn)826 從集合Gμ，1轉(zhuǎn)至集合Gμ，2；在12 h 時(shí)，VMC結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)864 從集合Gμ，2轉(zhuǎn)至集合Gμ，3，仿真結(jié)果如附錄A 圖A6 所示。當(dāng)VMC 結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，VMC 平均SOC 估計(jì)迅速跟蹤這一改變，VM 間協(xié)同也觀測并依據(jù)動(dòng)態(tài)改變的平均預(yù)估制定群級(jí)協(xié)同機(jī)制。同時(shí)，VM 內(nèi)的SOC 均衡控制可有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改變后的SOC 均衡。

4.3 討論

本節(jié)具體討論VMC 運(yùn)行方式減少線路損耗的機(jī)制，并通過仿真驗(yàn)證。對于服從VMC 動(dòng)態(tài)構(gòu)成規(guī)律的VMC，通過減少VM 間協(xié)同時(shí)間的方式可以減少線路上損耗。依據(jù)文獻(xiàn)［16］分別設(shè)定VMC 的運(yùn)行場景:分布式電源接入IEEE 34 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，其出力為恒定值；分布式PV 接入配電網(wǎng)，其出力為光伏出力的83.5%。不同場景下配電網(wǎng)網(wǎng)損和VSC 濾波電路損耗分別見附錄A 圖A4。由圖A4可知，配電網(wǎng)VMC 及單一微電網(wǎng)運(yùn)行方式下，SOC均衡初始階段VMC 的運(yùn)行方式可有效減少電能損耗；在VM 間進(jìn)行SOC 均衡協(xié)同的過渡過程中，電能損耗略大于單一微電網(wǎng)的運(yùn)行方式，這是由于VM 間的平均SOC 各異，且在進(jìn)行VM 間協(xié)同的初始階段會(huì)產(chǎn)生較大的充、放電電流；當(dāng)逐步進(jìn)行VM間 的SOC 均 衡 或 解 除VM 間SOC 協(xié) 同 時(shí)，VMC 的運(yùn)行方式仍具有顯著優(yōu)勢。從整體的電能損耗看，提出的VMC 協(xié)同運(yùn)行方式較單一微電網(wǎng)運(yùn)行方式可明顯減少電能損耗。

5 結(jié)語

本文提出了ADN 的動(dòng)態(tài)VMC 全分布式控制方法，實(shí)現(xiàn)了VM 內(nèi)、VM 間的協(xié)同控制，同時(shí)該控制方法可有效抑制噪聲及時(shí)滯?？刂葡到y(tǒng)得益于全分布式的通信手段，可實(shí)現(xiàn)在VMC 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變時(shí)仍然可以完成VM 之間的協(xié)同控制。此外，所提出的VM 間協(xié)同控制減少了VM 間需要協(xié)同的頻率，從而有效減少了因VM 協(xié)同造成的線路損耗，避免了儲(chǔ)能系統(tǒng)處于過充電、過放電的狀態(tài)，延長了儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命。本文的研究成果為大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)后形成的ADN 提供了一種靈活的運(yùn)行方式。

本文重點(diǎn)提出了ADN 下的動(dòng)態(tài)VMC 的全分布式的控制方法:動(dòng)態(tài)VM 內(nèi)、VM 間的協(xié)同控制策略及方法。ADN 層面、ADN 和主電網(wǎng)的協(xié)同方法以及與本文控制方法的耦合是后續(xù)研究的主要方向。

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