基于混合微電網(wǎng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)分層協(xié)調(diào)控制研究

李一鳴，姚俊偉，何 奇，馬 輝，黃悅?cè)A

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

隨著新能源占比的不斷提高，電力電量平衡機(jī)理將向多區(qū)域、多主體的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同的平衡模式轉(zhuǎn)變[1]。建設(shè)以源網(wǎng)荷儲(chǔ)為主的新型電力系統(tǒng)，既是我國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向,也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵途徑[2-3]。開發(fā)針對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)微電網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行與平衡機(jī)制，優(yōu)化微電網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)效益，是目前學(xué)科研究的主要方向。

目前，大量學(xué)者針對(duì)混合微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)微電網(wǎng)采用分段協(xié)調(diào)控制策略，通過標(biāo)幺化的方法得到可表征混合微電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)的特征量,針對(duì)特征量的變化量開展分段研究，并對(duì)可能出現(xiàn)的網(wǎng)間交換功率震蕩進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[5]提出一種基于多智能體的改進(jìn)分層控制方式，將系統(tǒng)主要分為配電層、微網(wǎng)層與設(shè)備層3層，并在設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制策略時(shí)引入調(diào)節(jié)因數(shù)γ，實(shí)現(xiàn)了交直流子網(wǎng)內(nèi)部功率平衡。文獻(xiàn)[6]提出基于分層控制和電壓頻率恢復(fù)控制的微電網(wǎng)預(yù)同步控制方法，該方法解決了下垂控制中有差調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電壓頻率恢復(fù)控制問題，保證了系統(tǒng)無差運(yùn)行。上述這些方法存在一定局限性，忽略了微電網(wǎng)中新能源發(fā)電特性和實(shí)際運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)特征。

為使電力電子變換器適應(yīng)不同的系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)，提升系統(tǒng)在不同情景下的運(yùn)行穩(wěn)定性,本文提出一種基于混合狀態(tài)與事件驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)自主通信控制方案。所提出的控制體系采用分層結(jié)構(gòu)，控制器主控制層由微網(wǎng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)；而次級(jí)控制層由微電網(wǎng)中央控制器事件驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)旨在平衡微電網(wǎng)的控制性能和其他目標(biāo)，如減少處理負(fù)載、通信負(fù)載和整體系統(tǒng)運(yùn)行成本，最后利用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了所提出的控制策略并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

源網(wǎng)荷儲(chǔ)微電網(wǎng)包含分布式電源(distribute generation，DG)、儲(chǔ)能裝置(energy storage systems，ESS)、微電網(wǎng)中央控制器(microgrid central controller，MGCC)、交直流負(fù)荷單元以及多種類型的電力電子變換器。微電網(wǎng)中各源網(wǎng)荷儲(chǔ)模塊經(jīng)變換器與交流母線和直流母線相連[7]。母線間的交直流互聯(lián)變換器實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)的連接[8]。源網(wǎng)荷儲(chǔ)微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

并網(wǎng)模態(tài):

(1)

孤島模態(tài):

(2)

式中：Pgrid為主配電網(wǎng)輸出功率；Pbat為蓄電池變換器中的功率，取Pbat>0為蓄電池放電功率，Pbat<0為蓄電池充電功率；PWT為風(fēng)機(jī)輸出功率。

2 微電網(wǎng)分布控制建模

2.1 升壓電路控制模型

升壓控制器有2種控制方法，分別為最大功率跟蹤和電壓PI控制，如圖2所示。一方面，由于光伏板的非線性特性和太陽輻照度的隨機(jī)波動(dòng)，需要一個(gè)控制Boost電路跟蹤光伏陣列產(chǎn)生的最大功率[10]。另一方面，當(dāng)蓄電池中雙向變換器無法調(diào)節(jié)直流母線電壓時(shí)，升壓控制器必須切換為電壓控制方案，確保直流母線的穩(wěn)定供電。

2.2 雙向電路控制模型

雙向控制器需要在蓄電池充放電過程中對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)控[11]，如圖3所示。控制器采用嵌套PI控制。放電模式中，雙向控制器調(diào)節(jié)直流母線電壓為參考電壓，保障直流負(fù)載電壓穩(wěn)定。充電模式時(shí)，可防止充電電流Ich過大的現(xiàn)象，保護(hù)系統(tǒng)其他元件。

2.3 換流電路控制模型

換流控制器是維持微電網(wǎng)的核心功能器件，起到控制直流電壓，提供無功功率需求和交換交直流微電網(wǎng)之間有功功率的作用，如圖4所示。控制器從交流母線測(cè)得電壓Vabc，使用鎖相環(huán)獲取電壓相位和頻率，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓與交流母線電壓同步[12]。同時(shí)，逆變器將輸出電流由abc參考系轉(zhuǎn)換為dq參考系，并通過PI控制器調(diào)節(jié)產(chǎn)生dq電壓，用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。

3 微電網(wǎng)控制方法

3.1 分層控制

本文提出了一種基于分層控制的微電網(wǎng)控制方案。各模塊的電力電子變換器由獨(dú)立的分布式控制器進(jìn)行控制。交流處理器和直流處理器分別對(duì)交流母線和直流母線進(jìn)行電力監(jiān)控。微電網(wǎng)中央控制器從分布式控制器、母線處理器采集電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的邏輯來處理輸入信號(hào)，確定最佳運(yùn)行模態(tài)，對(duì)各控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

在主層中，分布式控制器由電網(wǎng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)。狀態(tài)協(xié)調(diào)控制算法在各主控制單元的分布式控制器當(dāng)中執(zhí)行，即分布式控制器通過連續(xù)監(jiān)測(cè)某些狀態(tài)變量控制各自的電力電子變換器，這需要兩者不間斷的通信，例如測(cè)量模塊的電壓、電流和到轉(zhuǎn)換器開關(guān)的脈沖信號(hào)。

三級(jí)網(wǎng)群控制層中，微電網(wǎng)中央控制器可以與輔助控制層共享一些功能[14]。三級(jí)控制層屬于電力系統(tǒng)調(diào)度中心的一部分，超出了文章的研究范圍，文章的主要焦點(diǎn)是二級(jí)通信控制層。

3.2 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)是一個(gè)用于開發(fā)邏輯過程的數(shù)學(xué)模型，由有限個(gè)狀態(tài)以及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成?？刂破鲀?nèi)不同的操作條件被稱為狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)接收到輸入事件時(shí),狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)輸出控制信號(hào)﹐同時(shí)伴隨著系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。有限狀態(tài)機(jī)定義為四元系統(tǒng)，M為系統(tǒng)狀態(tài)集；i為系統(tǒng)初始狀態(tài)；E為原子事件集；T為狀態(tài)變遷集。狀態(tài)轉(zhuǎn)移的表達(dá)式為

(3)

式中：mi∈M，mj∈M，e∈E。當(dāng)事件e發(fā)生時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)mi轉(zhuǎn)移至mj。系統(tǒng)在任意時(shí)刻僅存在于一個(gè)狀態(tài)[15]。表1列舉了有限狀態(tài)機(jī)中預(yù)設(shè)的檢測(cè)狀態(tài)量。

表1 有限狀態(tài)機(jī)檢測(cè)狀態(tài)量

4 系統(tǒng)模態(tài)

針對(duì)新能源高滲透率的源網(wǎng)荷儲(chǔ)微電網(wǎng)靈活、可靠的供電需求，本文設(shè)計(jì)了4種系統(tǒng)模態(tài)，如圖5所示。

并網(wǎng)模態(tài)(M00)設(shè)計(jì)為有限狀態(tài)機(jī)的起始模態(tài)，微電網(wǎng)通過與主電網(wǎng)的能源交換來維持系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電網(wǎng)供電中斷時(shí)(SSRGRID為1)，系統(tǒng)將過渡到孤島模態(tài)(M10)。供電系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)來接管微電網(wǎng)(Dd為1)的控制，在微電網(wǎng)中央控制器檢查微電網(wǎng)系統(tǒng)無故障后，系統(tǒng)將過渡到公用模態(tài)(M20)。微電網(wǎng)運(yùn)行中，有限狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到能源供給無法滿足負(fù)載需求，微電網(wǎng)將過渡到關(guān)閉模態(tài)(M30)。

4.1 并網(wǎng)模態(tài)M00

并網(wǎng)模態(tài)包含3種子模態(tài)：并網(wǎng)子模態(tài)(m00)；充能子模態(tài)(m01);供給子模態(tài)(m02)。

從并網(wǎng)子模態(tài)開始，微電網(wǎng)中央控制器開通換流控制器調(diào)節(jié)直流母線電壓，光伏組件、風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤，儲(chǔ)能雙向控制器保持中性。當(dāng)電網(wǎng)電價(jià)較低(EP為1)，微電網(wǎng)中央控制器根據(jù)線路中接收的事件信號(hào)，判斷儲(chǔ)能內(nèi)電量未滿(SOC為1)且電池線路無故障操作(SSRBI為1)，將系統(tǒng)過渡到充能子模態(tài)，利用直流母線為電池充電。相反，當(dāng)有限狀態(tài)機(jī)接收到電網(wǎng)電價(jià)價(jià)格較高(EP為0)，電池中有電能余量(SOC為0)且斷路器沒有因故障操作斷開電路，系統(tǒng)就會(huì)轉(zhuǎn)向供給子模態(tài)，由雙向控制器控制電池放電維持直流母線電壓。

4.2 孤島模態(tài)M10

孤島模態(tài)包含3種子模態(tài)：孤島子模態(tài)(m10);緊急子模態(tài)(m11);極端子模態(tài)(m12)。

由式(2)可知，系統(tǒng)進(jìn)入孤島模態(tài)后，脫離了主電網(wǎng)的功率支持，微電網(wǎng)中潮流分布發(fā)生改變，微電網(wǎng)中央控制器將結(jié)合各事件信號(hào)采取不同等級(jí)的減載。

當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)至孤島子模態(tài)，微電網(wǎng)中央控制器觸發(fā)一級(jí)負(fù)載脫落，換流控制器維持交流母線電壓和頻率，光伏組件、風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤，雙向控制器保持充電模式，將多余的電能存儲(chǔ)至電池中。當(dāng)分布式能源產(chǎn)生間歇性波動(dòng)(SSRBO為0)，光伏、風(fēng)電出力無法滿足一級(jí)甩負(fù)荷之后的負(fù)載需求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入緊急子模態(tài)，微電網(wǎng)中央控制器出發(fā)二級(jí)負(fù)載脫落，同時(shí)將雙向變換器切換至電壓控制模式，使電池放電維持直流母線電壓。當(dāng)蓄電池側(cè)發(fā)生故障，斷路器響應(yīng)(SSRBI為0)，系統(tǒng)則過渡到極端子模態(tài)。微電網(wǎng)中央控制器將變升壓控制器調(diào)整為電壓控制模式，由光伏來維持直流母線電壓，同時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)最大水平負(fù)載脫落。

4.3 公用模態(tài)M20

公用模態(tài)是一種第三方調(diào)度的網(wǎng)群控制模態(tài)。例如，在一個(gè)饋線上聚合多個(gè)微電網(wǎng)，或供電公司協(xié)調(diào)微電網(wǎng)注入無功功率來提高配電饋線的電壓水平。

4.4 關(guān)閉模態(tài)M30

關(guān)閉模態(tài)能確保系統(tǒng)跳閘時(shí)及時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)。例如在孤島模態(tài)的甩負(fù)荷協(xié)調(diào)中，電壓或頻率超出了安全運(yùn)行范圍，有限狀態(tài)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)向M30，保護(hù)其余電子器件安全。

5 案例仿真研究

考慮圖1提出的源網(wǎng)荷儲(chǔ)混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，搭建Simulink仿真電路，驗(yàn)證微電網(wǎng)在新能源出力波動(dòng)和電價(jià)波動(dòng)情況下的分層控制方案。

5.1 場(chǎng)景1

光伏、風(fēng)電等新能源具有間歇性[16]。場(chǎng)景1模擬了分布式能源因自然條件變化導(dǎo)致的出力波動(dòng)，有限狀態(tài)機(jī)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)供電側(cè)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)將按照預(yù)定義邏輯發(fā)出不同級(jí)別的甩負(fù)荷指令，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的功率供需關(guān)系，如圖6所示。

0.7 s時(shí)，主配電網(wǎng)發(fā)生故障(SSRGRID為0)，MGCC接收事件信號(hào)，斷開主電網(wǎng)與交流母線的連接，觸發(fā)一級(jí)甩負(fù)荷。1.5 s時(shí)，分布式能源產(chǎn)生波動(dòng)，光伏出力下降，MGCC開啟二級(jí)甩負(fù)荷。2 s時(shí)，儲(chǔ)能發(fā)生故障，系統(tǒng)進(jìn)入極端子模態(tài)，觸發(fā)最大負(fù)載脫落。2.3 s時(shí)，各故障解除，系統(tǒng)恢復(fù)到并網(wǎng)模態(tài)。

5.2 場(chǎng)景2

場(chǎng)景2將模擬微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中，電價(jià)波動(dòng)對(duì)有限狀態(tài)機(jī)輸出指令產(chǎn)生的影響，如圖7所示。

1.0 s時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)出低電價(jià)事件(Ep為1)，MGCC將雙向逆變器調(diào)整為充電模式，此時(shí)的儲(chǔ)能模塊可當(dāng)作直流負(fù)載，吸收主電網(wǎng)提供的廉價(jià)電能。2.0 s時(shí)，電價(jià)上漲為高價(jià)(Ep為0)，雙向逆變器被調(diào)整為放電模式，由儲(chǔ)能維持直流母線電壓。減少負(fù)荷對(duì)主電網(wǎng)高電價(jià)的用能需求，幫助降低運(yùn)行成本。

6 結(jié)語

本文提出一種基于分層控制的源網(wǎng)荷儲(chǔ)混合微電網(wǎng)控制方案，并采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。所提出的控制方案包括事件驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)中央控制器和狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的分布式控制器。通過2個(gè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)混合微電網(wǎng)的案例仿真，結(jié)果表明系統(tǒng)能在電價(jià)和新能源出力波動(dòng)下，自動(dòng)切換至合適的運(yùn)行模態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在切換過程中網(wǎng)絡(luò)電能符合質(zhì)量要求，保證了系統(tǒng)可靠供電?！盃顟B(tài)+事件”分層控制的方法減少了通信需求，降低了系統(tǒng)成本，對(duì)未來應(yīng)用于其他交直流微電網(wǎng)工程具有一定的借鑒意義。