基于動態(tài)事件觸發(fā)的綜合能源微網一致性控制方法的研究

葉 軍，劉 波，袁智強，陳云輝，王育飛，薛 花

（1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2.上海電力大學，電氣工程學院，上海 200090）

0 引言

綜合能源微網（Integrated Energy Microgrid，IEM）是集成電、熱多種能源形式和多元化負荷類型的載體，能量樞紐（Energy Hub，EH）作為IEM 重要組成部分單元，具有轉換和儲存電、熱復合能源的能力[1-3]。根據用戶側負荷情況，通過EH 協調控制，對用戶需求進行優(yōu)化調度，可實現電、熱不同形式能源的互補與協同，有益于節(jié)能降碳及能源結構轉型目標的達成[4-7]。

因此，近年來EH 協同控制成為國內外IEM 研究的熱點，提出下垂控制方法[8]和分布式協同控制方法[9-10]，以實現電、熱功率源荷協同分配。模擬同步發(fā)電機特性，下垂控制方法根據電網絡有功功率-頻率、熱網絡熱功率-壓力內在關聯，實現分布式能源“即插即用”，但由于不同線路存在阻抗、損耗差異，實際情況下采用下垂控制方法常會引起電、熱功率難以精確分配，產生頻率和壓力響應偏差[11]。利用相鄰節(jié)點間通信鏈路，基于多智能體理論的分布式控制方法計及節(jié)點間期望功率軌跡跟蹤誤差，有效提升功率分配精度，克服下垂控制方法不足。文獻[12]基于一致性控制方法，實現了電、熱功率精確分配；文獻[13]提出一致性分層控制方式，不僅可以實現電、熱功率精確分配，同時實現頻率和壓力穩(wěn)定控制。但隨著分布式能源接入數量增加，一致性控制方法的高頻通信帶來了越來越嚴重的通信壓力和計算負擔。

針對一致性控制方法高頻通信問題，事件觸發(fā)控制僅在滿足事件觸發(fā)閾值時才啟動相鄰節(jié)點間通信，成為減少通信傳輸的有效方法。文獻[14]提出基于事件觸發(fā)的分布式控制，實現電、熱功率精確分配。文獻[15]提出計及通信時延的電、熱功率預測控制方法，通過估計最大可容忍通信延遲設計事件觸發(fā)機制，實現功率波動的精準預判與快速補償。文獻[16]提出混合能源的高效采樣方案，通過事件觸發(fā)控制，增長節(jié)點空閑監(jiān)聽周期，提升帶寬受限的一致性控制系統能效。文獻[17]提出具有理想特征的事件觸發(fā)一致性控制方法，以分布式方式解決系統最優(yōu)控制問題。但由于IEM 具有多能量載體和多能量轉換的特點，電、熱能源存在不同的響應時間尺度，現有靜態(tài)時間觸發(fā)機制對于IEM 復合能源一致性控制依然存在較高冗余度[18-19]。

為減少通信冗余并減輕計算負擔，提出基于動態(tài)事件觸發(fā)的EH 一致性控制方案。通過對EH模型嵌入事件觸發(fā)機制，動態(tài)調節(jié)觸發(fā)閾值，大幅減少EH 通信負擔，更好適應IEM 電、熱復合能源多時間尺度特性；達到事件觸發(fā)閾值時起動一致性控制方法，利用一致性輸出結果快速調節(jié)各EH 電、熱輸出功率，實現電、熱負荷功率同步跟蹤期望目標，抑制不確定性擾動不利影響，并將壓力和頻率偏差限制在允許范圍內；計及能源價格影響，利用等成效增量比原理，實現各EH 協同控制和最優(yōu)經濟運行。

1 綜合能源微網系統框架

IEM 結構如圖1 所示，其中EH 包含熱爐、熱電聯產（Co-generation of Heat and Power，CHP）、鍋爐、變壓器等裝置，完成具有交互耦合特性的電、熱復合能源轉換或存儲，實現IEM 源荷功率響應平衡。

圖1 IEM結構Fig.1 Architecture of IEM

根據圖1，建立電網絡動態(tài)模型為：

由于IEM 電、熱能源網絡具有不同響應時間尺度，電網絡響應速度遠快于熱網絡，因此考慮熱網絡調節(jié)時，可忽略電網絡調節(jié)過程，據此建立熱網絡動態(tài)模型為：

2 基于事件觸發(fā)的綜合能源微網一致性控制方法

2.1 動態(tài)事件觸發(fā)通信機制

為了滿足IEM 復合能源共享需求，設計一致性控制方法，實現各EH 協調運行。但在傳統一致性控制中，各EH 需與相鄰EH 交互信息生成控制輸入，由于電、熱網絡響應時間尺度差異，造成熱網絡中許多通信是冗余的，而過多通信引發(fā)沉重計算負擔。為此，設計動態(tài)事件觸發(fā)通信機制，實現節(jié)省帶寬和信號處理資源的同時，達成一致性控制目標。

根據各EH 最近事件時刻和當前時刻間電、熱功率差值，設計EH 熱功率控制和電功率控制事件觸發(fā)條件，即：

由式（3）分析可知，熱、電功率控制事件觸發(fā)條件實時跟隨熱、電輸出功率期望軌跡變化，實現在線動態(tài)調節(jié)，較靜態(tài)事件觸發(fā)機制，僅需更少通信頻次，即可實現全局漸進收斂至期望工作點，因而進一步降低了通信和計算需求。

與EH 電、熱功率控制不同，電氣支路頻率控制和熱力支路壓力控制目標為實際值穩(wěn)定在額定值，據此設計頻率控制事件觸發(fā)條件，即：

2.2 基于動態(tài)事件觸發(fā)的EH分布式一致性控制

為了實現IEM 中各EH 精確功率分配和協同運行，結合動態(tài)事件觸發(fā)條件，設計基于一致性算法的電、熱輸出功率分布式控制方法。

為實現各EH 熱輸出功率精確分配，令EH 熱輸出功率與熱調節(jié)系數之間滿足一致性目標：

根據式（7），設計基于事件觸發(fā)的熱輸出功率一致性控制律，即：

設計PI 控制器Di(s)實現熱功率誤差調節(jié)并生成校正項δhi，則δhi=Di(s)uhi。

為實現各EH 電輸出功率精確分配，令EH 電輸出功率與電調節(jié)系數之間滿足一致性目標。即：

式中：Pei，Peimax（i=1，2…，n）分別為各EH 電輸出功率值和最大功率值；kq為EH 電調節(jié)系數。

根據式（10），設計基于事件觸發(fā)的電輸出功率一致性控制器，即：

式中：uei為第i個EH 電功率調節(jié)量和頻率調節(jié)量；Re為電功率事件觸發(fā)一致性控制器的增益系數。

由于IEM 電力支路對頻率變化具有較高敏感性，頻率偏差會影響系統安全穩(wěn)定，為實現頻率穩(wěn)定控制，定義為：

由式（12），根據電有功功率-頻率特性，設計基于事件觸發(fā)的頻率下垂控制律，即：

式中：ufi為第i個EH 頻率調節(jié)量；kqmax為頻率事件觸發(fā)下垂控制器的增益系數。

設計PI 控制器，實現滿足Pei/Peimax=Pej/Pejmax時，各EH 電功率精確分配，并且當uei(t)和ufi(t)趨向于0 時，頻率維持額定值fN。

根據式（14），設計基于事件觸發(fā)的壓力一致性控制律為：

式中：upi(t)為第i個EH 壓力調節(jié)量；RF為壓力事件觸發(fā)一致性控制器的增益系數；為熱功率控制最新事件觸發(fā)時刻的壓力允許波動范圍上邊界；bil為壓力增益系數；Mi為第i個EH 壓力控制事件觸發(fā)次數。

設計PI 控制器Gi(s)實現壓力誤差upi調節(jié)并生成校正項δpi，則δpi=Gi(s)upi。

2.3 基于等成效增量比原則的協同控制

借助EH 的靈活性，降低成本是IEM 經濟運行的重要目標。為實現最小能源成本，根據電、熱設備特性，設計基于等成效增量比原則的設備控制方法，同時計及能源價格，解決系統最優(yōu)經濟運行問題。

如圖1 所示，每個EH 包含兩類電、熱存儲或轉換設備：一類設備僅輸出電或熱一種能量，定義為單輸出（Device Outputs One Kind of Energy，DOE）設備，如鍋爐等；另一類設備可以同時輸出電、熱兩種能量，定義為雙輸出（Device Outputs Two Kind of Energy，DTE）設備，如CHP 設備等。根據DOE 和DTE 設備具有的不同性能特征，定義DOE 設備經濟成本函數和成效增量比分別為：

根據式（20），按相等的成效增量比在各EH 之間分配電、熱負荷，則可實現系統總耗能成本最小。

為實現式（20），利用一致性控制方法，由各EH和相鄰EH 當前時刻（t=k）輸出功率，求得各EH 電、熱供需功率偏差，根據下一時刻（t=k+1）成效增量比，求取各EH 電、熱功率期望軌跡為：

式中：mij為第i、j個EH 間一致性控制通訊權重系數；σ為收斂系數；ai，bi為各EH 成本函數系數；LG,i為各EH 供需功率調節(jié)量；LD,i為各EH 電、熱輸出功率期望軌跡。

根據式（21），實現電、熱功率事件觸發(fā)閾值實時動態(tài)調整，同時保持所有EH 增量成本一致，各EH 滿足經濟最優(yōu)運行目標。

3 仿真算例分析

為了驗證基于事件觸發(fā)的一致性控制方法有效性和正確性，利用MATLAB/Simulink，對所提分布式控制方法性能開展仿真研究。與圖1 所示IEM結構一致，仿真模型包括3 個EH，電網絡和熱網絡與所有EH 相連。表1 為含電、熱綜合能源的IEM仿真參數[14]。

表1 IEM仿真參數Table 1 Simulation parameters of IEM

基于IEM 仿真模型，對3 種情形下仿真結果進行比較和分析：（1）情形1。電負荷和熱負荷同時增加以及同時減少時各EH 動態(tài)響應性能；（2）情形2。電負荷下降同時熱負荷增加、電負荷增加同時熱負荷下降時各EH 動態(tài)響應性能；（3）情形3。情形1 下所提方法與文獻[20]控制方法EH2 動態(tài)響應性能比較。

3.1 情形1電、熱負荷同趨勢變化仿真結果分析

設置IEM 仿真模型在t=150 s 時，電負荷突降700 kW，同時熱負荷突降350 kW；在t=300 s 時，電負載突增1 000 kW，同時熱負荷突增600 kW，各EH 電、熱網絡輸出動態(tài)響應結果如圖2 所示。

圖2 為情形1 下所提方法各EH 電網絡有功功率、頻率、熱網絡功率、壓力波形。圖中E1，E2，E3表示電支路輸出，H1，H2，H3 表示熱支路輸出。由圖2（a）—（c）和圖2（g）分析可知，電、熱負荷同時突降和突增情況下，動態(tài)事件觸發(fā)通信機制響應快速，無需獲取IEM 網絡參數，采用所提一致性控制方法即快速調節(jié)各EH 電、熱輸出功率，實現功率準確精確分配目標。

由于電負載需求發(fā)生突變，系統頻率也發(fā)生了波動，圖2（d）—（f）表明各EH 頻率經短暫調整，快速抑制電負荷變化引起的頻率偏差，穩(wěn)定維持在額定值50 Hz。由于熱負載需求發(fā)生突變，壓力也發(fā)生了波動，圖2（h）表明采用所提一致性控制方法，實現將熱力支路壓力控制在允許范圍內，從而保證系統安全穩(wěn)定運行。

由電功率輸出和頻率響應波形分析可知，所提一致性控制方法僅需0.05 s 即可實現電氣支路恢復平穩(wěn)，而熱功率輸出和壓力響應波形表明熱力支路恢復平穩(wěn)需75 s，驗證了設置動態(tài)事件觸發(fā)通信機制的必要性。

應用所提基于等成效增量比原則的設備控制方法，情形1 中電、熱負荷變化后各EH 的輸出功率和經濟成本變化如表2 所示。比較表1 和表2，隨著電、熱負荷功率需求上升或下降，系統經濟成本隨之增加或減少，始終確保各EH 滿足等成效增量比原則運行，提升系統經濟性。

表2 情形1各EH仿真結果Table 2 EHs’simulation results in case 1

3.2 情形2電、熱負荷逆趨勢變化仿真結果分析

設置仿真模型在t=150 s 時，電負荷突降1 000 kW，而熱負荷突增500 kW；在t=300 s 時，電負載突增500 kW，而熱負荷突降300 kW，各EH 電、熱網絡輸出動態(tài)響應結果如圖3 所示。

圖3 情形2電、熱網絡各EH響應波形Fig.3 EHs’response waveforms of electrical and thermal networks in case 2

圖3 為情形2 下所提方法各EH 電網絡有功功率、頻率、熱網絡功率、壓力波形。由圖3（a）—（c）和圖3（g）分析可知，電、熱負荷需求以相反趨勢突增或者突降時，電、熱網絡各自動態(tài)觸發(fā)事件觸發(fā)機制依然保持較優(yōu)動態(tài)響應性能，經一致性協同控制，各EH 電、熱輸出功率快速跟蹤期望軌跡，維持系統平穩(wěn)運行，源荷功率實現精準分配。

與電負荷需求變化相關聯，系統頻率也快速響應，圖3（d）—（f）表明各EH 采用所提一致性控制方法，在電負荷突增時，頻率短暫向下波動；在電負荷突降時，頻率快速向上波動，經短暫調整，最終穩(wěn)定維持在額定值50 Hz。由于熱負載需求變化，壓力也響應變化，圖3（h）表明各EH 采用所提一致性控制方法，在熱負荷突增時，壓力動態(tài)響應減?。辉跓嶝摵赏唤禃r，壓力動態(tài)響應增大，始終保持將熱力支路壓力控制在允許范圍內。

與情形1 相比，電、熱負荷需求以相反趨勢突增或者突降，所提一致性控制方法依然僅需0.05 s即可實現電氣支路恢復平穩(wěn)，熱力支路恢復平穩(wěn)稍長，需約80 s，所提方法均能快速有效完成控制目標。情形2 中電、熱負荷變化后各EH 的輸出功率和經濟成本變化如表3 所示。系統經濟成本隨電、熱負荷需求變化而動態(tài)變化，表明所提基于等成效增量比原則的協同控制方法有效性。

表3 情形2各EH仿真結果Table 3 EHs’simulation results in case 2

3.3 不同控制方法性能比較

將所提方法與文獻[20]中所提綜合能源分布式控制方法進行動態(tài)響應性能比較，仿真條件與情形1 相同，兩種方法下EH2 電、熱網絡輸出動態(tài)響應結果如圖4 所示。

圖4 情形3電、熱網絡EH2響應波形Fig.4 EH2’s response waveforms of electrical and thermal networks in case 3

圖4 為采用所提方法與文獻[20]控制方法時，EH2 電網絡有功功率功率、頻率、熱網絡功率、壓力波形。由圖4（a）—（c）和圖4（g）分析可知，在電、熱負荷需求同時突增或突降情況下，兩種一致性控制方法都可以實現EH 電、熱輸出功率調節(jié)，滿足功率精準分配目標。所提方法利用動態(tài)事件觸發(fā)機制，快速調節(jié)電、熱功率期望軌跡，相比文獻[20]控制方法，動態(tài)響應具有較小超調和較短調節(jié)時間。

圖4（d）—（f）表明，兩種方法頻率控制雖然最終都能維持在額定值50 Hz，但由于所提方法頻率控制與電網絡功率調節(jié)緊密關聯，實現系統頻率響應快速，有效抑制電負荷變化引起的頻率偏差。圖4（h）表明，所提一致性控制方法，可以更快速地將熱力支路壓力控制在允許范圍內，從而保證系統安全穩(wěn)定運行。

由電功率輸出和頻率響應波形、熱功率輸出和壓力響應波形分析可知，較文獻[20]控制方法，所提方法電氣支路和熱力支路恢復平穩(wěn)的時間減少一半，具有較優(yōu)的動態(tài)響應性能。由表4 分析可知，較文獻[20]控制方法，采用所提方法在電、熱負荷同時突降時實現經濟成本節(jié)約58.3 元，在電、熱負荷同時增加時實現經濟成本節(jié)約100.1 元，表明所提基于等成效增量比原則的協同控制方法具有更優(yōu)經濟性。

表4 情形3經濟成本對比結果Table 4 Economic cost comparison results in case 3

4 結語

針對IEM 系統EH 電、熱功率協同控制問題，提出基于動態(tài)事件觸發(fā)的一致性控制方法，有效減少各EH 間通信壓力，實現系統存在不確定性擾動情形下電、熱功率精確分配，快速抑制頻率偏差，并將管道壓力限制在允許范圍內，確保IEM 安全穩(wěn)定運行。在包含3 個EH 的IEM 仿真平臺上驗證了所提控制方法的有效性，在電、熱負載發(fā)生波動時，各EH 快速調整電、熱功率輸出，維持系統頻率和壓力平穩(wěn)，有效降低系統經濟成本，實現IEM 電、熱復合能源協同優(yōu)化運行。與其他控制方法相比，具有超調小、調節(jié)時間短、動態(tài)性能優(yōu)的特點。