微電網(wǎng)控制自動化研究

隋俊珉

（國網(wǎng)山東省電力公司煙臺市長島供電公司，山東 煙臺 265800）

在工業(yè)新技術(shù)的影響下，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正在迅速轉(zhuǎn)型，分布式發(fā)電發(fā)揮了越來越重要的作用。除了使用基于可再生能源的分布式發(fā)電機(jī)組外，在部分特殊氣候條件下，分布式發(fā)電主要使用基于有機(jī)燃料燃料的小型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（例如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)饣钊龋┌l(fā)電[1-2]。

當(dāng)?shù)凸β实姆植际桨l(fā)電系統(tǒng)連接到大型集中式電網(wǎng)時，會出現(xiàn)危險的異步模式。在這種情況下不能保證這些系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的動態(tài)穩(wěn)定性，會導(dǎo)致帶有同步發(fā)電機(jī)的低功率發(fā)電裝置出現(xiàn)故障。由此可見，低功率微電網(wǎng)與電網(wǎng)外部網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電并聯(lián)運(yùn)行連接方式的所有特征都是相互集成的技術(shù)障礙，制定方案并解決這些問題是一項重要且十分必要的任務(wù)。

1 微電網(wǎng)自動化實施分析

微電網(wǎng)是由分布式能源資源、負(fù)荷和能量存儲系統(tǒng)組成的小型能源系統(tǒng)，具有一定的獨(dú)立性和自治性。為了實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)化能量管理，控制自動化是至關(guān)重要的。微電網(wǎng)控制自動化分析涉及多個方面，包括控制策略、通信網(wǎng)絡(luò)、智能技術(shù)以及安全性等[3-5]。首先，微電網(wǎng)的控制策略是確保其穩(wěn)定運(yùn)行的核心。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制方法難以適用于微電網(wǎng)，因為它涉及多種能源資源和負(fù)荷的協(xié)調(diào)管理。因此，先進(jìn)的控制策略（例如分布式能源管理系統(tǒng)（DERMS）和虛擬電廠（VPP））應(yīng)運(yùn)而生。這些策略運(yùn)用實時數(shù)據(jù)和預(yù)測算法對微電網(wǎng)內(nèi)各種能源設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，以確保供需平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定。其次，通信網(wǎng)絡(luò)在微電網(wǎng)控制中起到了關(guān)鍵作用，包括數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。需要監(jiān)測微電網(wǎng)中的各種組件，例如太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、能量存儲系統(tǒng)和負(fù)載的狀態(tài)和性能。通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸這些數(shù)據(jù)，使運(yùn)營者可以實時監(jiān)控微電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，檢測問題并采取必要的措施。在通信網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營者可以遠(yuǎn)程操作和控制微電網(wǎng)中的各種設(shè)備，例如調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出、切換負(fù)載連接以及控制能量存儲系統(tǒng)的充/放電等。此外，微電網(wǎng)的控制自動化還需要考慮安全性和魯棒性。由于微電網(wǎng)涉及能源系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的安全性尤為重要。采用安全加密通信、訪問控制和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等方法可以防止惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露。隨著能源技術(shù)不斷發(fā)展，微電網(wǎng)控制自動化將不斷創(chuàng)新，保證能源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 網(wǎng)絡(luò)連接及控制方法

2.1 分散式發(fā)電裝置與外部電力網(wǎng)絡(luò)連接

微電網(wǎng)系統(tǒng)作為通用電網(wǎng)的一部分并行運(yùn)行具有優(yōu)勢，但也存在技術(shù)方面的風(fēng)險和障礙。系統(tǒng)的機(jī)電兼容性較差，大型發(fā)電機(jī)組與小型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)差異較大。當(dāng)小功率發(fā)電的微電網(wǎng)連接到大型集中電網(wǎng)時，會出現(xiàn)危險的異步模式。在這種情況下，系統(tǒng)的并聯(lián)運(yùn)行不能保證其動態(tài)穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致小功率發(fā)電裝置及其同步發(fā)電機(jī)失效。動態(tài)時刻也出現(xiàn)在機(jī)軸短路時刻或短路后，斷開了現(xiàn)有的繼電器網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。

2.2 在線識別-遞歸識別控制

控制過程可以通過遞推辨識算法得到過程模型的參數(shù)估計（可以在控制器的設(shè)計工作中使用相關(guān)數(shù)據(jù)），假設(shè)這些估計值與它們的實際值對應(yīng)。模型參數(shù)的遞歸或在線確定是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵，它允許跟蹤這種類型的控制變量參數(shù)，從而使系統(tǒng)模型在每次獲得新的測量值時隨著采樣時間不斷更新，控制器可以適應(yīng)被控制的過程的新特性，并且在過程動力學(xué)中有變化的情況下再次進(jìn)行調(diào)整。

在自適應(yīng)控制算法的在線估計中，使用了二階ARX（自回歸遺傳）模，該模型含遞歸最小二乘法。該系統(tǒng)可用傳遞函數(shù)描述，如公式（1）所示。

式中：G（z）為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；B為輸出矩陣；A為輸入矩陣；a、b分別為相應(yīng)元素；z為傳遞函數(shù)變量；n為變量的指數(shù)；d為變量的固定指數(shù)。

過程的估計輸出是根據(jù)以前的過程輸入u、輸出y以及公式（1）計算的，如公式（2）所示。

矢量形式如公式（3）～公式（5）所示。

式中：θT（k-1）為估計參數(shù)向量；?（k）為回歸向量；、分別為輸入、輸出的元素向量形式；T為轉(zhuǎn)置符號。

具有自適應(yīng)定向遺忘的最小二乘法分析如下：自適應(yīng)方向遺忘可以進(jìn)一步改進(jìn)指數(shù)遺忘法，使遺忘系數(shù)隨輸入、輸出信號的變化而變化。使用遞歸方程更新流程參數(shù)如公式（6）所示。

式中：ξ為遞歸方程系數(shù)，ξ=?T（k）P（k-1）?（k）；P（k-1）為協(xié)方差矩陣第k-1個元素；y（k）為輸出變量。

協(xié)方差矩陣P在每個步驟中都會更新，如公式（7）所示。

式中：ε為協(xié)方差矩陣系數(shù)，；k為協(xié)方差矩陣的元素。

遺忘系數(shù)β更新如公式（8）所示。

式中：ρ為遺忘系數(shù)的變量；η、v為計算過程中的變量函數(shù)。

計算過程中的變量函數(shù)v如公式（9）所示。

計算過程中的變量函數(shù)η如公式（10）所示。

計算過程中的變量函數(shù)λ如公式（11）所示。

3 自動化技術(shù)實施與測試

自動化設(shè)計可以對低功率系統(tǒng)進(jìn)行全自動控制，在正常和緊急模式下，根據(jù)有功和無功功率同步低功率發(fā)電，可以選擇操作設(shè)備的組成和操作選項，自主或與外部電網(wǎng)并聯(lián)。實際微電網(wǎng)相關(guān)的硬件主要方案如圖1所示，該硬件通過內(nèi)部10 kV網(wǎng)絡(luò)的中間配電點(diǎn)連接到電力系統(tǒng)的外部電網(wǎng)。

圖1 微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)同步運(yùn)行模式的主要方案

為了研究微電網(wǎng)自動化控制方法，測試控制算法和相應(yīng)的軟硬件綜合體自動裝置，該文開發(fā)了微電網(wǎng)模式物理建模實用建議系統(tǒng)，并創(chuàng)建了本地供電系統(tǒng)的物理模型。在已有電力系統(tǒng)監(jiān)控模式測試設(shè)備中心的電動模型（EDM）的基礎(chǔ)上，對物理過程進(jìn)行建模，對自動化子系統(tǒng)進(jìn)行測試。

微電網(wǎng)的物理模型包括發(fā)電廠（G）、分段母線（T）、斷路器（B）、負(fù)載（L）、電力線（PL）、變壓器（Tr）和計量變壓器，還有代表外部大型電網(wǎng)模型的無窮大功率母線。微電網(wǎng)的物理測試方案圖如圖2所示。

圖2 用于測試軟硬件復(fù)合體的微電網(wǎng)物理模型方案圖

該方案圖顯示了開關(guān)的位置。開關(guān)用方形表示，圓點(diǎn)表示電流電壓的測量位置，切換狀態(tài)對應(yīng)B站（G3-G4，T1，H1節(jié)點(diǎn)）被取消時A站（G1-G2，T2，H2節(jié)點(diǎn)）與外部電網(wǎng)的并聯(lián)操作。當(dāng)制定測試方案和進(jìn)行測試時，決定A站完全由自動化控制，B站由操作人員控制。在自動操作員工作期間，B站的操作人員接收自動操作員的命令，以改變相應(yīng)的模式。模擬的微電網(wǎng)有2種正常模式，一種是具有組合的自主運(yùn)行模式，另一種是與具有分開的站總線的外部電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行模式。

3.1 微電網(wǎng)的隔離運(yùn)行中接通發(fā)電設(shè)備的控制

在試驗中連接和斷開超過運(yùn)行發(fā)電機(jī)允許負(fù)載的額外負(fù)載如圖3所示。

圖3 在微電網(wǎng)隔離運(yùn)行模式中，自動控制接通的發(fā)電設(shè)備組成時的過程示意圖

波形圖顯示了在自動操作系統(tǒng)的控制下啟動和同步發(fā)電機(jī)的過程（在30 s內(nèi)執(zhí)行），卸載發(fā)電機(jī)并將其轉(zhuǎn)移到準(zhǔn)備啟動模式（在20 s內(nèi)執(zhí)行）。自動操作系統(tǒng)對設(shè)備的控制是無錯誤的，在瞬態(tài)過程的時間和質(zhì)量方面是有效的。

3.2 微電網(wǎng)指定區(qū)段的負(fù)載控制和調(diào)節(jié)區(qū)段選擇

在試驗中，通過網(wǎng)絡(luò)部分傳輸?shù)墓β实脑O(shè)定值發(fā)生了變化。檢查外部網(wǎng)絡(luò)輸出功率任務(wù)的自動處理以及調(diào)節(jié)流量的部分的選擇如圖4所示。由圖4可知，在自動操作器控制過程中，截面積增加，即負(fù)載增加。在5～10 s的時間段，自動操作控制區(qū)段負(fù)責(zé)在5 s區(qū)段內(nèi)自動選擇并提供正確的操作系統(tǒng)區(qū)段，以確保緊急平衡劃分的準(zhǔn)備狀態(tài)得以維持。

圖4 自動控制加載指定網(wǎng)絡(luò)段的任務(wù)過程以及選擇調(diào)節(jié)流量的示意圖

4 結(jié)語

該文針對微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行模式提出了一種新的科學(xué)控制概念，既能保證微電網(wǎng)低功率發(fā)電和外部電網(wǎng)的安全運(yùn)行，又能采用新的技術(shù)。為了保障外部電網(wǎng)的安全運(yùn)行，采用分散自動模式和應(yīng)急控制，該研究所獲得的結(jié)果是通過使用軟件和電網(wǎng)物理模型的數(shù)值研究進(jìn)行測試的，并且也是作為實際控制設(shè)備的原型實現(xiàn)的。當(dāng)以正常模式同步運(yùn)行的本地供電系統(tǒng)與電網(wǎng)外部網(wǎng)絡(luò)分離時，最大程度地降低了用戶緊急停機(jī)的概率，從而提高供電的可靠性。