孟 強(qiáng)，牟龍華，許旭鋒，朱國鋒

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 201804）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對能源的需求急劇增加，微電網(wǎng)作為可再生能源利用方式之一受到了廣泛關(guān)注［1-2］。微電網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，又可以孤島方式運(yùn)行，在滿足本地用戶對電能質(zhì)量和供電安全要求的同時，可減少大量分布式電源滲入對電力系統(tǒng)的影響，具有較高的靈活性和可調(diào)度性［3-4］。

微電網(wǎng)的雙向潮流特性使得微電網(wǎng)保護(hù)的選擇性較難做到，微電網(wǎng)的并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行則面臨著差異較大的短路故障電流，因此傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)策略不適用于微電網(wǎng)保護(hù)［5］；同時，微電網(wǎng)如何根據(jù)運(yùn)行控制需要平滑地進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式切換，也給微電網(wǎng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)［6］。所以，當(dāng)微電網(wǎng)或者大電網(wǎng)一方發(fā)生故障時，保護(hù)元件未能正確動作，或者微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換失敗，將會導(dǎo)致整個微電網(wǎng)的癱瘓。倘若此時微電網(wǎng)能及時地進(jìn)行黑啟動，再次恢復(fù)負(fù)荷供電時，將會大幅提升微電網(wǎng)供電可靠性，減少停電帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

微電網(wǎng)黑啟動，就是指在整個微電網(wǎng)因外部或內(nèi)部故障停運(yùn)進(jìn)入全黑狀態(tài)后，不依靠大電網(wǎng)或其他微電網(wǎng)的幫助，僅通過啟動微電網(wǎng)內(nèi)部具有黑啟動能力的微電源，進(jìn)而帶動微電網(wǎng)內(nèi)無黑啟動能力的微電源，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個微電網(wǎng)的重新啟動［7］。傳統(tǒng)大電網(wǎng)在發(fā)生系統(tǒng)癱瘓全黑時，由于大電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜，在黑啟動過程中的發(fā)電機(jī)自勵磁、空載線路充電過電壓和恢復(fù)初期小系統(tǒng)并列運(yùn)行穩(wěn)定性等問題，多采用1個黑啟動電源啟動1臺被啟動機(jī)組的簡單黑啟動方案［8］。因此，傳統(tǒng)大電網(wǎng)黑啟動的研究多著重于黑啟動策略的評估方法，引入新的方法開發(fā)黑啟動決策支持系統(tǒng)，提高黑啟動方案的適應(yīng)性等［9-10］。但是，微電網(wǎng)系統(tǒng)相對較小，結(jié)構(gòu)簡單，再加上微電源的多樣性和多元性，使得微電網(wǎng)的黑啟動在黑啟動源的選擇、黑啟動方案的制定等方面有著很大的區(qū)別。隨著分布式電源的接入對傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，電網(wǎng)黑啟動的研究也逐步涉及到有分布式電源的電網(wǎng)的黑啟動研究，利用分布式電源的優(yōu)良特性，對大電網(wǎng)黑啟動提供相應(yīng)的支持［11-12］。但是，對單獨(dú)的微電網(wǎng)的黑啟動研究還很少，所以本文從單個微電網(wǎng)出發(fā)，研究微電網(wǎng)黑啟動策略及黑啟動過程中的問題。

本文首先分析了微電源的黑啟動能力、參考源的選取及黑啟動過程中微電源控制方式的問題，提出一種基于3層多代理（Agent）系統(tǒng)的微電網(wǎng)黑啟動策略；然后，就黑啟動過程中的并聯(lián)波動問題，給出通過預(yù)同步和基于功率鎖定的模式切換方法進(jìn)行優(yōu)化；最后，參照本課題組已投運(yùn)的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，在MATLAB/Simulink平臺搭建由光伏、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池3種微電源組成的低壓微電網(wǎng)，通過3個黑啟動仿真實(shí)驗(yàn)的對比，驗(yàn)證所提出的黑啟動策略及優(yōu)化方案的有效性和可行性。

1 微電網(wǎng)及多代理系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)歐盟微電網(wǎng)項(xiàng)目提出的典型低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)（Benchmark 0.4 kV）［13］，并結(jié)合本課題組的光 /柴 /儲微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計了0.4 kV低壓微電網(wǎng)，如圖1所示：微電網(wǎng)和主網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)（PCC）連接，在該處設(shè)置斷路器，通過PCC處斷路器的開閉控制微電網(wǎng)孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行2種模式的切換。微電網(wǎng)內(nèi)有4個負(fù)荷，在負(fù)荷2、3、4處分別接入蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)和光伏3種微電源。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of microgrid

微電網(wǎng)的控制主要包括主從控制、對等控制和分層控制3種類型［14］，其中基于多Agent技術(shù)的分層控制從微電網(wǎng)全局出發(fā)，是解決微電網(wǎng)各單元協(xié)調(diào)運(yùn)行的有效途徑，如圖1中虛線部分所示。本文采用3層控制結(jié)構(gòu)，整個分層通過多Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過獨(dú)立通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，如圖2所示。

圖2 多代理結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of multi-Agent

a.主網(wǎng)-微電網(wǎng)控制 GMGC（Grid-MicroGrid Control）層：主要負(fù)責(zé)根據(jù)主網(wǎng)與微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)需求控制微電網(wǎng)的孤島與并網(wǎng)運(yùn)行切換及能量管理。

b.微電網(wǎng)中心控制 MGCC（MicroGrid Central Control）層：主要負(fù)責(zé)根據(jù)上層指令優(yōu)化微電網(wǎng)中各單元的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時與下層控制器通信聯(lián)系，下發(fā)相應(yīng)指令控制微電網(wǎng)各單元的運(yùn)行。

c.微電源控制 μGC（micro-Generator Control）層和負(fù)荷控制LC（Load Control）層：主要負(fù)責(zé)直接控制微電源的運(yùn)行、負(fù)荷的投切，實(shí)時上傳微電源及負(fù)荷的信息至上層。

2 微電網(wǎng)的黑啟動策略

2.1 微電源的黑啟動能力及參考源的選取

微電網(wǎng)的黑啟動主要就是依靠具有黑啟動能力的微電源進(jìn)行黑啟動，進(jìn)而帶動整個微電網(wǎng)的黑啟動，所以具有黑啟動能力的微電源有著舉足輕重的作用。在微電網(wǎng)中，各種微電源的能源由風(fēng)力、太陽能、燃?xì)獾惹鍧嵞茉垂┙o，其中直流微電源（如光伏）通過DC/AC（或DC/DC/AC）轉(zhuǎn)換為工頻交流電，交流微電源（如燃?xì)廨啓C(jī)）通過AC/DC/AC轉(zhuǎn)換為工頻交流電。理論上，在微電源電能轉(zhuǎn)換的直流側(cè)加裝適當(dāng)?shù)膬δ茉O(shè)備，就能使該微電源具備黑啟動能力。但是，考慮到黑啟動微電源需要在一段時間內(nèi)能獨(dú)立、穩(wěn)定帶負(fù)荷運(yùn)行，一些能源供給具有較大波動或受較多因素影響的微電源是不適合作為黑啟動微電源的，如光伏微電源、風(fēng)力發(fā)電微電源；而能源供給穩(wěn)定且微電源動態(tài)性能及抗擾動性能好的微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池及大容量儲能單元是黑啟動微電源的首選。

在微電網(wǎng)的黑啟動過程中，微電網(wǎng)一定是脫離大電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式下的，因此在分層控制的微電網(wǎng)中需要一個主參考源來提供系統(tǒng)的參考電壓及頻率。文獻(xiàn)［15］總結(jié)了主參考源應(yīng)具備的特征，其中最重要的有：能快速實(shí)現(xiàn)自身的黑啟動；能夠提供穩(wěn)定的電壓及頻率；能快速跟蹤負(fù)荷變化以免產(chǎn)生大幅波動。考慮到微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池及柴油發(fā)電機(jī)良好的負(fù)荷跟隨及抗擾動特性［16-17］，它們無疑是微電網(wǎng)黑啟動主參考源的最佳選擇。

2.2 微電源的控制方式

微電源的逆變器有多種的控制方式，本文主要采用U/f控制和PQ控制。U/f控制使微電源輸出恒定的電壓及頻率，本文采用文獻(xiàn)［18］所述電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制方式?；赿q變換的PQ控制通過電壓電流的解耦，得到dq坐標(biāo)系下功率與電壓電流的關(guān)系，如式（1）所示。文獻(xiàn)［19］由式（1）設(shè)計了輸出恒定功率的PQ控制器，本文不再贅述。

由于微電源具有多樣性和多元性，微電網(wǎng)中可以包含多個具有黑啟動能力的微電源，在黑啟動過程中，可同時啟動這些微電源，建立多個小的網(wǎng)絡(luò)，再將這些網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的快速恢復(fù)供電。所以，各微電源在自啟動過程和并聯(lián)組網(wǎng)后并不是運(yùn)行在某一控制方式下一成不變，而是會在不同的時期采用不同的控制方式，以滿足各個時期不同的需求。

a.有黑啟動能力的主參考源：在微電網(wǎng)黑啟動整個過程中始終運(yùn)行在電壓控制方式下，為整個微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，如柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)。

b.有黑啟動能力的其他微電源：在自身帶一定負(fù)荷自啟動時，運(yùn)行在電壓控制方式下，在自啟動后與主參考源并聯(lián)運(yùn)行時切換至PQ控制方式，如蓄電池儲能設(shè)備、飛輪儲能。

c.沒有黑啟動能力的微電源：在黑啟動的最后階段，以主參考源提供的電壓和頻率為參考，以PQ控制方式啟動，并聯(lián)至微電網(wǎng)，例如光伏和風(fēng)電微電源。

2.3 黑啟動策略

在傳統(tǒng)大電網(wǎng)中，電力恢復(fù)和黑啟動都是人工按照既定的程序進(jìn)行手動操作的；然而，在微電網(wǎng)中，考慮到其系統(tǒng)規(guī)模小及其將來的大量應(yīng)用，人工操作實(shí)施黑啟動是不合時宜的，此時，多Agent系統(tǒng)為解決組織實(shí)施黑啟動方案提供了有效的方法［20］。將設(shè)計好的黑啟動策略相應(yīng)程序預(yù)先導(dǎo)入到多Agent系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)槟Ｊ角袚Q失敗或故障問題進(jìn)入全黑狀態(tài)時，由MGCC Agent調(diào)用該程序，按照所設(shè)計的策略控制各Agent實(shí)施微電網(wǎng)黑啟動相應(yīng)操作。黑啟動有串行恢復(fù)和并行恢復(fù)2種方法，其中同時啟動多個黑啟動微電源的并行恢復(fù)方法，恢復(fù)速度快，運(yùn)行靈活，更符合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特性。為快速恢復(fù)負(fù)荷供電，設(shè)計微電網(wǎng)黑啟動策略如圖3所示。

在按照圖3所示策略完成微電網(wǎng)黑啟動并穩(wěn)定運(yùn)行之后，根據(jù)大電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)及需要，由GMGC Agent協(xié)調(diào)控制微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，恢復(fù)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 微電網(wǎng)黑啟動策略流程圖Fig.3 Flowchart of microgrid black-start strategy

3 微電源模式切換及預(yù)同步

并行恢復(fù)的黑啟動方式能快速靈活地恢復(fù)負(fù)荷的供電，但是其最大的問題是黑啟動微電源的同期并列問題，若微電網(wǎng)在此過程中產(chǎn)生大幅波動，可能會直接導(dǎo)致黑啟動的失敗。非主參考源的模式切換問題和兩微電源并聯(lián)時的同步問題是該過程中的2個主要問題。

3.1 模式切換

有黑啟動能力的非主參考微電源并聯(lián)至主參考源時，要從U/f控制模式切換至PQ控制模式，以主參考源提供的電壓及頻率為參考，運(yùn)行在輸出恒定功率模式下。在并聯(lián)運(yùn)行前，主參考源（如柴油發(fā)電機(jī)）多未滿負(fù)荷運(yùn)行，留有一定裕度，用來緩沖因并聯(lián)產(chǎn)生的沖擊。在系統(tǒng)完成黑啟動恢復(fù)供電后，要求主參考源運(yùn)行在額定負(fù)荷附近，在保證風(fēng)力、光伏等輸出最大功率的情況下，使儲能設(shè)備盡量少地輸出功率或者轉(zhuǎn)換為充電模式。因此要求儲能微電源在并聯(lián)前后的輸出功率有較大變化，由式（1）可知，當(dāng)電壓不變的情況下，若要使功率發(fā)生較大變化，輸出電流就要發(fā)生較大變化。

模式切換主要是通過切換2個不同的控制器來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示，通過打開K1、合上K2實(shí)現(xiàn)U/f到PQ控制模式的轉(zhuǎn)換。然而，模式切換時較易產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時會導(dǎo)致切換失敗。分析產(chǎn)生振蕩的原因，發(fā)現(xiàn)是由切換前后兩控制器狀態(tài)不匹配造成的。而功率變化引起的電流突變會使控制器的輸入值發(fā)生突變，導(dǎo)致兩控制器的狀態(tài)不匹配，從而在控制器切換過程中產(chǎn)生很大振蕩。

圖4 基于功率鎖存的模式切換Fig.4 Mode switching based on power latch

為解決控制器狀態(tài)不匹配導(dǎo)致模式切換振蕩大的問題，本文提出基于功率鎖存的模式切換方法，如圖4所示。將采集的電壓、電流信號同時輸入到兩控制器，以及輸入到功率鎖存器中計算實(shí)時的功率值，作為PQ控制的參考功率，2種模式工作原理如下：

a.U /f控制模式時，開關(guān) K1閉合、K2打開，由功率鎖存器計算的功率提供參考，同時運(yùn)行PQ控制器，以保證控制器狀態(tài)一致；

b.切換至PQ控制模式時，開關(guān)K1打開、K2閉合，由功率鎖存器計算切換前微電源的輸出功率并鎖存，為切換后的PQ控制提供參考功率，使模式切換前后微電源輸出功率、輸出電流不變，控制器的狀態(tài)在切換前后保持一致。

這樣便保證了黑啟動中微電源并聯(lián)組網(wǎng)的順利進(jìn)行。同時，為解決儲能微電源的輸出功率問題，在黑啟動完成后再根據(jù)微電網(wǎng)整體最優(yōu)進(jìn)行功率調(diào)整，由MGCC Agent給出參考功率值，并控制K3轉(zhuǎn)換選擇該參考值，完成微電源輸出功率的調(diào)整。

3.2 預(yù)同步

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)時要求幅值相同、相位相同、頻率相同，2個微電源的并聯(lián)也是如此，而其中以相位相同尤為重要。在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的并聯(lián)中，由于發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性，在相位相差較小時，可以通過自身的調(diào)節(jié)達(dá)到并聯(lián)同步運(yùn)行。但是在微電源中，主要是通過電力電子裝置，經(jīng)過整流逆變得到工頻交流電，所以相位差對于2臺微電源的并聯(lián)成敗影響較大。因此，在微電源并聯(lián)之前，進(jìn)行預(yù)同步顯得尤為重要。

為使2個微電源能順利實(shí)施并聯(lián)，可對待同步微電源進(jìn)行預(yù)同步操作，如圖5所示。在并聯(lián)前，待同步微電源的參考值根據(jù)自身U/f控制提供，在需要進(jìn)行并聯(lián)時，先由MGCC Agent控制開關(guān)K將參考值轉(zhuǎn)換為由主參考源實(shí)時提供，以此來實(shí)現(xiàn)與主參考源的同步運(yùn)行，然后在兩微電源穩(wěn)定運(yùn)行后再實(shí)施合閘并聯(lián)，這樣大幅降低了并聯(lián)運(yùn)行時帶來的沖擊，增加了并聯(lián)的成功率。

圖5 預(yù)同步結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of pre-synchronization

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出的微電網(wǎng)黑啟動策略的可行性和優(yōu)化方案的有效性，在MATLAB/Simulink平臺搭建圖1所示微電網(wǎng)模型。微電網(wǎng)中有柴油發(fā)電機(jī)（μG1）、蓄電池（μG2）、光伏（μG3）3 個微電源，其中μG1和μG2都具有黑啟動能力，且μG1作為微電網(wǎng)黑啟動的主參考源，μG3不具有黑啟動能力。負(fù)荷1、2、3、4 分別為 1 kW、3 kW、4 kW、2 kW。

假設(shè)系統(tǒng)因故障或其他原因進(jìn)入全黑狀態(tài)，在0 s時刻啟動預(yù)先設(shè)計好的黑啟動策略：

a.使具有黑啟動能力的μG1和μG2分別帶負(fù)荷3和負(fù)荷2自啟動，建立2個網(wǎng)絡(luò)；

b.將2個網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)組網(wǎng)，同時μG2切換至PQ運(yùn)行模式；

c.將μG3及相應(yīng)負(fù)荷4和負(fù)荷1以PQ運(yùn)行模式并聯(lián)至微電網(wǎng)；

d.對微電網(wǎng)整體進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整各微電源的輸出功率。

為驗(yàn)證本文所提出的優(yōu)化方案，設(shè)計3個對比實(shí)驗(yàn)如下。

實(shí)驗(yàn)1：初始時刻μG1和μG2自啟動，相位差為30°，不對 μG2進(jìn)行預(yù)同步，0.2 s時直接與 μG1并聯(lián)組網(wǎng)，2個微電源輸出的有功功率如圖6所示。可以看出，在μG2未進(jìn)行預(yù)同步就直接并聯(lián)的情況下，功率波動非常大，相應(yīng)的電壓、電流波動也會較大，過大的暫態(tài)沖擊可能會引起微電源的保護(hù)動作，關(guān)閉微電源，從而導(dǎo)致并聯(lián)失敗，黑啟動無法進(jìn)行。同時，在穩(wěn)定后，系統(tǒng)功率依然有較大的波動，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 μG1和μG2的輸出有功功率Fig.6 Active power outputs of μG1and μG2

實(shí)驗(yàn)2：0.1 s時對μG2進(jìn)行預(yù)同步，但是未進(jìn)行功率鎖存，且將μG2的PQ控制參考功率設(shè)為2 kW，兩微電源的輸出有功功率如圖7所示。在0.2 s之前兩微電源穩(wěn)定運(yùn)行，由圖可以看出在0.2 s進(jìn)行并聯(lián)時，系統(tǒng)產(chǎn)生很大的暫態(tài)波動，這一過程中極易引起保護(hù)動作，從而導(dǎo)致并聯(lián)失敗，黑啟動無法進(jìn)行；0.3 s后趨于穩(wěn)定，但μG1、μG2輸出功率分別在5 kW、2 kW附近波動，波動幅度也較大，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

圖7 μG1和μG2的輸出有功功率Fig.7 Active power outputs of μG1and μG2

實(shí)驗(yàn)3：0.1 s時對μG2進(jìn)行預(yù)同步，0.2 s時將其與μG1并聯(lián)并采用功率鎖存切換至PQ控制模式；系統(tǒng)穩(wěn)定后，在0.5 s將μG3并聯(lián)至微電網(wǎng)，參考功率為3 kW；系統(tǒng)穩(wěn)定后，在0.8 s對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將μG2輸出功率降為2 kW。實(shí)驗(yàn)所得3個微電源的輸出功率如圖8、9所示。在模式切換進(jìn)行功率鎖存和預(yù)同步后，很好地減小了μG1與μG2的并聯(lián)暫態(tài)沖擊，且響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定后的輸出平穩(wěn)。在最后階段對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，各微電源功率轉(zhuǎn)換響應(yīng)快，而且穩(wěn)定。圖9所示為3個微電源的輸出無功功率，由于系統(tǒng)無功為0，穩(wěn)定時，3個微電源輸出無功在0附近波動，幅值小于200 var，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 3個微電源的輸出有功功率Fig.8 Active power outputs of three microsources

圖9 3個微電源的輸出無功功率Fig.9 Reactive power outputs of three microsources

由以上3個實(shí)驗(yàn)可以看出，在采用了功率鎖存和預(yù)同步后，μG2的模式切換更加順利，暫態(tài)沖擊明顯減小，從而保證了本文所提微電網(wǎng)黑啟動策略的有效性。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于多Agent的微電網(wǎng)黑啟動策略，通過分析該策略中微電源并聯(lián)組網(wǎng)可能產(chǎn)生較大波動，對此提出了控制策略優(yōu)化方案。仿真分析結(jié)果表明，該控制策略能夠快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的黑啟動，通過模式切換和預(yù)同步的優(yōu)化，黑啟動過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了大幅提高。下一階段，將在實(shí)驗(yàn)室0.4 kV光/柴/儲低壓微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺上，以柴油發(fā)電機(jī)為主參考源、蓄電池儲能設(shè)備為具有黑啟動能力的微電源、光伏為不具有黑啟動能力的微電源進(jìn)行黑啟動實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提的微電網(wǎng)黑啟動策略，并通過實(shí)驗(yàn)完善該黑啟動策略，使之切實(shí)可行。