李天慧，周楊，張健，呂瀟，馬剛

(南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

為了降低新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響并提高其利用率，美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)提出了微電網(wǎng)的概念：微電網(wǎng)是一種集成分布式能源、儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換裝置、本地負(fù)荷以及能量管理系統(tǒng)的小型低壓發(fā)配電系統(tǒng)，既可離網(wǎng)運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行[1-2]。目前在微電網(wǎng)控制技術(shù)方面的研究主要體現(xiàn)在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行方面[3-5]。文獻(xiàn)[6]提出了基于協(xié)調(diào)控制器的微電網(wǎng)改進(jìn)下垂控制策略，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)有功負(fù)荷與無(wú)功負(fù)荷的優(yōu)化配置；文獻(xiàn)[7]提出一種不依賴于下垂控制的微電網(wǎng)協(xié)作二級(jí)控制策略，但該控制策略在通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)并不適用；為了避免通信問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于共識(shí)意識(shí)的分布式協(xié)調(diào)控制器，用于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的電壓調(diào)節(jié)以及無(wú)功功率共享，但是最終無(wú)法精確調(diào)節(jié)電壓。

電力彈簧(electeic springs，ES)的概念在2012年由香港大學(xué)的許樹(shù)源教授首次提出[9]。ES是一種能夠快速實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)的新技術(shù)，可以調(diào)節(jié)間歇性可再生能源接入大電網(wǎng)引起的系統(tǒng)波動(dòng)問(wèn)題[10]，大量研究已經(jīng)證實(shí)單個(gè)ES對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定電壓[11-12]和改善電能質(zhì)量[13-14]的作用。為了更好地應(yīng)用ES解決電網(wǎng)存在的問(wèn)題，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始研究多個(gè)ES接入對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，以及多個(gè)ES接入系統(tǒng)的協(xié)同控制策略。文獻(xiàn)[15]介紹了一種動(dòng)態(tài)的模塊化ES模型用于調(diào)節(jié)智能電網(wǎng)的電壓，提供了基于多個(gè)ES接入電網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了保證極端情況下關(guān)鍵性負(fù)載的快速恢復(fù)供電，文獻(xiàn)[16]提出一種利用ES增強(qiáng)微電網(wǎng)與可再生能源彈性的控制策略。

由國(guó)內(nèi)外已有的研究可以設(shè)想，如果ES大量應(yīng)用在微電網(wǎng)中，可以為未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展提供強(qiáng)大支持。然而隨著ES的應(yīng)用，一方面，如果不能很好地協(xié)調(diào)接入微電網(wǎng)中的多個(gè)ES，可能給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，目前大多數(shù)學(xué)者僅從電壓和頻率調(diào)節(jié)中的一個(gè)角度進(jìn)行考慮，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的同時(shí)有效控制。因此，本文建立了ES的有功/無(wú)功控制模型用于功率補(bǔ)償，基于此，提出ES的四象限特性理論，用以設(shè)計(jì)ES的有功/無(wú)功綜合控制模型；設(shè)計(jì)了基于PI控制器的ES有功/無(wú)功協(xié)同控制方法；考慮到傳統(tǒng)下垂控制引起的誤差以及集中控制的通信成本問(wèn)題，提出一種基于離散一致性算法的分布式控制策略，以實(shí)現(xiàn)精確的電壓和頻率控制，并達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果；最后，建立了基于MATLAB/Simulink的九總線微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，對(duì)比分析在電壓突變、分布式發(fā)電功率突變、非關(guān)鍵性負(fù)載功率突變3種情況下，有無(wú)ES接入的系統(tǒng)電壓和頻率波動(dòng)情況。

1 ES工作原理

ES是一種可以提供電壓支持、電能儲(chǔ)存以及抑制電壓波動(dòng)的電力裝置[17]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1虛線框內(nèi)所示，由2個(gè)單相半橋逆變器和1個(gè)電容電感(LC)低通濾波器組成。其中，Lf和Cf分別為低通濾波器中的電感和電容，US為系統(tǒng)電壓，UNC為非關(guān)鍵性負(fù)載(non-critical load，NCL)兩端電壓幅值，Io為流過(guò)NCL的電流，Ic為電容電流，If為流過(guò)低通濾波器的電感電流，φNC為NCL阻抗角，ZNC為NCL阻抗。1號(hào)變流器作為分流補(bǔ)償器，并聯(lián)在電路中控制直流鏈路上的電壓Udc；2號(hào)變流器作為串聯(lián)補(bǔ)償器，控制ES注入系統(tǒng)的電壓UES和相位角θES，1號(hào)變流器與2號(hào)變流器通過(guò)公共直流鏈路進(jìn)行雙向功率流交換，保證實(shí)時(shí)功率平衡以實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定。

按照負(fù)載工作電壓可承受的偏移程度，將負(fù)載分為關(guān)鍵性負(fù)載(critical load，CL)和NCL，后者主要包括家用熱水器、照明系統(tǒng)、風(fēng)扇、烤箱、洗碗機(jī)、干燥機(jī)等小型電動(dòng)機(jī)負(fù)載。如圖2所示，將ES與NCL串聯(lián)構(gòu)成智能負(fù)載(smart load，SL)，并將其與CL并聯(lián)，通過(guò)使能開(kāi)關(guān)S控制ES工作。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓US為額定電壓，為了保證NCL消耗的有功功率為定值，將ES充當(dāng)串聯(lián)功率補(bǔ)償器，提供可變的交流電壓，從而通過(guò)改變NCL兩端的電壓來(lái)保證CL兩側(cè)的電壓和輸送功率基本恒定。這就將供電方法由傳統(tǒng)的用電量決定發(fā)電量模式調(diào)整為跟隨供電量大小來(lái)實(shí)時(shí)改變負(fù)載的用電量模式。

圖2 SL簡(jiǎn)化電路Fig.2 Simplified circuit of SL

2 ES功率控制模型

結(jié)合圖2，依據(jù)基爾霍夫定律，可將UES、US、UNC的關(guān)系表示為：

US∠θS=UES∠θES+UNC∠φNC.

(1)

式中θS為電源電壓相位角。三角變化后可表示為

(2)

流過(guò)NCL的電流可以表示為

Io=UNC/ZNC.

(3)

SL的有功/無(wú)功功率可分別表示為

(4)

式中：PNC和QNC分別為NCL的有功和無(wú)功功率；PES和QES分別為ES的有功和無(wú)功功率。

2.1 ES無(wú)功控制模型

當(dāng)以調(diào)節(jié)無(wú)功功率為目標(biāo)控制ES時(shí)，可將其作為無(wú)功調(diào)節(jié)裝置用以吸收或發(fā)出多余的無(wú)功功率，調(diào)節(jié)NCL的輸出電壓超前其支路電流90°/-90°，相量關(guān)系如圖3所示。其中，USL為SL兩端電壓。

圖3 ES無(wú)功控制相量關(guān)系Fig.3 Phasor diagram of ES reactive power control

當(dāng)ES只工作在無(wú)功控制模式下時(shí)，此時(shí)其不消耗有功，即PES=0，SL有功功率

(5)

當(dāng)θES為90°時(shí)，SL的無(wú)功功率

(6)

當(dāng)θES為-90°時(shí)，SL的無(wú)功功率

(7)

根據(jù)式(6)和式(7)可以得到ES的無(wú)功功率控制模型為：

(8)

式中：QSL,0為ES未受控時(shí)的無(wú)功功率；ΔQ為ES的無(wú)功控制變量。根據(jù)式(8)和圖3可知，當(dāng)ΔQ>0時(shí)，表示ES的無(wú)功消耗量增大，此時(shí)控制θES為90°；當(dāng)ΔQ<0時(shí)，表示ES無(wú)功消耗量減小，此時(shí)控制θES為-90°。

2.2 ES有功控制模型

當(dāng)以調(diào)節(jié)有功功率為目標(biāo)控制SL時(shí)，可將ES作為有功調(diào)節(jié)裝置，用以吸收或發(fā)出多余的有功功率，調(diào)節(jié)NCL的輸出電壓超前其支路電流0°/180°，相量關(guān)系如圖4所示。

圖4 ES有功控制相量關(guān)系Fig.4 Phasor diagram of ES active power control

當(dāng)ES只工作在有功控制模式下時(shí)，此時(shí)其不消耗無(wú)功，即QES=0，SL無(wú)功功率

(9)

當(dāng)θES為0°時(shí)，SL有功功率

(10)

當(dāng)θES為180°時(shí)，SL有功功率

(11)

根據(jù)式(10)和式(11)可以得到ES的有功功率控制模型

(12)

式中：PSL,0為ES未受控時(shí)的有功功率；ΔP為ES的無(wú)功控制變量。根據(jù)式(12)和圖4，當(dāng)ΔP>0時(shí)，表示ES的有功消耗量增大，此時(shí)控制θES為180°；當(dāng)ΔP<0時(shí)，表示ES的有功消耗量減小，此時(shí)控制θES為0°。

3 基于ES的微電網(wǎng)分布式控制方法

3.1 ES四象限特性

由第2章分析可知，可以根據(jù)電網(wǎng)對(duì)ΔQ、ΔP的要求，調(diào)節(jié)ES的電壓幅值UES以及阻抗角θES，以減少任何突然增大或減少的電源及負(fù)載產(chǎn)生的不平衡；因此，為了充分利用ES有功和無(wú)功可以同時(shí)控制的特性，以此為標(biāo)準(zhǔn)劃分4個(gè)象限，相量關(guān)系如圖5所示，其中，UNC,0表示ES未受控時(shí)NCL兩端的電壓。

圖5 ES四象限相量圖Fig.5 Phasor diagram of ES four quadrant

依據(jù)有功/無(wú)功需求控制量ΔP、ΔQ的大小，結(jié)合第2章的分析，將ES對(duì)應(yīng)的工作在圖5中的4種工作狀態(tài)下：

①當(dāng)ΔP<0且ΔQ<0時(shí)，選擇圖5(a)的工作模式，實(shí)現(xiàn)SL有功功率的降低以及SL無(wú)功功率的提高；

②當(dāng)ΔP<0且ΔQ>0時(shí)，選擇圖5(b)的工作模式，實(shí)現(xiàn)SL有功/無(wú)功功率的提高；

③當(dāng)ΔP>0且ΔQ>0時(shí)，選擇圖5(c)的工作模式，實(shí)現(xiàn)SL有功功率的提高以及SL無(wú)功功率的降低；

④當(dāng)ΔP>0且ΔQ<0時(shí)，選擇圖5(d)的工作模式，實(shí)現(xiàn)SL有功/無(wú)功功率的降低。

3.2 基于PI控制器的ES有功/無(wú)功協(xié)同控制策略

傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置采用的是輸出電壓控制技術(shù)，通過(guò)提供負(fù)載所消耗的無(wú)功功率，減少電網(wǎng)中無(wú)功功率流動(dòng)，進(jìn)而起到保持電網(wǎng)中無(wú)功功率恒定的作用。區(qū)別于此，ES采用輸入電壓控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)ES本身的控制提供可變的交流電壓；與此同時(shí)，在NCL中同時(shí)形成跟隨電力系統(tǒng)波動(dòng)而變化的可用功率，將分布式新能源接入及電網(wǎng)供電負(fù)荷造成的波動(dòng)功率由NCL進(jìn)行消納，進(jìn)而保證CL兩端電壓和功率維持穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[18]，基于PI控制的ES控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中Ua半橋逆變電路的輸出電壓，US,ref為電網(wǎng)參考電壓，通過(guò)控制脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)逆變器的電壓調(diào)制系數(shù)m，可以產(chǎn)生基于線路頻率的高質(zhì)量PWM電壓波形；通過(guò)使用LC濾波器，可以生成具有可控幅度的正弦電壓UES作為電容電感濾波器的輸出。

圖6 ES控制結(jié)構(gòu)Fig.6 ES control structure

假設(shè)2個(gè)半橋逆變器均工作在理想的無(wú)損功率模式下，根據(jù)圖1、圖6以及第2節(jié)分析可以得出逆變器直流環(huán)節(jié)輸入功率和逆變器交流輸出功率的關(guān)系如下：

(13)

依據(jù)基爾霍夫定律的半橋逆變變流器的數(shù)學(xué)模型如下:

(14)

半橋逆變電路的輸出電壓

(15)

電壓調(diào)制系數(shù)

(16)

式中：Lf為L(zhǎng)C濾波器電感；G(t)為補(bǔ)償函數(shù)；UPWM為PWM三角形載波的電壓幅值；US,ref通常選擇額定電壓220 V。

典型ES的基本控制回路如圖7所示[19]。理論上該控制回路僅可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無(wú)功功率，無(wú)法調(diào)節(jié)有功功率，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于功率逆變器和LC濾波器的功率損耗，將消耗少量的有功功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率的效果。為了達(dá)到更好的綜合控制效果，本文改進(jìn)圖7所示的控制回路，調(diào)整后的控制回路如圖8所示。

圖8中：abs為取絕對(duì)值函數(shù)，PNC,ref為NCL的額定有功功率，QNC,ref為NCL的額定無(wú)功功率；k1、k2為PI控制器的后置增益，將UES分解為與IES同軸的UES-P分量以及與IES垂直的UES-Q分量；其中，UES-P相當(dāng)于UES中作用于有功控制的分量，UES-Q相當(dāng)于UES中作用于無(wú)功控制的分量；α和β為θES分解出來(lái)的2個(gè)分量，具體表示為

(17)

依據(jù)PI控制器的輸出量a和b的正負(fù)決定查詢表內(nèi)的工作模式，當(dāng)a>0且b<0時(shí)，工作在α=0°模式下；當(dāng)a<0且b<0時(shí)，工作在α=90°模式下；當(dāng)a<0且b>0時(shí)，工作在α=180°模式下；當(dāng)a>0且b>0時(shí)，工作在α=270°模式下。

3.3 基于共識(shí)控制的離散一致性算法

上文針對(duì)單個(gè)ES的控制策略進(jìn)行了研究，而在具有分布式發(fā)電和多個(gè)ES的微電網(wǎng)中，要解決的主要問(wèn)題是如何協(xié)調(diào)安裝在電網(wǎng)中的多個(gè)電力電子設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)ES的分布式協(xié)同控制。因此，開(kāi)發(fā)了一種基于代理(Agent)的分布式控制方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)ES的即插即用，并且單個(gè)ES的故障不會(huì)影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行。簡(jiǎn)化的微電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D9所示，為每個(gè)ES分配1個(gè)代理負(fù)責(zé)，該代理可以通過(guò)跨越ES的通信流來(lái)獲取本地信息，以便于不依賴于通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖7 基于PI控制器的ES控制回路Fig.7 ES control loop based on PI controller

圖8 基于PI控制器的ES有功/無(wú)功協(xié)同控制回路Fig.8 ES active power and reactive power control loop based on PI controller

圖9 微電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型Fig.9 Simplified model of microgrid

分布式控制能夠使得每個(gè)ES都可以訪問(wèn)其本地電壓和功率流信息，但無(wú)法獲取全局信息；為了解決這一問(wèn)題，引入基于離散一致性算法的共識(shí)控制，以獲得分配給圖8中設(shè)計(jì)的ES控制器的參考功率。離散形式的一致性共識(shí)算法表述為

(18)

式中：k為一致性算法的迭代次數(shù)；n為微電網(wǎng)中的代理數(shù)量；aij為從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)傳輸通信權(quán)重，對(duì)于離散系統(tǒng)，aij=1表示j和代理i相鄰，aij=0表示i與j沒(méi)有相鄰。在這種情況下，每個(gè)ES被視為1個(gè)代理，如果某個(gè)代理不與其他代理交換信息，則此代理保持其當(dāng)前信息狀態(tài)不變。一致性理論旨在確保基于代理的本地信息以分布式模式進(jìn)行信息交換[20]后，代理可以根據(jù)從鄰居收集的信息狀態(tài)更新其信息狀態(tài)[21]。設(shè)計(jì)以更新法則作為控制目標(biāo)，使得所有代理的信息狀態(tài)收斂到一個(gè)共同的值的一致性算法，用于協(xié)商達(dá)成共識(shí)代理，并提供系統(tǒng)的共識(shí)機(jī)制來(lái)計(jì)算共識(shí)值。離散一致性算法的流程圖如圖10所示。

如圖10所示，首先，通過(guò)共識(shí)算法發(fā)現(xiàn)ES的功率參考值xi并進(jìn)行初始化；然后，基于公式(18)，通過(guò)相鄰ES之間的信息交換，不斷更新所需要的ES功率；最后，獲得分配給圖8中ES控制回路的基準(zhǔn)有功功率PNC,ref和無(wú)功功率QNC,ref。

圖10 基于離散一致性算法的共識(shí)控制流程Fig.10 Consensus control flow chart based on discrete consistency algorithm

對(duì)于整個(gè)微電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，全局信息發(fā)現(xiàn)過(guò)程可以用矩陣形式表現(xiàn)為

Xk+1=DXk.

(19)

式中：Xk和Xk+1表示在第k次和(k+1)次迭代時(shí)獲取的信息量，X在本文中表示需要獲取的基準(zhǔn)功率，其中Xk=[x1,k…xi,k…xn,k]表示Xk內(nèi)的元素；D為通信網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重矩陣，D=1-εL，其中ε為邊緣權(quán)重系數(shù)，L為通信網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣。將D表示為：

(20)

式中：nn表示第n個(gè)代理附近的代理量，為了適應(yīng)ES的即插即用引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，aij可以表示為

(21)

式中：nj和nj分別表示代理i和j附近的代理量；j∈ni表示j與i相鄰。XES表示為

(22)

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型

建立如圖11所示的九總線系統(tǒng)微電網(wǎng)仿真模型，其中，系統(tǒng)的額定電壓為35 kV，G1、G2和G3的額定功率分別為8 MVA、6 MVA和4 MVA；3個(gè)ES分別安裝在總線5、總線6和總線8上，每個(gè)ES并聯(lián)1個(gè)旁路開(kāi)關(guān)，旁路開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行期間保持關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)需要啟動(dòng)ES時(shí)在0.1 s內(nèi)打開(kāi)。

圖11 基于3個(gè)ES的九總線系統(tǒng)Fig.11 Nine-bus system with three ESs

根據(jù)圖11建立的微電網(wǎng)仿真模型，通信網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣表示為

(23)

(24)

圖11中，發(fā)電機(jī)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[22]選取，仿真模型具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真模型具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of simulation model

4.2 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.2.1 試驗(yàn)1，母線電壓突變

4.2.1.1 單母線電壓突變

研究在重負(fù)載情況下，單條母線電壓突變對(duì)有無(wú)ES接入微電網(wǎng)的影響，仿真模擬時(shí)間為30 s。當(dāng)母線5處的電壓U5驟降至210 V時(shí)，基于離散一致性算法的分布式控制平均電壓迭代過(guò)程如圖12(a)所示；在時(shí)間t=5 s時(shí)接入ES后，U5如圖12(b)所示。

圖12 單條母線電壓驟降情況下的仿真波形Fig.12 Simulation waveforms in the case of single bus voltage dips

如圖12可知：當(dāng)U5驟降至210 V后，未接入ES時(shí)，U5在210 V左右波動(dòng)；當(dāng)在5 s時(shí)接入ES后，U5立刻上升至220 V，并在1 s內(nèi)維持電壓穩(wěn)定。

4.2.1.2 多母線電壓同時(shí)突變

研究在重負(fù)載情況下，多條母線電壓突變對(duì)有無(wú)ES接入微電網(wǎng)的影響，仿真模擬時(shí)間為30 s。當(dāng)母線6和母線8處的電壓U6和U8同時(shí)驟降至200 V后，在t=5 s時(shí)接入ES后U6和U8如圖13所示。

如圖13可知：當(dāng)U6和U8驟降至200 V后，未接入ES時(shí)，U6和U8均在200 V左右波動(dòng)；當(dāng)

圖13 多條母線電壓驟降情況下的仿真波形Fig.12 Simulation waveforms in the case of multiple bus voltage dips

在5 s時(shí)接入ES后，相較于單母線故障，多母線同時(shí)發(fā)生電壓驟降時(shí)，ES接入的調(diào)節(jié)效果減弱，但仍能在1 s內(nèi)將故障母線的電壓維持在220(1±1%) V內(nèi)。

通過(guò)試驗(yàn)1可知：當(dāng)微電網(wǎng)中單個(gè)或多個(gè)母線電壓驟降時(shí)，通過(guò)ES的應(yīng)用，可以對(duì)發(fā)生故障的母線起到良好的支撐作用，并使其快速恢復(fù)到電壓參考值，保證微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

4.2.2 試驗(yàn)2，分布式發(fā)電功率突變

保持負(fù)載功率不變，研究分布式發(fā)電輸出功率發(fā)生變化對(duì)有無(wú)ES接入微電網(wǎng)的影響，仿真模擬時(shí)間為30 s。在t=10 s時(shí)，將風(fēng)速?gòu)?0 m/s升至16 m/s，風(fēng)力渦輪機(jī)G1的輸出功率有所增加，如圖14所示，比較有無(wú)ES接入時(shí)，母線5上的電壓變化及系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

當(dāng)分布式發(fā)電的輸出功率上升時(shí)，如圖14(a)所示：在沒(méi)有接入ES的情況下，母線電壓增加至224 V；接入ES后，發(fā)生短暫波動(dòng)后可在0.5 s內(nèi)將母線處的電壓穩(wěn)定在220 V。如圖14(b)所示：當(dāng)風(fēng)速由10 m/s升至16 m/s時(shí)，在不接入ES的情況下，系統(tǒng)頻率由于功率增加上升至50.8 Hz，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[23]，當(dāng)電網(wǎng)頻率超出49.5 ～50.2 Hz的范圍時(shí)，連接在中低壓系統(tǒng)中的電源應(yīng)在0.2 s時(shí)與配電網(wǎng)斷開(kāi)；為了避免這一情況的出現(xiàn)，將ES接入電網(wǎng)，觀察可知，系統(tǒng)頻率能夠快速恢復(fù)至50 Hz，并維持穩(wěn)定。

圖14 分布式發(fā)電功率突變下的仿真波形Fig.14 Simulation waveforms in the case of distributed power generation mutation

由試驗(yàn)結(jié)果可知：通過(guò)ES的應(yīng)用，可以減輕由于分布式發(fā)電輸出功率變化造成的系統(tǒng)電壓和頻率波動(dòng)，將母線電壓以及系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)至參考值，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 試驗(yàn)3：負(fù)載功率突變

保持分布式發(fā)電的輸出功率不變，研究負(fù)載發(fā)生變化對(duì)有無(wú)ES接入微電網(wǎng)的影響，仿真模擬時(shí)間為30 s。在t=10 s時(shí)將母線5上NCL2的有功功率從3 MW升至4 MW，如圖15所示，比較母線5上的電壓變化及系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

當(dāng)負(fù)載的有功功率降低時(shí)，如圖15(a)所示：在沒(méi)有ES接入的情況下，母線電壓降低至216 V；接入ES后，系統(tǒng)發(fā)生短暫波動(dòng)后可在0.5 s內(nèi)將母線處的電壓穩(wěn)定在220 V，偏差不超過(guò)1%。如圖15(b)所示：當(dāng)NCL的有功功率上升時(shí)，系統(tǒng)頻率由于功率增加下降至49.5 Hz，當(dāng)ES接入運(yùn)行后，可以清楚發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻率能夠快速恢復(fù)至50 Hz，并快速維持穩(wěn)定。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：通過(guò)ES的應(yīng)用，可以減輕由于負(fù)載增加造成的電壓和頻率波動(dòng)，將母線電壓以及系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)至參考值，使風(fēng)力渦輪機(jī)可以在系統(tǒng)中持續(xù)運(yùn)行。

圖15 負(fù)載功率突變下的仿真波形Fig.15 Simulation waveforms in the case of load power mutation

5 結(jié)論

本文提出一種基于ES的微電網(wǎng)分布式發(fā)電協(xié)同控制方法，并通過(guò)九總線微電網(wǎng)仿真模型模擬在母線電壓突變、分布式發(fā)電功率突變、負(fù)載功率突變這3種情況下該方法的可行性，研究有無(wú)ES接入對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明：ES可以通過(guò)同時(shí)進(jìn)行有功/無(wú)功補(bǔ)償來(lái)有效解決微電網(wǎng)中分布式電源和負(fù)載變化引起的電壓、頻率波動(dòng)，起到支撐線電壓、動(dòng)態(tài)平衡分布式能源和負(fù)載功率的作用，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

相較于已有研究，本文所述方法的優(yōu)勢(shì)有：①通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)的偏移角和幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)ES的有功/無(wú)功同時(shí)控制，保證了電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，提高了電能質(zhì)量；②設(shè)計(jì)了一種以更新法則作為控制目標(biāo)，使得所有信息狀態(tài)收斂到一個(gè)共同值的一致性算法為基礎(chǔ)的分布式控制方法，提高控制精度的同時(shí)降低了通信干擾。在之后的研究中，一方面由于本文所使用的微電網(wǎng)仿真模型較為簡(jiǎn)單，并不能很好地反映實(shí)際微電網(wǎng)的電力特性，進(jìn)一步的工作將會(huì)考慮選取實(shí)際的小型微電網(wǎng)作為仿真試點(diǎn)；另一方面，將進(jìn)行算法改進(jìn)，集中在優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)方面，以達(dá)到加快信息發(fā)現(xiàn)過(guò)程的目的。