蘇州科技大學(xué) 周成龍 陳一帆

在傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡過程中，旨在解決分布式電源靈活、高效應(yīng)用的微電網(wǎng)應(yīng)運而生。區(qū)別于傳統(tǒng)能源的集中式供電、能源枯竭等弊端，可再生能源主要包括太陽能、潮汐能、風(fēng)能等具有發(fā)展清潔、分散性等優(yōu)勢的新能源。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)一級下垂控制會導(dǎo)致電壓及頻率難以同步與恢復(fù)，為使其恢復(fù)至額定值，分布式二次協(xié)調(diào)控制得到廣泛研究。本文主要介紹了分層控制，分布式二次協(xié)調(diào)控制的研究現(xiàn)狀，以及對分布式二次協(xié)調(diào)控制在未來微電網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)步，用戶對于電量的需求極具提高，迫使化學(xué)燃料急劇消耗，從而導(dǎo)致環(huán)境惡劣、資源枯竭等問題，因此發(fā)展可再生能源成為人們的共識。清潔能源主要包括生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能等，但是這些能源難以像化石能源集中式發(fā)配電，因此采用發(fā)布式發(fā)配電成為利用這些能源的有效方式。

微電網(wǎng)(microgrids)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是一種由分布式電源（distributed generation，DG）、儲能設(shè)備、負(fù)荷等設(shè)備構(gòu)成的局部小型發(fā)配電系統(tǒng)。它可以工作在并網(wǎng)模式、孤島模式以及兩者相互切換的同步模式。在大電網(wǎng)正常運行時，微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式下，電網(wǎng)穩(wěn)定性主要依靠大電網(wǎng)進(jìn)行維系。當(dāng)大電網(wǎng)因意外出現(xiàn)故障時，靜態(tài)開關(guān)發(fā)生動作斷開微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的連接，使得微電網(wǎng)進(jìn)入孤島模式。此時微電網(wǎng)中的DG就負(fù)責(zé)維持系統(tǒng)運行。大多數(shù)DG通過電力電子接口接入微電網(wǎng)，主要的控制策略是基于逆變器的下垂控制算法，但傳統(tǒng)的下垂控制算法無法保證系統(tǒng)的電壓與頻率保持同步以及恢復(fù)至額定值，并且傳統(tǒng)的基于功率、頻率特性或功率、電壓特性的下垂控制算法無法實現(xiàn)高精度分配無功功率或有功功率。為了補(bǔ)償電壓、頻率的偏差，二次控制策略就被提出，并逐步將其應(yīng)用至微電網(wǎng)。

二次控制發(fā)展過程中衍生出集中式控制以及分布式控制，傳統(tǒng)的集中式控制是利用微電網(wǎng)的中心控制器(micro grid central controller，MGCC)來獲取全局信息，再經(jīng)過優(yōu)化計算后向底層提供控制命令，精確度高。但集中式控制存在計算和通信負(fù)擔(dān)重、存在中心節(jié)點、魯棒性差、可擴(kuò)展性和可靠性差等缺點。分布式二次控制可用于解決電壓和頻率的同步以及恢復(fù)問題，針對具有“即插即用”特點的分布式電源，分布式二次控制是一種無線通信控制技術(shù)，可靠性高。

微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題(economic dispatch problem，EDP)是近年來研究微電網(wǎng)的熱點問題，由于微電網(wǎng)中DG所占比較高，間歇性和隨機(jī)性都使得微電網(wǎng)的調(diào)度具有極大困難。并且控制層的運行時間尺度往往無法精確控制在秒級，導(dǎo)致控制層運行時間不匹配，從而降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 下垂控制(droop control)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法(economic dispatch algorithm)

1.1 下垂控制(droop control)

下垂控制作為系統(tǒng)的一次控制，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的一次調(diào)頻，以保證系統(tǒng)的功率平衡。在微電網(wǎng)的負(fù)荷或輸出電壓發(fā)生變化時，或者在孤島模式下，下垂控制能夠保證系統(tǒng)的電壓與頻率在一定范圍內(nèi)的平衡穩(wěn)定，典型的電壓-頻率下垂控制如下：

式中fn，Vn分別是系統(tǒng)的額定頻率和額定電壓，Pi，Qi分別為第i個發(fā)電單位輸出的有功功率和無功功率，mi，ni分別為有功功率-頻率和無功功率-電壓的下垂系數(shù)，Pni，Qni分別為第i個發(fā)電單元運行在額定頻率時的有功功率和無功功率，fi，Vi分別為第i個發(fā)電單元的輸出頻率和輸出電壓。

傳統(tǒng)的下垂控制策略是當(dāng)微電網(wǎng)工作在孤島模式時，各個發(fā)電單元根據(jù)下垂系數(shù)mi和額定功率Pni分配輸出的有功功率Pi，但不能實現(xiàn)負(fù)荷的優(yōu)化分配，同時系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的頻率偏移額定值。

1.2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法(economic dispatch algorithm)

假設(shè)微電網(wǎng)有n個分布式發(fā)電單元，有功負(fù)荷總數(shù)為PD，每個發(fā)電單元的有功輸出為PD，且成本函數(shù)可表示為：

式中αi，βi，γi，為發(fā)電成本函數(shù)，其中βi由燃料成本系數(shù)和維護(hù)成本系數(shù)構(gòu)成，αi、γi表示燃料成本系數(shù)。

對于新能源來說，由于沒有燃料成本，因而新能源的成本僅僅在于儲能系統(tǒng)的損耗，可表示為：

經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)就是使得微電網(wǎng)的總發(fā)電成本最小，即：

且滿足總發(fā)電量和總負(fù)荷間的供需約束：

以及每個發(fā)電單元的發(fā)電容量約束：

式中的Pi_min和Pi_max分別表示第i個發(fā)電單元輸出功率的上下限。

可用拉格朗日乘子法計算不考慮發(fā)電約束條件下的最優(yōu)化增量成本λ和有功功率輸出，且此時的值是所有增量成本相等且等于拉格朗日乘子λ。

2 分布式二次協(xié)調(diào)控制研究現(xiàn)狀

近年來，分布式二次協(xié)調(diào)控制策略得到廣泛研究與應(yīng)用，同時在解決微電網(wǎng)電壓、頻率恢復(fù)至額定值問題上取得很大的成果。但無法滿足功率精度分配以及母線電壓要求，同時微網(wǎng)中EDP問題并沒有完全得到解決。

雖然針對傳統(tǒng)的下垂控制，陳剛等人提出基于一致性理論的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法，重新設(shè)定下垂控制的額定值，計算新的下垂系數(shù)，優(yōu)化了下垂控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)供需平衡以及低成本運行。但仍無法確保DG的“即插即用”，也就無法保證在DG加入電網(wǎng)時在電網(wǎng)和通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下還能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、頻率的恢復(fù)以及同步。因此，就必須在二次控制層進(jìn)行分布式控制，呂振宇等人基于對等稀疏網(wǎng)絡(luò)的分布式二次調(diào)節(jié)策略，增加了無中心節(jié)點，采用離散一致性算法進(jìn)行分布式單元功率的高精度功率分配以及系統(tǒng)的平均電壓調(diào)節(jié)，解決了由電路中阻抗引起的功率分配不均和電壓下跌問題，同時該算法能夠針對網(wǎng)絡(luò)延時的抗干擾能力選擇出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

上述分布式二次控制策略僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)漸進(jìn)或指數(shù)收斂，而在一些實際應(yīng)用中，由于DG的不確定性和間歇性特征，無法保證控制的快速收斂或者在有限時間內(nèi)收斂。近年有限時間分布式二次控制策略被越來越多的學(xué)者研究，但有限時間控制的整定時間與系統(tǒng)的初始條件息息相關(guān)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確設(shè)定離線整定時間。陳剛等人提出了分布式固定時間二次控制策略確保整定時間的上限與系統(tǒng)初始條件無關(guān)，并通過Lyapunov函數(shù)法分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得離線設(shè)定整定時間成為可能。仿真結(jié)果表明，該策略具有魯棒性強(qiáng)，控制精度高，干擾一致性能好等特點。

同時基于多智能體系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)進(jìn)行設(shè)計控制算法的研究日益增多，基于MAS的算法能夠在實現(xiàn)電壓、頻率的恢復(fù)以及同步時降低系統(tǒng)通訊和計算負(fù)擔(dān)。并且基于MAS的分布式二次控制具有魯棒性好，可靠性高等優(yōu)點。顧偉等人提出了電流矯正控制與電壓調(diào)節(jié)控制相結(jié)合的二次分布式控制方法，通過基于MAS的分布式交互協(xié)議與有限時間一致性協(xié)議，將DG設(shè)為代理，監(jiān)測并采集自身輸出的電流信息，通過通信耦合實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)矯正電流、按比例分配輸出電流的功能，同時能夠利用平均輸出電流進(jìn)行電壓協(xié)調(diào)控制。仿真表明該控制策略具有優(yōu)異的收斂性及可靠性，其只需要局部DG輸出電流信息就能夠通過弱通信條件實現(xiàn)電壓、負(fù)荷的調(diào)節(jié)分配。但未考慮有限時間參數(shù)對于微電網(wǎng)電壓、頻率收斂性的影響，以及規(guī)模適應(yīng)性問題。

竇春霞等人針對擾動作用下微電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性，基于MAS提出了分布式協(xié)調(diào)控制策略。在MAS下層分布式Agent中，基于下垂控制算法設(shè)計出外環(huán)功率控制器、基于分?jǐn)?shù)階PID控制方法設(shè)計出內(nèi)環(huán)電流、電壓控制器，兩個控制器共同構(gòu)成了下層的雙環(huán)就地控制器，實現(xiàn)MAS在大干擾或者小干擾的作用下維持系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定的作用。MAS上層結(jié)合線性矩陣不等式技術(shù)設(shè)計出H∞魯棒控制器，通過系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性評估指標(biāo)的測量以及調(diào)節(jié)來實現(xiàn)大干擾作用下微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，其中采取基爾霍夫電流/電壓定律(KCL/KVL)設(shè)計出狀態(tài)反饋控制器將參數(shù)的不確定性以及外界干擾計算在內(nèi)。仿真結(jié)果表明該研究提出的控制策略具有很強(qiáng)的抗擾性能以及魯棒性。

以上方法均沒考慮微電網(wǎng)的運行成本，未能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，無法最大化利用可再生能源。在解決EDP問題的過程中，傳統(tǒng)集中式方法或者算法包括梯度下降法、粒子群算法、遺傳算法、蟻群算法等，這些方法需要MGCC進(jìn)行全局控制，投資較高。針對以上控制方法的不足，基于MSA的分布式控制解決EDP問題的方法被廣泛研究，胡建等人結(jié)合下垂控制與MAS一致性理論分別解決功率平衡和電源出力的問題，最終實現(xiàn)功率的經(jīng)濟(jì)性分配，其中只需要Agents基于點對點通信，無需MGCC參與協(xié)調(diào)，提出的完全分布式控制直接利用下垂控制信號就能夠?qū)崿F(xiàn)功率精確分配。

謝俊等人提出基于MAS一致性算法的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，將電源增量成本(IC)和柔性負(fù)荷增量效益(IB)設(shè)為一致性算法變量，利用拉格朗日乘子法求解出囊括柔性負(fù)荷加入電網(wǎng)時的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度解。降低通信網(wǎng)絡(luò)投資以及應(yīng)對通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變問題。董密等人提出基于下垂控制增加額外控制變量，選取幾個Agents作為領(lǐng)導(dǎo)者(Leaders)的DG，將計算的偏差傳送至其他控制器，利用分布式通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全局的電壓、頻率的恢復(fù)和同步。該文的控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)、孤島模式之間的無縫銜接，還將傳統(tǒng)三次控制解決的EDP問題置于二次控制層利用完全分布式控制算法解決，降低了通訊成本，減少了運行時間不匹配的問題，有效提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 未來孤島微電網(wǎng)控制協(xié)調(diào)策略的展望

未來孤島微電網(wǎng)勢必會成為整個智能電網(wǎng)中舉足若輕的研究部分，大量的學(xué)者會投入其中進(jìn)行研究，大量資源也會向其傾斜。用戶不再僅僅是電網(wǎng)末端的剛性負(fù)荷，而是會成為能夠參與系統(tǒng)運行、實現(xiàn)與電源互動的柔性負(fù)荷。因此，在解決分布式電源“即插即用”問題的同時還必須考慮到柔性負(fù)荷的“即插即用”。雖然現(xiàn)在的分布式二級控制已經(jīng)展現(xiàn)出較好的控制性能，但將來面對海量的負(fù)荷加入電網(wǎng)時，就會顯得單薄，因此在分布式二次控制的擴(kuò)展性能上還需要進(jìn)行大量研究。包括控制收斂性快慢也會是重點的研究方向，絕不僅僅局限于針對二階系統(tǒng)電壓、頻率的同步以及恢復(fù)問題給出在有限時間內(nèi)收斂的充要條件，或是引入收斂因子從而加快收斂速度等采用漸近一致性算法進(jìn)行分布式控制。日后越來越多的研究目光將投向MAS，將利用MAS實現(xiàn)發(fā)電單元的無中心節(jié)點的通信，減輕通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，減少計算，降低網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本等。在此同時還需要考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，爭取實現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化?；贛AS研究直流微電網(wǎng)也會成為一大熱門，直流微電網(wǎng)的有功、無功功率高精度分配、經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題都有待研究。對于未來的微電網(wǎng)方面的研究可以嘗試將MAS以及人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能控制等理論與技術(shù)相結(jié)合，研究多負(fù)荷進(jìn)退電網(wǎng)、模式切換等直交流微電網(wǎng)中的收斂時間、動態(tài)穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)調(diào)度等問題。

結(jié)語：本文簡要介紹分布式二次協(xié)調(diào)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，微電網(wǎng)控制過程中所用的傳統(tǒng)下垂控制技術(shù)以及旨在解決EDP問題的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法。并結(jié)合現(xiàn)有的研究成果對于未來分布式二次協(xié)調(diào)控制技術(shù)前景以及目標(biāo)做出簡單展望，得出在未來微電網(wǎng)的發(fā)展過程中穩(wěn)定性不再是唯一課題的結(jié)論。但隨著未來微電網(wǎng)復(fù)雜程度的加深，不同策略中實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的難度也將會逐步上升。