徐杰彥,李璐效,楊涵棣,許 烈,李永東

(1.國網(wǎng)(北京)綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100052；2.清華大學(xué)先進(jìn)電能變換與電氣化交通研究中心，北京100084；3.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆烏魯木齊830047)

現(xiàn)今，能源短缺和環(huán)境污染已成為世界性難題，而以太陽能、風(fēng)能為主的可再生能源(renewable energy sources,RES)以其污染小、發(fā)電成本低、安裝配置靈活等優(yōu)勢，得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展[1]。但隨著RES 大規(guī)模并入電網(wǎng)，其出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而BESS 憑借響應(yīng)速度快和可持續(xù)充放電時(shí)間長等優(yōu)勢，成為了解決RES 并網(wǎng)問題的重要設(shè)備。多電平技術(shù)具有dv/dt小、開關(guān)頻率低、效率高和EMI 性能好等優(yōu)點(diǎn)[2]，隨著其廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域，多電平變換器電池儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借其占地面積小、集成度高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，成為未來分布式儲(chǔ)能技術(shù)的重要技術(shù)支撐[3-4]。

由于電網(wǎng)中RES 發(fā)電的間歇性和易變性、用戶側(cè)負(fù)荷的不確定性以及能量的雙向性，需要一種合理的微電網(wǎng)SOC協(xié)同控制方案來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)多BESS 的可靠運(yùn)行。目前，微電網(wǎng)多BESS 的SOC協(xié)同控制方案主要有四種，包括集中控制、分層控制、分布式多代理系統(tǒng)(multi-agent-system,MAS)控制和下垂控制[5]。其中，集中控制是要同時(shí)了解各個(gè)分布式儲(chǔ)能模塊的運(yùn)行信息，因此需要高成本的主控芯片和通信線路，且即插即用特性較差；分層控制同樣需要主控制器。而分布式MAS 控制方案不用主控芯片，僅通過代理之間的通信，就可以實(shí)現(xiàn)類似于集中控制的全局控制，且在擴(kuò)展能力等方面優(yōu)于集中控制和分層控制。下垂控制沒有通信且成本低，它使用本地信息來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的負(fù)載分配，可用作分層控制的底層控制方案。因此，分布式MAS 控制方案及下垂控制是未來分布式儲(chǔ)能控制的首選方案。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對BESS 的SOC協(xié)同控制提出了一些方案，但對多電平變換器BESS 的SOC估計(jì)方法及協(xié)同控制的研究較少。文獻(xiàn)[6]首先將儲(chǔ)能技術(shù)融入到了多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，提出了CHB-BESS 模型，并采用安時(shí)積分法對電池進(jìn)行了SOC估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了能量均衡，驗(yàn)證了BESS 與多電平技術(shù)結(jié)合的可行性。文獻(xiàn)[7]針對電池能量管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)提出了一種SOC協(xié)同控制方案，通過小功率DC-DC 變換器將蓄電池組內(nèi)的每個(gè)蓄電池單元進(jìn)行連接，并控制各個(gè)儲(chǔ)能單元的放電速率，同時(shí)利用通訊來收集這些儲(chǔ)能單元的SOC信息，最終實(shí)現(xiàn)了SOC的協(xié)同控制。文獻(xiàn)[8]針對低壓微電網(wǎng)提出了一種基于P-E 下垂控制的SOC協(xié)同控制方案，實(shí)現(xiàn)了相同容量BESS 的SOC協(xié)同控制，但會(huì)出現(xiàn)頻率/電壓偏移問題。文獻(xiàn)[9]提出了MMHC-BESS模型，并在電動(dòng)汽車中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但沒有對其SOC協(xié)同控制進(jìn)行研究。

本文選取MMHC-BESS 模型，相較于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具有經(jīng)濟(jì)效益，從分布式MAS 控制的基本概念出發(fā)，研究了MAS 能量供需平衡問題，構(gòu)建了一致性算法，并對電池模型進(jìn)行了基于PQ 控制的SOC協(xié)同控制研究，最后通過仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 MMHC-BESS的拓?fù)浼敖?/h2>

1.1 MMHC-BESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示是MMHC-BESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 MMHC-BESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中，i=(a,b,c)表示拓?fù)渲械腶,b,c三相橋臂，j=(1,2,…,j)表示每個(gè)單相橋臂中的第j個(gè)子模塊。每相橋臂都由j個(gè)子模塊和全橋模塊級聯(lián)而成，而每個(gè)子模塊則包含一個(gè)半橋模塊、電池組模塊和電容Cij。MMHC-BESS 的輸出端通過L 或LCL 濾波環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)。其中，ui為MMHC-BESS 輸出端的三相電壓，ii為流入MMHC-BESS 的電流，Lg為并網(wǎng)濾波電感，Rg為并網(wǎng)等效阻抗，ugj為網(wǎng)端三相電壓。

當(dāng)MMHC-BESS 接入低壓工業(yè)配電網(wǎng)時(shí)，MMHC 子模塊采用MOSFET 作為開關(guān)器件。MOSFET 工作在高頻狀態(tài)，各子模塊依據(jù)各自電池狀態(tài)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的PWM 斬波調(diào)制，充分利用MOSFET 開關(guān)損耗低的特點(diǎn)。而H 橋采用IGBT 作為開關(guān)器件，工作在工頻狀態(tài)，充分利用其通態(tài)損耗低的優(yōu)勢。因此，結(jié)合兩種復(fù)合開關(guān)器件，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，即儲(chǔ)能收益最大化。

1.2 MMHC-BESS 建模

一階RC 等效電路是最常用的電池模型之一，具有建模簡單、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，因此采用該模型對MMHC-BESS 建模，如圖2所示。該模型包括電池內(nèi)部電源Usoc、電池內(nèi)阻R0以及一階RC 環(huán)節(jié)電阻R1和電容C1。其中，Ubat是電池輸出電壓，Ibat表示電池電流的參考方向，U1是一階RC 環(huán)節(jié)的電壓。

圖2 一階RC 等效電路模型

根據(jù)電路模型可得：

電池SOC與電池容量Q、電流ibat之間的關(guān)系式為：

式中：SOC(t)為t時(shí)刻電池SOC值；SOC(0)為0 時(shí)刻電池SOC值；η為庫侖效率。

把電池SOC和RC 環(huán)節(jié)電容兩端的電壓U1作為狀態(tài)變量，電池輸出電流Ibat設(shè)為激勵(lì)變量，電池輸出電壓Ubat設(shè)為觀測變量，可得離散化后的狀態(tài)空間方程，如下所示：

式中：fUsoc為SOC與Usoc之間的關(guān)系曲線；Δt為離散化步長。

2 MAS 控制并網(wǎng)微電網(wǎng)的能量平衡方法

2.1 分布式MAS 控制的基本概念

分布式MAS 控制相對于集中控制和分層控制來說，由于將系統(tǒng)的控制目標(biāo)分配給了本地控制器來進(jìn)行自主決策，減輕了主控制器的壓力，具有先行性、分布式和智能化等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，以及電力系統(tǒng)控制和能源管理的需求增加，分布式MAS 控制已逐漸成為研究的熱點(diǎn)和趨勢。

在MAS 中，代理(Agent)定義為駐留在環(huán)境中的實(shí)體，主要包括硬件設(shè)備及軟件程序。硬件設(shè)備主要包括電網(wǎng)中的測量設(shè)備、采樣設(shè)備、主控芯片和通信模塊，而軟件主要涉及控制策略和通信協(xié)議。在微電網(wǎng)中，通常在總線節(jié)點(diǎn)上部署收集器、主控器及通信設(shè)備，以形成代理智能決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)視、控制和保護(hù)受控對象。

圖3所示是Agent 的基本結(jié)構(gòu)，主要含有四個(gè)模塊：采集、通信、信息處理和決策。Agent 的工作模式為：動(dòng)態(tài)監(jiān)視環(huán)境的變化，通過收集和匯總信息，結(jié)合預(yù)期目標(biāo)給出控制決策，來響應(yīng)環(huán)境的變化；同時(shí)，還可以跟相鄰的Agent 進(jìn)行通信，對電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制。

圖3 Agent的基本結(jié)構(gòu)

表1 顯示了Agent 的四個(gè)特點(diǎn)。因?yàn)閱蝹€(gè)Agent 只能得到其自己的信息或相鄰Agent 的數(shù)據(jù)的一部分。因此，為了控制整個(gè)微電網(wǎng)，有必要組織微電網(wǎng)中的所有Agent 來構(gòu)建MAS。通過在MAS 中合理分配每個(gè)Agent 的資源，可以及時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化，并達(dá)到全局最優(yōu)的目的。MAS 具有配置方便、高度智能化等優(yōu)勢，對于微電網(wǎng)中需要靈活調(diào)度及協(xié)同控制的分布式儲(chǔ)能來說具有很好的應(yīng)用前景。

表1 Agent 的基本特征

2.2 MAS 能量平衡方法

為了滿足系統(tǒng)供需平衡，MMHC-BESS 在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通常采取PQ控制策略。此時(shí)，其輸出的有功功率和無功功率同負(fù)荷功率的關(guān)系為：

當(dāng)微網(wǎng)的負(fù)荷功率較小時(shí)，需要盡可能地消納RES，此時(shí)RES 變換器采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制策略，將富余的能量儲(chǔ)存在MMHCBESS 中；而當(dāng)微網(wǎng)中RES 出力不足以支撐負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，就需要MMHC-BESS 協(xié)同RES 進(jìn)行參數(shù)和功率調(diào)節(jié)，從而滿足負(fù)荷的功率需求，此時(shí)MMHC-BESS 采用MPPT 控制策略。

當(dāng)微電網(wǎng)所有可以調(diào)度的能源不足以支撐負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行，或者M(jìn)MHC-BESS 的SOC達(dá)到限額時(shí)，需要考慮從外部電網(wǎng)調(diào)度能量，來維持微電網(wǎng)的供需平衡，并且使得MMHC-BESS 的SOC保持在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)考慮電網(wǎng)波動(dòng)性指標(biāo)時(shí)，要保證一個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)電網(wǎng)的輸出功率不變。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)微電網(wǎng)能源供需平衡，需要在各個(gè)分布儲(chǔ)能系統(tǒng)之間建立通信。集中控制策略需要昂貴的中央控制器，成本高。隨著微電網(wǎng)中多種負(fù)荷的增加，微電網(wǎng)中設(shè)備的類型和數(shù)量也持續(xù)增長。采用集中控制方案需要收集大量的設(shè)備信息，因此中央控制器需要處理的信息量繼續(xù)增加，而中央控制器的處理速度和能力受到限制，從而導(dǎo)致集中控制方案在微電網(wǎng)中的應(yīng)用是有限的。分布式MAS 解決方案配置更加靈活方便，采用Agent 之間的相互通信實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，而無需集中式控制器，更適用于分布式儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

根據(jù)微網(wǎng)中設(shè)備的輸出特點(diǎn)，將RES 定義為不可調(diào)度的微源Agent。MMHC-BESS 可以控制和調(diào)度其輸出功率，因此被定義為可調(diào)度的微源Agent。不可調(diào)度的微源Agent 只需要發(fā)送自己的輸出功率到相鄰的可調(diào)度的微源Agent 即可。可調(diào)度的微源Agent 接收不可調(diào)度的微源Agent 的功率信息，并根據(jù)能量供需平衡方法改變自身的功率輸出。同時(shí)，可調(diào)度的微源Agent 通過通信線傳輸功率信息，從而實(shí)現(xiàn)對MMHC-BESS 的SOC協(xié)調(diào)控制。值得注意的是，在構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)的過程中，要遵從通信網(wǎng)絡(luò)是沒有隔離節(jié)點(diǎn)的有向通信網(wǎng)絡(luò)、不可調(diào)度的微源連接到至少一個(gè)可調(diào)度的微源及可調(diào)度的微源是沒有隔離節(jié)點(diǎn)的雙向通信網(wǎng)絡(luò)的原則。

圖4 為各個(gè)微源Agent 之間的向圖，可以表示為G=(V,λ,A)。其中V=(v1,…,vn)，表示有n個(gè)微源設(shè)備；λ表示為相鄰兩個(gè)微源連成的邊的集合，用來表示各個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信關(guān)系，如果從j節(jié)點(diǎn)將信息傳遞給i節(jié)點(diǎn)，可以表示為(vj,vi)；定義矩陣A=[aij]，表示為各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信關(guān)系，也叫做權(quán)重因子，如果j節(jié)點(diǎn)和i節(jié)點(diǎn)直接存在通信，則aij不為零，反之a(chǎn)ij等于零。

圖4 基本有向圖

采用通信相鄰矩陣A、設(shè)備種類矩陣T及出度矩陣E作為MMHC-BESS 的輸出功率依據(jù)，表示為：

式中：矩陣A表示微源之間的松散通信關(guān)系，當(dāng)節(jié)點(diǎn)j可以從節(jié)點(diǎn)i收到信息時(shí)，aij=0，反之a(chǎn)ij=1。對角矩陣T代表設(shè)備種類矩陣，當(dāng)設(shè)備輸出功率可調(diào)度或可控時(shí)（如MMHCBESS），則tii=1；反之，若設(shè)備不可調(diào)度（如光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），則tii=0。對角矩陣E 為出度矩陣，表示從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)引出的通信線的數(shù)量。

根據(jù)MAS 的通訊特點(diǎn)及微網(wǎng)能量供需平衡特點(diǎn)，MMHC-BESS 在k+1 時(shí)刻可以調(diào)度的功率P(k+1)及Q(k+1)加上新能源輸出功率等于微網(wǎng)負(fù)荷需求功率PL(k)及QL(k)，表示為：

根據(jù)上述公式，可以結(jié)合MAS 通訊方法推導(dǎo)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在k+1 時(shí)刻的功率指令為：

由上可知，當(dāng)MMHC-BESS 的輸出功率超出負(fù)荷功率時(shí)，能量會(huì)有剩余，此時(shí)參考功率指令會(huì)變負(fù)；若MMHCBESS 的SOC未達(dá)到限定值，系統(tǒng)將會(huì)吸收電網(wǎng)中多余的能量給MMHC-BESS 充電，從而充分利用RES。而當(dāng)系統(tǒng)功率需求不足時(shí)，MMHC-BESS 則會(huì)放電使電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)上述公式可以推導(dǎo)得到系統(tǒng)能量平衡表達(dá)式為：

式中：z為可調(diào)度微源Agent 編號(hào)；x為Agent 總個(gè)數(shù)。

當(dāng)微網(wǎng)供需不平衡時(shí)，需要靠微電網(wǎng)提供能量，在該情況下可以結(jié)合之前的公式推導(dǎo)出微網(wǎng)輸出功率為：

3 基于MAS 的MMHC-BESS 的SOC 協(xié)同控制方法

在MMHC-BESS 中，功率開關(guān)管特性、線路阻抗等因素都會(huì)對電池的SOC造成影響，并且具有累積效應(yīng)，會(huì)造成電池模塊之間的SOC差異化增大，導(dǎo)致變換器的可用容量下降，系統(tǒng)整體利用率降低，需進(jìn)行SOC均衡。

3.1 MAS 控制微電網(wǎng)MMHC-BESS 的SOC 協(xié)同控制方法

為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)供需平衡，并且考慮不同容量的MMHCBESS 充放電過程中的SOC協(xié)同控制，需要保證微電網(wǎng)在高負(fù)荷運(yùn)行情況下每臺(tái)MMHC-BESS 逆變器輸出功率不超過各自的功率限制，定義如下參數(shù)：

式中：GPI為比例積分系數(shù)；idref和iqref分別為MMHC-BESS 的電流經(jīng)過dq變換之后的d軸電流及q軸電流；和為各個(gè)MMHC-BESS 逆變器的輸出有功功率及無功功率；和為各個(gè)MMHC-BESS 的參考有功功率及無功功率；α和β為權(quán)重系數(shù)，可以保證MMHC-BESS 的輸出功率不超過其規(guī)定值；r為SOC均衡系數(shù)，主要調(diào)節(jié)MMHC-BESS 充放電過程中SOC協(xié)同控制速度；Cei為每個(gè)MMHC-BESS 的容量；ks為權(quán)重系數(shù)；SOCave為MMHC-BESS 的SOC均值。

其中，MMHC-BESS 的功率平均值可由下式計(jì)算：

根據(jù)上述公式，MMHC-BESS 的協(xié)同控制框圖如圖5所示。

圖5 MMHC-BESS控制框圖

3.2 一致性算法

要得到各個(gè)MMHC-BESS 的功率及SOC平均值，需要各個(gè)Agent 之間實(shí)現(xiàn)通信，為了減少通信的數(shù)量，采用一致性算法進(jìn)行功率和SOC均值計(jì)算，降低系統(tǒng)的構(gòu)建成本。將連接到電網(wǎng)中的MMHC-BESS 當(dāng)成一個(gè)由N 節(jié)點(diǎn)和其節(jié)點(diǎn)相鄰的邊E 組成的通信網(wǎng)絡(luò)。相鄰節(jié)點(diǎn)直接相互通信，每個(gè)MMHC-BESS 都可以儲(chǔ)存其初始SOC值和功率值。

一致性算法主要分為以下兩個(gè)步驟：

(1)相鄰節(jié)點(diǎn)之間通過雙向通信，交換各自的信息；

(2)將新信息和自身的歷史信息進(jìn)行線性組合來更新狀態(tài)信息。

其具體計(jì)算公式如下所示：

式中：SOCave_i為MMHC-BESSi 的SOC平均值；SOCi為單個(gè)MMHC-BESSi 的SOC值；kw為權(quán)重因子。

結(jié)合MAS 通信協(xié)議的A、T、E矩陣，可將上述公式改寫為：

其有功和無功計(jì)算方式相似。

圖6所示為一致性算法下MMHC-BESS 的SOC均值迭代過程，設(shè)定MMHC-BESS1 的SOC初始值為0.8，MMHCBESS2 的SOC初始值為0.5，經(jīng)過若干次迭代之后得到MMHC-BESS 的SOC均值。

圖6 一致性算法SOC均值

4 仿真與分析

根據(jù)MAS 通信方案，建立如圖7所示的微源通信結(jié)構(gòu)，其中紅色Agent 代表不可調(diào)度單元為RES，黃色Agent 代表可調(diào)度單元為MMHC-BESS，藍(lán)色為負(fù)荷。不可調(diào)度Agent 和負(fù)荷可以與相鄰的可調(diào)度Agent 進(jìn)行單向通信，主要發(fā)送有功及無功信息，而可調(diào)度Agent之間可以相互通信。

根據(jù)如圖7所示的MAS 通信圖可以得到系統(tǒng)的鄰接矩陣A、設(shè)備類型矩陣T及出度矩陣E分別為：

圖7 MAS通信圖

根據(jù)矩陣A、T、E可以求得MMHC-BESS(Agent2)的輸出功率參考值：

結(jié)合上述公式及圖7 可以得出，不可調(diào)度Agent 的負(fù)荷被與其存在通信的可調(diào)度單元完全支配，而其余的負(fù)荷被微網(wǎng)中的MMHC-BESS 均分。

根據(jù)上述方案建立仿真模型，如圖8所示。

圖8 分布式MAS 協(xié)同控制模型

仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表

圖9～圖11 為采用MAS 協(xié)同控制方案的仿真結(jié)果，仿真過程中考慮了MMHC-BESS 的SOC不一致和微網(wǎng)能量功率平衡等問題。圖9(a)所示為不可調(diào)度發(fā)電單元的出力情況，輸出的有功和無功功率均為定值；圖9(b)所示為負(fù)荷的需求功率，在t=3 s 時(shí)，負(fù)荷5(1)的需求功率從13.46 kW、7.93 kVar突變?yōu)?6.93 kW、15.86 kVar，使得微網(wǎng)能量供需不平衡，電網(wǎng)首先提供瞬時(shí)功率支撐，然后由MMHC-BESS 快速相應(yīng)負(fù)荷功率變換，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)供需平衡，在此過程中沒有對不可調(diào)度單元輸出功率產(chǎn)生影響。

圖9 功率仿真波形

圖11 MMHC-BESS輸出功率情況

從圖10、11 可以得出，采用分布式MAS 協(xié)同控制過程中，在充電狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)MMHC-BESS 的容量比例來分配功率，再考慮自身SOC與MMHC-BESS 的SOC均值的關(guān)系，來補(bǔ)充額外的功率指令，在保證微網(wǎng)供需平衡的情況下，實(shí)現(xiàn)了MMHC-BESS 的SOC的協(xié)同控制。

圖10 MMHC-BESS的SOC均衡情況

5 結(jié)論

(1)分析了MMHC-BESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用一階RC 戴維南等效電池模型對MMHC-BESS 進(jìn)行了建模。

(2)介紹了分布式MAS 控制的優(yōu)勢，對MAS 中Agent 這一實(shí)體進(jìn)行了詳細(xì)的解釋，并提出了一種MAS 能量平衡方法，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)微電網(wǎng)內(nèi)能量的供需平衡。

(3)提出了一種MAS 控制微電網(wǎng)MMHC-BESSPQ控制的SOC協(xié)同方案，可以調(diào)節(jié)MMHC-BESS 逆變器的輸出有功功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了不同容量MMHC-BESS 的SOC協(xié)同控制。

(4)搭建了基于MMHC-BESS 的分布式MAS 協(xié)同控制模型，得到了MMHC-BESS 的功率平衡情況和SOC均衡情況，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的可行性。