收稿日期：2022-09-14

基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目（2021L289）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（202203021221153）；太原科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（20202005；

20202007）

通信作者：吳青峰（1987—），男，博士、副教授，主要從事新能源并網(wǎng)及控制技術(shù)、電能質(zhì)量治理方面的研究。827211907@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1390 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0453-10

摘 要：在微電網(wǎng)內(nèi)光伏、風(fēng)力機(jī)等可再生能源發(fā)電裝置發(fā)生故障或天氣狀況不佳，輸出的能量不足以支撐負(fù)荷時(shí)，要求微電網(wǎng)內(nèi)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）具有一定的負(fù)荷支撐能力。基于此，提出一種計(jì)及BESS時(shí)間約束的孤島微電網(wǎng)儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案。該方案根據(jù)BESS時(shí)間約束和系統(tǒng)頻率約束條件，利用兩級(jí)多代理（MAS）對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行管理，使BESS能留有足夠的容量支撐關(guān)鍵負(fù)荷在供電恢復(fù)前正常運(yùn)行和保證頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)，為保證所有BESS同時(shí)給負(fù)荷供電以減少切負(fù)荷量，提出基于兩級(jí)MAS的BESS組間荷電狀態(tài)（SOC）均衡方案。仿真結(jié)果表明：所提方案能同時(shí)實(shí)現(xiàn)BESS的時(shí)間約束、SOC均衡和頻率控制。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能；多代理系統(tǒng)；電力負(fù)荷管理；時(shí)間約束；荷電狀態(tài)均衡

中圖分類號(hào)：TM46"""""" """"""""""" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

微電網(wǎng)系統(tǒng)融合了具有清潔、可再生特性的光伏、風(fēng)力機(jī)等發(fā)電裝置，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“碳達(dá)峰”“碳中和”雙碳目標(biāo)的重要支撐［1］。在微電網(wǎng)故障或天氣不佳等極端工況下應(yīng)優(yōu)先保證微電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵負(fù)荷供電［2］。孤島微電網(wǎng)常把電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（battery energy storage system， BESS）作為備用電源，在微電網(wǎng)內(nèi)微源出現(xiàn)故障或天氣狀況不佳期間，支撐微電網(wǎng)關(guān)鍵負(fù)荷供電特定的時(shí)間（即BESS時(shí)間約束）以待故障消除或天氣狀況好轉(zhuǎn)［3］。孤島微電網(wǎng)內(nèi)BESS逆變器常采用下垂控制以實(shí)現(xiàn)功率均分、調(diào)壓調(diào)頻等功能。但傳統(tǒng)下垂控制方案不能確保BESS在極端工況下留有足夠的容量維持關(guān)鍵負(fù)荷運(yùn)行特定時(shí)間和實(shí)現(xiàn)BESS組間荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）均衡，在負(fù)荷加重時(shí)存在電能質(zhì)量下降問(wèn)題。

針對(duì)極端工況下微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，文獻(xiàn)［4］提出一種特高壓直流故障下源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制方案，通過(guò)優(yōu)化源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)頻率跌落的恢復(fù)。文獻(xiàn)［5-6］中以微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)為約束條件，利用粒子群算法對(duì)直流微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［7］提出完全分布式多目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化算法并建立源-儲(chǔ)-荷互動(dòng)的分布式優(yōu)化博弈模型，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［8］以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄風(fēng)率，提高穩(wěn)定性為控制目標(biāo)，通過(guò)建立多時(shí)間尺度調(diào)度模型，對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)進(jìn)行調(diào)度。文獻(xiàn)［9］中設(shè)計(jì)了太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)追蹤（maximum power point tracking， MPPT）、恒壓統(tǒng)一控制器，通過(guò)對(duì)蓄電池和光伏工作模式進(jìn)行切換，減少光儲(chǔ)直流微網(wǎng)母線電壓波動(dòng)，避免蓄電池SOC超過(guò)充放電限制值，提高了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［10］利用通信采集微電網(wǎng)的拓?fù)湫畔?、微源大擾動(dòng)期間運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)電壓電流信息等，進(jìn)行微源出力的均衡協(xié)調(diào)，以增強(qiáng)微電網(wǎng)應(yīng)對(duì)擾動(dòng)的能力和穩(wěn)定性。綜上可知：目前已存的微電網(wǎng)源儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案研究目標(biāo)多集中在微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，未考慮關(guān)鍵負(fù)荷供電和BESS的SOC均衡問(wèn)題。

為提高極端工況下關(guān)鍵負(fù)荷供電可靠性，文獻(xiàn)［11］從能量調(diào)度角度出發(fā)，在負(fù)荷供電不足時(shí)通過(guò)重新調(diào)整微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將能量充足的微源或子微電網(wǎng)劃入能量不足的子微電網(wǎng)或直接從能量充足的微源或子微電網(wǎng)調(diào)度能量，確保負(fù)荷供電。但該方案只適用于存在可調(diào)度能源的微電網(wǎng)，在本文背景下，該方案不適用。切負(fù)荷是極端工況下實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的有效手段。文獻(xiàn)［12］中基于信息交互的負(fù)荷管理方案以“移峰填谷”為目標(biāo)，對(duì)建筑內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行管理和切除。文獻(xiàn)［13］以智能電網(wǎng)功率供需平衡和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，利用控制系統(tǒng)對(duì)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整和切除，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。文獻(xiàn)［14-16］分別利用物聯(lián)網(wǎng)和多代理（multi-agent system， MAS）技術(shù)，依據(jù)設(shè)置的供需平衡條件和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，對(duì)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行管理，通過(guò)切除最少負(fù)荷實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。但上述方案均未考慮極端工況下關(guān)鍵負(fù)荷供電時(shí)間約束和SOC均衡問(wèn)題，易造成電力恢復(fù)過(guò)程中關(guān)鍵負(fù)荷斷電、BESS減壽和爆炸問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)存儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案和關(guān)鍵負(fù)荷供電保障方案均未考慮極端工況下BESS需有足夠容量支撐關(guān)鍵負(fù)荷供電特定時(shí)間和SOC不均衡問(wèn)題，提出基于兩級(jí)MAS的BESS時(shí)間約束方案。該方案考慮極端工況下關(guān)鍵負(fù)荷存在的時(shí)間約束問(wèn)題，研究如何切除盡可能少的非關(guān)鍵負(fù)荷，使BESS留有足夠的容量支撐關(guān)鍵負(fù)荷在供電恢復(fù)前正常運(yùn)行和恢復(fù)負(fù)荷加重造成的頻率跌落。此外，該方案還利用兩級(jí)MAS實(shí)現(xiàn)BESS組間SOC均衡。

1 微電網(wǎng)兩級(jí)MAS結(jié)構(gòu)

圖1為孤島交流微電網(wǎng)示意圖，多臺(tái)風(fēng)力機(jī)、光伏和BESS采用分布式安裝方案，通過(guò)各自電力電子變換器并聯(lián)給關(guān)鍵和非關(guān)鍵負(fù)荷供電。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)CB可控制負(fù)荷的接入與切除。微電網(wǎng)中各微源離交流母線的距離和線路阻抗值不同。為模擬真實(shí)工況，圖1中設(shè)置不同的微源距網(wǎng)長(zhǎng)度，在仿真中根據(jù)微源距網(wǎng)距離設(shè)置線路阻抗參數(shù)。

微電網(wǎng)采用兩級(jí)MAS的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。在兩級(jí)MAS中將光伏和風(fēng)力機(jī)視為可再生能源（renewable energy sources， RES）代理，逆變器采用MPPT控制方案。將BESS視為BESS代理，逆變器采用所提SOC均衡策略。將關(guān)鍵負(fù)荷和非關(guān)鍵負(fù)荷分別視為關(guān)鍵負(fù)荷代理和非關(guān)鍵負(fù)荷代理。在兩級(jí)MAS中，主導(dǎo)代理負(fù)責(zé)接收底層發(fā)出的功率、頻率、SOC及非關(guān)鍵負(fù)荷信息，根據(jù)BESS時(shí)間約束和頻率約束條件對(duì)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行管理。同時(shí)，底層BESS代理根據(jù)上層代理信息負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)SOC均衡。

2 所提BESS時(shí)間約束方案

2.1 基于兩級(jí)MAS的SOC均衡方案

實(shí)現(xiàn)SOC均衡可確保微電網(wǎng)內(nèi)全部BESS同時(shí)給負(fù)荷供電，防止某臺(tái)BESS先放完電停機(jī)，進(jìn)而減少非關(guān)鍵負(fù)荷的切除量。孤島交流微電網(wǎng)BESS逆變器常采用傳統(tǒng)P-f下垂控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均分，但傳統(tǒng)P-f下垂控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)SOC均衡［17］。因此，在下垂控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于兩級(jí)MAS的SOC均衡策略。如式（1）所示：

[f=fref-kpPi-ksoc（αSOCave-γSOCi）]"nbsp;"""" （1）

式中：[f]、[fref]——系統(tǒng)的頻率及其參考值，Hz；[kp]、[ksoc]——下垂系數(shù)，rad/W、rad；[Pi]——第[i]臺(tái)BESS逆變器輸出的有功功率，kW；[αSOCave]——所有BESS的SOC平均值；[γSOCi]——第[i]臺(tái)BESS的SOC值。

式（1）中[γSOCi]計(jì)算公式［18］為：

[γSOCi=βSOC0i-PidtVDCiCi]" （2）

式中：[βSOC0i]——第[i]臺(tái)BESS的初始SOC值；[VDCi]——第[i]臺(tái)BESS輸出側(cè)電壓，V；[Ci]——第[i]臺(tái)BESS容量，Ah。

式（1）中[αSOCave]值在圖2中上層代理中求出。上層代理利用通訊收集到各下層BESS代理SOC信息并求得所有SOC之和，接著除以BESS總數(shù)量即可求出[αSOCave]值。[αSOCave]計(jì)算公式為：

[αSOCave=1ni=1nγSOCi] （3）

式中：[n]——微電網(wǎng)中BESS數(shù)量，臺(tái)。

圖3以兩臺(tái)BESS為例，展示了SOC均衡原理。圖3中實(shí)線表示初始SOC高的BESS的P-f下垂特性曲線，虛線表示初始SOC低的BESS的P-f下垂特性曲線。根據(jù)式（2）可知，初始SOC高的BESS輸出的有功功率低。因此，圖3中[t1]時(shí)刻實(shí)線對(duì)應(yīng)的有功功率[P1，t1]值小于虛線對(duì)應(yīng)的有功功率[P2，t1]值。引入SOC調(diào)節(jié)因子[ksoc]（[αSOCave-][γSOCi]）后，在[t1+Δt]時(shí)刻初始SOC不一致導(dǎo)致SOC調(diào)節(jié)因子數(shù)值不一致，進(jìn)而引起圖中實(shí)線和虛線平移程度和有功功率變化值不同。實(shí)線對(duì)應(yīng)SOC調(diào)節(jié)因子為負(fù)值，根據(jù)式（1），輸出的有功功率增加（[P1，t1+Δt]），BESS加速放電，SOC下降速度加快；虛線對(duì)應(yīng)SOC調(diào)節(jié)因子為正值，根據(jù)式（1），輸出的有功功率減少（[P2，t1+Δt]），BESS減速放電，SOC下降速度減慢。此過(guò)程中，有功功率變化量[ΔP1，t1]大于[ΔP2，t1]，根據(jù)式（2）分析，兩臺(tái)BESS中SOC曲線不均衡差將逐漸減少，最終趨于重合。此外，實(shí)現(xiàn)SOC均衡后，SOC調(diào)節(jié)因子的值等于0，式（1）變?yōu)閭鹘y(tǒng)P-f下垂控制，消除SOC均衡過(guò)程中頻率偏移問(wèn)題。

2.2 基于兩級(jí)MAS的頻率恢復(fù)方案

上述基于兩級(jí)MAS的SOC均衡方案在SOC均衡后，變?yōu)閭鹘y(tǒng)P-f下垂控制。但傳統(tǒng)下垂控制下，加重負(fù)荷可能會(huì)引起頻率值下降到規(guī)定的范圍（50±0.5 Hz）以下，影響負(fù)荷和系統(tǒng)的正常工作［19］。因此，提出一種基于兩級(jí)MAS的頻率調(diào)節(jié)方案，確保頻率在規(guī)定范圍內(nèi)。該方案中上層代理根據(jù)頻率約束條件求出應(yīng)切除的非關(guān)鍵負(fù)荷值，并在底層非關(guān)鍵負(fù)荷代理中尋找等于（或大于）頻率約束條件求出的非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行切除，使頻率維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)頻率恢復(fù)的切負(fù)荷原則如下：

若使頻率保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，即[49.5≤f≤50.5]，式（1）應(yīng)該滿足式（4）：

[49.5≤fref-kpPi-ksoc（αSOCave-γSOCi）≤50.5]"""" （4）

根據(jù)式（4）得到有功功率[Pi]約束條件為：

[fref-50.5-ksoc（αSOCave-γSOCi）kp≤Pi≤fref-49.5-ksoc（αSOCave-γSOCi）kp]""""" """"""""""" （5）

在本文BESS能量不能維持全部負(fù)荷的極端工況下，BESS輸出的[Pi]滿足下面約束條件即可保證頻率質(zhì)量：

[Pi≤fref-49.5-ksoc（αSOCave-γSOCi）kp]"""""" （6）

若[Pi]達(dá)不到式（6）約束條件，則需要切除的非關(guān)鍵負(fù)荷量（[ΔP1]）為：

[ΔP1=PL-Pi] （7）

式中：[ΔP1]——切除的非關(guān)鍵負(fù)荷量，kW；[PL]——總負(fù)荷有功功率，kW。

2.3 BESS時(shí)間約束方案

若系統(tǒng)頻率已經(jīng)滿足式（4），接下來(lái)判斷BESS是否滿足時(shí)間約束條件。本文設(shè)置的BESS時(shí)間約束條件為：BESS給關(guān)鍵負(fù)荷持續(xù)供電時(shí)間[T]后，其SOC值不能低于0.2，則有：

[0TPidtVDCiCi=Pi?TVDCiCi≤γSOCi-0.2]"""""" （8）

式中：[T]——關(guān)鍵負(fù)荷持續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)度，s。

BESS時(shí)間約束條件下，由式（8）推導(dǎo)出的[Pi]約束條件為：

[Pi≤（γSOCi-0.2）?VDCiCiT] （9）

在實(shí)現(xiàn)BESS時(shí)間約束過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)多次檢測(cè)[Pi]，根據(jù)[Pi]值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負(fù)荷值。如果檢測(cè)[n]次[Pi]數(shù)據(jù)，那么在第[k]（[k=0，1，2，…，n-1]）次檢測(cè)過(guò)程中[Pi，k]應(yīng)滿足的約束條件為：

[Pi，k≤（δSOCi，k-0.2）?VDCiCiT-Tn?k]" （10）

式中：[Pi，k]——第[k]次采樣時(shí)BESS輸出的有功功率，kW；[δSOCi，k]——第[k]次采樣時(shí)BESS的SOC值。

若[Pi，k]滿足約束條件式（10），系統(tǒng)內(nèi)非關(guān)鍵負(fù)荷不變化。若[Pi，k]不滿足約束條件式（10），則切除式（11）算出的非關(guān)鍵負(fù)荷[ΔP2]。

[ΔP2=PL-Pi，k=PL-（δSOCi，k-0.2）?VDCiCiT-Tn?k]""""" （11）

式中：[ΔP2]——應(yīng)切除的非關(guān)鍵負(fù)荷值，kW。

整個(gè)BESS時(shí)間約束流程如圖4，式（11）中[n=5]，[k]為計(jì)數(shù)器，[k]的初始值為0。第1步檢測(cè)頻率能否滿足約束條件（式（6））。若滿足，則接著檢測(cè)[Pi]能否滿足時(shí)間約束條件（式（10）），若不滿足上層代理通知下層非關(guān)鍵負(fù)荷代理切除式（11）算出的非關(guān)鍵負(fù)荷值ΔP2，接著[k]值加1，并判斷[k]值是否大于[n]值。若[k]lt;[n]，開(kāi)始進(jìn)行下一輪檢測(cè)流程，若[k]≥[n]，則結(jié)束整個(gè)流程。如果[Pi]滿足時(shí)間約束，[k]值加1，并判斷[k]是否滿足小于[n]。若[k]lt;[n]，開(kāi)始下一輪檢測(cè)流程。若頻率不滿足約束條件（式（6）），上層代理根據(jù)式（7）計(jì)算出的應(yīng)切除的非關(guān)鍵負(fù)荷值[ΔP1]。接著，判斷[Pi]能否滿足時(shí)間約束條件（式（10）），若不滿足，上層代理根據(jù)式（11）計(jì)算出的應(yīng)切除的非關(guān)鍵負(fù)荷[ΔP2]，接著比較[ΔP1]和[ΔP2]的大小，將兩者較大的非關(guān)鍵負(fù)荷值定義為[ΔPb]，并切除[ΔPb]的非關(guān)鍵負(fù)荷以便同時(shí)滿足頻率和時(shí)間約束條件。接著，[k]值加1，并判斷[k]是否滿足小于[n]。若[k]lt;[n]，開(kāi)始進(jìn)行下一輪檢測(cè)流程。若[k]≥[n]，則結(jié)束整個(gè)流程。若[Pi]滿足時(shí)間約束條件（式（10）），則切除值為[ΔP1]的非關(guān)鍵負(fù)荷。接著[k]值加1，并判斷[k]是否滿足小于[n]。若[k]lt;[n]，開(kāi)始進(jìn)行下一輪檢測(cè)流程。若[k]≥[n]，則結(jié)束整個(gè)流程。

3 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD仿真軟件搭建如圖1所示的仿真模型，對(duì)多種工況下所提方案的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真中設(shè)置BESS時(shí)間約束條件為：在微源不足以支撐負(fù)荷的工況下BESS支撐關(guān)鍵負(fù)荷工作5 s且停機(jī)后各臺(tái)BESS的SOC值不低于0.2。頻率約束條件為：系統(tǒng)頻率在（50±0.5） Hz之間。仿真中設(shè)置的參數(shù)如表1。

工況1：采用傳統(tǒng)控制方案

在這種工況下，每臺(tái)電池（Bi）逆變器采用傳統(tǒng)P-f下垂控制方案，3臺(tái)RES采用MPPT控制方案。仿真中假設(shè)天氣狀況不佳，光伏[PPV1、PPV2]和風(fēng)力機(jī)[PWT]逆變器輸出的功有功功率均小于表1中設(shè)置的額定值。傳統(tǒng)控制方案下的仿真結(jié)果圖5，在[t=2 s]以前微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)有功負(fù)荷值為168 kW，在[t=2 s]和[t=3 s]時(shí)投入30和18 kW的有功負(fù)荷（如圖5e）。圖5a中光伏和風(fēng)力機(jī)輸出的功率恒定，[PPV1、][PPV2、][PWT]值

分別為38、60和28 kW。由圖5b分析可知：當(dāng)BESS電力電子變換器采用傳統(tǒng)P-f控制方案時(shí)，SOC均衡誤差較大（約0.08），整個(gè)放電過(guò)程無(wú)法均衡，還存在第3臺(tái)電池B3不滿足時(shí)間約束條件并發(fā)生過(guò)放停機(jī)問(wèn)題。圖5c中3臺(tái)BESS輸出的有功功率均分除光伏和風(fēng)力機(jī)的其余有功功率，其值隨著負(fù)荷變化而改變。圖5d說(shuō)明傳統(tǒng)下垂控制下，系統(tǒng)頻率在負(fù)荷加重時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏移，嚴(yán)重時(shí)頻率值會(huì)低于規(guī)定值（50±0.5 Hz）。上述分析表明傳統(tǒng)下垂控制無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)BESS的時(shí)間和頻率約束。

工況2：儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案

儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案的控制效果見(jiàn)圖6。圖6中RES輸出功率和負(fù)荷變化情況與工況1保持一致，仿真中每隔1 s檢測(cè)一次數(shù)據(jù)。對(duì)比圖6和圖5可知：在所提方案控制下，圖6a中3臺(tái)BESS的SOC曲線逐漸聚攏，均衡誤差逐漸趨于0，最終均衡。BESS時(shí)間約束條件內(nèi)（5 s），所有BESS的SOC均高于規(guī)定的最低SOC限制值（0.2）。圖6d中在[t=2 s]以前，檢測(cè)到BESS輸出功率滿足式（10），未切除非關(guān)鍵負(fù)荷，因此，圖6d中[t=2 s]以前的負(fù)荷值和圖5e中[t=2 s]以前的負(fù)荷值保持一致。在[t=2]s、[t=3]s加入負(fù)荷后，檢測(cè)到系統(tǒng)頻率和BESS輸出功率不滿足式（6）和式（10），按照式（7）和式（11）切除部分非關(guān)鍵有功負(fù)荷。因此，雖然在[t=2 s]、[t=3 s]增加了30和18 kW負(fù)荷，但和圖5e相比，圖6d在[t=2 s、][t=3 s]僅增加22和8 kW負(fù)荷，并在[t=4 s]切除了7 kW負(fù)荷。換言之，所提方案通過(guò)切除25 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和BESS時(shí)間約束目的。在圖6d負(fù)荷減少的影響下，圖6c系統(tǒng)頻率在負(fù)荷值增加后，頻率也未超過(guò)（50±0.5）Hz范圍。此外，受負(fù)荷減少的影響，圖6b中BESS輸出總的有功功率值比圖5c中相同時(shí)間段內(nèi)有功功率值要少。這也是實(shí)現(xiàn)BESS時(shí)間和頻率約束控制的關(guān)鍵。

工況3：增加BESS時(shí)間約束時(shí)長(zhǎng)

由圖7a分析可知：所提方案可將BESS時(shí)間約束時(shí)長(zhǎng)由工況2中的5 s延長(zhǎng)到6 s，同時(shí)不影響方案的SOC均衡效果。

與圖6d切除25 kW非關(guān)鍵負(fù)荷相比，圖7d在[t=0 s]、[t=1 s]、[t=2 s、t=3 s、t=4 s]和[t=5 s]時(shí)分別切除了2、0、26、15、23、12 kW的非關(guān)鍵有功負(fù)荷。這說(shuō)明所提策略可通過(guò)切除更多的非關(guān)鍵負(fù)荷值，達(dá)到增加BESS給關(guān)鍵負(fù)荷的供電時(shí)長(zhǎng)的目的。同時(shí)，切除更多的非關(guān)鍵負(fù)荷也造成圖7b中所有BESS逆變器輸出有功功率值比圖6b中的小。此外，從圖7c可看出，延長(zhǎng)BESS時(shí)間約束時(shí)長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)頻率調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生影響。

工況4：通訊發(fā)生延遲

由于通訊系統(tǒng)中會(huì)存在通訊延時(shí)問(wèn)題，因此研究所提方案在通訊延遲工況下的可靠性是十分必要的［20］。假設(shè)在[t=1 s]時(shí)通訊系統(tǒng)存在0.2 s［21］的延遲，負(fù)荷變化情況和工況1保持一致。圖8表明在[t=1 s]發(fā)生通訊延遲瞬間，會(huì)引起仿真波形波動(dòng)，但通訊延遲未對(duì)所提方案的控制效果產(chǎn)生影響。因此，圖8和圖6的仿真波形幾乎一致。

工況5：天氣變化

前面4種工況均假設(shè)天氣處于理想狀態(tài)，RES輸出功率恒定。實(shí)際工況中，受光照強(qiáng)度和風(fēng)力變化的影響，RES輸出功率非恒定而是發(fā)生波動(dòng)。這種工況的仿真波形如圖9所示。與圖6b中RES輸出功率為恒定值工況的差異在于：圖9c說(shuō)明BESS逆變器輸出功率會(huì)隨著RES輸出功率波動(dòng)而發(fā)生改變，不再是恒定值。圖9d中雖然頻率也隨RES發(fā)生波動(dòng)，但一直處于規(guī)定范圍內(nèi)。圖9e在[t=2 s、][t=3 s、][t=4 s]分別切除16、18和9 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷。和圖6d數(shù)據(jù)相比，圖9e多切除18 kW負(fù)荷，說(shuō)明RES輸出功率波動(dòng)雖然不會(huì)影響B(tài)ESS的SOC均衡和時(shí)間約束效果，但會(huì)影響切除的非關(guān)鍵負(fù)荷值。

工況6：擴(kuò)容效果驗(yàn)證

在中國(guó)“雙碳”目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)背景下，RES裝機(jī)量和用電負(fù)荷量也隨之上漲。在此背景下，儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)控制方案應(yīng)有一定的擴(kuò)容能力，能夠接納新加入的微源。在圖10中，BESS3在t=1 s時(shí)由停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為啟動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，BESS3將自身數(shù)據(jù)傳到上層代理，上層代理根據(jù)控制目標(biāo)重新調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負(fù)荷的大小，最終實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。圖10d中，在[t=0 s]、[t=1 s、t=2 s、t=3 s]和[t=4 s]分別切除15、0、24、37和5 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷。和圖6d對(duì)比，由于第3臺(tái)電池B3少供1 s電，因此需要多切除56 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷才能實(shí)現(xiàn)相同的時(shí)間和頻率約束。同時(shí)，圖10說(shuō)明采用所提方案可方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

提出一種計(jì)及BESS時(shí)間約束的微電網(wǎng)儲(chǔ)荷控制方案，實(shí)現(xiàn)孤島微電網(wǎng)BSSS時(shí)間約束和SOC均衡，并保持頻率在規(guī)定范圍。所提方案在微電網(wǎng)負(fù)荷變化、天氣變化、通訊延遲、有新微源接入和延長(zhǎng)BESS時(shí)間約束時(shí)長(zhǎng)的工況下均取得預(yù)期的控制效果。主要結(jié)論如下：

1）傳統(tǒng)控制方案無(wú)法縮小SOC均衡差（約0.08），在負(fù)荷加重情況下會(huì)使頻率低于其下限值（50±0.5 Hz），只能被動(dòng)均分負(fù)荷，在增加48 kW負(fù)荷后，BESS輸出的功率也會(huì)相應(yīng)增加48 kW，無(wú)法根據(jù)時(shí)間和頻率約束條件對(duì)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行管理。

2）仿真數(shù)據(jù)表明：和傳統(tǒng)控制方案相比，所提方案通過(guò)切除25 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷實(shí)現(xiàn)惡劣工況下的時(shí)間約束和頻率約束目標(biāo)；通過(guò)多切除2 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷使關(guān)鍵負(fù)荷的供電時(shí)間增加1 s；一定通訊延遲下，不影響控制方案效果；在天氣變化要實(shí)現(xiàn)與天氣穩(wěn)定工況同樣的時(shí)間和頻率約束條件，非關(guān)鍵負(fù)荷的切除量不同，相差18 kW；方案具有良好的擴(kuò)容特性，當(dāng)BESS由2臺(tái)增加到3臺(tái)的過(guò)程中，需要多切除56 kW的非關(guān)鍵負(fù)荷才能實(shí)現(xiàn)相同的時(shí)間和頻率約束。

3）提出的基于兩級(jí)MAS的SOC均衡方案能夠通過(guò)上層代理算出的SOC調(diào)節(jié)因子對(duì)下層BESS代理輸出功率進(jìn)行控制，將所有BESS的SOC均衡差由0.08縮小到接近于0。所有SOC曲線趨于一致。

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STORAGE-LOAD COORDINATED CONTROL SCHEME FOR

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Wu Qingfeng1，Wang Yi1，Yu Shaojuan1，Sun Xiaofeng2，Dong Jia3

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3. Institute of Applied Mathematics， Hebei Academy of Sciences， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：When the photovoltaic， wind turbine and other renewable energy power generation devices in the microgrid fail or the weather conditions are poor， and the output energy is insufficient to support the load， the battery energy storage system （BESS） in the microgrid is required to have a certain load support capacity. Based on this， a load-storage coordinated control scheme of isolated microgrid considering BESS time constraint is proposed. According to the time constraints and system frequency constraints of the BESS， the scheme uses a two-level multi-agent system （MAS） to manage the non-critical loads in the microgrid， so that the BESS can reserve sufficient capacity to support the normal operation of critical loads before power supply recovery and ensure that the frequency is within the specified range. ALSO， in order to ensure that all BESS supply power to the load at the same time to reduce load shedding， a state of charge （SOC） balancing scheme between BESS groups based on two-level MAS is proposed. The simulation results show that the proposed scheme can simultaneously realize the time constraint， SOC balancing and frequency control of BESS.

Keywords：battery energy storage； multi agent system； electric load management； time constraint； SOC balancing