葉 軍,劉 波,袁智強(qiáng),陳云輝,王育飛,薛 花
(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200025;2.上海電力大學(xué),電氣工程學(xué)院,上海 200090)
綜合能源微網(wǎng)(Integrated Energy Microgrid,IEM)是集成電、熱多種能源形式和多元化負(fù)荷類(lèi)型的載體,能量樞紐(Energy Hub,EH)作為IEM 重要組成部分單元,具有轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存電、熱復(fù)合能源的能力[1-3]。根據(jù)用戶(hù)側(cè)負(fù)荷情況,通過(guò)EH 協(xié)調(diào)控制,對(duì)用戶(hù)需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,可實(shí)現(xiàn)電、熱不同形式能源的互補(bǔ)與協(xié)同,有益于節(jié)能降碳及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的達(dá)成[4-7]。
因此,近年來(lái)EH 協(xié)同控制成為國(guó)內(nèi)外IEM 研究的熱點(diǎn),提出下垂控制方法[8]和分布式協(xié)同控制方法[9-10],以實(shí)現(xiàn)電、熱功率源荷協(xié)同分配。模擬同步發(fā)電機(jī)特性,下垂控制方法根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)有功功率-頻率、熱網(wǎng)絡(luò)熱功率-壓力內(nèi)在關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)分布式能源“即插即用”,但由于不同線(xiàn)路存在阻抗、損耗差異,實(shí)際情況下采用下垂控制方法常會(huì)引起電、熱功率難以精確分配,產(chǎn)生頻率和壓力響應(yīng)偏差[11]。利用相鄰節(jié)點(diǎn)間通信鏈路,基于多智能體理論的分布式控制方法計(jì)及節(jié)點(diǎn)間期望功率軌跡跟蹤誤差,有效提升功率分配精度,克服下垂控制方法不足。文獻(xiàn)[12]基于一致性控制方法,實(shí)現(xiàn)了電、熱功率精確分配;文獻(xiàn)[13]提出一致性分層控制方式,不僅可以實(shí)現(xiàn)電、熱功率精確分配,同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率和壓力穩(wěn)定控制。但隨著分布式能源接入數(shù)量增加,一致性控制方法的高頻通信帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的通信壓力和計(jì)算負(fù)擔(dān)。
針對(duì)一致性控制方法高頻通信問(wèn)題,事件觸發(fā)控制僅在滿(mǎn)足事件觸發(fā)閾值時(shí)才啟動(dòng)相鄰節(jié)點(diǎn)間通信,成為減少通信傳輸?shù)挠行Х椒āN墨I(xiàn)[14]提出基于事件觸發(fā)的分布式控制,實(shí)現(xiàn)電、熱功率精確分配。文獻(xiàn)[15]提出計(jì)及通信時(shí)延的電、熱功率預(yù)測(cè)控制方法,通過(guò)估計(jì)最大可容忍通信延遲設(shè)計(jì)事件觸發(fā)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)功率波動(dòng)的精準(zhǔn)預(yù)判與快速補(bǔ)償。文獻(xiàn)[16]提出混合能源的高效采樣方案,通過(guò)事件觸發(fā)控制,增長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽(tīng)周期,提升帶寬受限的一致性控制系統(tǒng)能效。文獻(xiàn)[17]提出具有理想特征的事件觸發(fā)一致性控制方法,以分布式方式解決系統(tǒng)最優(yōu)控制問(wèn)題。但由于IEM 具有多能量載體和多能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn),電、熱能源存在不同的響應(yīng)時(shí)間尺度,現(xiàn)有靜態(tài)時(shí)間觸發(fā)機(jī)制對(duì)于IEM 復(fù)合能源一致性控制依然存在較高冗余度[18-19]。
為減少通信冗余并減輕計(jì)算負(fù)擔(dān),提出基于動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)的EH 一致性控制方案。通過(guò)對(duì)EH模型嵌入事件觸發(fā)機(jī)制,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)觸發(fā)閾值,大幅減少EH 通信負(fù)擔(dān),更好適應(yīng)IEM 電、熱復(fù)合能源多時(shí)間尺度特性;達(dá)到事件觸發(fā)閾值時(shí)起動(dòng)一致性控制方法,利用一致性輸出結(jié)果快速調(diào)節(jié)各EH 電、熱輸出功率,實(shí)現(xiàn)電、熱負(fù)荷功率同步跟蹤期望目標(biāo),抑制不確定性擾動(dòng)不利影響,并將壓力和頻率偏差限制在允許范圍內(nèi);計(jì)及能源價(jià)格影響,利用等成效增量比原理,實(shí)現(xiàn)各EH 協(xié)同控制和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
IEM 結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其中EH 包含熱爐、熱電聯(lián)產(chǎn)(Co-generation of Heat and Power,CHP)、鍋爐、變壓器等裝置,完成具有交互耦合特性的電、熱復(fù)合能源轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)IEM 源荷功率響應(yīng)平衡。
圖1 IEM結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of IEM
根據(jù)圖1,建立電網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型為:
由于IEM 電、熱能源網(wǎng)絡(luò)具有不同響應(yīng)時(shí)間尺度,電網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于熱網(wǎng)絡(luò),因此考慮熱網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)時(shí),可忽略電網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)過(guò)程,據(jù)此建立熱網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型為:
為了滿(mǎn)足IEM 復(fù)合能源共享需求,設(shè)計(jì)一致性控制方法,實(shí)現(xiàn)各EH 協(xié)調(diào)運(yùn)行。但在傳統(tǒng)一致性控制中,各EH 需與相鄰EH 交互信息生成控制輸入,由于電、熱網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間尺度差異,造成熱網(wǎng)絡(luò)中許多通信是冗余的,而過(guò)多通信引發(fā)沉重計(jì)算負(fù)擔(dān)。為此,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)通信機(jī)制,實(shí)現(xiàn)節(jié)省帶寬和信號(hào)處理資源的同時(shí),達(dá)成一致性控制目標(biāo)。
根據(jù)各EH 最近事件時(shí)刻和當(dāng)前時(shí)刻間電、熱功率差值,設(shè)計(jì)EH 熱功率控制和電功率控制事件觸發(fā)條件,即:
由式(3)分析可知,熱、電功率控制事件觸發(fā)條件實(shí)時(shí)跟隨熱、電輸出功率期望軌跡變化,實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),較靜態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制,僅需更少通信頻次,即可實(shí)現(xiàn)全局漸進(jìn)收斂至期望工作點(diǎn),因而進(jìn)一步降低了通信和計(jì)算需求。
與EH 電、熱功率控制不同,電氣支路頻率控制和熱力支路壓力控制目標(biāo)為實(shí)際值穩(wěn)定在額定值,據(jù)此設(shè)計(jì)頻率控制事件觸發(fā)條件,即:
為了實(shí)現(xiàn)IEM 中各EH 精確功率分配和協(xié)同運(yùn)行,結(jié)合動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)條件,設(shè)計(jì)基于一致性算法的電、熱輸出功率分布式控制方法。
為實(shí)現(xiàn)各EH 熱輸出功率精確分配,令EH 熱輸出功率與熱調(diào)節(jié)系數(shù)之間滿(mǎn)足一致性目標(biāo):
根據(jù)式(7),設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的熱輸出功率一致性控制律,即:
設(shè)計(jì)PI 控制器Di(s)實(shí)現(xiàn)熱功率誤差調(diào)節(jié)并生成校正項(xiàng)δhi,則δhi=Di(s)uhi。
為實(shí)現(xiàn)各EH 電輸出功率精確分配,令EH 電輸出功率與電調(diào)節(jié)系數(shù)之間滿(mǎn)足一致性目標(biāo)。即:
式中:Pei,Peimax(i=1,2…,n)分別為各EH 電輸出功率值和最大功率值;kq為EH 電調(diào)節(jié)系數(shù)。
根據(jù)式(10),設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的電輸出功率一致性控制器,即:
式中:uei為第i個(gè)EH 電功率調(diào)節(jié)量和頻率調(diào)節(jié)量;Re為電功率事件觸發(fā)一致性控制器的增益系數(shù)。
由于IEM 電力支路對(duì)頻率變化具有較高敏感性,頻率偏差會(huì)影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定,為實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定控制,定義為:
由式(12),根據(jù)電有功功率-頻率特性,設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的頻率下垂控制律,即:
式中:ufi為第i個(gè)EH 頻率調(diào)節(jié)量;kqmax為頻率事件觸發(fā)下垂控制器的增益系數(shù)。
設(shè)計(jì)PI 控制器,實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足Pei/Peimax=Pej/Pejmax時(shí),各EH 電功率精確分配,并且當(dāng)uei(t)和ufi(t)趨向于0 時(shí),頻率維持額定值fN。
根據(jù)式(14),設(shè)計(jì)基于事件觸發(fā)的壓力一致性控制律為:
式中:upi(t)為第i個(gè)EH 壓力調(diào)節(jié)量;RF為壓力事件觸發(fā)一致性控制器的增益系數(shù);為熱功率控制最新事件觸發(fā)時(shí)刻的壓力允許波動(dòng)范圍上邊界;bil為壓力增益系數(shù);Mi為第i個(gè)EH 壓力控制事件觸發(fā)次數(shù)。
設(shè)計(jì)PI 控制器Gi(s)實(shí)現(xiàn)壓力誤差upi調(diào)節(jié)并生成校正項(xiàng)δpi,則δpi=Gi(s)upi。
借助EH 的靈活性,降低成本是IEM 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)最小能源成本,根據(jù)電、熱設(shè)備特性,設(shè)計(jì)基于等成效增量比原則的設(shè)備控制方法,同時(shí)計(jì)及能源價(jià)格,解決系統(tǒng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題。
如圖1 所示,每個(gè)EH 包含兩類(lèi)電、熱存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換設(shè)備:一類(lèi)設(shè)備僅輸出電或熱一種能量,定義為單輸出(Device Outputs One Kind of Energy,DOE)設(shè)備,如鍋爐等;另一類(lèi)設(shè)備可以同時(shí)輸出電、熱兩種能量,定義為雙輸出(Device Outputs Two Kind of Energy,DTE)設(shè)備,如CHP 設(shè)備等。根據(jù)DOE 和DTE 設(shè)備具有的不同性能特征,定義DOE 設(shè)備經(jīng)濟(jì)成本函數(shù)和成效增量比分別為:
根據(jù)式(20),按相等的成效增量比在各EH 之間分配電、熱負(fù)荷,則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總耗能成本最小。
為實(shí)現(xiàn)式(20),利用一致性控制方法,由各EH和相鄰EH 當(dāng)前時(shí)刻(t=k)輸出功率,求得各EH 電、熱供需功率偏差,根據(jù)下一時(shí)刻(t=k+1)成效增量比,求取各EH 電、熱功率期望軌跡為:
式中:mij為第i、j個(gè)EH 間一致性控制通訊權(quán)重系數(shù);σ為收斂系數(shù);ai,bi為各EH 成本函數(shù)系數(shù);LG,i為各EH 供需功率調(diào)節(jié)量;LD,i為各EH 電、熱輸出功率期望軌跡。
根據(jù)式(21),實(shí)現(xiàn)電、熱功率事件觸發(fā)閾值實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整,同時(shí)保持所有EH 增量成本一致,各EH 滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行目標(biāo)。
為了驗(yàn)證基于事件觸發(fā)的一致性控制方法有效性和正確性,利用MATLAB/Simulink,對(duì)所提分布式控制方法性能開(kāi)展仿真研究。與圖1 所示IEM結(jié)構(gòu)一致,仿真模型包括3 個(gè)EH,電網(wǎng)絡(luò)和熱網(wǎng)絡(luò)與所有EH 相連。表1 為含電、熱綜合能源的IEM仿真參數(shù)[14]。
表1 IEM仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of IEM
基于IEM 仿真模型,對(duì)3 種情形下仿真結(jié)果進(jìn)行比較和分析:(1)情形1。電負(fù)荷和熱負(fù)荷同時(shí)增加以及同時(shí)減少時(shí)各EH 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能;(2)情形2。電負(fù)荷下降同時(shí)熱負(fù)荷增加、電負(fù)荷增加同時(shí)熱負(fù)荷下降時(shí)各EH 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能;(3)情形3。情形1 下所提方法與文獻(xiàn)[20]控制方法EH2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能比較。
設(shè)置IEM 仿真模型在t=150 s 時(shí),電負(fù)荷突降700 kW,同時(shí)熱負(fù)荷突降350 kW;在t=300 s 時(shí),電負(fù)載突增1 000 kW,同時(shí)熱負(fù)荷突增600 kW,各EH 電、熱網(wǎng)絡(luò)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖2 所示。
圖2 為情形1 下所提方法各EH 電網(wǎng)絡(luò)有功功率、頻率、熱網(wǎng)絡(luò)功率、壓力波形。圖中E1,E2,E3表示電支路輸出,H1,H2,H3 表示熱支路輸出。由圖2(a)—(c)和圖2(g)分析可知,電、熱負(fù)荷同時(shí)突降和突增情況下,動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)通信機(jī)制響應(yīng)快速,無(wú)需獲取IEM 網(wǎng)絡(luò)參數(shù),采用所提一致性控制方法即快速調(diào)節(jié)各EH 電、熱輸出功率,實(shí)現(xiàn)功率準(zhǔn)確精確分配目標(biāo)。
由于電負(fù)載需求發(fā)生突變,系統(tǒng)頻率也發(fā)生了波動(dòng),圖2(d)—(f)表明各EH 頻率經(jīng)短暫調(diào)整,快速抑制電負(fù)荷變化引起的頻率偏差,穩(wěn)定維持在額定值50 Hz。由于熱負(fù)載需求發(fā)生突變,壓力也發(fā)生了波動(dòng),圖2(h)表明采用所提一致性控制方法,實(shí)現(xiàn)將熱力支路壓力控制在允許范圍內(nèi),從而保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
由電功率輸出和頻率響應(yīng)波形分析可知,所提一致性控制方法僅需0.05 s 即可實(shí)現(xiàn)電氣支路恢復(fù)平穩(wěn),而熱功率輸出和壓力響應(yīng)波形表明熱力支路恢復(fù)平穩(wěn)需75 s,驗(yàn)證了設(shè)置動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)通信機(jī)制的必要性。
應(yīng)用所提基于等成效增量比原則的設(shè)備控制方法,情形1 中電、熱負(fù)荷變化后各EH 的輸出功率和經(jīng)濟(jì)成本變化如表2 所示。比較表1 和表2,隨著電、熱負(fù)荷功率需求上升或下降,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本隨之增加或減少,始終確保各EH 滿(mǎn)足等成效增量比原則運(yùn)行,提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
表2 情形1各EH仿真結(jié)果Table 2 EHs’simulation results in case 1
設(shè)置仿真模型在t=150 s 時(shí),電負(fù)荷突降1 000 kW,而熱負(fù)荷突增500 kW;在t=300 s 時(shí),電負(fù)載突增500 kW,而熱負(fù)荷突降300 kW,各EH 電、熱網(wǎng)絡(luò)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖3 所示。
圖3 情形2電、熱網(wǎng)絡(luò)各EH響應(yīng)波形Fig.3 EHs’response waveforms of electrical and thermal networks in case 2
圖3 為情形2 下所提方法各EH 電網(wǎng)絡(luò)有功功率、頻率、熱網(wǎng)絡(luò)功率、壓力波形。由圖3(a)—(c)和圖3(g)分析可知,電、熱負(fù)荷需求以相反趨勢(shì)突增或者突降時(shí),電、熱網(wǎng)絡(luò)各自動(dòng)態(tài)觸發(fā)事件觸發(fā)機(jī)制依然保持較優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,經(jīng)一致性協(xié)同控制,各EH 電、熱輸出功率快速跟蹤期望軌跡,維持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,源荷功率實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分配。
與電負(fù)荷需求變化相關(guān)聯(lián),系統(tǒng)頻率也快速響應(yīng),圖3(d)—(f)表明各EH 采用所提一致性控制方法,在電負(fù)荷突增時(shí),頻率短暫向下波動(dòng);在電負(fù)荷突降時(shí),頻率快速向上波動(dòng),經(jīng)短暫調(diào)整,最終穩(wěn)定維持在額定值50 Hz。由于熱負(fù)載需求變化,壓力也響應(yīng)變化,圖3(h)表明各EH 采用所提一致性控制方法,在熱負(fù)荷突增時(shí),壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)減?。辉跓嶝?fù)荷突降時(shí),壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大,始終保持將熱力支路壓力控制在允許范圍內(nèi)。
與情形1 相比,電、熱負(fù)荷需求以相反趨勢(shì)突增或者突降,所提一致性控制方法依然僅需0.05 s即可實(shí)現(xiàn)電氣支路恢復(fù)平穩(wěn),熱力支路恢復(fù)平穩(wěn)稍長(zhǎng),需約80 s,所提方法均能快速有效完成控制目標(biāo)。情形2 中電、熱負(fù)荷變化后各EH 的輸出功率和經(jīng)濟(jì)成本變化如表3 所示。系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本隨電、熱負(fù)荷需求變化而動(dòng)態(tài)變化,表明所提基于等成效增量比原則的協(xié)同控制方法有效性。
表3 情形2各EH仿真結(jié)果Table 3 EHs’simulation results in case 2
將所提方法與文獻(xiàn)[20]中所提綜合能源分布式控制方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能比較,仿真條件與情形1 相同,兩種方法下EH2 電、熱網(wǎng)絡(luò)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖4 所示。
圖4 情形3電、熱網(wǎng)絡(luò)EH2響應(yīng)波形Fig.4 EH2’s response waveforms of electrical and thermal networks in case 3
圖4 為采用所提方法與文獻(xiàn)[20]控制方法時(shí),EH2 電網(wǎng)絡(luò)有功功率功率、頻率、熱網(wǎng)絡(luò)功率、壓力波形。由圖4(a)—(c)和圖4(g)分析可知,在電、熱負(fù)荷需求同時(shí)突增或突降情況下,兩種一致性控制方法都可以實(shí)現(xiàn)EH 電、熱輸出功率調(diào)節(jié),滿(mǎn)足功率精準(zhǔn)分配目標(biāo)。所提方法利用動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)機(jī)制,快速調(diào)節(jié)電、熱功率期望軌跡,相比文獻(xiàn)[20]控制方法,動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有較小超調(diào)和較短調(diào)節(jié)時(shí)間。
圖4(d)—(f)表明,兩種方法頻率控制雖然最終都能維持在額定值50 Hz,但由于所提方法頻率控制與電網(wǎng)絡(luò)功率調(diào)節(jié)緊密關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率響應(yīng)快速,有效抑制電負(fù)荷變化引起的頻率偏差。圖4(h)表明,所提一致性控制方法,可以更快速地將熱力支路壓力控制在允許范圍內(nèi),從而保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
由電功率輸出和頻率響應(yīng)波形、熱功率輸出和壓力響應(yīng)波形分析可知,較文獻(xiàn)[20]控制方法,所提方法電氣支路和熱力支路恢復(fù)平穩(wěn)的時(shí)間減少一半,具有較優(yōu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。由表4 分析可知,較文獻(xiàn)[20]控制方法,采用所提方法在電、熱負(fù)荷同時(shí)突降時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約58.3 元,在電、熱負(fù)荷同時(shí)增加時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約100.1 元,表明所提基于等成效增量比原則的協(xié)同控制方法具有更優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。
表4 情形3經(jīng)濟(jì)成本對(duì)比結(jié)果Table 4 Economic cost comparison results in case 3
針對(duì)IEM 系統(tǒng)EH 電、熱功率協(xié)同控制問(wèn)題,提出基于動(dòng)態(tài)事件觸發(fā)的一致性控制方法,有效減少各EH 間通信壓力,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存在不確定性擾動(dòng)情形下電、熱功率精確分配,快速抑制頻率偏差,并將管道壓力限制在允許范圍內(nèi),確保IEM 安全穩(wěn)定運(yùn)行。在包含3 個(gè)EH 的IEM 仿真平臺(tái)上驗(yàn)證了所提控制方法的有效性,在電、熱負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí),各EH 快速調(diào)整電、熱功率輸出,維持系統(tǒng)頻率和壓力平穩(wěn),有效降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本,實(shí)現(xiàn)IEM 電、熱復(fù)合能源協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。與其他控制方法相比,具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)的特點(diǎn)。