摘" 要：探究基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的分布式能源消納控制技術(shù)，并對(duì)比傳統(tǒng)的下垂控制策略與改進(jìn)的模糊下垂控制策略在分布式能源消納方面的應(yīng)用效果。基于模糊控制理論構(gòu)建柔性多狀態(tài)開關(guān)消納控制結(jié)構(gòu)，以直流電壓、功率裕度作為輸入量，以下垂系數(shù)作為輸出量，并構(gòu)建三者的模糊集和模糊邏輯推理表。利用Z形隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)優(yōu)化效果。從仿真應(yīng)用情況來看，當(dāng)直流負(fù)荷增加時(shí)，改進(jìn)的模糊下垂控制策略具有下垂系數(shù)變化小、電壓波動(dòng)不明顯，以及穩(wěn)態(tài)直流電壓更加接近標(biāo)準(zhǔn)電壓等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電壓恒定與功率分配精度的兼顧。

關(guān)鍵詞：柔性多狀態(tài)開關(guān)；分布式能源；模糊下垂控制；下垂系數(shù)；仿真

中圖分類號(hào)：TM73" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）09-0168-04

Abstract： This paper explores the distributed energy consumption control technology based on flexible multi state switches， and compares the application effects of traditional droop control strategy and improved fuzzy droop control strategy in distributed energy consumption. A flexible multi state switch consumption control structure was constructed based on fuzzy control theory， with DC voltage and power margin as input variables and sag coefficient as output variables. Fuzzy sets and fuzzy logic inference tables were constructed for the three variables. Adjust the droop coefficient using the calculation results of the Z-shaped membership function to achieve real-time optimization. From the perspective of simulation applications， when the DC load increases， the improved fuzzy droop control strategy has the advantages of small changes in droop coefficient， less obvious voltage fluctuations， and a steady-state DC voltage closer to the standard voltage， achieving a balance between constant voltage and power distribution accuracy.

Keywords： flexible multi-state switch; distributed energy; fuzzy droop control; droop coefficient; simulation

隨著光電、風(fēng)電等新能源發(fā)電技術(shù)的成熟和裝機(jī)規(guī)模的增加，分布式能源在滿足社會(huì)用電需求和緩解能源危機(jī)等方面表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。但是在分布式能源并入配電網(wǎng)時(shí)，由于其出力的隨機(jī)性導(dǎo)致配電網(wǎng)無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化的精準(zhǔn)控制，反而會(huì)影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全運(yùn)行?，F(xiàn)有的分布式能源消納技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在功率控制不靈活、無法規(guī)避節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)等弊端，在這一背景下探究基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的分布式能源消納改進(jìn)控制技術(shù)，成為新能源產(chǎn)業(yè)和智能配電網(wǎng)發(fā)展過程中的熱門研究課題。

1" 基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的多饋線并聯(lián)接入方案

相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，融合了電力電子技術(shù)和多回饋線柔性互聯(lián)的柔性配電網(wǎng)，在面對(duì)分布式能源間歇性處理時(shí)表現(xiàn)出更好的協(xié)調(diào)控制能力，從而帶給電力用戶更高品質(zhì)和更加可靠的電能。這里以常規(guī)的兩端柔性配電網(wǎng)為例，2條10 kV的交流饋線分別與2個(gè)MMC（模塊化多電平換流器）連接，前端光伏電池（PV）將光能轉(zhuǎn)化為電能后，再通過DC/DC轉(zhuǎn)換器和DAB（雙有源全橋）變換器的處理，最終接入到配電網(wǎng)中，如圖1所示。

上述接入方案在直流側(cè)實(shí)現(xiàn)了分布式能源與儲(chǔ)能裝置的集中接入，從而使配電網(wǎng)在配電潮流控制和分布式能源消納等方面有良好表現(xiàn)。在消納控制策略方面比較常用的是下垂控制，其原理是在保證直流電壓不變的前提下利用設(shè)定的下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)有功功率的分配[1]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于下垂系數(shù)為定值，在系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡功率時(shí)面臨著電壓偏差與換流器分配功率精確度無法兼顧的情況，如果追求更高的電壓質(zhì)量，則功率波動(dòng)會(huì)更加明顯。為了解決這一問題，本文提出了一種基于柔性多狀態(tài)開關(guān)的消納改進(jìn)控制技術(shù)。

2" 基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)開關(guān)消納技術(shù)

2.1" 基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)開關(guān)消納控制結(jié)構(gòu)

在下垂控制策略下，下垂系數(shù)是決定消納控制效果的主要因素。通常來說，下垂系數(shù)越大，換流器對(duì)直流電壓的控制能力越強(qiáng)，而對(duì)于提升有功功率的控制精度會(huì)下降，反之亦然。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要想選擇最佳的下垂系數(shù)存在一定難度，考慮到模糊控制在處理界限不分明的定性知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)方面有顯著優(yōu)勢(shì)，因此本文將模糊控制理論應(yīng)用到分布式能源消納控制中，其優(yōu)勢(shì)在于不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，而是基于專家經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則，再根據(jù)該規(guī)則得到模糊控制量。最后利用隸屬度函數(shù)求解，利用所得結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性目標(biāo)的控制?；谀：麓沟娜嵝远酄顟B(tài)開關(guān)消納控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用模糊控制優(yōu)化下垂的基本步驟如下：首先利用傳感器獲取系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行工況，將實(shí)測(cè)值與設(shè)定值對(duì)比后得到直流電壓偏差與功率裕度量。然后根據(jù)這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，將原來的固定值（η）切換為基于模糊處理器的自適應(yīng)下垂系數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)優(yōu)化的效果。同時(shí)基于功率分配快速調(diào)節(jié)直流電壓，最終增強(qiáng)系統(tǒng)的快速運(yùn)行能力[2]。

2.2" 計(jì)及多因素的模糊下垂規(guī)則

在模糊控制器中，將直流電壓偏差和換流器功率裕度作為輸入量，將下垂系數(shù)作為輸出量，并分別建立模糊集，具體如下：①電壓偏差={負(fù)大，負(fù)中大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正中大，正大}。②功率裕度={零，正小，正中，正中大，正大}。③下垂系數(shù)={零，正小，正中，正中大，正大}。

如果同時(shí)滿足電壓偏差較大和功率裕度較大2項(xiàng)條件，則輸出較大的下垂系數(shù)，從而維持電壓水平。

如果電壓偏差或功率裕度有任意一項(xiàng)為零，則保持下垂系數(shù)（η）不變。例如表1中電壓偏差為“負(fù)大”并且功率裕度為“零”，說明直流電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓有較大差距，理論上應(yīng)改變換流轉(zhuǎn)的輸出功率達(dá)到調(diào)節(jié)直流電壓的效果，但是此時(shí)功率裕度為零，不需要改變下垂系數(shù)，因此下垂系數(shù)不變[3]。

3" 2種控制技術(shù)的對(duì)比分析

3.1" 仿真模型的構(gòu)建

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)下垂控制策略與改進(jìn)的模糊下垂控制策略在分布式能源消納控制方面的應(yīng)用效果，本文使用PSCAD仿真軟件構(gòu)建了仿真模型，參數(shù)設(shè)定見表2。

表2中，MMC1為送端換流器，功率參考值為6 MW；MCC2為受端換流器，功率參考值為-3 MW。本文將流向直流側(cè)的功率定義為正。仿真場(chǎng)景如下：為消除無關(guān)因素的干擾，整個(gè)仿真過程中光伏電池PV1和PV2的功率與直流側(cè)負(fù)載均為定值。PV1的功率為2 MW，直流負(fù)荷為6 MW；PV2的出力為1 MW，直流負(fù)荷為6 MW，并且仿真期間系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。直流母線電壓為20 kV。在仿真實(shí)驗(yàn)開始的前1 s時(shí)間內(nèi)，讓換流器以設(shè)定功率運(yùn)行，電壓保持恒定，在穩(wěn)定運(yùn)行1 s后將直流負(fù)荷增加4 MW，在第1.5 s時(shí)將PV1的功率增加2 MW。由于直流負(fù)荷突然增加，會(huì)造成系統(tǒng)送端的實(shí)際功率低于受端需要的功率，此時(shí)直流母線電壓出現(xiàn)一定幅度的降低。

3.2" 仿真結(jié)果對(duì)比

2種控制策略下的下垂系數(shù)變化仿真結(jié)果如圖3所示。在第1 s時(shí)由于直流負(fù)荷增加，系統(tǒng)立刻檢測(cè)到直流電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間出現(xiàn)偏差，此時(shí)系統(tǒng)中MCC2的下垂系數(shù)會(huì)快速增加確保直流電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的偏差在合理范圍內(nèi)[4]。從整體上看，2種控制策略都會(huì)在直流負(fù)荷增加后出現(xiàn)下垂系數(shù)增加的情況，并且在經(jīng)過0.6 s后下垂系數(shù)重新回歸到正常狀態(tài)的1.6。但是橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的下垂控制策略下，當(dāng)直流負(fù)荷增加時(shí)下垂系數(shù)的波動(dòng)較為明顯，最大值達(dá)到了22，是標(biāo)準(zhǔn)值的13.75倍；而改進(jìn)的模糊下垂控制策略下，下垂系數(shù)的最大值為2.6，為標(biāo)準(zhǔn)值的1.63倍。這說明本文提出的基于模糊下垂理論的分布式能源消納控制技術(shù)更好。

2種控制策略下的直流電壓的變化仿真結(jié)果如圖4所示。正常情況下，穩(wěn)態(tài)直流電壓恒定為20 kV，在第1 s時(shí)增加直流負(fù)荷，直流電壓降低。此時(shí)分布式能源增大輸出功率增大直流電壓，使其接近于標(biāo)準(zhǔn)電壓。在第1.6 s時(shí)直流電壓重新恢復(fù)穩(wěn)定。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的垂直控制策略下，直流電壓最低降到了19.52 kV，與標(biāo)準(zhǔn)電壓相差0.48 kV，波動(dòng)較為明顯；最終的穩(wěn)態(tài)直流電壓為19.73 kV，與標(biāo)準(zhǔn)電壓仍然有較大差距。改進(jìn)的模糊垂直控制策略下，直流電壓最低降到了19.78 kV，波動(dòng)較?。蛔罱K的穩(wěn)態(tài)直流電壓為19.98 kV，十分接近正常情況下的20 kV直流電壓。由此可見，改進(jìn)的模糊垂直控制策略對(duì)分布式能源的消納控制效果更為理想。

除了上述參數(shù)差異外，傳統(tǒng)下垂控制策略下的換流器，在傳送功率出現(xiàn)變化后會(huì)嘗試回到最初的工作點(diǎn)。但是受到不平衡功率的限制，使得直流母線電壓不斷地下降，進(jìn)而不利于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行[5]。同時(shí)，由于傳統(tǒng)下垂控制模式下?lián)Q流器是以固定的下垂系數(shù)來分配功率，這種情況下無法快速完成不平衡功率的分配，因此消納情況并不理想。而改用改進(jìn)的模糊下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)電壓恒定與功率精準(zhǔn)分配的兼顧，在實(shí)際應(yīng)用中，如果出現(xiàn)負(fù)荷或者分布式能源波動(dòng)，首先能快速地保持電壓恒定，與此同時(shí)以最短時(shí)間將不平衡功率分配出去。這樣既可以提高電壓質(zhì)量和維持配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又能加快實(shí)現(xiàn)分布式電源從“點(diǎn)消納”向“面消納”的轉(zhuǎn)變。

4" 結(jié)束語

在分布式能源發(fā)電量不斷增加的背景下，如何提高分布式能源的消納控制能力成為必須要解決的問題之一。針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略存在的無法兼顧供電可靠性和功率分配精確性的弊端，將模糊控制理論與下垂控制策略相結(jié)合，構(gòu)建了基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)消納控制結(jié)構(gòu)，從仿真應(yīng)用效果來看該結(jié)構(gòu)可以在保證電壓恒定的前提下，快速完成不平衡功率的精確分配，在提高配電網(wǎng)的供電可靠性、改善饋線電壓分布等方面表現(xiàn)出良好效果。

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