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隨著能源需求的增長和對環(huán)保問題的重視，可再生能源的開發(fā)利用得到越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以提高可再生能源在電網(wǎng)的滲透率，促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的現(xiàn)代化和智能化。近年來，直流型負(fù)荷（電動(dòng)汽車、電子設(shè)備等）和直流分布式電源（光伏電站、儲(chǔ)能系統(tǒng)等）的數(shù)量在電網(wǎng)中日益增加。

與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)可以更靈活和高效地接入上述直流負(fù)荷和電源，而不需要AC-DC、DC-AC轉(zhuǎn)換模塊。另外，直流微電網(wǎng)不存在交流微電網(wǎng)中的頻率和無功調(diào)節(jié)問題。因此，直流微電網(wǎng)技術(shù)得到了日益廣泛的研究和關(guān)注。與傳統(tǒng)電網(wǎng)類似，直流微電網(wǎng)通常也采用分層控制結(jié)構(gòu)。

直流微電網(wǎng)分布式分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，分層控制結(jié)構(gòu)通常包括初級控制、二次控制和三次控制（圖中未畫出），并且從下層到上層時(shí)間尺度依次增加。初級控制通常采用下垂控制策略，并通過控制各電源的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在各電源間的初級分配。二次控制通常負(fù)責(zé)微電網(wǎng)系統(tǒng)級的穩(wěn)定控制，如通過集中式或分布式的方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)母線電壓的恢復(fù)控制。三次控制通常負(fù)責(zé)管理微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，如經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

圖1 直流微電網(wǎng)分布式分層控制結(jié)構(gòu)

對于直流微電網(wǎng)中的可控分布式電源（Distributed Generator, DG），通常采用電壓-功率下垂控制策略。下垂控制策略可以提高微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，并降低并聯(lián)運(yùn)行DG間的環(huán)流。然而，下垂控制是一種有差控制，存在穩(wěn)態(tài)電壓偏差。另外，由于受線路阻抗影響，很難實(shí)現(xiàn)功率的準(zhǔn)確分配。因此，需要二次控制策略以恢復(fù)母線電壓并改善功率分配。

直流微電網(wǎng)二次控制可以采用集中式控制策略或分布式控制策略。對于集中式控制策略，通常需要中央控制器處理所有相關(guān)的通信和控制任務(wù)。因此，集中式控制策略擴(kuò)展性差，并容易受單點(diǎn)故障影響。分布式控制策略可以將復(fù)雜的計(jì)算和控制任務(wù)分解，并在各分布式控制器中并行處理。因此，分布式控制策略具有靈活性、可擴(kuò)展性和不易受單點(diǎn)故障影響的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)于直流微電網(wǎng)分布式控制，近年來已有諸多成果。然而，相關(guān)控制策略均以實(shí)現(xiàn)母線電壓恢復(fù)或負(fù)荷的比例分配為目標(biāo)，沒有考慮各電源的發(fā)電成本。

針對直流微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，近年來提出了一些分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。有學(xué)者基于有限步一致性算法設(shè)計(jì)了交直流混合微電網(wǎng)分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。然而，該控制策略沒有考慮交直流混合微電網(wǎng)的電壓、頻率二次調(diào)節(jié)。有學(xué)者提出一種直流微電網(wǎng)分布式分層控制策略：在其三次控制層，通過分布式一致算法調(diào)整下垂控制的虛擬阻抗以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度；在二次控制層，通過分布式一致算法生成下垂控制的電壓補(bǔ)償量以實(shí)現(xiàn)電壓恢復(fù)。然而，三次優(yōu)化調(diào)度層的時(shí)間尺度大于二次電壓恢復(fù)控制層，無法在同一小時(shí)間尺度下對微電網(wǎng)進(jìn)行控制與優(yōu)化，從而無法進(jìn)一步提高直流電網(wǎng)運(yùn)行效率。此外，虛擬阻抗的大范圍實(shí)時(shí)調(diào)整給系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定控制帶來挑戰(zhàn)。

鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了分布式二次控制策略，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的母線電壓恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度，從而提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。該二次控制策略旨在控制直流微電網(wǎng)中的可控分布式電源，例如燃料電池、超級電容、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等。

但是，直流微電網(wǎng)中的光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電單元是不可控電源，通常運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤模式，以按照其最大出力發(fā)電。當(dāng)新能源發(fā)電及負(fù)荷波動(dòng)引起系統(tǒng)功率不平衡時(shí)，需要調(diào)整可控電源的出力來維持系統(tǒng)功率平衡。雖然通過初級下垂控制可以調(diào)整可控電源的出力以維持系統(tǒng)功率平衡，然而，下垂控制沒有考慮可控電源的發(fā)電成本，無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。微電網(wǎng)中隨機(jī)性新能源發(fā)電比例高，且新能源發(fā)電量和負(fù)荷在大時(shí)間尺度下的預(yù)測誤差較大。

圖2 分布式二次控制原理

盡管，可以像傳統(tǒng)電力系統(tǒng)那樣，在三次控制（大時(shí)間尺度）實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。但是，大時(shí)間尺度下的預(yù)測誤差會(huì)降低經(jīng)濟(jì)調(diào)度的性能。另外，微電網(wǎng)中具有大量的電力電子接口微電源，其系統(tǒng)慣性比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)小，需要在更小的時(shí)間尺度下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。因此，研究人員在二次控制層考慮了各可控電源的發(fā)電成本，通過可控電源在小時(shí)間尺度下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，降低直流微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本。

研究人員指出，該控制策略不需要中央控制器，只需要為微電網(wǎng)中可控分布式電源分配一個(gè)智能體。各智能體利用本地信息并與有限的相鄰智能體通信即可實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，從而提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性以及應(yīng)對單點(diǎn)故障的魯棒性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略在負(fù)荷波動(dòng)、智能體故障、電源切換情景下均具有良好的控制性能。

本文編自2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度及電壓恢復(fù)的直流微電網(wǎng)分布式二次控制”，作者為李忠文、程志平 等。