基于事件驱动的微电网多目标趋优控制

陈维荣　陆文婷　戴朝华

21世纪初期，为了协调大电网与分布式发电之间的矛盾，充分利用分布式发电污染少、能源利用率高、供电可靠性高等优点，一些专家学者提出了微电网的概念.微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与配电网并网运行，也可以与配电网断开独立运行[1].直流微电网中，分布式电源、储能、负荷、大电网通过直流母线相连接，具有节省变流器设备投入与损耗、控制简单、建设成本低等特点[2].

微电网的安全、优质、经济运行，离不开完善稳定的控制系统.电力系统多目标优化问题需要用非线性高维微分方程组来描述，可表述为[3]

minJ（x，y）=∫∞0∑n1i=1qiFi（x，y），

s.t.x=f（x，u，w），

0=ψ（x，y），

λ<Ω<β.（1）

这是一个具有特高维约束条件的变分问题，现有的数学方法、计算机科学难以求得满意解.文献[3]提出通过建立混成控制系统（hybrid control system， HCS）的方法解决上述高难度问题，将混成控制理论应用于大电网，介绍了实现多重目标趋优的混成控制系统，揭示了其“事件驱动”本质，指出了事件的分类和一些主要事件的形成条件；文献[4]论述了一个光伏电池/燃料电池直流电力系统的混成控制系统的能量管理控制策略，但未对经济性进行考虑.

直流微电网在接纳分布式直流电源和为本地直流负载供电方面优于交流电网[5].随着智能电网和直流输电的发展，直流微电网具有广阔的应用前景，而目前对于直流微电网控制方面的研究尚处于起步阶段.由于混成控制系统是一个趋优控制系统，在工程上可以解决实际的多目标趋优控制问题，本文提出将混成控制理论应用于直流微电网的西南交通大学学报第48卷第5期陈维荣等：基于事件驱动的微电网多目标趋优控制多目标优化控制，采用基于事件驱动的分析建模方法[6]，建立一个Stateflow模型，该模型可以根据输入数据、运行状态控制目标做出判断，输出控制量到Simulink中，调度微网中各微电源，实现微电网安全、稳定、经济运行的多目标趋优控制.针对一个具体直流微电网，论述了各微电源的调度运行策略，给出了相关事件的定义，设计了其事件驱动控制系统，并在MATLAB/Simulink/Stateflow环境下进行了仿真，仿真结果初步验证了该方法的有效性和可行性.1混成控制系统的概述过去的二十多年来，混成系统在多个学科的应用研究发展迅速，已成为当今计算机科学和控制学科的前沿研究热点[7].大多数复杂控制系统都包含了由连续变量所描述的物理层的动态演化过程和以符号操作与离散监控决策为特征的高层协调优化过程，因此混成系统在工业控制和国防等领域大量存在[8].混成系统至今尚无统一定义，可将混成系统理解为：自身具有分层结构，并且其行为（状态和输出）取决于离散时间系统和连续动态系统相互作用的动态系统[9].

混成控制理论应用于电力系统时，将系统全状态划分为满意状态和不满意状态，定义不满意状态为事件，同一时刻可以有多事件并行发生，通过消除事件使系统处于无事件运行状态，此时电力系统的各项性能指标（如电能质量、安全性、稳定性和经济性）达到最优，复杂的多目标优化问题就转化为单一的“消除事件”操作[4]，大大降低了控制难度.混成控制理论在电力系统中有广阔的应用前景，将成为新时期智能电网建设过程中的重要手段[10].

一般来说，大致可以将事件分为三类[3]：安全性事件，指系统运行状况超出了预先设定的安全性指标；经济性事件，指系统的运行能耗指标越限；电能质量事件，指电能质量指标不达标.

HCS的模型通常由3个层次构成：最高决策与指挥层、中间处理与操作层、底层（动态电力系统）[3].最高决策与指挥层接受中间处理与操作层、底层提交的信息，经过信息处理后送给事件判断机构，判断事件是否发生.若形成事件，则向中间处理与操作层下发控制指令.中间处理与操作层结合上层控制指令与本层获得的状态和数据，经过一系列计算处理，生成有效操作指令，送达底层.底层各个装置、设备接受操作指令，完成相应的控制操作，并将其状态和数据反馈给上层机构.2 直流微电网混成控制系统设计2.1直流微电网模型与其HCS结构模型微电网中包含了各种分布式电源，由于大部分分布式电源均为直流发电，因此采用直流微电网可以减少DC/AC逆变器的投入，节省投资.直流微网无需考虑分布式电源间的同步，不存在频率稳定性问题，控制相对简单.分布式电源和负荷的波动可以通过连接在直流母线上的储能装置得到补偿.

本文构建的直流微电网系统母线电压为570 kV，包含10 kW的光伏电池组、10 kW的燃料电池组（fuel cell， FC）、15 kW的蓄电池和负荷.负荷满载为20 kW，包括重要负荷10 kW，一般负荷10 kW.本文中直流微电网独立运行，暂不考虑其与大电网并网运行的情况.

根据上述微电网模型，并参考文献[11]中混成自动电压控制（hybrid automatic voltage control， HAVC）系统模型，可以绘制出此微电网的HCS结构图，如图1所示.