基于混合微电网的源网荷储分层协调控制研究

李一鸣，姚俊伟，何 奇，马 辉，黄悦华

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.国网宜昌供电公司，湖北 宜昌 443000)

随着新能源占比的不断提高，电力电量平衡机理将向多区域、多主体的源网荷储协同的平衡模式转变[1]。建设以源网荷储为主的新型电力系统，既是我国电力系统转型升级的重要方向,也是实现“碳达峰、碳中和”目标的关键途径[2-3]。开发针对源网荷储微电网的协同运行与平衡机制，优化微电网整体经济效益，是目前学科研究的主要方向。

目前，大量学者针对混合微电网的协调控制策略进行了研究。文献[4]对微电网采用分段协调控制策略，通过标幺化的方法得到可表征混合微电网整体运行状态的特征量,针对特征量的变化量开展分段研究，并对可能出现的网间交换功率震荡进行补偿。文献[5]提出一种基于多智能体的改进分层控制方式，将系统主要分为配电层、微网层与设备层3层，并在设计系统控制策略时引入调节因数γ，实现了交直流子网内部功率平衡。文献[6]提出基于分层控制和电压频率恢复控制的微电网预同步控制方法，该方法解决了下垂控制中有差调节产生的电压频率恢复控制问题，保证了系统无差运行。上述这些方法存在一定局限性，忽略了微电网中新能源发电特性和实际运行中的经济特征。

为使电力电子变换器适应不同的系统运行模态，提升系统在不同情景下的运行稳定性,本文提出一种基于混合状态与事件驱动的微电网自主通信控制方案。所提出的控制体系采用分层结构，控制器主控制层由微网状态驱动；而次级控制层由微电网中央控制器事件驱动。该设计旨在平衡微电网的控制性能和其他目标，如减少处理负载、通信负载和整体系统运行成本，最后利用有限状态机实现了所提出的控制策略并进行仿真验证。

1 混合微电网结构

源网荷储微电网包含分布式电源(distribute generation，DG)、储能装置(energy storage systems，ESS)、微电网中央控制器(microgrid central controller，MGCC)、交直流负荷单元以及多种类型的电力电子变换器。微电网中各源网荷储模块经变换器与交流母线和直流母线相连[7]。母线间的交直流互联变换器实现整个微电网的连接[8]。源网荷储微电网的网络结构如图1所示。

并网模态:

(1)

孤岛模态:

(2)

式中：Pgrid为主配电网输出功率；Pbat为蓄电池变换器中的功率，取Pbat>0为蓄电池放电功率，Pbat<0为蓄电池充电功率；PWT为风机输出功率。

2 微电网分布控制建模

2.1 升压电路控制模型

升压控制器有2种控制方法，分别为最大功率跟踪和电压PI控制，如图2所示。一方面，由于光伏板的非线性特性和太阳辐照度的随机波动，需要一个控制Boost电路跟踪光伏阵列产生的最大功率[10]。另一方面，当蓄电池中双向变换器无法调节直流母线电压时，升压控制器必须切换为电压控制方案，确保直流母线的稳定供电。

2.2 双向电路控制模型

双向控制器需要在蓄电池充放电过程中对电压进行调控[11]，如图3所示。控制器采用嵌套PI控制。放电模式中，双向控制器调节直流母线电压为参考电压，保障直流负载电压稳定。充电模式时，可防止充电电流Ich过大的现象，保护系统其他元件。

2.3 换流电路控制模型

换流控制器是维持微电网的核心功能器件，起到控制直流电压，提供无功功率需求和交换交直流微电网之间有功功率的作用，如图4所示。控制器从交流母线测得电压Vabc，使用锁相环获取电压相位和频率，实现直流母线电压与交流母线电压同步[12]。同时，逆变器将输出电流由abc参考系转换为dq参考系，并通过PI控制器调节产生dq电压，用于产生调制信号。

3 微电网控制方法

3.1 分层控制

本文提出了一种基于分层控制的微电网控制方案。各模块的电力电子变换器由独立的分布式控制器进行控制。交流处理器和直流处理器分别对交流母线和直流母线进行电力监控。微电网中央控制器从分布式控制器、母线处理器采集电网运行状态，再根据预先设计好的逻辑来处理输入信号，确定最佳运行模态，对各控制器发出指令，实现系统最优协调运行。

在主层中，分布式控制器由电网状态驱动。状态协调控制算法在各主控制单元的分布式控制器当中执行，即分布式控制器通过连续监测某些状态变量控制各自的电力电子变换器，这需要两者不间断的通信，例如测量模块的电压、电流和到转换器开关的脉冲信号。

三级网群控制层中，微电网中央控制器可以与辅助控制层共享一些功能[14]。三级控制层属于电力系统调度中心的一部分，超出了文章的研究范围，文章的主要焦点是二级通信控制层。

3.2 有限状态机

有限状态机是一个用于开发逻辑过程的数学模型，由有限个状态以及状态间的转移构成。控制器内不同的操作条件被称为状态。当系统接收到输入事件时,状态机产生一个输出控制信号﹐同时伴随着系统状态的转移。有限状态机定义为四元系统，M为系统状态集；i为系统初始状态；E为原子事件集；T为状态变迁集。状态转移的表达式为

(3)

式中：mi∈M，mj∈M，e∈E。当事件e发生时，将会出现mi转移至mj。系统在任意时刻仅存在于一个状态[15]。表1列举了有限状态机中预设的检测状态量。

表1 有限状态机检测状态量

4 系统模态

针对新能源高渗透率的源网荷储微电网灵活、可靠的供电需求，本文设计了4种系统模态，如图5所示。

并网模态(M00)设计为有限状态机的起始模态，微电网通过与主电网的能源交换来维持系统经济运行。电网供电中断时(SSRGRID为1)，系统将过渡到孤岛模态(M10)。供电系统发送信号来接管微电网(Dd为1)的控制，在微电网中央控制器检查微电网系统无故障后，系统将过渡到公用模态(M20)。微电网运行中，有限状态机检测到能源供给无法满足负载需求，微电网将过渡到关闭模态(M30)。

4.1 并网模态M00

并网模态包含3种子模态：并网子模态(m00)；充能子模态(m01);供给子模态(m02)。

从并网子模态开始，微电网中央控制器开通换流控制器调节直流母线电压，光伏组件、风电机组执行最大功率点跟踪，储能双向控制器保持中性。当电网电价较低(EP为1)，微电网中央控制器根据线路中接收的事件信号，判断储能内电量未满(SOC为1)且电池线路无故障操作(SSRBI为1)，将系统过渡到充能子模态，利用直流母线为电池充电。相反，当有限状态机接收到电网电价价格较高(EP为0)，电池中有电能余量(SOC为0)且断路器没有因故障操作断开电路，系统就会转向供给子模态，由双向控制器控制电池放电维持直流母线电压。

4.2 孤岛模态M10

孤岛模态包含3种子模态：孤岛子模态(m10);紧急子模态(m11);极端子模态(m12)。

由式(2)可知，系统进入孤岛模态后，脱离了主电网的功率支持，微电网中潮流分布发生改变，微电网中央控制器将结合各事件信号采取不同等级的减载。

当系统转至孤岛子模态，微电网中央控制器触发一级负载脱落，换流控制器维持交流母线电压和频率，光伏组件、风电机组继续执行最大功率点跟踪，双向控制器保持充电模式，将多余的电能存储至电池中。当分布式能源产生间歇性波动(SSRBO为0)，光伏、风电出力无法满足一级甩负荷之后的负载需求时，系统进入紧急子模态，微电网中央控制器出发二级负载脱落，同时将双向变换器切换至电压控制模式，使电池放电维持直流母线电压。当蓄电池侧发生故障，断路器响应(SSRBI为0)，系统则过渡到极端子模态。微电网中央控制器将变升压控制器调整为电压控制模式，由光伏来维持直流母线电压，同时触发系统最大水平负载脱落。

4.3 公用模态M20

公用模态是一种第三方调度的网群控制模态。例如，在一个馈线上聚合多个微电网，或供电公司协调微电网注入无功功率来提高配电馈线的电压水平。

4.4 关闭模态M30

关闭模态能确保系统跳闸时及时关闭系统。例如在孤岛模态的甩负荷协调中，电压或频率超出了安全运行范围，有限状态机就会转向M30，保护其余电子器件安全。

5 案例仿真研究

考虑图1提出的源网荷储混合微电网网络结构，搭建Simulink仿真电路，验证微电网在新能源出力波动和电价波动情况下的分层控制方案。

5.1 场景1

光伏、风电等新能源具有间歇性[16]。场景1模拟了分布式能源因自然条件变化导致的出力波动，有限状态机协调微电网稳定运行。当供电侧发生波动时，有限状态机将按照预定义逻辑发出不同级别的甩负荷指令，调节网络中的功率供需关系，如图6所示。

0.7 s时，主配电网发生故障(SSRGRID为0)，MGCC接收事件信号，断开主电网与交流母线的连接，触发一级甩负荷。1.5 s时，分布式能源产生波动，光伏出力下降，MGCC开启二级甩负荷。2 s时，储能发生故障，系统进入极端子模态，触发最大负载脱落。2.3 s时，各故障解除，系统恢复到并网模态。

5.2 场景2

场景2将模拟微电网并网运行中，电价波动对有限状态机输出指令产生的影响，如图7所示。

1.0 s时，电网调度中心发出低电价事件(Ep为1)，MGCC将双向逆变器调整为充电模式，此时的储能模块可当作直流负载，吸收主电网提供的廉价电能。2.0 s时，电价上涨为高价(Ep为0)，双向逆变器被调整为放电模式，由储能维持直流母线电压。减少负荷对主电网高电价的用能需求，帮助降低运行成本。

6 结语

本文提出一种基于分层控制的源网荷储混合微电网控制方案，并采用有限状态机实现了预期控制目标。所提出的控制方案包括事件驱动的微电网中央控制器和状态驱动的分布式控制器。通过2个源网荷储混合微电网的案例仿真，结果表明系统能在电价和新能源出力波动下，自动切换至合适的运行模态稳定运行，同时在切换过程中网络电能符合质量要求，保证了系统可靠供电。“状态+事件”分层控制的方法减少了通信需求，降低了系统成本，对未来应用于其他交直流微电网工程具有一定的借鉴意义。