交直流混合微電網(wǎng)一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)

何紅玉,韓 蓓，徐晨博，張利軍，李國杰，汪可友

(1. 上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟技術研究院，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭和環(huán)境氣候問題的日趨嚴重，如何大規(guī)模高效、安全地引入分布式可再生能源早已成為研究熱點。微電網(wǎng)[1]作為一個由負荷、分布式電源和儲能裝置組成的自治自理自控系統(tǒng)，根據(jù)與大電網(wǎng)的關系，有并網(wǎng)與孤島2種運行模式，且分別具有其獨特的能量管理方式[2]。

交直流混合微電網(wǎng)兼?zhèn)浣涣魑㈦娋W(wǎng)與直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢，同時通過減少換流設備來降低換流損耗、提高經(jīng)濟效益，因此是微電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢[3]。而能量管理系統(tǒng)(power manage system)是交直流混合微電網(wǎng)潮流管理的必要手段，其管理方式主要有基于規(guī)則管理[4]和最優(yōu)化管理。最優(yōu)化管理考慮了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益，因而在國內(nèi)外引起廣泛的關注[3]。然而分布式電源的高滲透率與交直流混合微電網(wǎng)的可拓展性使得傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化協(xié)調(diào)管理缺乏靈活性與可拓展性，但分層優(yōu)化策略[5]在交直流混合微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中有廣闊的應用前景。

傳統(tǒng)的分層優(yōu)化策略通過層次之間的信息雙向傳遞實現(xiàn)其管理的整體性。文獻[6]提出的分層控制中，底層分布式電源與上層中央Agent的協(xié)調(diào)交互實現(xiàn)系統(tǒng)的管理，但是其仍是“點”對“多點”的通信。文獻[7]所提出的三層微電網(wǎng)控制架構(gòu)，通過多種控制器的設置管理微電網(wǎng)的運行，但是其內(nèi)部仍存在集中控制。在分層優(yōu)化管理中引入一致性算法[8]，能打破局部集中控制的思想。文獻[9]設置發(fā)電機組的增量成本和柔性負荷的增量效益作為一致性變量，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度。文獻[10]將一致性算法實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化的概念應用到孤立直流微電網(wǎng)中，但未考慮交直流混合微電網(wǎng)的情況。文獻[11-13]提出基于分布式算法的直流微電網(wǎng)自適應下垂控制，實現(xiàn)了均流與穩(wěn)定電壓的目的，但是未考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。文獻[14]提出基于邊際成本的改進下垂控制，按各分布式電源邊際成本一致分配功率。但是上述控制策略僅應用于交流微電網(wǎng)中，本文將一致性優(yōu)化管理應用到交直流混合微電網(wǎng)中，同時考慮交流子微電網(wǎng)與直流子微電網(wǎng)聯(lián)絡線的特性，使系統(tǒng)在經(jīng)濟最優(yōu)的同時保持穩(wěn)定。該管理策略的具體特點可闡述為：

a. 相比于傳統(tǒng)集中式優(yōu)化管理方式，系統(tǒng)既能適應交直流混合微電網(wǎng)中分布式電源自主控制的特點，又能實現(xiàn)系統(tǒng)整體運行的經(jīng)濟最優(yōu)，使能量管理系統(tǒng)具有經(jīng)濟性特點；

b. 一致性算法“點”對“點”的分布式通信網(wǎng)絡比集中通信網(wǎng)絡具有更好的延展性與靈活性，滿足分布式電源“即插即用”的特點，同時分布式算法具有更好的魯棒性提高了系統(tǒng)的抗擾動能力；

c. 一致性算法中“二次協(xié)調(diào)”過程與聯(lián)絡線監(jiān)測點的設置，使得系統(tǒng)兼?zhèn)浒踩缘奶攸c；

d. 在能量管理的執(zhí)行速度上，上層經(jīng)濟優(yōu)化與下層穩(wěn)定控制的協(xié)調(diào)工作使得系統(tǒng)在優(yōu)化分配功率時，能快速抑制電壓與頻率波動，具有良好的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能。

1 交直流混合微電網(wǎng)的優(yōu)化模型

1.1 交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

考慮新加坡南洋理工大學Poh Chiang Loh教授[15]所提出的交直流混合微電網(wǎng)的概念以及低壓交直流混合微電網(wǎng)在我國的應用前景，本文設計如圖1所示的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該交直流混合微電網(wǎng)是通過雙向變流器連接的交流子微電網(wǎng)與直流子微電網(wǎng)兩部分所組成的典型結(jié)構(gòu)。其中，交流子微電網(wǎng)通過公共耦合點PCC(Point of Common Coupling)與外部大電網(wǎng)相連通，實現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式。根據(jù)我國工業(yè)和家用交流電為220 V/380 V與國外DC 380 V標準，設計交流母線電壓為380 V，直流母線電壓為380 V和48 V。其中，高電壓(380 V)用來驅(qū)動主要家用設備，低電壓(48 V)用來驅(qū)動小型桌面設備和計算機。交直流混合微電網(wǎng)既包括光伏電池PV(PhotoVoltaic)、燃料電池FC(Fuel Cell)、風機WT(Wind Turbine)、微型燃機MT(Micro Turbine)和儲能ES(Energy Storage)等分布式電源以及交流負荷、直流負荷，又包括各種電力電子設備。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AC/DC hybrid microgrid

1.2 目標函數(shù)

本文交直流混合微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行是在分布式電源裝備成本固定和忽略網(wǎng)損的情況下，以同步電機與儲能裝置等可控單元的運行成本[16]最小為目標。其中儲能裝置分為充電與放電2種狀態(tài)，目標函數(shù)表示為：

(1)

其中，N為同步機以及儲能裝置等可控單元的集合；Ci(Pi)為可控單元i的成本函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

其中，Pi為可控單元i的有功出力，其中儲能裝置放電時為正，充電時為負；ai、bi、ci為其成本系數(shù)。

邊際成本函數(shù)為：

dCi(Pi)/dPi=aiPi+bi?λi

(3)

圖2 同步電機、儲能裝置成本函數(shù)和邊際成本函數(shù)曲線Fig.2 Cost functions and marginal cost functions for synchronous motor and storage system

1.3 約束條件

a. 有功平衡約束為：

(4)

其中，Ppv為光伏單元的有功出力；Pwind為風機單元的有功出力；PGrid為交直流混合微電網(wǎng)從大電網(wǎng)購入的電量；PDi為單元i的本地有功需求；M為系統(tǒng)內(nèi)全部負荷的集合。

b. 同步電機運行約束為：

(5)

(6)

c. 儲能裝置運行約束為：

(7)

(8)

(9)

d. 聯(lián)絡線約束。

并網(wǎng)聯(lián)絡線容量約束為：

交流子微電網(wǎng)與直流子微電網(wǎng)換流聯(lián)絡線功率約束為：

(10)

本文假設所設計的交直流混合微電網(wǎng)是一個自消納的微電網(wǎng)，風機和光伏的出力冗余可以通過儲能充電與協(xié)調(diào)同步電機來消納，因而只考慮交直流混合微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購電的情況，不考慮交直流混合微電網(wǎng)向大電網(wǎng)售電的情況。按照我國風電與光伏發(fā)電最大消納的原則，本文中風機和光伏都采用最大功率點跟蹤(MPPT)控制，設計為不可控單元，因而在交直流混合微電網(wǎng)能量管理的優(yōu)化模型中不考慮風機和光伏的運行成本，僅考慮可控單元(微型同步機和儲能)的運行成本。

2 交直流混合微電網(wǎng)一致性協(xié)調(diào)策略

本文針對交直流混合微電網(wǎng)的能量管理問題，提出了基于一致性理論的協(xié)調(diào)優(yōu)化管理策略，該策略包括上層優(yōu)化與下層控制。上層優(yōu)化中，各單元之間通過通信網(wǎng)絡交互信息，通過一致性算法協(xié)調(diào)可控單元的出力，實現(xiàn)能量的優(yōu)化管理。在并網(wǎng)運行模式下，當可控單元出力達到上限還無法滿足微電網(wǎng)能量需求時，微電網(wǎng)從大電網(wǎng)購電以實現(xiàn)功率需求；在孤網(wǎng)運行模式下，當可控單元出力無法滿足交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)功率平衡時，協(xié)調(diào)負荷實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。下層控制中，可控單元根據(jù)本地的功率信息調(diào)節(jié)控制曲線，使運行點穩(wěn)定在頻率和電壓恒定，實現(xiàn)交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。其一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理流程圖如圖3所示。

圖3 交直流混合微電網(wǎng)一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理流程圖Fig.3 Flowchart of consensus coordinated optimal management for AC/DC hybrid microgrid

2.1 基于一致性算法的優(yōu)化能量管理

2.1.1 一階離散一致性算法

一致性算法在群體控制、隊形控制、復雜動態(tài)網(wǎng)絡、協(xié)調(diào)控制、聚合控制、擁塞控制和功率分配等[8]多方面有較廣泛的應用，本文選擇較為簡單的一階離散一致性算法[16]作為尋找交直流混合微電網(wǎng)最優(yōu)經(jīng)濟運行點的方法，其具有收斂速度快、收斂條件簡單的特點。離散系統(tǒng)下的迭代格式為：

(11)

寫成矩陣形式即為：

Xk+1=DXk

(12)

(13)

其中，xj[0]為xj的初始狀態(tài)。

2.1.2 一致性算法在交直流微電網(wǎng)優(yōu)化模型中的應用

考慮一致性算法的“點”對“點”通信拓撲，即智能體單元只能與鄰接連通單元交互信息[17]，在交直流混合微電網(wǎng)中設計2個監(jiān)測點實現(xiàn)并網(wǎng)聯(lián)絡線與換流聯(lián)絡線約束條件，則其余約束條件都是可控單元的本地約束，即智能體單元的內(nèi)部信息。同時設計在交直流微電網(wǎng)能夠自消納時，PGrid=0，而系統(tǒng)能量不足時通過與PCC的通信實現(xiàn)并網(wǎng)購電環(huán)節(jié)。

a. 等微增率一致性算法。

根據(jù)拉格朗日乘子與Karush-Kuhn-Tucker條件[16]可知，第1節(jié)所述交直流混合微電網(wǎng)優(yōu)化模型在僅有有功平衡約束、同步電機運行約束和儲能裝置運行約束的條件下，系統(tǒng)的目標函數(shù)最優(yōu)值即為邊際成本函數(shù)取值相等的情況，即所知的“等微增率準則”。

“等微增率準則”在交直流混合微電網(wǎng)能量管理問題中定義為可控成本單元在系統(tǒng)運行中按照相等的耗量微增率運行，從而使系統(tǒng)的可控成本最小，運行最經(jīng)濟。本文中可控單元為同步電機和儲能裝置，其成本函數(shù)滿足等微增率準則使用條件，因而將微增率作為系統(tǒng)狀態(tài)量，則優(yōu)化目標轉(zhuǎn)換為式(14)所示的一致性算法模型，其證明機理見附錄A；fi(k)是調(diào)整有功平衡約束的調(diào)整項，其證明機理見附錄B，如式(15)所示。

(14)

(PDi(k+1)-PDi(k))

(15)

其中，dij為單元i與鄰近單元j的通信權(quán)重，定義為“一致項”系數(shù)；εi為誤差調(diào)整系數(shù)；vi,j為單元i與鄰近單元j的調(diào)整權(quán)重，定義為調(diào)整項系數(shù)；Pi(k+1)和PDi(k+1)分別為單元i在k+1時刻的實測有功出力和實測本地有功需求。

b. “一致性+調(diào)整項”算法的參數(shù)選取原則。

“一致項+調(diào)整項”算法的收斂性與可信度取決于dij、vi, j和εi這3個參數(shù)的選取。一致項系數(shù)dij影響一致性算法的收斂速度，本文按照單元的可控性，分配單元的權(quán)重ρi的高低[16]如式(16)所示；可控單元權(quán)重取較高數(shù)值(如0.5)，承擔一致性協(xié)調(diào)的任務；不可控單元權(quán)重取較低數(shù)值(如0.1)，僅承擔信息流通的功能。

(16)

調(diào)整項系數(shù)vi,j的選取滿足一定條件[16]時，式(15)即可滿足有功功率平衡約束條件，保證該一致性算法的可信度。vi,j按照式(17)取值。

(17)

誤差調(diào)整系數(shù)εi的意義是調(diào)整交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡誤差，其取值大小影響一致性算法的收斂性。當εi取值較大時，收斂速度快，但容易導致系統(tǒng)失穩(wěn)；當εi取值較小時，收斂速度慢，但收斂精度高。本文仿真中將通過反復實驗選擇合理的εi值。

(18)

2.2 基于一致性算法的二次協(xié)調(diào)算法

在交直流混合微電網(wǎng)中，交流子微電網(wǎng)與直流子微電網(wǎng)的換流聯(lián)絡線是交直流混合微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的樞紐。當聯(lián)絡線發(fā)生故障時，交流子微電網(wǎng)與直流子微電網(wǎng)分別孤立運行，子微電網(wǎng)各自通過一致性算法進行能量管理，可視為交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)的能量管理。目前，這種研究較多，本文將不再進行討論，本文主要分析聯(lián)絡線正常運行的情況。

在交直流混合微電網(wǎng)基于一致性算法優(yōu)化管理的過程中，換流聯(lián)絡線的傳輸功率時刻被監(jiān)測，規(guī)定從交流子微電網(wǎng)向直流子微電網(wǎng)傳輸為功率正方向。當換流聯(lián)絡線傳輸功率越限時，按照下述算法(以交流子微電網(wǎng)向直流子微電網(wǎng)傳遞功率為例)進行各個可控單元出力的二次協(xié)調(diào)，此時將犧牲全局最優(yōu)，以交、直流子微電網(wǎng)分別最優(yōu)實現(xiàn)優(yōu)化管理。

a. 在二次協(xié)調(diào)一致性算法中更新各子微電網(wǎng)內(nèi)本地負荷有功需求實測值為虛擬值。

交流子微電網(wǎng)：

直流子微電網(wǎng)：

其中，m為交流子微電網(wǎng)單元數(shù)目。

b. 交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)分別基于內(nèi)部的一致性算法協(xié)調(diào)可控單元的出力，此時各單元僅在子微電網(wǎng)內(nèi)部通信。

2.3 基于本地信息調(diào)整的電壓頻率控制

可控單元主要采用下垂控制方法，使其下垂系數(shù)具有自適應能力。在調(diào)節(jié)有功出力的同時，確保交流側(cè)頻率與直流側(cè)電壓恒定，從而保證交直流混合微電網(wǎng)的安全運行。

交直流混合微電網(wǎng)基于本地信息的下垂控制原理如圖4所示，交流側(cè)下垂控制側(cè)重頻率與有功功率的關系，即fi-Pi控制，而直流側(cè)則是電壓與有功功率的關系，即Ui-Pi控制。交流側(cè)頻率和直流側(cè)電壓的無差調(diào)節(jié)，要求可控單元的下垂系數(shù)滿足式(19)，上層優(yōu)化的功率傳遞給下層單元控制實現(xiàn)下垂控制系數(shù)的實時調(diào)整，以提高穩(wěn)定性。

Pi(k+1)mi,k+1=Pi(k)mi,k

(19)

其中，mi,k和mi,k+1分別為可控單元i在k時刻和k+1 時刻的下垂系數(shù)。

圖4 自適應下垂控制原理Fig.4 Principle of adaptive droop control

3 算例分析

本文通過交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)2種運行模式仿真驗證該一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)的有效性和交直流混合微電網(wǎng)的運行特性。針對低壓交直流混合微電網(wǎng)，其簡單級聯(lián)和嵌套系統(tǒng)可等效為簡單的負荷或者源，同時電力電子設備的減少能提高其經(jīng)濟性，因此將圖1簡化為圖5所示的交直流混合微電網(wǎng)典型仿真結(jié)構(gòu)圖，并在MATLAB/Simulink平臺上搭建該仿真算例，每個單元(單元①—⑧)可定義為一個智能體單元以實現(xiàn)與相鄰單元的信息交互和本地的信息反饋。其中，風機(單元①)和光伏(單元⑤)為不可控單元，小機組(單元②、③、⑥和⑦)和儲能裝置(單元④和⑧)為可控單元。設置交流子微電網(wǎng)的相電壓為380 V，頻率為50 Hz；直流子微電網(wǎng)的直流母線電壓為380 V。

圖5 交直流混合微電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)Fig.5 Simulation structure of AC/DC hybrid microgrid

本文所涉及的交直流混合微電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)采用“點”對“點”分布式通信方式，通信網(wǎng)絡的連通性是一致性控制收斂的前提條件，即系統(tǒng)中不允許存在孤立節(jié)點。通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要設定，但不同的通信拓撲影響一致性控制效果：網(wǎng)絡連通度越強，控制算法收斂速度越快，但魯棒性變差[17]。在交直流混合微電網(wǎng)中，由于涉及2個子系統(tǒng)及其連接關系，包含負荷與分布式電源種類及特性各不相同，導致通信網(wǎng)絡的設計要考慮更多的因素：如根據(jù)分布式電源的可控度分配一致性系數(shù)，考慮子微電網(wǎng)內(nèi)存在的簡單嵌套、級聯(lián)關系設計復雜的連通度。同時，通信延遲可能進一步影響一致性算法的控制速度與控制精度，降低交直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此類問題本文中不具體討論，本文考慮風機與光伏的不可控性和2個子微電網(wǎng)間的換流聯(lián)絡線，選取如圖5虛線信息流所示的通信拓撲，其中虛線模擬8臺分布式電源之間的通信關系，2條主聯(lián)絡線設置功率監(jiān)測點，保證聯(lián)絡線的安全性。當M2監(jiān)測到聯(lián)絡線達容限時，單元②與單元⑥間的通信、單元④與單元⑧間的通信均可斷開，在其他通信關系不變的基礎上，形成各子微電網(wǎng)二次協(xié)調(diào)一致性算法的通信拓撲。

表1 各類型發(fā)電機與電池參數(shù)Table 1 Parameters of various generators and batteries

表2 各單元所帶負荷初值Table 2 Initial load values of each unit

為檢驗一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)的管理特性、在負荷需求或光伏/風機出力擾動時交直流微電網(wǎng)的運行特性，以及并網(wǎng)模式下與大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性和換流聯(lián)絡線達容限二次協(xié)調(diào)的有效性，本文設計如下3種仿真情景：情景A，并網(wǎng)模式下負荷需求和光伏出力擾動；情景B，并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)內(nèi)部供電不足；情景C，孤網(wǎng)模式下負荷需求擾動和換流聯(lián)絡線達到容量限值。

3.1 情景A：并網(wǎng)擾動分析

交直流混合微電網(wǎng)按上述初始條件運行，可控單元采用2.3節(jié)所述的標幺值下垂控制，取200 kW有功功率為基準值。模擬t=5 s時單元⑦的本地負荷由100 kW突增到200 kW以及t=10 s時光伏出力由于光照強度增強而變?yōu)?50 kW這2種情況下，一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)的有效性。

仿真結(jié)果如圖6所示(圖中有功出力、直流母線電壓為標幺值)，初始階段可控機組受爬坡率的影響響應速度較儲能單元略慢，兩者基于一致性算法相互協(xié)調(diào)，在t=0.5 s時系統(tǒng)達到經(jīng)濟最優(yōu)運行狀態(tài)，此時λ=12.258 2，可控單元②—④、⑥—⑧的有功出力分別為128.23、128.63、30、100、128.63、24.52 kW，其中單元 ④和 ⑥都已達到容量限值。t=5 s時，有功需求突然增大，可控單元基于一致性算法協(xié)調(diào)出力，單元 ②、③、⑦和⑧ 的有功需求分別增加至169.41、169.81、169.81、31.11 kW。t=10 s時，光伏出力突然增大，可控單元基于一致性算法協(xié)調(diào)出力，單元②、③、⑦和⑧的有功需求分別減至153.31、153.71、153.71、32.53 kW。由2次擾動分析可知，該一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理算法能有效協(xié)調(diào)可控單元的出力，達到經(jīng)濟最優(yōu)運行。擾動分析過程中，由于并網(wǎng)運行模式，交流子微電網(wǎng)的頻率和電壓幅值依托大電網(wǎng)的支撐而始終穩(wěn)定，故觀測直流母線電壓的穩(wěn)定性。由仿真結(jié)果可知，主逆變器的P/U控制和直流側(cè)下垂控制的雙向作用使得在并網(wǎng)運行模式下，交直流混合微電網(wǎng)受到擾動，可控單元出力調(diào)整時，直流母線電壓能有效抑制暫態(tài)沖擊，提高動態(tài)性能，在1 s內(nèi)恢復穩(wěn)定；即使光伏單元的最大功率跟蹤控制未設置二次電壓控制，光伏擾動時，系統(tǒng)直流母線的暫態(tài)沖擊也能抑制到1.08 p.u.，仍能在1.5 s內(nèi)恢復穩(wěn)定，交直流混合微電網(wǎng)在擾動時仍能保持良好的運行特性，維持直流母線電壓的恒定。

圖6 并網(wǎng)仿真結(jié)果圖Fig.6 Simulative results of grid-connected operation

3.2 情景B：并網(wǎng)購電分析

交直流混合微電網(wǎng)按照上述的初始條件運行，可控單元采用2.3節(jié)所述的標幺值下垂控制，取200 kW有功功率為基準值。模擬t=5 s時單元④和⑧各接入一個功率為200 kW的負荷后交直流混合微電網(wǎng)的購電情況，以及t=10 s時單元⑤的DG3因故障退出交直流混合微電網(wǎng)后該系統(tǒng)的能量管理情況。

仿真結(jié)果見圖7，t=5 s時，系統(tǒng)有功需求增加，可控單元基于一致性算法協(xié)調(diào)出力，但t=5.35 s時可控單元均達到容量限值，微增率發(fā)散，負荷總需求與微電網(wǎng)系統(tǒng)總出力不平衡，需要向大電網(wǎng)反饋功率缺值。t=5.37 s時，大電網(wǎng)協(xié)調(diào)出力，5.8 s后微電網(wǎng)再次實現(xiàn)供需平衡，完成并網(wǎng)購電行為。t=10 s時，單元⑤的DG3因故障退出運行，則微電網(wǎng)系統(tǒng)的總出力降低100 kW，無法滿足負荷總需求，交直流混合微電網(wǎng)再次向大電網(wǎng)購電，當11.12 s時，交直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的聯(lián)絡線達到容限120 kW，仍無法滿足所有負荷的需求，此時，系統(tǒng)需要進一步切除負荷以實現(xiàn)系統(tǒng)的供需平衡，在本算例中，設單元⑦的負荷為不重要負荷，采取每0.1 s切除10%的負荷比例，則0.4 s后系統(tǒng)再次恢復供需平衡。

圖7 并網(wǎng)仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulative results of grid-connected operation

3.3 情景C：孤網(wǎng)運行分析

交直流混合微電網(wǎng)按照上述的初始條件孤網(wǎng)運行，可控單元采用2.3節(jié)所述的標幺值下垂控制，取200 kW有功功率為基準值。模擬t=5 s時單元⑧接入一個功率為150 kW的負荷后交直流混合微電網(wǎng)的運行情況。

仿真結(jié)果如圖8所示(圖中有功出力、電壓為標幺值)。從圖8(a)可見，t=5 s時，系統(tǒng)有功需求增加，可控單元基于一致性算法協(xié)調(diào)出力。當t=6.1 s時，換流聯(lián)絡線監(jiān)測器M2監(jiān)測到其傳輸功率即將達到容限，基于一致性算法二次協(xié)調(diào)可控單元的出力，此時交流子微電網(wǎng)和直流子微電網(wǎng)基于更新的負荷信息內(nèi)部通信協(xié)調(diào)，以保證聯(lián)絡線的安全性。當t=7.2 s時，2個子微電網(wǎng)系統(tǒng)分別達到經(jīng)濟最優(yōu)，微增率分別為λAC=16.384 0和λDC=12.853 7，可控單元②—④、⑥—⑧的有功出力分別為179.80、180.20、30、100、164.22、25.71 kW。二次協(xié)調(diào)一致性算法的通信網(wǎng)絡由于其通信設備較少和通信連通度強，其收斂速度較快。孤網(wǎng)運行時，直流母線電壓主要依靠可控單元的下垂控制維持穩(wěn)定，而交流母線通過主變流器和可控單元的下垂控制共同維持穩(wěn)定。從圖8(b)、(c)可知，系統(tǒng)受到擾動時，在下垂控制的作用下，直流母線電壓能有效抑制暫態(tài)沖擊，抑制在(380±20)V，在1 s內(nèi)能恢復穩(wěn)定值380 V；同理，交流母線電壓幅值能有效抑制到波動范圍360～400 V，交流母線頻率維持在(50±0.02)Hz，符合我國《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》頻率偏差 ±0.5 Hz以內(nèi)的要求。該控制方法具有良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，使混合微電網(wǎng)保持良好的運行特性。

圖8 孤網(wǎng)仿真結(jié)果圖Fig.8 Simulative results of isolation operation

通過3個算例的仿真分析可知：該一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)在交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)運行時，都能夠有效實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，通過一致性算法的功率分配能實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟最優(yōu)。在換流聯(lián)絡線達到容量限值時，二次協(xié)調(diào)控制降低經(jīng)濟性以保證系統(tǒng)安全性。在系統(tǒng)受到擾動時，底層下垂控制與主變換器的雙重作用能始終維持系統(tǒng)的良好運行特性。在仿真過程中，當系統(tǒng)發(fā)生擾動(負荷需求或分布式電源出力)時，蓄電池響應速度較小機組略快，系統(tǒng)在一致性算法的管理下都能快速抑制暫態(tài)沖擊，在2 s內(nèi)恢復系統(tǒng)的電壓與頻率穩(wěn)定；多種控制方法的采用和控制器的設計使參數(shù)選擇存在復雜性，但是能更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化參數(shù)設計是底層控制方法急需解決的問題；當負荷需求擾動較小時，一致性算法中的“調(diào)整項”補償過度，算法發(fā)散，此時要調(diào)節(jié)ε數(shù)值以保證算法的收斂性，ε的自適應值得進一步深入探討；間隔采點、合理選取數(shù)據(jù)能加快仿真速度，本文中每0.001 s采集一次Pi和PDi，實施一致性算法。

4 結(jié)論

本文針對交直流混合微電網(wǎng)中集中式通信的魯棒性和集中式管理的靈活性與可拓展性不強等弊端，提出一種一致性協(xié)調(diào)優(yōu)化管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)主要分為2層：上層基于一致性算法優(yōu)化功率分配，實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟最優(yōu)；下層基于本地信息修正下垂控制，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，該管理系統(tǒng)的二次協(xié)調(diào)優(yōu)化算法在交、直流子微電網(wǎng)局部經(jīng)濟最優(yōu)的情況下保證了換流聯(lián)絡線的安全性。通過3組算例的仿真分析，驗證了該管理系統(tǒng)的有效性：在管理方法上，一致性算法實現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟最優(yōu)運行；在控制機制上，主變換器與基于本地信息的修正下垂控制使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能；在通信方式上，“點對點”的分布式通信替代了“中心對多點”的集中通信，增強了系統(tǒng)的魯棒性。

該管理系統(tǒng)可進一步應用于具有更復雜結(jié)構(gòu)的多微電網(wǎng)系統(tǒng)、交直流混合配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)，但該方法未開展通信時間延遲、信息丟包、通信鏈路故障等問題的深入討論。因而，通信鏈路的優(yōu)化、通信時間的選取、收斂系數(shù)的自適應等問題可作為本文的后續(xù)研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http:∥www.epae.cn)。