基于柔性多狀態(tài)開關的分布式能源消納改進控制技術

摘" 要：探究基于柔性多狀態(tài)開關的分布式能源消納控制技術，并對比傳統的下垂控制策略與改進的模糊下垂控制策略在分布式能源消納方面的應用效果?；谀：刂评碚摌嫿ㄈ嵝远酄顟B(tài)開關消納控制結構，以直流電壓、功率裕度作為輸入量，以下垂系數作為輸出量，并構建三者的模糊集和模糊邏輯推理表。利用Z形隸屬度函數的計算結果調節(jié)下垂系數，達到實時優(yōu)化效果。從仿真應用情況來看，當直流負荷增加時，改進的模糊下垂控制策略具有下垂系數變化小、電壓波動不明顯，以及穩(wěn)態(tài)直流電壓更加接近標準電壓等優(yōu)勢，實現電壓恒定與功率分配精度的兼顧。

關鍵詞：柔性多狀態(tài)開關；分布式能源；模糊下垂控制；下垂系數；仿真

中圖分類號：TM73" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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、風電等新能源發(fā)電技術的成熟和裝機規(guī)模的增加，分布式能源在滿足社會用電需求和緩解能源危機等方面表現出諸多優(yōu)勢。但是在分布式能源并入配電網時，由于其出力的隨機性導致配電網無法實現運行優(yōu)化的精準控制，反而會影響配電網的電能質量和安全運行?，F有的分布式能源消納技術在實際應用中存在功率控制不靈活、無法規(guī)避節(jié)點電壓越限風險等弊端，在這一背景下探究基于柔性多狀態(tài)開關的分布式能源消納改進控制技術，成為新能源產業(yè)和智能配電網發(fā)展過程中的熱門研究課題。

1" 基于柔性多狀態(tài)開關的多饋線并聯接入方案

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

上述接入方案在直流側實現了分布式能源與儲能裝置的集中接入，從而使配電網在配電潮流控制和分布式能源消納等方面有良好表現。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定的下垂系數實現有功功率的分配[1]。但是在實際應用中，由于下垂系數為定值，在系統出現不平衡功率時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量，則功率波動會更加明顯。為了解決這一問題，本文提出了一種基于柔性多狀態(tài)開關的消納改進控制技術。

2" 基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)開關消納技術

2.1" 基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)開關消納控制結構

在下垂控制策略下，下垂系數是決定消納控制效果的主要因素。通常來說，下垂系數越大，換流器對直流電壓的控制能力越強，而對于提升有功功率的控制精度會下降，反之亦然。因此，在實際設計中要想選擇最佳的下垂系數存在一定難度，考慮到模糊控制在處理界限不分明的定性知識與經驗方面有顯著優(yōu)勢，因此本文將模糊控制理論應用到分布式能源消納控制中，其優(yōu)勢在于不需要建立復雜的數學模型，而是基于專家經驗建立模糊規(guī)則，再根據該規(guī)則得到模糊控制量。最后利用隸屬度函數求解，利用所得結果實現對非線性目標的控制?；谀：麓沟娜嵝远酄顟B(tài)開關消納控制結構如圖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當前運行工況，將實測值與設定值對比后得到直流電壓偏差與功率裕度量。然后根據這兩項數據調節(jié)下垂系數，將原來的固定值（η）切換為基于模糊處理器的自適應下垂系數，達到實時優(yōu)化的效果。同時基于功率分配快速調節(jié)直流電壓，最終增強系統的快速運行能力[2]。

2.2" 計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，將下垂系數作為輸出量，并分別建立模糊集，具體如下：①電壓偏差={負大，負中大，負中，負小，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={零，正小，正中，正中大，正大}。

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

如果電壓偏差或功率裕度有任意一項為零，則保持下垂系數（η）不變。例如表1中電壓偏差為“負大”并且功率裕度為“零”，說明直流電壓與標準電壓有較大差距，理論上應改變換流轉的輸出功率達到調節(jié)直流電壓的效果，但是此時功率裕度為零，不需要改變下垂系數，因此下垂系數不變[3]。

3" 2種控制技術的對比分析

3.1" 仿真模型的構建

為了驗證傳統下垂控制策略與改進的模糊下垂控制策略在分布式能源消納控制方面的應用效果，本文使用PSCAD仿真軟件構建了仿真模型，參數設定見表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。本文將流向直流側的功率定義為正。仿真場景如下：為消除無關因素的干擾，整個仿真過程中光伏電池PV1和PV2的功率與直流側負載均為定值。PV1的功率為2 MW，直流負荷為6 MW；PV2的出力為1 MW，直流負荷為6 MW，并且仿真期間系統始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。直流母線電壓為20 kV。在仿真實驗開始的前1 s時間內，讓換流器以設定功率運行，電壓保持恒定，在穩(wěn)定運行1 s后將直流負荷增加4 MW，在第1.5 s時將PV1的功率增加2 MW。由于直流負荷突然增加，會造成系統送端的實際功率低于受端需要的功率，此時直流母線電壓出現一定幅度的降低。

3.2" 仿真結果對比

2種控制策略下的下垂系數變化仿真結果如圖3所示。在第1 s時由于直流負荷增加，系統立刻檢測到直流電壓與標準電壓之間出現偏差，此時系統中MCC2的下垂系數會快速增加確保直流電壓與標準電壓之間的偏差在合理范圍內[4]。從整體上看，2種控制策略都會在直流負荷增加后出現下垂系數增加的情況，并且在經過0.6 s后下垂系數重新回歸到正常狀態(tài)的1.6。但是橫向對比可以發(fā)現，在傳統的下垂控制策略下，當直流負荷增加時下垂系數的波動較為明顯，最大值達到了22，是標準值的13.75倍；而改進的模糊下垂控制策略下，下垂系數的最大值為2.6，為標準值的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更好。

2種控制策略下的直流電壓的變化仿真結果如圖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時增加直流負荷，直流電壓降低。此時分布式能源增大輸出功率增大直流電壓，使其接近于標準電壓。在第1.6 s時直流電壓重新恢復穩(wěn)定。橫向對比可以發(fā)現，傳統的垂直控制策略下，直流電壓最低降到了19.52 kV，與標準電壓相差0.48 kV，波動較為明顯；最終的穩(wěn)態(tài)直流電壓為19.73 kV，與標準電壓仍然有較大差距。改進的模糊垂直控制策略下，直流電壓最低降到了19.78 kV，波動較??；最終的穩(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，改進的模糊垂直控制策略對分布式能源的消納控制效果更為理想。

除了上述參數差異外，傳統下垂控制策略下的換流器，在傳送功率出現變化后會嘗試回到最初的工作點。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，進而不利于系統的穩(wěn)態(tài)運行[5]。同時，由于傳統下垂控制模式下換流器是以固定的下垂系數來分配功率，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。而改用改進的模糊下垂控制策略，實現電壓恒定與功率精準分配的兼顧，在實際應用中，如果出現負荷或者分布式能源波動，首先能快速地保持電壓恒定，與此同時以最短時間將不平衡功率分配出去。這樣既可以提高電壓質量和維持配電網的穩(wěn)定運行，又能加快實現分布式電源從“點消納”向“面消納”的轉變。

4" 結束語

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。針對傳統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合，構建了基于模糊下垂的柔性多狀態(tài)消納控制結構，從仿真應用效果來看該結構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，在提高配電網的供電可靠性、改善饋線電壓分布等方面表現出良好效果。

參考文獻：

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[3] 潘美琪，賀興，艾芊，等.新型配電系統分布式資源調度研究現狀與展望[J].電網技術，2024，48（3）：933-948.

[4] 郭佩乾，郝峰杰，袁志昌，等.混合多類型儲能的分布式能源系統運行優(yōu)化方法[J].南方電網技術，2023（9）：87-88.

[5] 梁紫雯，牟龍華，何楚璇.微能源網互聯系統的頻率調節(jié)和消納能力研究[J].電工技術學報，2022（S1）：9-11.