基于多時間尺度的微電網群階梯控制方法研究

顏寧 潘霄 張明理 馬少華 張博 劉穎明

摘要：針對含高比例可再生能源的微電網存在功率波動較大的問題，提出一種適用于多微電網互聯的不同時間尺度階梯控制方法，綜合考慮系統中負荷需求、儲能容量、微電網運行三者之間關系，基于不同時間等級進行了三層調控，本地控制層按分布式電源位置進行區域劃分，以線路損耗最小為目標進行秒級調控;微電網自治控制層采用調節系統內的功率輸出，以儲能系統的利用率及分布式電源運行成本最小為目標進行分鐘級調控;微電網群中央控制層在滿足各個子微電網優化運行，以并網點功率偏差最小為目標進行小時級調控。選取不同的權重系數對微電網群多目標優化問題進行求解，結果表明基于不同時間等級的分層調控方法，有效地提高了微電網群運行的自治性、穩定性和經濟性，提高了并網的可靠性、安全性。

關鍵詞：儲能;多時間尺度;階梯控制;多微電網互聯;協調調度

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.004

Step control method of multi?microgrids based ?on different time levels

YAN Ning1，PAN Xiao2，ZHANG Ming?li2，MA Shao?hua1，ZHANG Bo1，LIU Ying?ming1

（1.School of Electrical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China

2.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute， Shenyang 110015， China）

Abstract：

For microgrids with high proportion of renewable energy， there is a problem of large power fluctuations.A step control method of multi?microgrids based on different time levels was proposed.The relationship between load demand， energy storage capacity and microgrid operation in the system were considered comprehensively， the three?layer control was adopted based on different time levels， the local control layer was divided into regions according to the distributed power source position， and was controlled in seconds by the minimum line loss;The micro?network autonomous control layer was used to adjust the power output in the system， and was subject to minute?level regulation with the goal of utilization of the energy storage system and the minimum operating cost of the distributed power supply;The central control layer of the micro?network group was used to satisfy the optimization operation of each sub?microgrid， and the hour?level regulation was carried out with the goal of minimizing the power deviation of the grid?connected points.The multi?objective optimization problem of micro?network group was solved by selecting different weight coefficients， the results show that by hierarchical control method based on different time levels， the autonomy， stability and economy of multi?microgridsoperation are effectively improved， and the reliability and security of the grid connection are improved.

Keywords：energy storage; multi?time scale; ladder control; multi?microgrids interconnection; coordinate scheduling

0引言

在化石能源漸乏和碳排放超標的雙重壓力之下，以發展多種能源、解決環境污染，保證系統安全運行為前提的各類可再生能源供電形式得到廣泛應用。這些可再生能源供電多以微電網的形式接入電網，與儲能系統、負荷等共同構成一個可控的整體，在保證可再生能源充分利用的同時有效地提高整個微電網的發電效益。

微電網架構中的電力系統具有靈活性和自主性強的優點，但同時存在著抗干擾性弱、容量有限、不能快速響應大容量分布式電源輸出功率、負荷跌落等瞬態問題，制約了可再生能源的消納。微電網群在此背景下應運而生，微電網群概念的提出實現了毗鄰位置微電網、分布式電源、儲能、負荷的互聯，通過協調控制各個微電網系統，在保證分布式能源利用率的同時通過各個微電網之間的能量調度有效地提高了供電的安全性和穩定性。

目前，微電網群的相關研究在國內外尚處于起步階段，研究的重點主要集中在微電網群的規劃、可靠性評估、及微電網群接入對配電網影響研究，鮮有文獻對微電網群并網情況下協調優化調度進行系統的研究。現有研究成果大部分集中在微電網群系統內的協調控制，文獻提出了孤島運行模式下，微電網群根據不同的運行工況采取主從控制方法;文獻提出了基于一種特定的微電網群架構形式的自主控制方法研究，在交直流組成的混合微電網系統中采用分層控制方式實現了各個子交換單元功率的合理分配。另有文獻主要采用目標優化方式研究微電網群協調優化控制，如文獻權衡微電網和電網之間功率分時交換帶來經濟差異，以微電網群各個子系統的最優經濟運行為目標，使得配電網運行成本最低;文獻分散控制微電網群中各個分布式電源的出力，通過多級代理的方式將微電網系統控制目標分散發送到各個單元，但增加了系統的通訊成本。綜上，現有的研究尚未涉及多個子系統的微電網群并網運行模式下，根據不同的運行工況采用合理分時的調控方法，保證實時響應配電網調度需求、微電網群的穩定運行及狀態的平滑切換。

本文提出一種不同時間尺度的微電網群三層階梯控制策略，分別包括：本地控制單元、微電網自治控制中心和微電網集群中央控制系統。調控有效地結合了自主控制與集中控制原則，本地控制單元以即插即拔特性的分布式發電裝置自主控制，控制分布式電源的實時調節，實現能量的存儲和加載，以線損最小進行區域劃分，有效地降低控制的復雜度，提高系統的可靠性，調控時間間隔短;微電網自治控制中心以區域內分布式電源成本最小及儲能合理利用進行調控，調控時間間隔略長于本地控制;微電網集群中央控制系統在滿足各個子微電網優化運行，實現多微電網互聯，在微電網群層面解決單個微電網功率輸出不足，不能及時響應負荷需求等問題，以能量交互成本最小為優化目標，同時，保證與電網間的信息交互，以并網點功率偏差最小為目標實現小時級調控，采用此控制方法協調了各個微電網的功率平衡，在微電網群層面降低了微電網內容量不足影響供電可靠性等問題，有效地提高分布式能源并網的可靠性、安全性和經濟性。

1微電網群各級階梯控制

1.1微電網群架構形式

微電網集群是微電網發展到一定階段的產物，不僅可以并網運行，而且可以脫離配電網的獨立運行。微電網集群可以充分利用自身的特點、優勢互補，保證系統的穩定運行。微電網集群的主要結構形式如圖1所示。

微電網群中各個微電網可以根據不同的運行目標進行調控，如經濟運行成本最小，環境收益最大，微電網內線路損耗最小等，采用分時分區域的調控比單一調控策略靈活，更容易實現供電可靠性。

1.2微電網系統中本地控制策略

不同時間尺度下微電網群可采用分區域階梯控制方式，根據控制對象不同，分為本地控制單元、微電網自治控制中心和微電網集群中央控制系統。具體的控制如圖2所示。

對微電網系統進行本地控制時采用解耦控制方法，根據系統內分布式電源、儲能系統、負荷排布位置進行區域劃分，為了解決不同負荷類型的需求變化導致區域內功率不平衡問題，在區域劃分時選取帶儲能系統并且反應電壓平穩水平節點作為關鍵節點，每個節點根據上級的微電網自治控制中心下發指令，實現多區域解耦控制。

1.2.1儲能控制

在本地控制層中，為了滿足分布式儲能裝置響應功率調度需求，采用等同于電流源的變流器對儲能系統進行投切，有效地減少設備的頻繁動作，延長儲能電池的使用壽命，具體控制方式如圖3所示。

本地控制層的分布式儲能系統采用PQ控制方式，PI控制的方式具體如公式（1）～式（3）所示。

儲能系統實時功率輸出為

Pbj=ugdjigdj+ugqjigqj，

Qbj=ugdjigdj-ugqjigqj。（1）

式中：Pbj為第j個儲能系統實際輸出的有功功率;Qbj為第j個儲能系統實際輸出的無功功率;igdj為d軸電流輸出實際值;igqj為q軸電流輸出實際值;ugdj為d軸電壓輸出實際值;ugqj為q軸電壓輸出實際值。

上級發送給變流器的電壓指令為

u*gdj=kijvs+kibj（i*gdj-igdj）=

kijvs+kibjkijs+kpij（P*bj-Pbj）-igdj。（2）

式中：u*gbj為發送給變流器的電壓指令;P*bj為微電網下達到本地控制層第j個儲能系統有功功率指令;i*gdj為d軸電流輸出標準值;i*gqj為q軸電流輸出標準值;kijv，kibj，kij，kpij為不同比例系數。

u*gqj=kijvs+kiDGk（i*gqj-igqj）=

kijvs+kiDGkkijs+kpij（Q*bj-Qbj）-igqj。（3）

式中：u*gqj為發送給變流器的電壓指令;Q*bj為微電網下達到本地控制層第j個儲能系統無功功率指令，kiDGk為比例系數。

1.2.2分布式電源的解耦控制

當本地控制系統中各個子區域依托于整個微電網系統運行時，各個分布式電源按最大功率特性輸出電能保證負荷需求，在控制過程中用兩相dq旋轉坐標系下的直流分量代替原有的abc三相坐標系下的直流分量，實現完全的解耦控制。

1.2.3本地控制

在本地控制中，各個子區域需要滿足本地負荷需求的同時響應微電網層調度，區域劃分過程中考慮子區域內線路損耗最小，優化目標為

flossl=min∑T1t1=0∑lx=1[P2x（t1）+Q2x（t1）]?L2∑oyRdyU2x（t1）t1×10-3。（4）

式中：l為區域的個數;o為區域內線路個數;Px為線路有功功率;Qx為線路無功功率;L為負荷特征系數;Rdy為線路等效電阻;Ux為線路運行電壓的平均值，t1為運行時間;T1為子區域調度周期。

本地控制中可再生能源源和儲能系統采用分區域的解耦控制方式，以線路損耗最下為優化目標，有效地提高微電網中子區域中分布式能源的利用率。與此同時，實時響應微電網自治控制中心的指令。

1.3微電網系統自治控制策略

1.3.1微電網自治控制——分布式儲能控制

微電網自治控制中心在固定周期內為儲能系統提供最優功率輸出指令∑mj=1P*bj，∑mj=1Q*bj，微電網中各個子區域內的儲能根據節點容量、電壓、頻率等參數來調節儲能系統輸出。儲能系統工作狀態劃分如圖4所示。

在考慮微電網自治調控中，以儲能不滿足分布式能源存儲要求折算成本最小為優化目標。

1）當儲能系統容量達到上限，可再生能源損失折算成本為

flcc_1=minEl1（t2）=?∑T2t2=1∑ki=1[PMGi（t2）-Ploadi（t2）]×?t2-[Emax-E（t2-1）]。（5）

式中：PMGi（t2）為t2時刻微電網輸出功率;Pload（t2）為t2時刻負荷輸出;Emax為儲能系統最大的容量;T2為微電網調度周期;E（t2-1）為儲能系統t2-1時刻的容量。

2）當儲能系統電量達到下限，不能滿足負荷需求折算成本為

flcc_2=minEl2（t2）=

∑T2t2=1∑ki=1[Ploadi（t2）-PMGi（t2）]·

t2-[E（t2-1）-Emin]。（6）

式中：Emin為儲能系統最小的容量。

1.3.2微電網自治控制—子區域運行成本最小

在考慮微電網自治控制時以子區域中分布式電源周期內運行費用最小為優化目標。表達式為

flcc_3=min∑T2t2=1∑ki=1Li（t2）PMG（t2）t2。（7）

式中：t2為運行時間;Lx（t）為成本函數。

1.4微電網群系統中央控制策略

微電網群中央控制主要是監控每個微電網系統自治控制及并網運行特性，與此同時，監控集中式儲能系統的運行狀態，對儲能和各個微電網按調控周期發送控制指令，具體如圖5所示。

微電網群基本組成形式為微電網，微電網群的產生是由于接入配電網的微電網數目不斷增多，各個微電網的管理者考慮自身利益最大化為前提，與其他微電網形成合作運行關系，考慮不同的權益產生微電網之間的能量交互。

1.4.1集中式儲能控制

集中式儲能并聯與各個微電網一同并聯在母線上，其主要作用是瞬時響應電網的調度需求，另根據分時電價政策起到到削峰填谷、平抑波動的作用，維持聯絡線功率傳輸動態平衡。

在對集中式儲能進行控制時，將其看成第k+1個微電網，具體控制如下所示。

1.4.2微電網交互成本及功率偏差最小

微電網群能量交互實現了能源的空間轉移，各個微電網單元存在能量流實現調度支撐，某個微電網根據功率需求向微電網群中央控制中心發送請求，控制中心根據交互成本最小進行調度，考慮分時電價對成本的影響，具體的目標函數為

fn_1=min∑Tt=1[∑3z=1∑k+1i=1CMGziPMGi（t）]。（8）

式中：CMGzi為第i個微電網進行能量交互過程中的電價，為z為谷時、峰時、平時三種狀態;k+1為微電網個數與集中儲能系統總和;PMGi（t）為第i個微電網吸收或輸出的能量狀態;t為運行時間;T為微電網群調度周期。

分布式電源以微電網群的形式并網，在滿足自身本地負荷需求的同時需要考慮最小功率偏差，最快最準確的響應電網功率需求。優化目標為

fn_2=min∑Tt=1Pline（t）PM（t）×100%=

∑Tt=1PM（t）-（∑k+1i=1PMGi（t））PM（t）×100%。（9）

式中：Pline（t）為并網點功率偏差值;PM（t）為并網點功率需求。

2不同時間尺度階梯調控方式

三級階梯調控方式與微電網系統內分區域解耦控制拓撲結構結合，將單個微電網劃分為獨立、結構簡單的子區域進行調控，有效地減輕了底層通訊的復雜度，抑制了負荷變化導致的的子網內功率不平衡的問題。微電網系統也采用相對獨立的解耦控制方式，實現了微電網的“即插即拔”的并網/孤島運行模型，微電網群采用集中控制策略，考慮整體經濟收益，減少設備投切的成本。各個單元根據調控目標及負荷響應的不同采用分時調節策略，減少設備的頻繁動作，延長各個分布式能源的使用壽命，具體如圖6所示。

在對微電網群進行分時調控時，采用多目標優化的方式，具體優化目標為

fall=α1flossl，

α2（β1flcc_1+β2flcc_2+β3flcc_3），

α3（1fn_1+2fn_2）。（10）

式中：α，β，為權重系數，α1+α2+α3=1，β1+β2+β3=1，1+2=1。

為了保證電網功率平衡，等式約束條件為

PM（t）=∑Tt=1[∑ki=1PMGi（t）+Pb_all（t）]=

Pb_all（t）+∑T2t2∑ki=1[∑lx=1Pxi（t2）+

∑mj=1Pbij（t2）-Ploadi]TT2。（11）

式中：m為區域內儲能個數。

儲能及分布式電源極值約束為

0≤PM（t）≤a。

0≤∑mj=1Pbj（t1）t1≤b，

-0.9Ebj≤∑T1t1=0∑mj=1Pbj（t1）t1≤0.9Ebj，

Ebj≥0。（12）

式中：Ebj為儲能系統容量;a為電網與微電網群功率交換上限;b為儲能系統的容量限制，由微電網規模決定。

不同時間尺度階梯調控步驟如下：

1）初始化分布式電源出力、負荷需求、各個微電網出力預測值，微電網群控制系統根據上級調度中心指令，以能量交互成本最小和并網點功率偏差最小為目標實現小時級調控，控制過程中設置權重系數α3和，滿足α1+α2+α3=1，1+2=1，此時輸出對應微電網及集中式儲能最優功率值。

2）判斷運行周期T是否大于1 h，若T≥1 h，更新參數進行下一周期的運行調控;若T<1 h，則同時進行分鐘級的調控;微電網自治控制中心以區域內分布式電源成本最小及儲能合理利用進行分鐘級調控，控制過程中設置權重系數α2和β，滿足α1+α2+α3=1，β1+β2+β3=1，修正上級滿足優化目標的各個微電網功率輸出。

3）判斷運行周期t2是否大于1 min，若t2≥1 min，判斷t是否等于60t2，若t=60t2，則返回步驟1），若t≠60t2，繼續進行分鐘級調控。若t2<1 min，則同時進行秒級的調控;本地控制中心以線損最小進行秒級調控，控制過程中設置權重系數α1和β，滿足α1+α2+α3=1，輸出對應分布式電源及分布式儲能最優功率值。

4）判斷運行周期t1是否大于1 s，若t1≥1 s，判斷t2是否等于60t1，若t2=60t1，則返回步驟3），若t2≠60t1，繼續進行秒級調控。若t1<1 s，此時輸出各個分布式電源和儲能系統的功率，實現1個調度周期內的分層控制。

3實例分析

本文以IEEE RTS 24節點作為圖1所示的微電網群連接拓撲結構，此結構中共計24個節點、在節點1、8、15節點可接入微電網、設置節點8為并網點，并預設在2、9、17、20處擬安裝儲能系統，微電網群包含了3個微電網系統和1個集中式儲能系統，系統內不同分布式電源參數如表1所示。

某地區的分時電價政策為例，谷時的電價為0.365 8元/kWh，平時的電價為0.859 5元/kWh，峰時電價為1.378 2元/kWh，尖峰時段的價格為1.506 5元/kWh，24 h全天的電價曲線如圖7所示。

以微電網1為研究對象，對比其直接并網和以微電網群形式并網兩者之間的投資成本、停機損失及儲能利用率對比。具體計算結果如表2所示。

根據表2可以看出微電網1以微電網群的形式接入電網，初始投資成本折算到每天增加了10.9%，停機損失折算到每天減少了20.7%，儲能系統的輸出功率也明顯減少。因此可以看出以微電網群的形式并網有效地增加了分布式能源發電的利用率，減少了儲能設備的頻繁動作，延長了儲能設備的使用壽命，有效的保證了微電網系統的經濟運行。

對比24 h內多個微電網單獨接入電網或多個微電網以微電網群的形式接入電網功率輸出情況，具體如圖8、圖9所示，對比可以看出在0：00～6：00用電低谷期時，以微電網群形式運行向電網購電明顯減少，12：00～14：00用電高峰期時，以微電網群形式向電網供電明顯增加。

對比24 h內多個微電網單獨接入電網或多個微電網以微電網群的形式接入電網情況，集中式儲能系統的功率輸出情況對比，具體如圖10所示。

從圖10對比可以看出：對比24 h內多個微電網單獨接入電網或多個微電網以微電網群的形式接入電網兩種情況下集中式儲能的功率輸出情況，可以看住，微電網以微電網群的形式接入電網儲能系統的峰谷差降低了12.5%，由此可以得出以微電網群的形式接入電網更有效地增加了微電網之間功率的內部消耗。

在對微電網群進行多目標優化時，根據公式（10）選取不同的權重系數，計算出一天內不同時刻取得最優解情況下，微電網群整體的功率輸出情況具體如圖11所示。

如圖11所示，各個微電網以微電網群的形式并入電網，當優先考慮小時級微電網群調度優化時，α1=α2=0，α3=1;同時考慮能量交互最小和并網功率偏差最小，1=0.5，2=0.5;其他權重系數為0時，峰時和平時向電網輸出功率明顯增加，在谷時對電網購電需求顯著減少，各微電網協調優化調度得以體現。

當優先考慮分鐘級微電網調度優化時，α2=0.6，α1=0.2，α3=0.2;同時考慮分布式電源周期內運行費用最小，β1=0.25，β2=0.25，β3=0.5;考慮能量交互最小和并網功率偏差最小，1=0.5，2=0.5;其他權重系數為0時，峰時和平時向電網輸出功率比前者明顯減小，谷時對電網購電需求比前者明顯增加。

當優先考慮秒級子區域調度優化時，α2=0.2，α1=0.6，α3=0.2;同時考慮子區域內線路損耗最小，能量交互最小和并網功率偏差最小，1=0.5，2=0.5;其他權重系數為0時，24 h內與電網功率交換功率與優先考慮分鐘級微電網調度比差距不明顯。

根據圖11中優先考慮小時級調度優化時，24 h內各個微電網功率輸出如圖12所示。

通過圖12可以計算出優先考慮小時級調度最優情況下各個單元的功率輸出。同樣也可以計算出不同時間等級優化調度對應的功率輸出，為以后微電網中各個分布式能源的配置及優化調度奠定基礎。

4結論

本文提出了一種不同時間尺度的微電網群階梯控制策略。將微電網群的控制分為本地控制單元、微電網自治控制中心和微電網集群中央控制系統，采用不同時間尺度的控制方式，有效的減少了設備頻繁動作，提高了各個分布式電源的利用率。

1）采用微電網群的形式并入電網，有效的提高了電網對微電網群的供電需求，采用本文提出的控制方法在保證各個子微電網功率平衡的同時，減少了對儲能系統依賴，能夠有效的提高分布式能源并網的可靠性、安全性和經濟性。

2）階梯控制過程提出了不同優化目標，如并網功率偏差、微電網群經濟收益、區域內線路損耗等。在調控過程中根據不同的調控側重點設置優化權重，調節各個微電網功率輸出，為微電網群的搭建提供分布式電源容量配置參考，具有實際應用價值。

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