考慮系統延時的微電網有功功率分布式控制策略

王 濤

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

根據目前的實際情況來看，電力系統中新能源應用占比迅速增長。其中，太陽能和風能為兩種非常重要的表現形式，但是存在一定的波動性和隨機性，無法全方位滿足電網系統運行需求。微電網的出現可以滿足分布類電源的基本需求，還能在中低等級的電壓下連接分布設備。微電網具有變化多樣、容量小以及節點多等特點，使得旋轉主機和電網控制出現了不同的效果。在考慮微電網特點的情況下，電網使用集中控制方案時對中央控制設備有一定的要求。不僅需要成熟的技術，還需大量的計算數據。分布控制方案使用了大量控制設備，完成了系統協同控制，是微電網未來的主要發展方向。一致性算法屬于一種特點明顯的控制計算方式，利用疏通信號網絡的方式完成節點一致性控制。目前，一致性算法已經在微電網中得到了廣泛應用。使用這種算法時，一定要進行經濟調控和二次控制，可借鑒頻率電壓調控的研究成果。

分布式控制策略和系統運行之間具有直接關系。延時性是微電網運行過程中出現的主要影響因素。在考慮不同的通信延時階段的情況下，需要研究多種系統的穩定條件，設計具有離散型和一致性的微電網控制方案，合理分析延時性對控制方案造成的實際影響。另外，需要建立微電網分布小型基站模型，逐漸減少延時性造成的影響。本文在綜合國內外已有研究的基礎上進行了系統延時性研究，其中主要包括節點控制性和系統延時性，并合理分析了在系統延時狀態下的微電網功率分布和性能狀態，能夠提供穩定的控制依據。此外，在綜合各方面條件的情況下提出了適應性分布控制方案，并使用多個場景驗證了仿真效果。

1 基于一致性的微電網有功功率控制

1.1 圖論與一致性控制

在進行分布式控制工作中，為了能夠有效統計不同節點間的信息數據，可以采用交互成圖的方法進行表示。本文以通信系統為例，分析G(V,E)的無向性。其中，V={v1,…,vn}代表網絡中全部的n個節點，是網絡中不可缺少的連接部分；E?V×V表示網絡中的通信線路，{Vi,Vj}∈E表示i、j兩者間的通信連接。在整個通信網絡G中拓撲結構可以采用式（1）進行描述：

當所包含的對角元數值為0時，與之相對的非對角元數值便被定額在非負數區域。在這種情況下，aij大于0，證實節點i與j之間存在數據間的連接，否則aij的數值默認為0。

由于分布式控制系統具備一致性，所有節點彼此間都會對信息數據進行交互工作，以此確保所有節點處于相同狀態，這種狀態變量又被成為一致性變量，通常表示為：

式（2）中，xi(t)為節點i的一致性變量。就目前一致性算法而言，最經典的是以參考值xref代入少量節點來對所有節點數值進行約束，從而使其維持在參考值的范圍內，即：

式中：aij表示鄰接矩陣A中的元素；fi為節點i的牽制系數，代表i的參考值引入情況。

另外，拉普拉斯矩陣對定義網絡有著十分重要的影響，通常情況下以L=(lij)n×n作為表現形式，都對其進行定義的只有鄰接矩陣，具體情況為：

在進行牽制矩陣的選擇過程中，可以選用矩陣F=diag(f1…fn)，矩陣1n=[1…1]T。因此，可將式（3）改寫成為式（5）：

綜上所述，當G為連通網絡且所選矩陣F不等于0時，那么L+F能夠滿足0≤λ1≤…≤λn，則網絡系統中的全部節點狀態最終都能有效收斂到參考值xref。

1.2 微電網有功功率分布式控制架構

為了確保微電網總功率能夠達到合理的平衡狀態，需對微電網中涉及的各臺DG（分步式電源）的有功功率進行調整，并合理分配容量比例，以實現對微電網的有效控制。

下垂控制策略和一致性控制策略是人們日常生活中最常用到的微電網有功分布控制手段。但是，下垂控制策略具有區域限制，只能在本地使用，作用是調節當地DG的有功功率，以確保DG輸出的頻率符合相關要求。

一致性控制策略則是利用當前最先進的計算機網絡技術，在通信網絡的內部空間中進行信息數據間的置換與交流，并以此為基礎調整所有的DG有功功率。

在不考慮微電網內部電路耗損的情況下，可以選用式（6）對有功功率進行控制調整。

2 微電網延時具體影響分析

2.1 分布控制模式中延時建模

微電網中延時性主要分為兩種形式。第一種，不同節點之間存在的通信延時性。這種延時性主要受距離、通信結構以及方法等因素影響。第二種，時微電控制延時性。這種控制方法可以減少設備使用過程中的多種影響因素。微電網一致性控制程序中，在確定了控制設備和具體的通信網絡后，需要將延時情況設為具體的常數。在兩種延時情況都存在的背景下，傳統微電網具體的分布控制方程為：

式中，tii表示DGi的控制延時，tij表示DGj信息傳遞到DGi所用的延時[2]。

2.2 分布控制過程中延時影響分析

若系統中出現了系統延時性，那么會直接影響系統穩定性。系統穩定和重要支點之間有著直接關系，為了確保系統穩定性，需要替換極點位置和復位面，并確定和替換使用的方程式[2]。

在受到延遲影響的情況下，一致性特征控制方程為：

式（8）中，di表示節點i的度，即拉普拉斯矩陣相對應的對角元素。通過分析得出，tii=0的狀態下，掃描控制系統所有的極點都應該位于左半開面。這種狀態下若出現了系統延時性，能及時應對半開極點問題，以滿足At(s)=(aije-st11)n×n的需求，確保系統延時性存在于虛軸極點。這種情況下，需要找出對系統造成影響的限制條件，使系統不完全處于虛軸極點，才能使得系統時刻處于穩定運行狀態[3]。

3 系統延時微電網控制方案

3.1 微電網功率分布控制策略設計方案

將式（7）進行改寫，得出：

可以看出，在控制器中輸入信號可以確定本地節點。造成系統運行不穩定的主要因素有xi(t)和ui1(t)，造成系統失穩的主要是ui1(t)，所以需要將其帶入皮亞諾算式中確定具體的常數，以保障多項指標的穩定性和安全性[4]。使用時刻信息進行預測，若是取0＜ui2(t)＜1的狀態下能得出本地程序的狀態，同時能逐漸降低系統的延遲性。通過調整式（9），將其變成算式的標準形式，制定完善的微電網功率分布控制方案：

式（10）提供了一種使用時刻的信息對未來信息進行預測的方法。若取0＜a＜1，則可通過式（10）估計出t-(1-α)τii時的本地狀態，等效地減小了系統的控制延時。

3.2 微電網有功功率分布式控制策略性能分析

通過對系統方程進行特征分析，得出：

式中：P=diag(p1…pn)。

需要利用對角矩陣實施特征判斷，找出存在的根本問題，還需要確保矩陣具有的適用性。若是在通信線路中出現了延時性過高的問題，為保障系統穩定運行，需逐漸完善矩陣結構。系統中需要嚴格要求所有矩陣使用方程措施進行結論確定，為系統日常維系提供良好環境和基礎。在進行系統控制過程中，需要保障多種條件符合要求，驗證算式具有的合理性和真實性，設置具體參數，完成最終賦值[5]。

通過分析式（11）可以得出，控制方案雖然可以保障系統穩定運行，但是所有條件必須滿足需求。在A逐漸向0靠攏時，可以驗證多個算式的相同性。一定要合理設置參數值，改變以往的控制方案，才能確保系統穩定運行。在A=0.5的情況下進行舉例說明，代入式（11），可以得出延遲較小的臨界值：

對于式（11）和式（10），若是在不同的通信環境中，需要根據實際情況選擇控制方案，使系統可以承受最大的耐久度，增加80%左右的延時性，進而提升微電網的適應能力[6]。

4 仿真分析

為驗證相關分析的正確性和所提策略的有效性?；趦蓚€微電網算例進行仿真測試，分別對應有環的通信網絡和無環的通信網絡。算例1中DG1為牽制DG，算例2中DG5為牽制DG，分別如表1和表2所示[6]。

表1 算例參數

表2 DG額定功率和下垂系數

微電網中DG的控制時主要取決于控制器的采樣和運算環節，一般在1 ms以內。不同節點之間的通信延時根據節點之間距離的不同，一般在幾毫秒至幾百毫秒之間。仿真中設定改進控制策略參數a=0.5，兩種控制策略分別要求控制延時小于0.5 ms和0.9 ms。對于算例2，兩種控制策略要求控制延時小于0.3 ms[7]。

5 結 論

本文針對微電網中通信控制和延遲性進行研究，提出了比較完善的功率分布控制方案?？刂蒲訒r性會直接影響系統穩定性，還會逐漸改變收斂速度和性能指標。為了解決這種問題，提出了良好的控制計算方案，可為控制系統構建提供良好的環境。