基于一致性算法的微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法

馮 豆，李自愿，楊光輝，馬 麗，趙 勇

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司，亳州 236800；2.合肥工業(yè)大學，合肥 230000）

0 引言

微電網(wǎng)是指由分布式電源、電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備、分布式儲能和負載等組成的具有發(fā)電量的電力網(wǎng)絡(luò)。包含重要負荷和可中斷負荷兩類負荷，重要負荷支路裝設(shè)若干分布式電源，若大電網(wǎng)發(fā)生故障則隔離開關(guān)斷開，由分布式電源繼續(xù)為敏感負荷提供電能。微電網(wǎng)具有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式，可以在兩種方式之間進行穩(wěn)定的切換。在并網(wǎng)方式下，微電網(wǎng)既是“負荷”又是“電源”，通過公用節(jié)點與大電網(wǎng)相連，以保持自身電壓、頻率；當微型電網(wǎng)產(chǎn)生大量的電能時，可以將其用作電力供給大電網(wǎng)[1]。由于微電網(wǎng)中風力電池和光伏電池受風、光等自然條件影響，導致微電網(wǎng)的實際輸出功率存在較高的波動性、隨機性和間歇性，為此有必要對微電網(wǎng)的輸出功率進行有效控制。

微電網(wǎng)的輸出功率可以分為有功功率和無功功率兩個部分，其中無功是指在一個有電抗的電路中，在一定的循環(huán)期間，電場或磁場會從電源中吸取電力，而在一定的時間里，電流的平均功率為0，但是在供電和電抗單元之間不斷地進行著能量的轉(zhuǎn)換，而無功功率也就是交換率的最大值。由于有功功率是維持微電網(wǎng)中用電設(shè)備正常運行所需的電功率，因此微電網(wǎng)輸出功率的控制目標即為無功功率。

從現(xiàn)階段微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法的研究與應用情況來看，基于動態(tài)下垂系數(shù)的控制方法和基于改進虛擬同步發(fā)電機控制技術(shù)的無功功率控制方法的應用范圍較廣，然而通過對應用反饋的分析，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有的控制方法在性能方面存在明顯問題，主要體現(xiàn)在控制精度方面，為此有必要在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化。一致性在分布式系統(tǒng)中，可以理解為多個節(jié)點中數(shù)據(jù)的值是一致的，運行原理與微電網(wǎng)無功功率的控制目標一致，將一致性算法應用到微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法的優(yōu)化設(shè)計工作中，以期能夠提高方法的控制性能，間接的保證微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定。

1 微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

微電網(wǎng)主要由開關(guān)、微型電源、儲能器件、電力電子器件、通訊器件等部分組成。微電網(wǎng)中的開關(guān)主要是將微電網(wǎng)和大型電網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)與截斷線與微型電源相分離，而微網(wǎng)中的小型電源則是由各種可再生能源組成，包括光伏電池、風力發(fā)電機組、儲能蓄電池等，以及可調(diào)度的微源[2]。根據(jù)不同元件的工作原理，對上述元件進行連接，確定微電網(wǎng)的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)分布式結(jié)構(gòu)圖

圖1中微電網(wǎng)包括光伏陣列、風力發(fā)電機以及儲能蓄電池三種形式的電源，并以分布式的方式進行連接，其中光伏陣列電源的數(shù)學模型可以表示為：

式(1)中變量Ilight和Isat分別表示的是光生電流和飽和電流，q為光伏陣列中的電荷量，Ulight為光伏陣列的端電壓，λl和γl對應的是比例因子和玻爾茲曼常數(shù)。另外儲能蓄電池的數(shù)學模型可以表示為：

式(2)中nc為微電網(wǎng)中儲電池的連接數(shù)量，E為電池在初始狀態(tài)下的內(nèi)部電壓電勢，μ為電池容量的變化系數(shù)，i(τ)表示內(nèi)部電流，Qsur和λu分別為電池的剩余電量和電壓常數(shù)，C表示電池的額定容量[3]。同理可以得出微電網(wǎng)中風力發(fā)電機的數(shù)學模型構(gòu)建結(jié)果。根據(jù)電池的發(fā)電方式，可以將微電網(wǎng)大體分為直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)兩種類型，在通信拓撲網(wǎng)絡(luò)的支持下，完成微電網(wǎng)各節(jié)點之間的信息通信。

1.2 自動監(jiān)測微電網(wǎng)實時無功功率數(shù)據(jù)

在構(gòu)建的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型下，對其無功功率進行監(jiān)測，得到當前微電網(wǎng)無功功率的運行數(shù)據(jù)。在微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)中的線路與發(fā)電機組相連，從而持續(xù)向外輸電，而在孤島運行模式下，微電網(wǎng)與多個電力系統(tǒng)經(jīng)公共連接點連接，且其余電力系統(tǒng)在電氣上分離。孤島模式下，微電網(wǎng)的瞬時無功功率可以表示為：

式(3)中U和Z分別為微電網(wǎng)電壓和電抗，φ和θ分別為輸出電壓和線路的角度，AU表示的是微電網(wǎng)輸出電壓幅值。同理可以得出并網(wǎng)狀態(tài)下的無功功率如下：

式(4)中變量Rline為微電網(wǎng)線路的電阻值。由于微電網(wǎng)處于實時運行的狀態(tài)，因此微電網(wǎng)中的無功功率會產(chǎn)生實時變化，微電網(wǎng)任意節(jié)點i上的無功潮流可以表示為：

式(5)中Wi和Ui分別為節(jié)點i上的分流電納和電壓，Uter為微電網(wǎng)中電源端的實時輸出電壓，計算結(jié)果Pi為節(jié)點i在任意時刻的無功功率值。在實際的無功功率數(shù)據(jù)自動監(jiān)測過程中，以微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型為背景設(shè)置多個監(jiān)測點，在考慮微電網(wǎng)運行模式和無功潮流波動的情況下，得出微電網(wǎng)無功功率實時數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測結(jié)果。

1.3 利用一致性算法計算無功功率控制量

一致性算法是指在微網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中，節(jié)點信息逐步趨于均勻一致的一種迭代法[4]。為了適應微電網(wǎng)的分布式電源結(jié)構(gòu)，提高微電網(wǎng)任意兩個節(jié)點之間的通信效率，應用一致性算法根據(jù)微電網(wǎng)各個節(jié)點之間的通信差異，計算無功功率的控制量。統(tǒng)計微電網(wǎng)中分布式電源的數(shù)量，記為nDG。當節(jié)點狀態(tài)滿足如下條件時，證明微電網(wǎng)狀態(tài)達成一致。

式(6)中ψi和ψj分別表示微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型中節(jié)點i和j的狀態(tài)值，為了確保微電網(wǎng)中分布式節(jié)點的狀態(tài)量在動態(tài)運行狀態(tài)下的精準一致性，連續(xù)時間下可將一致性算法量化表示為：

式(7)中ψi(t)和ψi(t+1)分別表示節(jié)點i在t和t+1時刻的狀態(tài)值，變量δij和?分別對應的是微電網(wǎng)圖拓撲的鄰接矩陣元素和一致性算法邊的權(quán)重值。一致性算法的收斂率與初始值相關(guān)，通過一致性算法得到微電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的表達式為：

式(8)中hi(t)表示一致性算法的輸入信號，也就是實時微電網(wǎng)實時無功功率的監(jiān)測數(shù)據(jù)。從以上分析可以看出，一致性算法可通過迭代來達到整體一致性，從而達到分布式電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的目的。在實際應用中，為使整個微電網(wǎng)的各個節(jié)點都能達到收斂的目的，要求微電網(wǎng)中所有節(jié)點均具有連通性，無獨立存在的節(jié)點，同時分布式電源之間的通訊是雙向存在的。通過一致性算法的迭代運算，可以得出微電網(wǎng)無功功率控制量的計算結(jié)果為：

將式(7)的計算結(jié)果與無功功率的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)代入到式(9)中，即可得出無功功率控制量的計算結(jié)果。在實際計算過程中，需要根據(jù)微電網(wǎng)的運行狀態(tài)，調(diào)整Pi的具體取值。

1.4 優(yōu)化設(shè)計無功功率控制器

為支持一致性算法的運行，并適應微電網(wǎng)的運行特性，選擇直接采用分布式電源輸出功率進行控制，并利用控制器作為硬件支持。圖2是無功功率控制器的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 一致性算法無功功率分配控制器結(jié)構(gòu)圖

將微電網(wǎng)實時無功功率的監(jiān)測輸入導入到圖2表所示的控制器中，通過一致性算法的運行得出無功功率的控制量，并生成相應的控制信號[5]。將控制信號作用在分布式電源以及輸電線路中，實時反饋控制功率量，并對無功功率的控制信號進行調(diào)整。

1.5 實現(xiàn)微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制

從無功功率平衡、微電網(wǎng)無功出力容量以及最低功率因數(shù)三個方面設(shè)置微電網(wǎng)在無功功率控制過程中的約束條件。為微電網(wǎng)環(huán)境中，無功功率的交換過程如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)無功功率交換原理圖

根據(jù)圖3表示的無功功率交換原理，設(shè)置無功功率在控制過程中的平衡約束條件如式(10)所示：

其中Ps和Pa分別為微電網(wǎng)線路上的無功損耗和負荷功率。另外無功出力容量與最低功率因數(shù)的約束條件設(shè)置結(jié)果如式(11)所示：

其中Py,i為節(jié)點i上的有功功率，Pmax為最大視在功率，m?min表示的是微電網(wǎng)運行要求的最低功率因數(shù)。由此完成控制任務(wù)約束條件的設(shè)置，并將其導入到設(shè)計的控制器中。在并網(wǎng)方式下，微網(wǎng)的AC側(cè)開關(guān)是關(guān)閉的，AC微網(wǎng)的電源平衡和電壓和頻率穩(wěn)定都是由大電網(wǎng)來保證的。采用PQ方式下的AC側(cè)混合蓄能系統(tǒng)，以保證孤島狀態(tài)下的充放電能力，并將混合蓄能的能量以正常的方式進行控制，從而達到MPPT模式下的最大利用率，其主要目的在于保持直流側(cè)的電源均衡和電壓的穩(wěn)定性。在并網(wǎng)過程中，采用直流側(cè)的混合蓄能裝置對電力進行均衡，通過合理的兩邊電源切換，使直流側(cè)的混合蓄電保持在正常的水平，從而降低系統(tǒng)的電源電壓。在孤島模式下，微網(wǎng)的交流側(cè)開關(guān)被切斷，電力平衡仍是由直流側(cè)的混合存儲單元來維持，無需更改控制策略，降低了對微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和無縫切換的影響，利用優(yōu)化設(shè)計的無功功率控制器，實現(xiàn)微電網(wǎng)無功功率的自動控制。

2 控制效果測試實驗分析

2.1 微電網(wǎng)拓撲及配置參數(shù)

為了給基于一致性算法的微電網(wǎng)無功功率控制效果測試提供研究對象，構(gòu)建直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)，其中直流微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)研究對象拓撲圖

從圖4中可以看出，構(gòu)建的微電網(wǎng)利用2個光伏電機、2個風機、4個儲能蓄電池以及3個用電終端，組成三條饋線，且饋線長度均相等，并以相同的方式連接在微電網(wǎng)母線上。微電網(wǎng)中光伏發(fā)電機的額定輸出電壓為600V，其有功功率和視在功率的最大值分別為12kW和15kVar，風機1與風機2的型號相同，風機的額定有功功率為13kW，另外儲能蓄電池的額定功率均為15kW，微電網(wǎng)饋線終端連接的用電設(shè)備功率均為25kW。同理可以得出交流微電網(wǎng)的構(gòu)建結(jié)果。為考慮到微電網(wǎng)的運行狀態(tài)，設(shè)置并網(wǎng)和孤島兩種運行方式，并在微電網(wǎng)中安裝并網(wǎng)開關(guān)，實現(xiàn)兩種運行方式之間的相互切換。

2.2 生成微電網(wǎng)無功功率控制任務(wù)

微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法的控制目的分為兩個部分，一個是保證微電網(wǎng)上各個節(jié)點的無功功率處于穩(wěn)定狀態(tài)，另一部分就是控制微電網(wǎng)的實際無功功率與預期結(jié)果一致。在已知微電網(wǎng)組成設(shè)備以及工作參數(shù)的情況下，設(shè)置多個控制任務(wù)，部分控制任務(wù)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 微電網(wǎng)無功功率控制任務(wù)說明

除上述控制任務(wù)外，還需保證控制作用下微電網(wǎng)無功功率的波動穩(wěn)定。

2.3 描述控制效果測試實驗過程

優(yōu)化設(shè)計的微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法應用了一致性算法，需要將一致性算法與控制方法進行編碼，導入到實驗環(huán)境中。啟動微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置，得出初始狀態(tài)下微電網(wǎng)無功功率的跟蹤結(jié)果。圖5表所示的是直流微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行狀態(tài)下的無功功率波動曲線。

圖5 并網(wǎng)狀態(tài)下直流微電網(wǎng)無功功率波動曲線

將微電網(wǎng)控制任務(wù)輸入到控制方法中，同時啟動一致性算法和控制程序，得出微電網(wǎng)無功功率的自動控制結(jié)果，如圖6所示。

圖6 直流微電網(wǎng)無功功率自動控制結(jié)果

按照上述方式可以得出交流微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤島環(huán)境下的無功功率控制結(jié)果。

2.4 設(shè)置控制效果測試指標

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方法的控制目標，分別設(shè)置無功功率控制誤差和穩(wěn)定系數(shù)兩個指標作為實驗的量化測試指標，其中無功功率控制誤差指標的數(shù)值結(jié)果如下：

式(12)中Pi,control表示的是微電網(wǎng)節(jié)點i在控制方法下的實際無功功率，Pi,target為節(jié)點i無功功率的控制目標。另外無功功率波動系數(shù)主要針對的是空間維度上的波動系數(shù)，其中數(shù)值結(jié)果為：

式(13)中Pi和Pj對應的是微電網(wǎng)中節(jié)點i和j的無功功率，變量Pavg表示的是無功功率的平均值。為了保證優(yōu)化設(shè)計方法的控制效果，要求無功功率的控制誤差不得高于1.0kVar，且波動系數(shù)不得高于0.1。

2.5 控制效果測試結(jié)果與分析

在微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法運行下，調(diào)取微電網(wǎng)各個節(jié)點的實際無功功率數(shù)據(jù)，得出無功功率控制誤差的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 微電網(wǎng)無功功率控制誤差測試數(shù)據(jù)表

表2中的數(shù)據(jù)為控制方法執(zhí)行K01任務(wù)時的輸出結(jié)果，將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式12中，可以得出設(shè)計方法在直流和交流微電網(wǎng)環(huán)境中，無功功率的平均控制誤差分別為0.13kVar和0.33kVar，均低于1.0kVar。將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式13中，綜合兩種微電網(wǎng)環(huán)境，可以得出微電網(wǎng)無功功率在空間維度上波動系數(shù)的平均值為0.009，遠低于預設(shè)值。

3 結(jié)語

在微電網(wǎng)環(huán)境中無功功率的波動幅度和頻度會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生直接影響，綜合考慮微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種運行狀態(tài)，通過一致性算法的應用，有效提高了微電網(wǎng)無功功率自動優(yōu)化控制方法的控制效果，對于微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有積極作用。從實驗結(jié)果中可以看出，優(yōu)化設(shè)計的控制方法適配于直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)兩種環(huán)境，且在直流微電網(wǎng)中的控制效果更佳。