含分布式電源的直流微電網(wǎng)中的電力質(zhì)量?jī)?yōu)化與協(xié)同控制算法研究

黃國(guó)明，楊興潑，林賀祺

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳平市供電公司，福建 漳平 364000）

0 引 言

目前，社會(huì)面臨著能源危機(jī)、環(huán)境污染以及電力系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加等嚴(yán)峻問題，迫切需求新一輪電力系統(tǒng)。傳統(tǒng)交流電網(wǎng)存在能量傳輸和轉(zhuǎn)換損失、電壓穩(wěn)定性差等問題，而直流微電網(wǎng)的引入為解決這些問題提供新的思路。直流微電網(wǎng)具備高效、靈活等特點(diǎn)，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。隨著分布式電源的大規(guī)模接入，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)面臨一系列的電力質(zhì)量挑戰(zhàn)。其中，電壓波動(dòng)和諧波等問題直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，是制約直流微電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，分布式電源的異質(zhì)性和隨機(jī)性無法保障直流微電網(wǎng)中電力質(zhì)量，因此需要深入研究電力質(zhì)量?jī)?yōu)化和協(xié)同控制的方法。特別是在電力系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，如何通過協(xié)同控制算法使分布式電源智能協(xié)同運(yùn)行，提升系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性并降低諧波含量成為急需解決的問題。

1 電力質(zhì)量問題與優(yōu)化算法研究

1.1 電力質(zhì)量問題

電力質(zhì)量問題作為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中急需解決的難題，主要表現(xiàn)在電壓穩(wěn)定性和諧波含量2 個(gè)方面。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中多電源混合運(yùn)行，不同電源的輸出特性和運(yùn)行狀態(tài)不確定，導(dǎo)致電壓波動(dòng)[1]。這種波動(dòng)不僅會(huì)引發(fā)電力設(shè)備的異常運(yùn)行，而且會(huì)對(duì)終端設(shè)備供電造成影響，甚至引發(fā)電力系統(tǒng)故障。諧波問題在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中尤為突出。分布式電源和非線性負(fù)載等因素引入大量諧波成分，使電網(wǎng)中存在豐富的諧波頻譜，這些諧波會(huì)干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)影響電能質(zhì)量。諧波不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，而且可能引起電能浪費(fèi)和額外的電力損耗，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中還存在由電力系統(tǒng)非恒定性和電源不匹配性引起的瞬時(shí)電壓波動(dòng)，進(jìn)一步增加電力質(zhì)量問題的復(fù)雜性。瞬時(shí)電壓波動(dòng)不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而且可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的電子設(shè)備損壞，增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。

1.2 協(xié)同控制算法設(shè)計(jì)原理

協(xié)同控制算法的設(shè)計(jì)旨在通過電能調(diào)度和設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，有效優(yōu)化直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力質(zhì)量。算法采用基于模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）方法，充分考慮系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性，通過迭代求解優(yōu)化問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力質(zhì)量的有效控制。

首先，對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，使用狀態(tài)空間方程描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。設(shè)置xk為系統(tǒng)的狀態(tài)，uk為系統(tǒng)的控制輸入，yk為系統(tǒng)的輸出。考慮系統(tǒng)中分布式電源的差異性，以電壓穩(wěn)定性和諧波含量為優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型表示為

式中：A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為輸入矩陣；C為輸出矩陣。

其次，引入模型預(yù)測(cè)控制框架，通過最小化預(yù)測(cè)時(shí)刻k到k+N時(shí)段內(nèi)的性能指標(biāo)來優(yōu)化系統(tǒng)的狀態(tài)和控制輸入。優(yōu)化問題的一般形式可以表示為

式中：J為性能指標(biāo)；?u為控制輸入的調(diào)整量。通過迭代求解該優(yōu)化問題，得到最優(yōu)的控制輸入序列?u*，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)整。

最后，將最優(yōu)控制輸入序列應(yīng)用于系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同控制。

這種迭代優(yōu)化過程使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)，從而提高電力質(zhì)量。通過該設(shè)計(jì)，協(xié)同控制算法能夠適應(yīng)系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力質(zhì)量的持續(xù)優(yōu)化。

1.3 分布式電源智能協(xié)同調(diào)度

基于共享信息的協(xié)同調(diào)度策略依賴分布式電源間實(shí)時(shí)共享的狀態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。算法的設(shè)計(jì)核心是充分利用分布式電源的異質(zhì)性和系統(tǒng)狀態(tài)的共享信息，通過智能協(xié)同調(diào)度提高系統(tǒng)電力質(zhì)量[2]。

定義一個(gè)共享信息的狀態(tài)向量，包括各分布式電源的輸出功率和電壓信息等。通過實(shí)時(shí)共享這些信息，系統(tǒng)中的各個(gè)分布式電源能夠獲得全局的狀態(tài)視圖，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)的整體性能，為協(xié)同調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。基于共享信息，設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)同控制器，采用模糊邏輯系統(tǒng)。該控制器根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息預(yù)測(cè)模型輸出，智能調(diào)整各個(gè)分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)，以最大限度地提高系統(tǒng)的電力質(zhì)量。引入模糊邏輯規(guī)則如下：如果電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，則增大具有電壓調(diào)節(jié)能力的分布式電源的輸出功率；如果系統(tǒng)諧波含量超過閾值，則調(diào)整非線性負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，減少諧波注入。

模糊邏輯系統(tǒng)的輸出是各分布式電源的調(diào)整量，通過考慮各個(gè)因素的權(quán)重和關(guān)聯(lián)度，得到最終的協(xié)同調(diào)度結(jié)果。將各分布式電源的調(diào)整量應(yīng)用于系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同調(diào)度。這一過程動(dòng)態(tài)變化，隨著系統(tǒng)狀態(tài)的變化，協(xié)同控制器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整分布式電源的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力質(zhì)量的優(yōu)化控制。

2 控制策略設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能提升

2.1 控制策略設(shè)計(jì)概述

微電網(wǎng)內(nèi)部的控制策略被構(gòu)建為一個(gè)分層系統(tǒng)，包括局部控制層、協(xié)同控制層及全局協(xié)調(diào)層。在局部控制層，每個(gè)分布式電源通過本地控制器調(diào)整輸出功率，以滿足本地用電需求。負(fù)載設(shè)備同樣在此層面進(jìn)行本地控制。在協(xié)同控制層，通過信息共享和智能算法，促進(jìn)不同局部控制器之間的協(xié)同工作。在全局協(xié)調(diào)層，整合各子系統(tǒng)狀態(tài)信息進(jìn)行全局協(xié)調(diào)和優(yōu)化，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。

2.2 微電網(wǎng)內(nèi)部子系統(tǒng)協(xié)同工作機(jī)制

微電網(wǎng)內(nèi)部子系統(tǒng)協(xié)同工作機(jī)制的設(shè)計(jì)注重分布式電源間的信息共享。通過局部控制層將每個(gè)分布式電源本地狀態(tài)實(shí)時(shí)共享至協(xié)同控制層，通過通信網(wǎng)絡(luò)保證系統(tǒng)中各個(gè)分布式電源具備全局視野。協(xié)同控制層通過協(xié)同優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)全局電力質(zhì)量的優(yōu)化，最小化系統(tǒng)中電壓波動(dòng)和諧波含量。

引入動(dòng)態(tài)權(quán)重調(diào)整機(jī)制，以應(yīng)對(duì)分布式電源異質(zhì)性。每個(gè)分布式電源都被賦予動(dòng)態(tài)權(quán)重，根據(jù)其個(gè)體能力和狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整[3]。這一機(jī)制通過自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)，確保各分布式電源在協(xié)同工作中能夠發(fā)揮最佳作用。

集成式監(jiān)測(cè)與調(diào)度系統(tǒng)在全局協(xié)調(diào)層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)內(nèi)部子系統(tǒng)狀態(tài)和性能。通過反饋機(jī)制，該系統(tǒng)能夠迅速識(shí)別并調(diào)整潛在問題，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中保持高效運(yùn)行。這些協(xié)同工作機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)施為微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力質(zhì)量提供可靠保障。

2.3 系統(tǒng)整體性能提升效果

微電網(wǎng)內(nèi)部協(xié)同控制策略的實(shí)施提升系統(tǒng)整體性能。通過實(shí)時(shí)調(diào)整局部控制層，各分布式電源和負(fù)載設(shè)備在本地層面能夠更加靈活地響應(yīng)系統(tǒng)變化，有效滿足不同區(qū)域的電能需求。這種局部控制的靈活性不僅提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，而且減少系統(tǒng)內(nèi)部的電能浪費(fèi)，為整體能源利用效率的提升奠定基礎(chǔ)。

協(xié)同控制層的引入改善系統(tǒng)的電力質(zhì)量。通過分布式電源間的信息共享和協(xié)同調(diào)度，成功降低電壓波動(dòng)和諧波含量。協(xié)同工作機(jī)制使分布式電源能夠相互協(xié)調(diào)，有效平衡系統(tǒng)內(nèi)部電力分布，提高系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，減少諧波對(duì)設(shè)備的干擾。這一優(yōu)化在實(shí)際應(yīng)用中能夠顯著減少系統(tǒng)的能耗損失，提高電力傳輸?shù)男省?/p>

動(dòng)態(tài)權(quán)重調(diào)整機(jī)制的應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)中各分布式電源的性能。根據(jù)各個(gè)分布式電源的能力和狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整其權(quán)重，從而更靈活地應(yīng)對(duì)電力需求峰谷和電源波動(dòng)[4]。該機(jī)制不僅提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且有效降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不穩(wěn)定性，為微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行創(chuàng)造有力條件。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證協(xié)同控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能電池的直流微電網(wǎng)。在仿真環(huán)境中，引入不同的負(fù)載變化和電源波動(dòng)情境，模擬實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜工況[5]。通過持續(xù)調(diào)整微電網(wǎng)負(fù)載，模擬實(shí)時(shí)電能需求的變化，并考慮天氣變化等因素，模擬風(fēng)力和光伏發(fā)電的波動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)還考慮了電池的充放電過程，以模擬系統(tǒng)能量?jī)?chǔ)存和釋放的動(dòng)態(tài)特性。通過對(duì)比不同工況下協(xié)同控制策略與傳統(tǒng)控制策略的性能表現(xiàn)，全面評(píng)估協(xié)同控制策略在提高電力質(zhì)量和優(yōu)化能源利用效率等方面的效果。

3.2 結(jié)果分析與對(duì)比

通過模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的負(fù)載變化和電源波動(dòng)，得到在協(xié)同控制和傳統(tǒng)控制2 種策略下微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如表1 所示。

表1 協(xié)同控制和傳統(tǒng)控制的關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比

從表1 可以看出，協(xié)同控制策略在維持微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在諧波含量方面協(xié)同控制同樣表現(xiàn)出較優(yōu)的性能，能夠降低系統(tǒng)中的諧波含量，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。在協(xié)同控制策略下，微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和諧波含量顯著降低，能源利用效率則有所提升。這反映協(xié)同控制策略在提高電力質(zhì)量和優(yōu)化能源利用效率方面的有效性。協(xié)同控制策略改善了微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力質(zhì)量，降低電壓波動(dòng)和諧波含量，同時(shí)提高能源利用效率。這進(jìn)一步證實(shí)協(xié)同控制策略在直流微電網(wǎng)中的有效性，為實(shí)際應(yīng)用提供有力支持。

4 結(jié) 論

文章提出一種基于協(xié)同控制的算法，通過分布式電源之間的智能協(xié)同工作，有效提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，協(xié)同控制策略在減小電壓波動(dòng)、諧波含量以及提高能源利用效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，這為含分布式電源的直流微電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用提供一種可行的解決方案。文章不僅深入剖析直流微電網(wǎng)中電力質(zhì)量問題，而且驗(yàn)證所提出的協(xié)同控制算法具有實(shí)質(zhì)性的改善效果，為未來微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要參考。