近年来,随着世界经济快速发展和人们生活水平的提高,全球对能源的需求水平急剧上升。分布式电源(Distributed Energy Resources, DER)的提出很好地解决了相关难题,也势必将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑。但由于受自然环境条件的制约,DER也存在一些缺点。
为了把DER整合到主电网中,同时削弱对电网的负面影响,微电网概念随之衍生出来。目前,在微电网系统中普遍采用下垂控制来实现DER即插即用。但在稳态时,系统频率和电压与参考值存在偏差且不能合理分配无功功率。因此,通常需要改进下垂控制或者添加二次控制而形成分层控制来校正频率和电压。本文主要研究二次控制。
传统的二次控制采用基于中央控制器的集中式控制结构,需要收集每个DER的全部信息,然后向每个DER发送控制指令。通信网络复杂,通信量巨大,降低了系统的稳定性。近些年来,分布式协调控制策略被广泛应用到微电网的二次控制中。在分布式协调控制中,每个DER的控制器仅与邻近的DER通信,且不需要中央控制器,提高了系统的鲁棒性。
综上所述,为了提高微电网中各DER输出的电压和频率的质量,并且考虑通信丢包和扰动问题,本文提出了一种基于信息物理融合系统(Cyber physical system, CPS)概念的分布式分层控制策略。
在网络层中:基于事件触发的思想,设计了将极限学习机(Extreme Learning Mechanism, ELM)以及模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)相结合的预测补偿机制和一种考虑丢包问题的虚拟领导者-跟随一致性控制(Virtual Leader-Following Consensus Control, VLFCC)来解决丢包问题;同样基于事件触发的思想,将滑模控制和VLFCC相结合,设计了SVLFCC来解决扰动问题。
在物理层中,基于信息层中的事件触发机制来完成对电压和频率的二次控制,提高系统的稳定性。
图1 第i个DER的分层控制架构框图
在考虑通信丢包和扰动问题的前提下,为了改善微电网中各DER由下垂控制输出的电压和频率的控制效果,本文提出了一种基于CPS概念的分层控制策略。
在网络层中:①基于事件触发的思想,设计了将ELM与 MPC相结合的预测补偿机制和一种考虑丢包问题的VLFCC来解决丢包问题;②同样也基于事件触发的思想,设计了将SMC与VLFCC相结合的SVLFCC来解决通信扰动问题。
在物理层中:基于信息层中的两种事件触发机制来完成对电压和频率的二次控制,提高系统的稳定性。
仿真实验表明,相比于单独使用ELM或者MPC来完成预测补偿,本文提出的预测补偿环节可以得到更好的预测精度,即预测数据的预测误差最小;考虑丢包的VLFCC可以有效地解决丢包问题,使得被控电压和频率被调整至各自的参考值;本文提出的事件触发机制具有很好的抗丢包效果;本文提出的SVLFCC可以很好地解决通信扰动问题,且在SMC抑制扰动后能很好地完成一致性控制。