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user: 4. 智能微网能源管理系统控制决策 4.1. 能源管理系统的控制方法 智能微网中存在着各种可控能源设备，例如分布式电源、储能设备、可控负载和需求响应。因此如何以经济的方式在供需双方协同管理和控制这些设备也是SGEMS的主要挑战之一。 智能微网的能源管理需要通过不同的控制方案来实现能量的优化配置，保证网络运行的安全稳定。按电源逆变器接口类型分为下垂控制(Droop control)，恒功率控制(PQ control)，恒压恒频控制(V/F control)；从网络整体控制策略分为集中控制和分散控制，或是主从控制模式(Master-slave control)、对等控制模式(Peer-to-peer control)和分层控制模式(Hierarchical control) [ 41 ]。由于SGEMS的功能可以集中实现，也可以分散实现。分散化的级别是由本地控制器的智能定义的，它可以仅用于执行来自上层的命令或做出自己的决策。这两种方法各有优缺点，这决定了其适用于特定微网类型(住宅、商业或军事)以及物理特征(位置、大小、拓扑结构等)的适用性。 4.1.1. 集中式控制模式 智能微网的集中式控制模式是确定一个分布式电源或是足够容量的储能装置作为主DG，采取V/F控制，微网其他电源采用PQ控制，以主DG的电压和频率为参考运行的主从控制；也可以是确定一个中心控制器后再进行平行分层的控制 [ 42 ]。集中控制的能源管理有利于根据负荷变化和外电网的联络要求，统一对可调分布式电源进行规划调节、降低成本以及提高综合效益，但需要可靠的通信线路收集信号和及时发送控制信息。文献 [ 43 ] 基于分布式能源的稳态特性，提出了一种集中控制、目标函数为一体的微网优化调度模型，对不同的交互运行控制策略、优化对象和电价进行了计算，其运行或折旧成本最小化，环境效益或综合效益最大化。文献 [ 44 ] 提出了一种适用于插电式电动汽车(Plug-in Electric Vehicles， PEVs)的下垂控制IMG的多级集中控制方案。所采用的控制方案能最佳地协调DG机组的下垂特性、微网电力需求的下降(在不充足的发电时段)以及PEVs充放电决策，以支持IMG在较长时间内的运行。为此，文献中采用基于多级下垂的最优潮流算法用来最大限度地减小负荷损失，满足PEVs客户的需求以及最小化微网运行的成本。文献 [ 45 ] 结合一种协调大容量电力调节系统(Power Conditioning System， PCS)与微网BESS并行运行的集中控制方案；建立电力调节系统模块的并网模式和孤岛模式控制模型。在此基础上又提出一种控制电力调节系统在并网模式和孤岛模式之间无缝切换的新策略，在电流模式和电压模式转换过程中保证了电源电压的稳定。文献 [ 46 ] 采用了一种新型的四层集中式并网微网控制结构；该控制器的目标是根据可再生能源的可用性、负荷需求和各电网的电力容量，对多个电网进行综合控制，实现最优的电力共享。文献 [ 47 ] 结合新发布的微网标准，设计并实现了微网集中控制系统。在并网模式下，主电网将提供连接点的电压和频率参考，微网内的能源将遵循控制系统提供的指令进行调度；孤岛模式下，储能系统可为其他微源提供电压和频率参考，可以有效地解决并离网时能源调度优化问题。 集中控制和管理系统通常需要从微网组件和外部网络收集数据 [ 48 ]。根据收集到的信息，可以执行调度和优化程序，实现经济高效的运行，集中式控制和能源管理模式如图3所示。显然，集中式SGEMS的优点包括整个系统的实时性和直观的实现。如果设计得当，它将对整个系统提供强大的监督和广泛的控制。此外，一些隐秘信息可以在中央控制单位内得到保护。然而，从另一个角度来看，这些特性也表明微网中央控制器功能需要非常强大，以便处理大量数据并作出正确的决策。为了及时交换信息，需要高带宽的通信。而且集中管理需要单点故障，集中单元故障会导致整个系统的崩溃。低灵活性和可扩展性是集中式管理的另一个关键限制。 图3. 集中式控制与能源管理模式 综上所述，集中式控制下的SGEMS通常更适用于以下微网的情况 [ 49 ]： 1) 可实现信息集中采集和决策的小型微网，通信和计算成本低； 2) 微网内部的所有性能都有一个共同的目标，使能源管理系统能够将微网作为一个整体运行； 3) 需要高度保密的军用微网； 4) 系统配置几乎是固定的，不需要很高的灵活性和可扩展性。 4.1.2. 分散式控制模式 智能微网的分散式控制是依据分布式微电源的不同特点，要求各个分散的单元具有一定的智能性和调节裕量。逆变器接口的下垂控制由于具有不需要分布式电源之间的通信联系就能实现控制的特点而得到了较多的研究 [ 50 ] [ 51 ]。在文献 [ 50 ] 中应用分布式电源的下垂特性，将发电功率大小转换成以输出电压的频率和幅值为指令的控制信号，在通过调整后的功率反馈作用于输出电压，达到自治调节，分配功率的目的，从而使得各个电源间的调节不会相互影响。文献 [ 51 ] 提出的单机下垂控制的EMS，采用定性分析和小信号技术，在保证稳定约束的情况下实时EMS调整，具有优化输出功能，适用于分散式的能量控制模式。在多个分布式发电机和负载组成的直流微网中，稳定运行和控制是一个重要问题。由于集中控制方法通常需要精确的参数设置，当系统结构发生变化时，需要重新计算，因此在直流微网中最好采用分散式控制方法来实现发电机和负载自由连接或断开。文献 [ 52 ] 提出了一种新的稳定控制策略，该策略能够以自治分散的方式调整占空比；线路调节变换器(Line Regulating Converters， LRC)通过观察端电压波动的时间变化，自动调节控制增益，使整个电网保持稳定。文献 [ 53 ] 对分散式微网控制结构的可靠性进行了分析，利用马尔可夫链模型对比了集中式控制和分散式控制体系对于微网发生单点故障时的系统稳定性。虽然结果表明分散式控制相对消除了集中式控制体系结构中的单点故障，但是也存在一些优化和通信上的问题。 另一方面，为了实现更灵活的操作和避免单点故障，分散式控制系统已经进入了另一个阶段 [ 54 ]。在替代通信技术(WiFi、Zigbee等)和信息交换算法的最新进展使分散式控制和能源管理在实际应用中已成为可能。从这个意义上讲，传统的集中控制机制所提供的频率、电压调节、分布式能源协调、能源管理等功能也可以分散实现，而分散的程度可以从集中到完全分散的 [ 55 ]。基于MAS的EMS为分散化管理功能的实现提供了可能，因此成为一个突出的研究方向。它可以具有与集中式系统相同的层次结构和功能，同时通过提高本地控制器的智能水平，将决策权限转移到本地。信息与通信技术再次发挥了决定性的作用，因为当地的决策是基于来自环境和邻近地区的必要信息做出的。 图4. 分散式控制与能源管理模式 综上所述，分散控制和能源管理在一定程度上减少了冗余，提高了系统的模块化程度，分散式控制与能源管理模式如图4所示。在该模式中，所有控制器通过通信总线进行连接，DG控制器之间的数据通过该总线进行交换。所有的负载也连接到所有的本地控制器。因为决策是在本地处理的而能源管理系统只需要执行信息共享或协调，故系统即使在失去其功能后仍能正常运行避免了单点故障。另一个优点是即插即用(Plug and Play， PnP)功能的实现要容易得多，这大大增强了微网的灵活性和可扩展性。然而分散式运行要求各单元之间良好的同步，通信系统开始对系统的安全稳定起着至关重要的作用，这需要广泛的研究和分析。 一般来说，分散式控制下的SGEMS在以下情况较常见 [ 56 ]： 1) 微网体积大，或者产生、消耗、存储广泛分散，使得集中式数据采集困难或成本昂贵； 2) 资源由不同的实体拥有，这些实体有自己的经营目标，需要本地决策方案； 3) 需要定期快速地对系统进行重新配置，比如添加或删除现有的单元。 4.2. 能源管理系统的网络通信 分散的分布式能源出力和需求响应的主动集成需要通信基础设施彼此共享信息并在本地优化其操作 [ 57 ]。因此，需要有效的数据通信系统，以在传感器、本地控制器和SGEMS中央控制器之间进行连续、快速、可靠和准确地传输信息，而不会有任何干扰和断开。然而，这种数据通信系统的投资成本可能非常高，这取决于在覆盖特定地理区域的同时改善传输信号质量所需的中继器的数量。因此，在保证可靠运行的同时，选择适合短距离和长距离应用的数据通信技术，降低安装成本是至关重要的 [ 58 ] [ 59 ]。SGEMS通信网络系统如图5所示。 图5. SGEMS通信网络系统 在上述文献中，已经提出了几种有线和无线通信技术用于不同微网组件之间的有效通信。这些通信技术的选择取决于数据传输速率、覆盖范围、服务质量、可靠性以及延迟和功耗。在已知现有的通信技术中有线技术(如BPL、DSL、PLC和光纤等)具有更高的数据传输速率和可靠性，但代价是安装成本高。相反，无线技术(如Zigbee、Z-wave、GSM和WiFi等)可以利用其较低的安装成本轻松部署，因此是偏远地区的更好选择。然而，它们存在数据传输速率低和信号干扰的问题。总之，随着微网安装的最新进展，需要定期集成、监控和控制更多传感器、智能电表(Smart Meters， SMs)和本地控制器。因此与有线技术相比，由于其低部署成本，无线技术是更好的选择。