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user: 3. 智能微网的控制策略和稳定性分析 3.1. 微电网的控制策略 微电网是由一组分布式发电单元，储能装置，负载和相应的控制单元组成、可以稳定运行的新型发配电结构。其典型特征是它可以与外部电网连接实现并网运行或在离网模式下运行。因此，微电网的稳定运行就显得尤为重要。传统电网已经拥有相当成熟的控制策略和建模方法。对微电网来说，一个可靠、有效的控制策略和控制方法对其稳定运行有极其重要的意义。 3.1.1. 分布式电源的控制方法 微电网中的分布式电源按照并网方式不同可以分为逆变型电源、同步发电机型电源和异步发电机型电源。微电网中大部分电源属于逆变型分布式电源，如光伏发电系统、燃料电池，微型燃气轮机等 [ 31 ]。目前，从分布式电源控制方面可以把控制方法分为恒压恒频控制(U/f控制)、恒功率控制(PQ控制)、下垂控制(Droop控制) [ 32 ]。下垂控制是现在运用比较广泛的一种控制方法，这种控制方法对微网中微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了微电网离网模式下电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点 [ 33 ]。虽然下垂控制不需要通信来实现初级电压的快速响应，但是电压会受到下垂项的影响 [ 34 ]。文献 [ 35 ] 介绍了一种基于下垂法的直流微电网分散电压控制策略，所提出的分布式二次电压控制利用平均电压共享方案来补偿由下垂控制引起的电压偏差。 3.1.2. 微电网整体控制策略 微电网的每一种运行方式都需要对分布式发电单元进行精确、有效地控制，以维持电压和频率在稳定运行范围之内。在并网运行模式中，微电网的频率和PCC处的电压主要由主电网确定。在这种情况下，微电网控制的主要作用是容纳分布式发电单元产生的有功和无功功率以及负载需求。在离网运行模式下，各个分布式发电单元不再可以从主电网获得参考电压和频率，控制变得更加复杂，离网运行模式面临的挑战与困难高于并网模式 [ 36 ]。微电网的整体控制策略可以分为主从控制、对等控制。主从控制策略主要用于离网运行的微电网，一般是以某个或多个分布式电源作为主电源来提供和监控电压、频率等参数，通过通信线来控制其它从属的电源。对等控制是针对即插即用式微电网提出的一种控制方法，在这种控制方式中，各个分布式电源没有主次之分。 随着技术的发展，文献 [ 37 ] 提出一种多代理系统(MAS， Multi-Agent System)，MAS是分布式人工智能的主要研究方向之一，研究人员将MAS的理念和技术与微电网结合，形成了基于多代理技术的微电网协调控制。微电网的分布式特性和灵活性使得传统的集中控制调度方法很难有效实现，而通过将部分控制权分散到局部控制装置，让其有一定自主性与智能性，使得集中控制不必采用复杂的模型，从而避免大规模的运算。文献 [ 38 ] 介绍了一种基于代理的微电网能源市场的运作。主要关注通过其市场环境控制生产单元与代理商的相互信息交流；初步结果表明了这种方法的可行性。文献 [ 39 ] 提出并实现了基于因特网协议和基于MAS技术的微电网监控系统。当主电网遇到故障时，MAS架构将微电网与主电网隔离，以确保微电网安全稳定运行，并在故障清除后使微电网与主电网并网运行。基于多代理技术的微电网协调控制利用代理的自治性、反应能力自发行为等诸多优点将复杂的整体控制转化为分散控制，提供了一个能够嵌入各种控制功能但又无需对系统各部分过多干预的智能系统。但目前对多代理技术的应用多集中于协调市场交易和对能源进行管理方面，还未深入到对微网的电压、频率等进行控制的层面。 3.2. 微电网的控制结构 关于微电网系统控制的架构，文献 [ 40 ] [ 41 ] 提出了两种相反方法：集中式和分散式。完全集中控制依赖专用中央控制器中收集的数据，该控制器执行所需的计算并确定单个点上所有单元的控制动作，需要中央控制器与受控单元之间进行广泛通信。另一方面，在完全分散的控制中，每个单元由其本地控制器控制，该控制器仅接收本地信息并且不完全了解系统其他变量也不完全了解其他控制器的动作。标准化的过程和易于实现是集中式方法的优点之一。但是，在微电网中，每个分布式发电都有自己的控制器，并追求不同的目标，分布式控制提供了很好的适用性。随着微电网规模的增大，不同组件与微网控制器之间传输的信息数量也随之增加，因此需要更大的通信带宽。分散控制可以减少信息的数量，并且通过将其简化为子问题并在局部进行求解来简化带有特殊约束的优化。文献 [ 42 ] 提出了一种微电网中央控制器，它主要具有两个功能：与配电系统运营商和电力市场建立通信通道，并与微电网本地控制器交换信息并进行处理。在集中控制方案中，中央控制器根据目标函数和约束做出所有DG和能源存储系统的分派的决定。互联电力系统通常覆盖广阔的地理区域，由于广泛的通信和计算需求，实现完全集中的方法是不可行的。同时，由于系统中各个单元操作之间的强耦合，也需要完全分散的方法，通过仅有的局部变量无法实现系统最低要求的协调 [ 43 ]。文献 [ 44 ] 提出了一种单相柔性交流微电网中的分散式功率控制方法，使微电网逆变器能够在并网和离网运行模式下无缝切换。文献 [ 45 ] 进行了不同层级的微电网结构和控制技术的概述。文献 [ 46 ] 提出一种完全集中和完全分散控制方案之间折衷的控制架构，可以通过三个控制级别组成的分级控制方案来实现：初级，次级和第三级。 初级控制即为主控制，也称为本地控制或内部控制，是控制层次结构中的第一级，具有最快的响应。该控制仅基于本地测量，不需要通信。鉴于其速度要求和对本地测量的依赖，离网检测，输出控制和功率共享和平衡控制都包含在初级控制中。次级控制，也称作微电网能量管理系统，负责微电网在并网或者离网模式下安全、可靠、经济运行，并校正初级控制的一些偏差。第三级控制是最高层级控制，负责协调系统中多个相互作用微电网的运行，并协调来自主电网的通信要求。文献 [ 47 ] 基于智能微网的灵活性，提出了即插即用式的控制方案；对于大电网，智能微网是一个即插即用的可控子系统；对于智能微网，不同的分布式发电单元又是一种即插即用的子模块，大大提高了整个系统的灵活性与可靠性。文献 [ 48 ] 在能源互联网中提出了由配电网调度层、微电网集中控制层和局部控制层组成的三层协同调度系统。基于三层协同调度体系结构，采用改进的分支电流前向法和遗传算法求解配电网运行损耗模型并完成配电网层的最优调度。 3.3. 智能微网稳定性分析 智能微网实现稳定可靠运行是微电网控制首要解决的问题。其稳定性是指系统在遭受到扰动以后恢复稳定运行的的能力。微电网稳定性研究可以从系统受到的扰动性质大致分为小信号稳定性和大信号稳定性。在微电网运行时，负载投切变化，环境、天气因素使得新能源出力变化，功率波动，有源负载的接入等一系列的小范围扰动使得功率频繁变化，影响微电网的稳定运行。因此，保证微电网在各种扰动及运行模式下稳定运行，是微电网稳定运行的关键。目前，对微电网小信号稳定性的研究主要集中在基于逆变器的以离网模式运行微电网，电网小信号稳定性的分析方法应该能够对每一个单元的动态性能进行分析 [ 49 ]。对于基于逆变器以及含有大量电力电子装置的微电网，现有的分析方法主要包括使用状态空间模型的特征值分析法、基于阻抗模型的阻抗分析法、用于微电网小干扰模型降阶分析的奇异摄动法以及其他非线性分析方法等。与传统电力系统的分析方法类似，基于状态空间模型的特征值分析法，首先建立描述微电网系统的微分方程，然后在某一平衡点处线性化，得到微电网的小信号状态空间模型，最后根据状态矩阵特征根进行小扰动稳定性分析 [ 50 ]。使用现代控制理论的技术，其中自治系统由状态空间形式中的一组微分代数方程描述 x ˙ = f ( x ， u ) (7) 利用泰勒级数展开法将方程线性化得到 Δ X ˙ = A Δ X + B Δ u (8) 特征值分析已被广泛用于分析控制系统的稳定性。稳定性判据可以通过状态矩阵的特征值分析来获得。当所有特征值的实部都是负数时，系统是稳定的。否则，当存在一个或多个具有正实部的特征值时，它将导致系统不稳定。此外，当参数变化时，我们可以通过相应特征根的根轨迹来分析对系统稳定性的影响。文献 [ 51 ] 使用虚拟阻抗对微电网进行了稳定性分析，提出了一种提高微电网稳定性的诊断算法。但是，其所提供的判据只能假设潮流单向的，限制了其使用在负荷侧存在分布式发电单元的场合。 特征值分析法是基于状态空间模型的，通过将工作点附近的非线性系统线性化，建立系统的状态空间模型，然后利用线性工具进行特征值和灵敏度分析，使用奈奎斯特或劳斯–赫维茨稳定性判据对线性化的系统进行稳定性研究，其物理意义和原理简单明确，判据明确严格。然而，其方法的主要缺点是线性化点局部区域的有效性和大小，线性化是否是准确的，有限的，并且在很大程度上未知的。而且，对于高阶复杂系统，状态空间表达式难以建立。微网设备的投切变化频繁使得参数变化也较为频繁，其状态空间模型均需要改变，这些因素加大了特征值分析法的难度。而阻抗分析法无需知道各子系统的内部参数，仅通过源与负荷之间阻抗匹配关系即可判断系统的稳定性。因此，它非常适合微网这一复杂系统的小扰动稳定性分析。由于微网是一个复杂动态系统，其方程模型存在非线性动态关系，而且，当微网系统在遭受发电机组损失、负荷变化大、线路故障等较大扰动时，导致配电系统系统级复杂的大信号行为，阻碍了这些小信号模型的使用。基于李亚普诺夫的稳定性分析方法的主要优点在于，李亚普诺夫函数允许对稳定运行点的吸引域进行估计，从而提供稳定域的保守估计。另一方面，大信号非线性稳定性研究采用李雅普诺夫方法，可以使用不经过线性化的非线性数学模型。大大提高了分析的准确性。大信号非线性稳定性分析的有效性和有效性的范围远远大于小信号线性分析。 微电网中的小信号稳定性与反馈控制器，连续负载切换，微源功率限制等有关。微电网的暂态稳定性可以通过一个非线性模型进行分析 [ 52 ]。大信号非线性稳定性研究采用非线性数学模型，无需线性化，可以使用基于李亚普诺夫的数学方法来完成 [ 53 ]。微电网模型用于与变换器接口的电源进行暂态稳定性分析，微电网的李雅普诺夫特性可以从下垂控制器变量中选择，即变换器工作频率和滤波电容器电压 [ 54 ]。其函数可以写成 f ( x ) = f ( ω 1 ， ω 2 ， V c f d q 1 ， V c f d q 2 ) (9) 其中， ω 是变换器的工作频率， V c f d q 是滤波电容器的电压。总之，系统通过大信号稳定性分析是稳定的，则系统在小信号稳定性分析中也是稳定的，但相反的情况不一定成立 [ 55 ]。此外，微电网可以由各种发电机和负荷单元组成。每个系统都具有不同的时间尺度，在不同的控制技术和非线性状态下运行。所以，微电网本质上是非线性系统，因此，必须使用非线性稳定性分析来提高精度 [ 56 ]。文献 [ 57 ] 基于混合电势理论研究了交流微电网大信号稳定性，并考虑了存储系统和恒定功率负载的影响。