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user: 2. 智能微网的建模及控制 2.1. 智能微网的建模 电力系统(EPS)被认为是异构耦合振荡器的网络，每个振荡器对应作为可变幅度和可变频率电压源的同步发电机 [ 17 ] 。微电网中通常存在旋转电机和传输线，它们通过与负载进行相互作用来决定电力系统的响应，旋转电机和感应线路的惯性使有功功率和无功功率不再解耦。普通模型将忽略非线性影响且允许通过下垂增益对发电机进行闭环控制，从而获得足够鲁棒的响应。然而现代电力系统部署微电网存在一些新的控制挑战，尤其与微电网系统的稳定性和自然响应有关的控制方面。文献 [ 18 ] 提出具有多个分布式能源单元的微电网的状态反馈控制策略来改善它们在孤岛运行和并网运行模式下的瞬态特性，将每个DER单元的主要控制设计为用于整个网络的简单但有代表性的集总动态模型，且对其瞬态响应及其鲁棒性进行优化，该文献所描述的电子接口分布式能源示意图如图1所示。 图1. 电力电子接口分布式能源示意图 分布式能源(DER)指能源资源(ER)及其电网电力电子接口(PEI)的集合，ER表示能量存储系统或具有集成能量存储的发电机。考虑到EPS是一个复杂的振荡器网络，假定每个DER单元可以被控制为AC电压源，该电压源在图1中表示在耦合点 上具有可调电压幅值和频率的总线，因此采用内部控制环路作为滤波电容器电压，变量 v s 和 ω s 是动态模型的输入变量。为了将控制设计简单化，将微电网其余部分建模为具有串联阻抗的集总交流电压源 v g e j ω g t ，与变量 v g 和 ω g 相关的不确定性主要通过状态观测器的鲁棒设计和反馈增益来抵消。根据图1模型定义以下描述电流和角度的动态微分方程组： L g d i o d t = − R g i o − j ω s L g i o − v g e j δ + v s (1) d δ d t = ω g − ω s (2) 角度 是不能直接测量但其动态可由状态观察器进行估计的状态变量。为使该模型形象化，上述等式用以下状态空间的形式描述： x ˙ = f ( x ) + g ( x ) u ，     y = h ( x ) (3) f ( x ) = [ − R g L g x ( 1 ) − v g L g cos x ( 3 ) − R g L g x ( 2 ) − v g L g sin x ( 3 ) ω g ] (4) g ( x ) = [ 1 L g x ( 2 ) 0 − x ( 1 ) 0 − 1 ] ，     h ( x ) = [ x ( 1 ) x ( 2 ) ] (5) 其中 x j 表示状态变量的第j个元素， x = [ i o d i o q δ ] T 。模型的输出为电流矢量， 。模型的输入是分布式单元耦合点处电压的幅度和频率， u = [ v s ω s ] T 。 针对系统模型(3)，从控制理论的角度出发来设计相应的状态观测器和反馈控制器，由于系统模型本身的非线性特性，为便于进一步的研究，不少学者都从线性的角度进行近似研究，利用鲁棒控制的思想来设计，初始状态选择为 x 0 = [ 0 0 0 ] T ，初始输入的工作点为 u 0 = [ v b ω b ] T ，则线性化的模型可表示为： x ˙ = A 0 x + B 0 u + ϵ ，     y = C 0 x (6) (7) B 0 = g ( x 0 ) ，   C 0 = [ I 2 × 2 O 2 × 1 ] (8) 由上述(7)、(8)式可得到下列矩阵： A 0 = [ R g L g ω b 0 − ω b − R g L g − ν b L g 0 0 0 ] ，     B 0 = [ 1 L g 0 0 0 0 − 1 ] (9) 因此，相应的输入–输出传递函数如下： G ( s ) = C 0 ( s I − A 0 ) − 1 B 0 (10) G ( s ) = 1 L g A o l ( s ) [ s + R g L g ν b ω b s − ω b v b s ( s + R g L g ) ] (11) 其中： A o l ( s ) = s 2 + 2 R g L g s + ( R g L g ) 2 + ω b 2 (12) 模型参数 L g 和 R g 嵌入了微电网所有无源元件的效果，通过将DER单元与微电网所连接变压器的漏电感和铜电阻近似化，假设 是确定性信号 u ( k ) ，则获得以下精确的离散时间状态空间表示： x k + 1 = A d x k + B d u k ，   y k = C d x k (13) A d = e T s A 0 ，     B d = ∫ 0 T s e A 0 η B 0 d η ，     C d = C 0 (14) 2.2. 智能微网的控制 角度 δ 是未测量的(内部)状态变量，它的估计需要电流测量、模型参数 L g 和 R g ，以及网络其余部分的操作点 v g 和 ω g ，若存在参数估计误差， δ 的估计将受到影响，因此考虑将其稳态值进行预测，有效使用 δ 的估计反馈。采用全阶状态观测器将DER单元的输出滤波器处电压的幅度和频率给出的输入状态进行重构。 状态观测器对系统的建模尤为重要。首先，通过不完整的状态测量来实现状态反馈需要使用状态观测器。其次，状态反馈提供重要的鲁棒控制特性，例如输出反馈无法保证的大增益和相位裕度，这适用于微电网的主要控制，其中鲁棒性对于参数不匹配，未建模动态和其他不确定性下的稳定性至关重要。基于线性化模型(13)处理线性二次调节(LQR)问题，通过LQR设计反馈控制，优化系统对所给定驱动力和状态轨迹的响应。该设计过程保证闭环动态系统的大相位和增益裕度 [ 19 ] ，利用LQG/LTR设计程序实现鲁棒控制特性。状态观测器和反馈控制限制了在DR单元耦合点处的电压幅值和频率的变化，因此观测器和反馈控制需被同时设计加以实现系统鲁棒性及电压幅度和频率调节。文献 [ 18 ] 中线性二次估计和调节问题的解决方案优化了状态变量矢量的轨迹，且输入变量，即电压幅度和频率，可以在鲁棒控制框架内根据操作要求进行调整。该文章还将所提出的策略与传统的下垂控制和先进的控制方法进行比较，通过使用PSCAD/EMTDC软件环境对三单元测试微电网进行时域仿真，在多种工作条件下验证了该方案的有效性。对几种干扰的响应，如拓扑变化和向并网运行模式的转换已经模拟，证实了所提方法的动态响应及其鲁棒性。 2.2.1. 智能微网的分层控制 文献 [ 20 ] 中所提出的智能微电网模型是将电池作为储能元件表示电网的三相电压源，包括其负载和非敏感负载且将非敏感负载放置在电网侧。其基本结构图如图2所示，此处的智能微网主要由一组径向反馈线构成，包含有三个敏感负载反馈(反馈A-C)和一个非敏感负载反馈(反馈D)。敏感负载反馈包含必须始终提供的敏感负载，每个馈线必须具有额定微源，以满足该馈线的负载。相反，非敏感负载反馈是馈电器，存在干扰或电能质量问题时可关闭该馈线；当供电设备存在问题时，反馈A-C可以使用静态开关从电网中孤岛运行，该静态开关可以在小于一个周期内分离，以便将敏感负载与电网隔离，从而最大限度地减少对敏感负载的干扰。在孤岛运行模式中，微电网可自动工作，因此，必须有足够的局部发电量来满足敏感负载的需求 [ 21 ] [ 22 ] 。此外，考虑到微电网运行过程中单个反馈所引起的干扰情况，每个敏感负载反馈必须具有足够的局部发电能力以供应其自身负载。孤岛运行模式下的微电网仅供应敏感负载，而非敏感负载将由电网供电。该文献还利用simulink仿真对所建立的模型进行了模拟，通过验证该模型对系统的运行模式进行了评估。 图2. 智能微网的结构 智能微电网控制器可以基于如图3所示的分层控制，包括集中式或分散式控制器。分级系统的控制级别分类如下 [ 23 ] [ 24 ]： 1) 由微控制器(MCS)和负载控制器(LCS)组成的局部控制器； 2) 微电网中央控制器(MGCC)； 3) 分销管理系统(DMS)。 图3. 智能微网的分层控制 局部控制是智能微网控制的基本类别，其主要用途是控制微源，这种类型的控制器旨在无需通信系统即可控制微源及其电力电子接口的操作点，无通信系统这一特点使系统的成本较低且电路简单，将局部控制器的测量数据精简为局部电压和电流。并网模式运行模式下局部控制器可与其他类型控制器共存，而在孤岛模式，如文献 [ 25 ] [ 26 ] 所述，局部控制器是所需的唯一控制器，该控制器还必须确保微源的“即插即用”功能，一个或多个微源必须能够在需要时随时随地无缝连接或断开配电网络。此外，LCS安装在可控负载上提供负载控制功能，通常用于需求侧管理。每个微电网与其DMS间存在MGCC，具有从局部控制器的简单协调到优化微电网操作的主要职责，MGCC的作用定义集中控制和分散控制之间的区别，MCS和LCS遵循MGCC在并网模式下的命令，并具有在孤岛模式下执行自身控制的自主权。 2.2.2. 智能微网的微源控制 并网模式到孤岛操作模式的转换可能导致发电和负载之间很大程度上不匹配，从而导致严重的频率和电压控制问题，若连接和断开过程同时涉及大量微源，“即插即用”功能也可能产生问题。为更好地利用可再生能源使不存在与能量的可变性和间歇性及电力不稳定性相关的问题，须在包含大量小规模RES的局部电力系统中设计恰当的存储系统。微源具有较小发电容量且大多需要逆变器将其输出转换为适合电力系统的规格。因此由电力电子接口源支配的小尺寸源的连接可以被认为是无惯性系统，该系统无法通过分散系统中的惯性响应初始功率或能量不匹配，故智能微电网需要能量存储系统与管理系统来解决不匹配问题。由于需求冲突和通信局限性，控制大量微源和具有不同特性的存储具有极大挑战。 微源的控制需确保在不改变现有设备的情况下将新的微源添加到系统中，可独立地选择设定点，微网可以快速地无缝连接至电网或从电网中隔离，无功和有功功率均可独立控制，满足负载的动态需求。每个微源控制器必须有效响应系统变化而不需要来自负载、静态开关或其他源的数据，这同样适用于静态开关。对于微源的控制框图如图4所示，左边的块计算P、Q和电压幅值的实时值，控制在逆变器端所产生的期望电压幅值和角度的两个下垂控制在单独的模块中实现，脉冲发生器负责向逆变器内部的电子器件发出正确的触发脉冲以跟踪控制器的请求。 图4. 微源控制器