劉澤健，楊 蘋(píng),2，許志榮，余 濤

1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院 廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；2. 華南理工大學(xué) 風(fēng)電控制與并網(wǎng)技術(shù)國(guó)家地方工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著可再生能源利用技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)作為促進(jìn)可再生能源就地消納的有效途徑，受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究[1-5]。微電網(wǎng)工程的規(guī)模化應(yīng)用，使得地理上鄰近的微電網(wǎng)群產(chǎn)生電氣聯(lián)結(jié)，形成多微電網(wǎng)系統(tǒng)[5]。多微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)互濟(jì)，促進(jìn)資源優(yōu)化配置，從而平抑可再生能源出力和負(fù)荷的波動(dòng)，進(jìn)一步提高用戶供電可靠性[6]。因此，其在邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島群和城市商業(yè)住宅型低壓配電網(wǎng)側(cè)都有著廣泛的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)關(guān)于多微電網(wǎng)的研究和應(yīng)用仍處于起步階段。以2006年歐盟“More Microgrids”計(jì)劃為開(kāi)端[7]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多微電網(wǎng)展開(kāi)了系列研究，包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、穩(wěn)定控制、優(yōu)化調(diào)度、裝置研發(fā)和工程應(yīng)用等各個(gè)方面[8-12]。

在脫離配電網(wǎng)的情況下，如何實(shí)時(shí)平抑可再生能源出力和負(fù)荷功率的瞬時(shí)波動(dòng)性，是實(shí)現(xiàn)多微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率平衡、保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[13-16]：文獻(xiàn)[15]基于孤島電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，提出一種有功功率的實(shí)時(shí)調(diào)度模型，并以一致性算法理論為核心提出一種完全分布式算法；文獻(xiàn)[16]針對(duì)獨(dú)立運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)能量管理問(wèn)題，將作為壓頻控制單元的儲(chǔ)能裝置的能量狀態(tài)分為4個(gè)區(qū)間，確定基點(diǎn)運(yùn)行功率，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)提出不同調(diào)度策略，并引入負(fù)荷競(jìng)價(jià)策略，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但是上述離網(wǎng)型控制策略僅針對(duì)單個(gè)微電網(wǎng)或者同種相序微電網(wǎng)群進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并未考慮單相及三相微電網(wǎng)互聯(lián)組合之后，由于其系統(tǒng)三相不平衡等約束而進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

針對(duì)脫離配電網(wǎng)情況下所形成的區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)，本文提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制MPC(Model Predictive Control)的實(shí)時(shí)控制策略。所提策略基于多微電網(wǎng)集散式分層控制架構(gòu)，考慮三相不平衡度，以實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率與給定參考值的偏差最小為控制目標(biāo)，構(gòu)建多輸入、多擾動(dòng)、多變量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，再將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解，同時(shí)引入反饋校正環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)誤差修正，構(gòu)成滾動(dòng)式的有限時(shí)域閉環(huán)優(yōu)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)實(shí)時(shí)平抑源/荷出力波動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)源/荷/儲(chǔ)功率以及實(shí)時(shí)跟蹤聯(lián)絡(luò)線功率以滿足三相不平衡度約束。

1 單三相多微電網(wǎng)

單三相多微電網(wǎng)是在一定區(qū)域內(nèi)將不同相序的微電網(wǎng)進(jìn)行電氣聯(lián)結(jié)，形成單相發(fā)供電模式與三相發(fā)供電模式相結(jié)合的混聯(lián)系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行方式的靈活切換和“源-荷-儲(chǔ)”資源的協(xié)調(diào)互濟(jì)，提高用戶側(cè)的供電可靠性。光儲(chǔ)型單三相混合供電模式的多微電網(wǎng)典型拓?fù)淙鐖D1所示。圖中，三相微電網(wǎng)包含三相光伏、三相儲(chǔ)能和三相負(fù)荷；單相微電網(wǎng)是單相結(jié)構(gòu)，包含單相光伏、單相儲(chǔ)能和單相負(fù)荷；單相子微電網(wǎng)通過(guò)并離網(wǎng)開(kāi)關(guān)接入三相微電網(wǎng)的各相母線。

圖1 單三相多微電網(wǎng)典型拓?fù)銯ig.1 Typical topology of multi-microgrid with single-phase/three-phase architecture

在脫離配電網(wǎng)的情況下，單三相多微電網(wǎng)運(yùn)行在區(qū)域自治模式，由具備足夠備用容量和調(diào)壓/調(diào)頻能力的微源作為系統(tǒng)主電源運(yùn)行在VF控制模式，其余儲(chǔ)能變流器和光伏逆變器采用PQ控制模式運(yùn)行。

本文中微電網(wǎng)采用目前應(yīng)用較為廣泛的多微電網(wǎng)集散式分層控制架構(gòu)，根據(jù)控制響應(yīng)需求可分為以下3層。

a. 多微電網(wǎng)層：由區(qū)域型微電網(wǎng)中央控制器RMGCC(Regional MicroGrid Central Controller)擔(dān)任，負(fù)責(zé)進(jìn)行整個(gè)多微電網(wǎng)系統(tǒng)的集中式全局優(yōu)化調(diào)度。

b. 子微電網(wǎng)層：由微電網(wǎng)中央控制器MGCC(MicroGrid Central Controller)擔(dān)任，可以實(shí)現(xiàn)分散式的子微電網(wǎng)內(nèi)部自治控制。

c. 單元層：由底層本地控制器組成，包括負(fù)荷控制器LC(Load Controller)和微源控制器MC(Microsource Controller)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制實(shí)現(xiàn)。

為了方便討論，本文規(guī)定以源、荷、儲(chǔ)及子微電網(wǎng)各系統(tǒng)電能注入母線的功率方向?yàn)檎粗疄樨?fù)。

為了保證整體儲(chǔ)能系統(tǒng)始終具備可調(diào)裕量以吸納多微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的瞬時(shí)波動(dòng)功率，設(shè)置4個(gè)臨界值將儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)SOC(Stage Of Charge)劃分為5個(gè)區(qū)間，在不同區(qū)間內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制不同[16]。

a. 狀態(tài)區(qū)間1[0，SOCmin1]內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制為：

[-Pmax,0]

b. 狀態(tài)區(qū)間2(SOCmin1，SOCmin2]內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制為：

c. 狀態(tài)區(qū)間3(SOCmin2，SOCmax2)內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制為：

[-Pmax,Pmax]

d. 狀態(tài)區(qū)間4[SOCmax2，SOCmax1)內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制為：

e. 狀態(tài)區(qū)間5[SOCmax1，1]內(nèi)儲(chǔ)能的充放電功率限制為：

[0,Pmax]

其中，SOCmin1、SOCmin2分別為電池過(guò)放下限值和電池過(guò)放預(yù)警值；SOCmax1、SOCmax2分別為電池過(guò)充上限值和電池過(guò)充預(yù)警值；Pmax為儲(chǔ)能的最大充放電功率。

根據(jù)上述狀態(tài)分區(qū)方法可以得到儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)SOC對(duì)應(yīng)的充放電功率限值。

定義Pnet為子微電網(wǎng)出口處聯(lián)絡(luò)線功率，其滿足如下等式約束條件：

∑PBS+∑Ppv+∑PLd+Pnet=0

(1)

本文定義指標(biāo)MGi={Pdis,Pch}表示各子微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定裕度，其中Pdis、Pch如式(2)所示。

(2)

其中，Pdis和Pch分別為該子微電網(wǎng)的最大放電和充電功率；Ppv_l(l=1,2,…,L)、PLd_m(m=1,2,…,M)分別為該子微電網(wǎng)內(nèi)第l個(gè)光伏設(shè)備、第m個(gè)負(fù)荷的最大功率值，L、M分別為該子微電網(wǎng)內(nèi)光伏逆變器、負(fù)荷的數(shù)量；PdisBS_n、PchBS_n(n=1,2,…,N)分別為該子微電網(wǎng)內(nèi)第n個(gè)儲(chǔ)能裝置的最大放電功率和最大充電功率，N為該子微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能變流器的數(shù)量。各子微電網(wǎng)滿足式(1)所示的等式約束條件。

運(yùn)行穩(wěn)定裕度MGi={Pdis,Pch}表明了該子微電網(wǎng)的有功消納調(diào)節(jié)能力：

a. 當(dāng)Pdis>0且Pch<0時(shí)，說(shuō)明該微電網(wǎng)既可輸出功率又可輸入功率，在穩(wěn)定裕度內(nèi)能夠自我調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基于穩(wěn)定裕度的分散式控制；

b. 當(dāng)Pdis、Pch均大于0時(shí)，說(shuō)明電源類功率過(guò)額，可對(duì)光伏進(jìn)行限制，由于光伏的功率特性可對(duì)其進(jìn)行連續(xù)功率調(diào)節(jié)，以最小光伏限制量為調(diào)節(jié)原則；

c. 當(dāng)Pdis、Pch均小于0時(shí)，說(shuō)明電源類功率短缺，需對(duì)負(fù)荷進(jìn)行限制，由于負(fù)荷功率特性可對(duì)其進(jìn)行離散功率調(diào)節(jié)，以最小負(fù)荷限制量為調(diào)節(jié)原則，并考慮負(fù)荷重要等級(jí)。

2 實(shí)時(shí)MPC

本文針對(duì)區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)，提出一種基于MPC的分散式實(shí)時(shí)控制方法，通過(guò)源、荷、儲(chǔ)的功率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)各子微電網(wǎng)在自身穩(wěn)定裕度內(nèi)的分散自治，同時(shí)保證三相不平衡度滿足系統(tǒng)要求。

2.1 MPC算法

MPC是一種基于模型的有限時(shí)域閉環(huán)優(yōu)化控制方法，其算法的核心是滾動(dòng)時(shí)域(receding horizon)策略，采用多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因此其具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型精確性要求不高的優(yōu)點(diǎn)。MPC在實(shí)際工程中能夠克服工業(yè)控制過(guò)程中的非線性、不確定性和時(shí)變性，并能方便地處理控制過(guò)程中控制變量和狀態(tài)變量的各種約束，因此在工業(yè)控制中得到了成功的應(yīng)用[17]。

MPC的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)主要由預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正三部分組成。

a. 預(yù)測(cè)模型。

在預(yù)測(cè)控制理論中，預(yù)測(cè)模型是一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型，具有預(yù)測(cè)的功能，即能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷時(shí)數(shù)據(jù)和未來(lái)的輸入預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)的輸出值。預(yù)測(cè)模型實(shí)際上只注重預(yù)測(cè)的效果，對(duì)模型的精確度要求不高，也不注重模型的形式。MPC的思想與具體模型無(wú)關(guān)，但是其實(shí)現(xiàn)與模型有關(guān)。

b. 滾動(dòng)優(yōu)化。

MPC采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化策略，如圖2所示。根據(jù)該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)，將控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，求解該時(shí)刻起有限時(shí)域內(nèi)的優(yōu)化預(yù)測(cè)序列，并在當(dāng)前時(shí)刻執(zhí)行，在下一采樣時(shí)刻重新對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采樣，繼續(xù)求取最優(yōu)控制序列，因此起到了一定的反饋修正作用，確保滾動(dòng)優(yōu)化具有更好的穩(wěn)定性和魯棒性。

圖2 有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化策略Fig.2 Rolling optimization strategy in finite time domain

c. 反饋校正。

由于實(shí)際被控過(guò)程中的對(duì)象和環(huán)境存在非線性、不確定性和時(shí)變性的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)輸出與實(shí)際輸出不可能完全相等，因此構(gòu)成了預(yù)測(cè)誤差，需要采用反饋的方式，引入誤差校正，構(gòu)成閉環(huán)優(yōu)化。反饋校正主要體現(xiàn)在兩方面：① 在每一采樣時(shí)刻，以系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)為基點(diǎn)，修正預(yù)測(cè)模型，繼續(xù)滾動(dòng)優(yōu)化；② 控制實(shí)施后，實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際輸出通過(guò)各種反饋策略進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 考慮三相不平衡的多微電網(wǎng)實(shí)時(shí)MPC

在單三相多微電網(wǎng)中，由于單相光伏電源和單相負(fù)荷的不均衡接入，三相電流不平衡問(wèn)題更值得考慮。為了降低三相不平衡現(xiàn)象對(duì)多微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的不利影響，當(dāng)各子微電網(wǎng)進(jìn)行分散式實(shí)時(shí)控制時(shí)，還應(yīng)滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)三相不平衡度的要求。

由文獻(xiàn)[14]可得，三相電流不平衡度不應(yīng)超過(guò)15%，因此有如下不平衡約束條件：

(4)

其中，I1為三相電流正序分量的方均根值；I2為三相電流負(fù)序分量的方均根值。經(jīng)推導(dǎo)[18]，可得式(5)所示的由負(fù)荷功率表示的三相電流不平衡度公式。

(5)

(6)

其中，PA、PB、PC和QA、QB、QC分別為三相有功和無(wú)功功率；SL、SL2和PL2、QL2分別為正、負(fù)序視在功率及負(fù)序有功、無(wú)功功率。

基于多微電網(wǎng)分層控制架構(gòu)，為了使各相序單相子微電網(wǎng)群在滿足三相不平衡度要求的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，各MGCC必須以上級(jí)RMGCC經(jīng)區(qū)域全局協(xié)調(diào)優(yōu)化給定的聯(lián)絡(luò)線功率為參考值進(jìn)行跟蹤，在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)使實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率與給定參考值的偏差最小，并基于此目標(biāo)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正[19]。

本文所提基于MPC的分散式實(shí)時(shí)控制流程如圖3所示。

圖3 基于MPC的實(shí)時(shí)控制流程圖Fig.3 Flowchart of real-time control based on MPC

根據(jù)微電網(wǎng)每一時(shí)刻的功率平衡方程和SOC迭代方程，選取聯(lián)絡(luò)線功率、負(fù)荷功率、光伏發(fā)電功率、儲(chǔ)能裝置充放電功率和儲(chǔ)能SOC構(gòu)成的向量x(k)=[Pnet(k),Ppv(k),PLd(k),PBS(k),SOC(k)]T為狀態(tài)變量，以負(fù)荷功率、光伏發(fā)電功率、儲(chǔ)能裝置充放電功率三者的增量構(gòu)成的向量u(k)=[ΔPpv(k),ΔPLd(k),ΔPBS(k)]T為控制變量，以光伏、負(fù)荷的超短期預(yù)測(cè)功率增量構(gòu)成的向量r(k)=[ΔPpv_pre(k),ΔPLd_pre(k)]T為擾動(dòng)輸入，以聯(lián)絡(luò)線功率構(gòu)成的向量y(k)=[Pnet(k)]T為輸出變量，則建立的多輸入、多擾動(dòng)狀態(tài)空間模型為：

(7)

y(k)=[Pnet(k)]T=

(8)

上述模型可簡(jiǎn)化為：

x(k+Δt)=Ax(k)+Bu(k)+Cr(k)

(9)

y(k)=Kx(k)

(10)

基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)和光伏、負(fù)荷功率超短期預(yù)測(cè)，以1 min為周期進(jìn)行滾動(dòng)修正，在最大預(yù)測(cè)長(zhǎng)度的有限時(shí)域內(nèi)對(duì)狀態(tài)空間預(yù)測(cè)模型進(jìn)行迭代，則在最大預(yù)測(cè)長(zhǎng)度pΔt內(nèi)的預(yù)測(cè)輸出值構(gòu)成的向量為：

Y=[Pnet(k),Pnet(k+Δt),…,Pnet(k+pΔt)]T

(11)

在分散式實(shí)時(shí)控制過(guò)程中為了保證多微電網(wǎng)系統(tǒng)的三相不平衡度仍然滿足要求，因此必須對(duì)上級(jí)RMGCC給定的聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行跟蹤，以全局協(xié)調(diào)優(yōu)化給定的聯(lián)絡(luò)線功率在最大預(yù)測(cè)長(zhǎng)度pΔt內(nèi)構(gòu)成的向量：

(12)

圖4 多微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology structure of multi-microgrid

為了使預(yù)測(cè)輸出值盡量接近期望值，該算法的控制增量通過(guò)使最優(yōu)化準(zhǔn)則式(13)的值最小來(lái)達(dá)到優(yōu)化控制效果。

J(k)=[Y(k)-Yref(k)]2+λ(k)Δu2(k)

k=1,2,…,p

(13)

其中，λ(k)為控制加權(quán)系數(shù)，取λ(k)=λ(常數(shù))。式(13)以RMGCC給定的聯(lián)絡(luò)線功率為參考值，在最大預(yù)測(cè)長(zhǎng)度內(nèi)使得實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率與給定參考值的偏差最小，同時(shí)考慮了控制變量的增量最小，即光伏棄光量、負(fù)荷切除量和儲(chǔ)能調(diào)節(jié)躍變量最小。由于光伏發(fā)電功率調(diào)節(jié)的連續(xù)性、負(fù)荷切除功率的離散性和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的非線性，將MPC中的實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題：

(14)

式(14)所示的非線性規(guī)劃問(wèn)題具有多種求解方式，既可利用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)解析規(guī)劃方法進(jìn)行求解，也可利用新興的啟發(fā)式智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法及模擬退火算法等。但在分散式實(shí)時(shí)控制中，優(yōu)化目標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)相對(duì)單一，而且實(shí)時(shí)控制對(duì)算法運(yùn)算求解速度的要求較高，為了更加準(zhǔn)確、快速地尋找到最優(yōu)解，可調(diào)用MATLAB優(yōu)化工具箱中的非線性規(guī)劃fmincon函數(shù)進(jìn)行求解。求解后便可得到在最大預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的聯(lián)絡(luò)線功率以及源、荷、儲(chǔ)功率，并在當(dāng)前時(shí)刻由MGCC執(zhí)行對(duì)源、荷、儲(chǔ)功率的調(diào)節(jié)，然后進(jìn)入下一調(diào)度時(shí)刻。

由于光伏發(fā)電功率和負(fù)荷功率預(yù)測(cè)精度的限制，超前的MPC無(wú)法保證光伏發(fā)電功率、負(fù)荷功率與預(yù)測(cè)值相同，從而導(dǎo)致超前下發(fā)的預(yù)測(cè)輸出與實(shí)際輸出存在誤差。因此需要引入反饋校正環(huán)節(jié)，進(jìn)入下一調(diào)度時(shí)刻時(shí)重新對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)光伏、負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)功率進(jìn)行更新，重復(fù)優(yōu)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化。上述對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行滾動(dòng)更新的過(guò)程為反饋校正的一部分，另外對(duì)于MPC預(yù)測(cè)輸出中的光伏發(fā)電功率和負(fù)荷功率可能與實(shí)際輸出存在誤差的情況，由系統(tǒng)主電源進(jìn)行平抑，修正誤差，并作為下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)初值在預(yù)測(cè)模型中進(jìn)行優(yōu)化。反饋校正的引入使控制過(guò)程構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，能有效地提高控制性能，確保滾動(dòng)優(yōu)化策略具有更好的魯棒性和穩(wěn)定性。

3 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所提區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)實(shí)時(shí)MPC策略的有效性，本文以廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室CET Lab(Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology)多微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為分析對(duì)象，基于DIgSILENT PowerFactory 15.0平臺(tái)搭建單三相混聯(lián)型結(jié)構(gòu)多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)分別如圖4及表1所示。

算例充分考慮了基于自身穩(wěn)定裕度進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)可能出現(xiàn)的功率超額和功率短缺2種極端場(chǎng)景，相應(yīng)地必須采取棄光伏和切負(fù)荷的應(yīng)對(duì)措施，以保證系統(tǒng)功率平衡。各MGCC基于MPC進(jìn)行分散式實(shí)時(shí)控制，響應(yīng)光伏和負(fù)荷功率波動(dòng)，同時(shí)保證聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)在允許范圍內(nèi)以保證系統(tǒng)三相不平衡度滿足要求。

實(shí)時(shí)MPC中每個(gè)預(yù)測(cè)周期為1 min，采樣點(diǎn)間隔為5 s，即控制步長(zhǎng)Δt=5 s，每個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)共有12個(gè)采樣點(diǎn)，且僅在當(dāng)前時(shí)刻執(zhí)行優(yōu)化結(jié)果，在下一采樣點(diǎn)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化。

表1 各子微電網(wǎng)參數(shù)Table 1 Parameters of each microgrid

選取0～120 s進(jìn)行實(shí)例分析，各MGCC根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)信息進(jìn)行基于MPC的實(shí)時(shí)控制進(jìn)而調(diào)節(jié)源、荷、儲(chǔ)功率，則t=0時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域可至t=60 s并在0～5 s下達(dá)控制指令。假定當(dāng)前預(yù)測(cè)周期內(nèi)上級(jí)RMGCC給定的各單相子微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率均為1 kW；三相、A相、B相和C相MGCC在初始時(shí)刻實(shí)時(shí)采集的儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC分別為62.0%、19.0%、68.8%、80.0%。

光伏、負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)功率和光伏、負(fù)荷實(shí)際功率如圖5所示，MGCC在每一調(diào)度時(shí)刻采集實(shí)時(shí)光伏、負(fù)荷功率，并基于1 min內(nèi)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的源、荷、儲(chǔ)功率預(yù)測(cè)，在控制步長(zhǎng)0～5 s內(nèi)下發(fā)控制指令。在所選時(shí)段內(nèi)，以聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)最小為控制目標(biāo)使系統(tǒng)三相不平衡度滿足要求，同時(shí)以棄光量和切負(fù)荷量最小為調(diào)度原則，基于MPC算法根據(jù)光伏、負(fù)荷功率波動(dòng)和儲(chǔ)能SOC實(shí)時(shí)變化情況迅速響應(yīng)進(jìn)行源、荷、儲(chǔ)功率調(diào)節(jié)。聯(lián)絡(luò)線功率、儲(chǔ)能功率以及系統(tǒng)三相母線電壓和頻率波形如圖6所示(圖中電壓為標(biāo)幺值)。各子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能SOC如圖7所示。

由圖可見(jiàn)：三相子微電網(wǎng)的SOC為62.0%，穩(wěn)定裕度滿足Pdis1>0且Pch1<0，因此其能夠在穩(wěn)定裕度內(nèi)基于MPC進(jìn)行自我調(diào)節(jié)；A相子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的SOC偏低，儲(chǔ)能放電功率受限，MPC算法根據(jù)功率平衡發(fā)出切負(fù)荷指令，0～20 s、70～90 s、100～110 s內(nèi)均需要切除次要負(fù)荷；B相子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的SOC和子微電網(wǎng)的穩(wěn)定裕度均符合要求，因此其能夠在穩(wěn)定裕度內(nèi)基于MPC進(jìn)行自我調(diào)節(jié)以維持聯(lián)絡(luò)線功率不變并平抑光伏和儲(chǔ)能功率波動(dòng)；C相子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的SOC偏高，儲(chǔ)能充電功率受限，子微電網(wǎng)的功率過(guò)額，無(wú)法消納全部光伏發(fā)電功率，在維持聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)最小的前提下盡量保證高可再生能源利用率，但仍需要采取大幅限電、棄光措施。

圖5 光伏、負(fù)荷功率波形圖Fig.5 Waveforms of PV and load power

圖6 基于MPC的實(shí)時(shí)控制仿真波形Fig.6 Simulative waveforms of real-time control based on MPC

圖7 各子微電網(wǎng)中儲(chǔ)能SOC變化情況Fig.7 SOC of energy storage in each microgrid

圖5、6的仿真結(jié)果表明所提實(shí)時(shí)控制策略能夠在各子微電網(wǎng)內(nèi)部根據(jù)光伏和負(fù)荷波動(dòng)及儲(chǔ)能SOC迅速響應(yīng)進(jìn)行源、荷、儲(chǔ)功率調(diào)節(jié)。其中，三相、A相和B相子微電網(wǎng)的光伏發(fā)電功率控制曲線與實(shí)際發(fā)電功率曲線基本吻合，保證了系統(tǒng)整體具有較高的光伏利用率，并且聯(lián)絡(luò)線功率基本維持在給定值，保證了系統(tǒng)三相不平衡度滿足要求，同時(shí)系統(tǒng)三相母線電壓和頻率的波動(dòng)也在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)電能質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。圖7說(shuō)明所提策略能實(shí)時(shí)跟蹤儲(chǔ)能SOC進(jìn)行有效調(diào)度，確保SOC不超過(guò)安全限值，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

上述結(jié)果充分說(shuō)明了本文所提MPC策略在區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制中的有效性。

4 結(jié)論

針對(duì)區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)，提出一種基于MPC的實(shí)時(shí)控制策略。所提策略根據(jù)多微電網(wǎng)集散式控制架構(gòu)，考慮三相不平衡度，以實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率與給定參考值偏差最小為控制目標(biāo)，構(gòu)建多輸入、多擾動(dòng)、多變量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，再將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解，同時(shí)引入反饋校正環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)誤差修正，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式的有限時(shí)域閉環(huán)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：所提策略可實(shí)現(xiàn)區(qū)域自治型單三相多微電網(wǎng)實(shí)時(shí)平抑源、荷出力波動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)源、荷、儲(chǔ)功率，跟蹤聯(lián)絡(luò)線功率以滿足三相不平衡度約束；驗(yàn)證了所提控制策略的有效性和魯棒性，表明其有利于區(qū)域微電網(wǎng)群的規(guī)?；茝V。