基于事件驅動的微電網多目標趨優控制

陳維榮　陸文婷　戴朝華

21世紀初期，為了協調大電網與分布式發電之間的矛盾，充分利用分布式發電污染少、能源利用率高、供電可靠性高等優點，一些專家學者提出了微電網的概念.微電網是指由分布式電源、儲能裝置、能量變換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與配電網并網運行，也可以與配電網斷開獨立運行[1].直流微電網中，分布式電源、儲能、負荷、大電網通過直流母線相連接，具有節省變流器設備投入與損耗、控制簡單、建設成本低等特點[2].

微電網的安全、優質、經濟運行，離不開完善穩定的控制系統.電力系統多目標優化問題需要用非線性高維微分方程組來描述，可表述為[3]

minJ（x，y）=∫∞0∑n1i=1qiFi（x，y），

s.t.x=f（x，u，w），

0=ψ（x，y），

λ<Ω<β.（1）

這是一個具有特高維約束條件的變分問題，現有的數學方法、計算機科學難以求得滿意解.文獻[3]提出通過建立混成控制系統（hybrid control system， HCS）的方法解決上述高難度問題，將混成控制理論應用于大電網，介紹了實現多重目標趨優的混成控制系統，揭示了其“事件驅動”本質，指出了事件的分類和一些主要事件的形成條件；文獻[4]論述了一個光伏電池/燃料電池直流電力系統的混成控制系統的能量管理控制策略，但未對經濟性進行考慮.

直流微電網在接納分布式直流電源和為本地直流負載供電方面優于交流電網[5].隨著智能電網和直流輸電的發展，直流微電網具有廣闊的應用前景，而目前對于直流微電網控制方面的研究尚處于起步階段.由于混成控制系統是一個趨優控制系統，在工程上可以解決實際的多目標趨優控制問題，本文提出將混成控制理論應用于直流微電網的西南交通大學學報第48卷第5期陳維榮等：基于事件驅動的微電網多目標趨優控制多目標優化控制，采用基于事件驅動的分析建模方法[6]，建立一個Stateflow模型，該模型可以根據輸入數據、運行狀態控制目標做出判斷，輸出控制量到Simulink中，調度微網中各微電源，實現微電網安全、穩定、經濟運行的多目標趨優控制.針對一個具體直流微電網，論述了各微電源的調度運行策略，給出了相關事件的定義，設計了其事件驅動控制系統，并在MATLAB/Simulink/Stateflow環境下進行了仿真，仿真結果初步驗證了該方法的有效性和可行性.1混成控制系統的概述過去的二十多年來，混成系統在多個學科的應用研究發展迅速，已成為當今計算機科學和控制學科的前沿研究熱點[7].大多數復雜控制系統都包含了由連續變量所描述的物理層的動態演化過程和以符號操作與離散監控決策為特征的高層協調優化過程，因此混成系統在工業控制和國防等領域大量存在[8].混成系統至今尚無統一定義，可將混成系統理解為：自身具有分層結構，并且其行為（狀態和輸出）取決于離散時間系統和連續動態系統相互作用的動態系統[9].

混成控制理論應用于電力系統時，將系統全狀態劃分為滿意狀態和不滿意狀態，定義不滿意狀態為事件，同一時刻可以有多事件并行發生，通過消除事件使系統處于無事件運行狀態，此時電力系統的各項性能指標（如電能質量、安全性、穩定性和經濟性）達到最優，復雜的多目標優化問題就轉化為單一的“消除事件”操作[4]，大大降低了控制難度.混成控制理論在電力系統中有廣闊的應用前景，將成為新時期智能電網建設過程中的重要手段[10].

一般來說，大致可以將事件分為三類[3]：安全性事件，指系統運行狀況超出了預先設定的安全性指標；經濟性事件，指系統的運行能耗指標越限；電能質量事件，指電能質量指標不達標.

HCS的模型通常由3個層次構成：最高決策與指揮層、中間處理與操作層、底層（動態電力系統）[3].最高決策與指揮層接受中間處理與操作層、底層提交的信息，經過信息處理后送給事件判斷機構，判斷事件是否發生.若形成事件，則向中間處理與操作層下發控制指令.中間處理與操作層結合上層控制指令與本層獲得的狀態和數據，經過一系列計算處理，生成有效操作指令，送達底層.底層各個裝置、設備接受操作指令，完成相應的控制操作，并將其狀態和數據反饋給上層機構.2 直流微電網混成控制系統設計2.1直流微電網模型與其HCS結構模型微電網中包含了各種分布式電源，由于大部分分布式電源均為直流發電，因此采用直流微電網可以減少DC/AC逆變器的投入，節省投資.直流微網無需考慮分布式電源間的同步，不存在頻率穩定性問題，控制相對簡單.分布式電源和負荷的波動可以通過連接在直流母線上的儲能裝置得到補償.

本文構建的直流微電網系統母線電壓為570 kV，包含10 kW的光伏電池組、10 kW的燃料電池組（fuel cell， FC）、15 kW的蓄電池和負荷.負荷滿載為20 kW，包括重要負荷10 kW，一般負荷10 kW.本文中直流微電網獨立運行，暫不考慮其與大電網并網運行的情況.

根據上述微電網模型，并參考文獻[11]中混成自動電壓控制（hybrid automatic voltage control， HAVC）系統模型，可以繪制出此微電網的HCS結構圖，如圖1所示.