含分布式電源的直流微電網中的電力質量優化與協同控制算法研究

黃國明，楊興潑，林賀祺

（國網福建省電力有限公司漳平市供電公司，福建 漳平 364000）

0 引 言

目前，社會面臨著能源危機、環境污染以及電力系統復雜性不斷增加等嚴峻問題，迫切需求新一輪電力系統。傳統交流電網存在能量傳輸和轉換損失、電壓穩定性差等問題，而直流微電網的引入為解決這些問題提供新的思路。直流微電網具備高效、靈活等特點，成為研究和應用的熱點。隨著分布式電源的大規模接入，直流微電網系統面臨一系列的電力質量挑戰。其中，電壓波動和諧波等問題直接影響電網的穩定性和可靠性，是制約直流微電網發展的關鍵因素。隨著電力系統復雜性的增加，分布式電源的異質性和隨機性無法保障直流微電網中電力質量，因此需要深入研究電力質量優化和協同控制的方法。特別是在電力系統的智能化和數字化轉型過程中，如何通過協同控制算法使分布式電源智能協同運行，提升系統的電壓穩定性并降低諧波含量成為急需解決的問題。

1 電力質量問題與優化算法研究

1.1 電力質量問題

電力質量問題作為直流微電網系統中急需解決的難題，主要表現在電壓穩定性和諧波含量2 個方面。直流微電網系統中多電源混合運行，不同電源的輸出特性和運行狀態不確定，導致電壓波動[1]。這種波動不僅會引發電力設備的異常運行，而且會對終端設備供電造成影響，甚至引發電力系統故障。諧波問題在直流微電網系統中尤為突出。分布式電源和非線性負載等因素引入大量諧波成分，使電網中存在豐富的諧波頻譜，這些諧波會干擾設備的正常運行，同時影響電能質量。諧波不僅會導致設備壽命縮短，而且可能引起電能浪費和額外的電力損耗，嚴重威脅電網的可靠性和穩定性。

直流微電網系統中還存在由電力系統非恒定性和電源不匹配性引起的瞬時電壓波動，進一步增加電力質量問題的復雜性。瞬時電壓波動不僅影響設備的正常運行，而且可能導致系統中的電子設備損壞，增加系統的維護成本。

1.2 協同控制算法設計原理

協同控制算法的設計旨在通過電能調度和設備協同運行，有效優化直流微電網系統的電力質量。算法采用基于模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）方法，充分考慮系統的非線性和時變性，通過迭代求解優化問題，從而實現對電力質量的有效控制。

首先，對直流微電網系統進行建模，使用狀態空間方程描述系統的動態行為。設置xk為系統的狀態，uk為系統的控制輸入，yk為系統的輸出。考慮系統中分布式電源的差異性，以電壓穩定性和諧波含量為優化目標，系統的狀態空間模型表示為

式中：A為狀態轉移矩陣；B為輸入矩陣；C為輸出矩陣。

其次，引入模型預測控制框架，通過最小化預測時刻k到k+N時段內的性能指標來優化系統的狀態和控制輸入。優化問題的一般形式可以表示為

式中：J為性能指標；?u為控制輸入的調整量。通過迭代求解該優化問題，得到最優的控制輸入序列?u*，從而實現對系統狀態的優化調整。

最后，將最優控制輸入序列應用于系統，實現系統的協同控制。

這種迭代優化過程使系統能夠實時調整至最優狀態，從而提高電力質量。通過該設計，協同控制算法能夠適應系統的非線性和時變性，實現對電力質量的持續優化。

1.3 分布式電源智能協同調度

基于共享信息的協同調度策略依賴分布式電源間實時共享的狀態信息，以實現對系統的動態調整。算法的設計核心是充分利用分布式電源的異質性和系統狀態的共享信息，通過智能協同調度提高系統電力質量[2]。

定義一個共享信息的狀態向量，包括各分布式電源的輸出功率和電壓信息等。通過實時共享這些信息，系統中的各個分布式電源能夠獲得全局的狀態視圖，從而更加準確地評估系統的整體性能，為協同調度提供準確的數據支持。基于共享信息，設計一個協同控制器，采用模糊邏輯系統。該控制器根據實時狀態信息預測模型輸出，智能調整各個分布式電源的運行狀態，以最大限度地提高系統的電力質量。引入模糊邏輯規則如下：如果電網電壓波動較大，則增大具有電壓調節能力的分布式電源的輸出功率；如果系統諧波含量超過閾值，則調整非線性負載的運行狀態，減少諧波注入。

模糊邏輯系統的輸出是各分布式電源的調整量，通過考慮各個因素的權重和關聯度，得到最終的協同調度結果。將各分布式電源的調整量應用于系統，實現智能協同調度。這一過程動態變化，隨著系統狀態的變化，協同控制器能夠實時調整分布式電源的運行狀態，從而實現對電力質量的優化控制。

2 控制策略設計與系統性能提升

2.1 控制策略設計概述

微電網內部的控制策略被構建為一個分層系統，包括局部控制層、協同控制層及全局協調層。在局部控制層，每個分布式電源通過本地控制器調整輸出功率，以滿足本地用電需求。負載設備同樣在此層面進行本地控制。在協同控制層，通過信息共享和智能算法，促進不同局部控制器之間的協同工作。在全局協調層，整合各子系統狀態信息進行全局協調和優化，確保微電網系統的整體性能最優。

2.2 微電網內部子系統協同工作機制

微電網內部子系統協同工作機制的設計注重分布式電源間的信息共享。通過局部控制層將每個分布式電源本地狀態實時共享至協同控制層，通過通信網絡保證系統中各個分布式電源具備全局視野。協同控制層通過協同優化算法實現全局電力質量的優化，最小化系統中電壓波動和諧波含量。

引入動態權重調整機制，以應對分布式電源異質性。每個分布式電源都被賦予動態權重，根據其個體能力和狀態進行調整[3]。這一機制通過自適應算法實現，確保各分布式電源在協同工作中能夠發揮最佳作用。

集成式監測與調度系統在全局協調層負責實時監測微電網內部子系統狀態和性能。通過反饋機制，該系統能夠迅速識別并調整潛在問題，確保微電網系統能夠在動態變化的環境中保持高效運行。這些協同工作機制的設計和實施為微電網系統的電力質量提供可靠保障。

2.3 系統整體性能提升效果

微電網內部協同控制策略的實施提升系統整體性能。通過實時調整局部控制層，各分布式電源和負載設備在本地層面能夠更加靈活地響應系統變化，有效滿足不同區域的電能需求。這種局部控制的靈活性不僅提高系統的適應性，而且減少系統內部的電能浪費，為整體能源利用效率的提升奠定基礎。

協同控制層的引入改善系統的電力質量。通過分布式電源間的信息共享和協同調度，成功降低電壓波動和諧波含量。協同工作機制使分布式電源能夠相互協調，有效平衡系統內部電力分布，提高系統電壓的穩定性，減少諧波對設備的干擾。這一優化在實際應用中能夠顯著減少系統的能耗損失，提高電力傳輸的效率。

動態權重調整機制的應用進一步優化系統中各分布式電源的性能。根據各個分布式電源的能力和狀態動態調整其權重，從而更靈活地應對電力需求峰谷和電源波動[4]。該機制不僅提高整體系統的穩定性，而且有效降低系統運行過程中的不穩定性，為微電網的可靠運行創造有力條件。

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真實驗設置

為驗證協同控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺上進行仿真實驗，應用包含風力發電機、太陽能光伏發電系統以及儲能電池的直流微電網。在仿真環境中，引入不同的負載變化和電源波動情境，模擬實際應用中的復雜工況[5]。通過持續調整微電網負載，模擬實時電能需求的變化，并考慮天氣變化等因素，模擬風力和光伏發電的波動性。實驗還考慮了電池的充放電過程，以模擬系統能量儲存和釋放的動態特性。通過對比不同工況下協同控制策略與傳統控制策略的性能表現，全面評估協同控制策略在提高電力質量和優化能源利用效率等方面的效果。

3.2 結果分析與對比

通過模擬實驗設置中的負載變化和電源波動，得到在協同控制和傳統控制2 種策略下微電網系統的關鍵性能指標，如表1 所示。

表1 協同控制和傳統控制的關鍵性能指標對比

從表1 可以看出，協同控制策略在維持微電網系統電壓穩定性方面具有顯著優勢。在諧波含量方面協同控制同樣表現出較優的性能，能夠降低系統中的諧波含量，提高微電網系統的電能質量。在協同控制策略下，微電網系統的電壓波動和諧波含量顯著降低，能源利用效率則有所提升。這反映協同控制策略在提高電力質量和優化能源利用效率方面的有效性。協同控制策略改善了微電網系統的電力質量，降低電壓波動和諧波含量，同時提高能源利用效率。這進一步證實協同控制策略在直流微電網中的有效性，為實際應用提供有力支持。

4 結 論

文章提出一種基于協同控制的算法，通過分布式電源之間的智能協同工作，有效提高微電網系統的電力質量。實驗結果表明，協同控制策略在減小電壓波動、諧波含量以及提高能源利用效率方面具有顯著優勢，這為含分布式電源的直流微電網的實際應用提供一種可行的解決方案。文章不僅深入剖析直流微電網中電力質量問題，而且驗證所提出的協同控制算法具有實質性的改善效果，為未來微電網系統的設計與優化提供重要參考。