微电网分层/分散控制结构与自趋优控制技术研究

When a microgrid operates in islanded mode, the centralized controller strongly depends on high-frequency communication, which could lead to difficulties in design, tuning, and maintenance of the microgrid. To this end, the project aims to put forward a hierarchical/self-optimized control strategy so as to overcome the bottleneck of communication in microgrid control, which mainly bases on decentralized control and also relies on communication when necessary. The coupling effect among control objectives with different dynamics, which could influence the interaction of the decentralized cooperative control, will be studied as well. Finally, the hierarchical/self-optimized decentralized control system is to be constructed. The main research includes: the structure, model, and strategy of hierarchical/self-optimized decentralized control; a fully decentralized and self-adaptive energy management system to sustain the long-term and stable operation of the microgrid; the multi-time-scale coupling effect between the hierarchical/self-optimized decentralized control system and the electrical system, and dynamic decoupling based method to suppress power system oscillation; an improved decentralized control strategy based on auxiliary communication and algorithm to optimize the communication topology. The research can reduce the technical barrier of microgrids and make distributed energy resources plug-and-play to the microgrid. The proposed hierarchical/self-optimized decentralized control is expected to become a new research area of microgrids.

微网孤立运行时其中央控制系统过于依赖快速通信，导致微网的设计、调试和维护都非常困难。为此，本项目旨在探索以分散控制为主、以极少通信为辅的微网分层/分散自趋优控制新原理，揭示微网中异构被控对象的耦合机理及其分散协同控制策略间相互作用关系，提出无通信或极少通信的微网分层控制新方法，攻克传统微网控制系统中固有的通信瓶颈问题，并初步构建一套微网分层/分散自趋优控制理论和方法体系。主要研究内容为：分层/分散微网自趋优控制结构、控制模型和控制策略；实现微网稳定运行的自适应分散能量管理策略；分层/分散自趋优控制系统与微网电气系统的多时间尺度耦合机理和基于动态解耦的振荡抑制方法；以分散为主、极少通信为辅的自趋优控制算法和辅助通信拓扑优化技术。本项目的研究成果可有效降低微网的技术门槛、提高微网运行的可靠性，所提出的分层/分散自趋优控制理念有望形成微网领域新的研究方向。

微电网可在并网与孤立两种运行方式间灵活切换，对实现分布式电源的即插即用发电具有重要的作用。然而，由于微电网具有惯性小、内部电源随机性和间歇性强、负荷功率多变性等特性，其稳定运行非常依赖快速通信，导致微电网控制系统的设计、调试以及维护都非常困难，制约了微电网的推广和应用。本课题借助微网内部物理上的天然耦合，从微网控制策略和运行稳定性的角度研究分析了微网分层/分散控制结构与自趋优控制技术，为攻克传统微网控制系统中固有的通信瓶颈问题提供了新的原理、技术与理论体系。主要成果包括：1）提出一套孤岛运行下微网分层/分散自趋优控制策略，使微网具有调频调压和优化各分布式电源出力的能力，提高了微网的灵活性和分布式电源的即插即用能力，并使微网具有较好的自组织性。2）提出一种虚拟发电厂 (VPP) 的微网分布式协同控制策略，为分布式控制在智能微网的实际应用提供了思路。3）研究了逆变器的大干扰下虚拟功角失稳（或同步稳定）机理，研究了微电网中虚拟同步机控制在风机、光伏等新能源设备中的控制实现与应用，为电力电子化智能微网的大干扰同步稳定奠定了理论基础。4）提出了基于电力电子多馈入系统的广义短路比指标，实现了单馈入系统和多馈入系统在数学形式上的统一，为电网的强弱判断标准提供了依据。该研究力求使微网控制系统能摆脱实时通信的制约，为降低微网的技术门槛和实现分布式电源的即插即用技术做出贡献。