華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員郭偉、趙洪山，在2020年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以含有多個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）的孤島型直流微電網(wǎng)為研究對(duì)象，提出一種基于事件觸發(fā)機(jī)制的HESS分層協(xié)調(diào)控制方法。并提出一種建立在周期性通信機(jī)制上的事件觸發(fā)控制方法，利用Lyapunov穩(wěn)定理論詳細(xì)介紹事件觸發(fā)函數(shù)的推導(dǎo)過程，并通過設(shè)定觸發(fā)函數(shù)的預(yù)判閾值，進(jìn)一步減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的通信次數(shù)。
對(duì)于眾多具有直流特性的分布式電源和直流負(fù)載，將其通過DC-DC變換器組成直流微電網(wǎng)是一種高效的能源利用方式。相比于交流微電網(wǎng)，由于省略了AC-DC或DC-AC中間環(huán)節(jié)，且無需考慮無功功率和諧波等問題，因此，直流微電網(wǎng)具有更高的效率和較低的控制復(fù)雜度。
而對(duì)于一些偏遠(yuǎn)低負(fù)荷地區(qū)的供電，考慮到輸電成本較高的原因，可以通過組建孤島型直流微電網(wǎng)解決當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒妴栴}。但由于缺少大電網(wǎng)的支撐，需要利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來穩(wěn)定直流母線電壓。不同于由單一儲(chǔ)能介質(zhì)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage Systems, HESS）兼顧了功率密度高、能量密度大和運(yùn)行壽命長的特點(diǎn)，近些年得到了廣泛的關(guān)注。
圖1 含多混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)
針對(duì)混合儲(chǔ)能的控制問題，有學(xué)者提出了一種無互聯(lián)通信的分層控制策略，其利用電壓變化率作為全局信息載體，實(shí)現(xiàn)蓄電池和超級(jí)電容的功率分配，并由二次控制對(duì)底層控制進(jìn)行修正補(bǔ)償。有學(xué)者對(duì)母線電壓進(jìn)行分級(jí)，并利用多滯環(huán)控制和積分輔助控制，確定HESS的工作方式。
上述研究主要是圍繞HESS內(nèi)部的功率分配問題，當(dāng)直流微電網(wǎng)中含有多個(gè)HESS時(shí)，就涉及HESS間的控制問題。利用集中控制器，通過采集所有HESS的信息并優(yōu)化得出各自的功率需求，可以實(shí)現(xiàn)其協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但集中式控制對(duì)通信要求較高，且靈活性和可靠性較差。
有學(xué)者則提出了一種分散式的HESS控制方法，蓄電池和超級(jí)電容分別采用虛擬電阻和虛擬電容下垂控制，根據(jù)不同的虛擬參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同和相同儲(chǔ)能介質(zhì)間的功率分配。有學(xué)者同樣采用分散式控制結(jié)構(gòu)，超級(jí)電容采用的是積分下垂控制，其本質(zhì)上與虛擬電容下垂控制相同，但同樣未考慮線路電阻的影響。不同于集中式控制，分布式控制不存在單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的可靠性。而相比于分散式控制，由于存在通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)配合，因此又具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
有學(xué)者增加了二次電壓調(diào)節(jié)，利用相鄰蓄電池間的信息，控制其平均電壓為額定值以改善線路電阻和虛擬電阻造成的電壓偏差。而有學(xué)者同樣考慮了線路電阻的影響，其利用分布式一致性理論，超級(jí)電容控制直流母線電壓和自身荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），蓄電池則負(fù)責(zé)調(diào)控超級(jí)電容端電壓以及自身的SOC。
分布式控制器之間一般采用傳統(tǒng)的通信方式，即時(shí)間觸發(fā)通信，其以固定的周期進(jìn)行采樣和通信，并更新控制器的輸出信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于通信帶寬有限，希望通信次數(shù)盡量的少。此外，為了延長控制器的使用壽命，也應(yīng)減少控制器更新頻率。
近年來，出現(xiàn)了一種非周期采樣控制方式——事件觸發(fā)控制，其在保證控制性能的同時(shí)，降低了通信次數(shù)，在一定程度上避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。且該控制對(duì)于非正常通信情況下的延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包均具有較強(qiáng)的魯棒性，因此是一種較為高效的控制方式。
有學(xué)者將事件觸發(fā)引入到了二次電壓控制中，避免了分布式電源間的連續(xù)通信。有學(xué)者為實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和電流均分，提出一種非線性的分布式控制器，并將觸發(fā)函數(shù)與非負(fù)閾值相結(jié)合，改善了穩(wěn)態(tài)觸發(fā)靈敏度，但其在建立模型時(shí)需要提前知道線路參數(shù)。
以上研究均采用基于連續(xù)通信和檢測的觸發(fā)控制，在得到觸發(fā)函數(shù)后，還需要證明該觸發(fā)控制系統(tǒng)具有正的最小事件間隔時(shí)間（排除Zeno現(xiàn)象），但該證明過程往往較為復(fù)雜，特別是當(dāng)系統(tǒng)存在外部干擾時(shí)，可能無法排除該現(xiàn)象。為解決該問題，可以在現(xiàn)有時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上，周期性地進(jìn)行事件觸發(fā)檢測，從根本上避免發(fā)生Zeno現(xiàn)象。
不同于以上研究，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員以HESS作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，提出一種基于事件觸發(fā)機(jī)制的HESS分層協(xié)調(diào)控制方法。底層控制采用虛擬電阻下垂控制，利用低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的功率分配，并提出基于蓄電池SOC的虛擬電阻調(diào)節(jié)和基于超級(jí)電容SOC的電流補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)HESS協(xié)調(diào)安全運(yùn)行。分布式控制層為下垂控制層提供電壓補(bǔ)償項(xiàng)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)節(jié)和電流均分的控制目標(biāo)。
圖2 HESS事件觸發(fā)控制流程
為節(jié)約通信資源以及避免事件觸發(fā)可能存在的Zeno現(xiàn)象，提出了一種基于周期性通信的分布式事件觸發(fā)控制方法，其利用Lyapunov穩(wěn)定理論推導(dǎo)出僅含有HESS自身狀態(tài)偏差量和相鄰HESS最近觸發(fā)時(shí)刻狀態(tài)量的事件觸發(fā)函數(shù)，并通過設(shè)定觸發(fā)函數(shù)的預(yù)判閾值，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的通信次數(shù)。
以上研究成果發(fā)表在2020年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于事件觸發(fā)機(jī)制的直流微電網(wǎng)多混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制方法”，作者為郭偉、趙洪山。
