【精彩论文推荐】合肥工业大学 张国荣，彭勃，解润生等：柔性多状态开关模型预测协同控制策略
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本文引文信息
张国荣, 彭勃, 解润生, 等. 柔性多状态开关模型预测协同控制策略 . 电力系统自动化, 2018, 42(20): 123-129. DOI: 10.7500/ AEPS20180210002.
ZHANG Guorong, PENG Bo, XIE Runsheng, et al. Predictive Synergy Control Strategy for Flexible Multi-state Switch Model . Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(20): 123-129. DOI: 10.7500/ AEPS20180210002.
柔性多状态开关模型预测协同控制策略
DOI: 10.7500/AEPS20180210002
张国荣，彭勃，解润生，杨勇，裘鹏，陈骞
一、研究背景
配电网处于电力系统的末端，承担着电能分配的重要功能。分布式电源具有的间歇性、随机性、波动性特征给配电网带来电压波动、双向潮流等问题。配电网多采用闭环设计开环运行的方式，存在结构不合理，传统的联络开关对配电网的调节能力有限，已经显现出较大的局限性。柔性多状态开关(flexible multi-state switch, FMSS)拥有柔性功率调节、控制方式多样等特点，能够有效克服常规开关操作次数有限、供电中断等问题，调节配电网潮流分布，实现不同电压等级、不同供区间的柔性互联和潮流互济。有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control, FCS-MPC)相比传统的控制方法，具有原理清晰，方便实现，动态响应快等优点。将FCS-MPC与FMSS相结合，可以大幅减少控制中的比例-积分(PI)调节器，省去脉宽调制环节，同时实现多变量的优化控制，提高控制器的响应速度。本文探讨了三端柔性多状态开关在配电网中的几种适用接入拓扑及工作模式，针对背靠背型三端FMSS拓扑，建立了三端FMSS的动态数学模型，给出了三端FMSS的工作模式集合。根据FMSS运行约束，提出了三端协同控制策略，基于FCS-MPC对各端口UdcQ控制模式、PQ控制模式以及Uacf控制模式进行了具体控制算法实现。
二、拓扑结构
目前背靠背电压源型变流器是柔性多状态开关的主要实现形式，三端FMSS接入形式和拓扑结构如图1所示。
图1三端FMSS接入拓扑
图1(a)中FMSS串接在三条馈线的尾端，对三条不同馈线进行了柔性互联，发挥了闭环运行的优势，有效提高了配电网的供电可靠性。同时，FMSS可以通过连接不同电压等级的馈线(如10 kV、20 kV馈线)，实现不同电压等级供区的柔性互联。图1(b)中FMSS连接在两条馈线之间，其中两个端口串联在一条馈线中，第三个端口并联在另一条馈线上，通过三端口的协作，可以实现馈线能量转供，故障隔离等目标，优化配电网的调控能力。柔性多状态开关以灵活的形式接入配电网中，优化配电网结构，可以实现配电网主动、柔性的潮流控制。
三、协同控制
三端FMSS各端口电压源换流器(VSC)均能工作于不同的控制模式，为了满足FMSS调控功能和装置的自身稳定，三端的协同工作模式组合有如下约束。
1）FMSS正常工作时，直流侧母线电压需要保持稳定，必须有一端VSC工作在稳定直流母线电压的控制模式，由于端口的有功约束，该端口将不能根据指令调控有功潮流。
2）忽略FMSS的内部损耗，各端口输出有功是守恒的，满足有功功率只有两个控制自由度，即最多只有两个端口工作在有功控制模式。
3）由于直流侧隔离作用，三端的无功控制互不影响，可以根据需要实现各端口的无功解耦输出，需要满足端口的容量限制。
针对三端背靠背型FMSS拓扑，可以控制的状态量有有功功率P、无功功率Q、直流侧电压Udc、交流侧电压Uac，其中各端口的VSC可同时控制两个状态量。通过各端口协调控制，柔性多状态开关能够维持自身稳定工作并实现端口间的功率传输控制和端口交流电压控制。FMSS三端口中，工作在定直流侧电压模式下的VSC是FMSS最重要也是最薄弱的环节，当该端口出现故障无法稳定直流侧电压时，则整个FMSS就会崩溃。对于三端口FMSS，需要建立必要的协调机制，当Udc模式端口发生故障无法稳定直流侧电压时，需要迅速选择一个其他端口作为Udc模式端口运行，保证装置的正常工作。同时当FMSS端口连接的馈线出现故障时，FMSS需要及时闭锁，隔离配电网故障，保证FMSS正常运行。当配电自动化切除故障导致供电中断期间，FMSS还要能够为故障失电区的重要负荷进行供电，则要求该供电端口工作在恒压恒频(Uacf)模式，以满足重要负荷供电需求。
有限控制集模型预测控制基于控制对象有限的状态组合，根据建立的离散预测模型，预测变量在定义的未来时间段内的变化，利用约束函数来表示期望的系统行为，通过最小化约束函数的方式来确定最优的系统工作方式。本文根据FMSS在PQ模式、UdcQ模式以及Uacf模式下的控制要求，建立相应的约束函数，通过建立的离散预测模型对控制变量进行预测控制，FMSS各端VSC变流器三相桥臂共有8种开关状态组合，将根据预测模型对8种开关状态组合进行遍历计算，选择输出最优的控制量作用于系统。
四、仿真分析
根据并网接入拓扑和模型预测控制策略，在MATLAB/Simulink环境下对三端口FMSS的稳态运行、交流侧波动、重要负荷供电、PQ端口馈线故障以及UdcQ端口故障几种工况下的工作情况进行了仿真。仿真结果表明，稳态下PQ端口的输出功率能够迅速跟踪各自的功率参考值，且PQ控制相互独立，实现了功率解耦，输出电压电流响应平稳。同时柔性多状态开关能够根据各连接馈线的负载率，合理调整各条馈线的功率分配；当一端口出现电压波动时，该端口功率输出能够基本保持稳定，同时其他端口未受影响，系统具有较好的抗扰性能和动态响应速度，并且各端口间的电压扰动能够有效隔离。当柔性多状态开关所连馈线发生故障时，该侧端口检测到故障后闭锁同时配电保护装置切除故障后，柔性多状态开关该侧端口能够工作在Uacf模式下为重要负荷进行供电，提供电压幅值和频率支撑；当PQ模式的端口1连接馈线发生三相短路故障时，端口检测到保护电流后，端口变流器保护闭锁，其他端口重新分配功率值；当检测到UdcQ端口故障后，端口2迅速由PQ模式切换为UdcQ模式进行直流侧稳压控制，经过短暂调节，直流侧电压重新恢复稳定。
五、结论
随着多端柔性互联技术的发展，柔性多状态开关的应用将会大大提高配电网的潮流分配调节能力，提高分布式电源消纳，将成为未来智能配电网的发展趋势。本文根据三端运行约束，提出了基于FCS-MPC的三端柔性多状态开关协同控制策略，对控制策略中的三种工作模式PQ模式，UdcQ模式和Uacf模式进行了实现，该方案具有原理简单，易于实现，动态响应快的优点，大幅减少了PI参数整定，省去了调制环节。不同工况下的仿真实验验证了控制策略能够有效的实现柔性多状态开关的潮流调控功能，具有较好的抗扰性能和动态响应特性，在馈线失电时能够为无源网络提供稳定的电压支撑。
虽然模型预测控制在原理和控制上具有优势，但其固有的工作特性使其在电力电子实际应用中仍然存在计算量大以及谐波分布较广等问题。针对大运算量的问题，根据具体的控制目标对算法进行优化减少计算流程，同时减少参加计算的控制量；采用相邻近似的方法，适当优化预测和寻优次数，这将有助于大幅减少计算量，但这样可能带来一定的精度问题，需要进一步权衡；在硬件上借助于更加快速的微处理器和多核心的技术，提高运算能力。针对开关频率不固定造成的谐波分布较广的问题，研究开关频率与系统控制参数间的关系，在目标函数中引入频率控制的约束项，来实现开关频率的约束控制；考虑设计数字陷波滤波器并将其作为控制系数引入目标函数中，来改善频谱分布；必要时加装额外的滤波装置来解决较为严重的谐波问题。柔性多状态开关多种工作模式间的切换会存在不同的暂态过程，下一步也将从模式切换角度对柔性多状态开关典型模式切换的暂态过程进行分析研究。
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主要作者介绍
张国荣，博士，合肥工业大学电气与自动化工程学院教授，主要研究方向为电能质量控制技术、电力电子变换技术。
彭勃，合肥工业大学博士研究生，主要研究方向为电力电子变换技术。
解润生，合肥工业大学博士研究生，主要研究方向为电力电子变换技术。
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