- 頭條CPS概念下基于事件觸發且考慮通信丟包及擾動的微網分層控制策略2020-10-19 作者：楊秋霞、袁冬梅、郭小強、張博、支成 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語河北省電力電子節能與傳動控制重點實驗室（燕山大學）的研究人員楊秋霞、袁冬梅、郭小強、張博、支成，在2019年第15期《電工技術學報》上撰文指出，信息物理融合系統（CPS）在微網中得到廣泛應用，但也引發了許多通信問題。 在考慮通信丟包和擾動的情況下，為了提高微網中各分布式電源輸出電壓和頻率的控制效果，提出了一種基于事件觸發的分層控制策略，該控制策略的結構分為網絡層和物理層。 在網絡層中，基于事件觸發的思想，設計了將極限學習機（ELM）與模型預測控制（MPC）相結合的預測補償機制和考慮丟包問題的虛擬領導者-跟隨一致性控制（VLFCC）方法來解決丟包問題；設計了將滑模控制（SMC）與VLFCC相結合的SVLFCC來解決通信擾動問題。在物理層中，基于信息層中的事件觸發機制來完成對電壓和頻率的二次控制，提高系統的穩定性。最后，通過仿真實驗驗證該策略的有效性。
近年來，隨著世界經濟快速發展和人們生活水平的提高，全球對能源的需求水平急劇上升。分布式電源（Distributed Energy Resources, DER）的提出很好地解決了相關難題，也勢必將成為未來大型電網的有力補充和有效支撐。但由于受自然環境條件的制約，DER也存在一些缺點。
為了把DER整合到主電網中，同時削弱對電網的負面影響，微電網概念隨之衍生出來。目前，在微電網系統中普遍采用下垂控制來實現DER即插即用。但在穩態時，系統頻率和電壓與參考值存在偏差且不能合理分配無功功率。因此，通常需要改進下垂控制或者添加二次控制而形成分層控制來校正頻率和電壓。本文主要研究二次控制。
傳統的二次控制采用基于中央控制器的集中式控制結構，需要收集每個DER的全部信息，然后向每個DER發送控制指令。通信網絡復雜，通信量巨大，降低了系統的穩定性。近些年來，分布式協調控制策略被廣泛應用到微電網的二次控制中。在分布式協調控制中，每個DER的控制器僅與鄰近的DER通信，且不需要中央控制器，提高了系統的魯棒性。
- A. Bidram等在一階逆變器模型的基礎上，提出一種分布式平均PI控制器來消除頻率的偏差，但沒有考慮電壓的恢復控制。
- 陳萌等將多智能體的分布式協調控制理論應用到二次控制中，提出了一種分布式二次電壓和頻率控制算法。
- 有學者提出了一種基于多智能體系統的分布式協同控制策略。但是該控制策略并沒有考慮網絡層的通信問題。
- 有學者提出了孤島微電網的電壓和頻率的二次控制方案，且考慮了時滯和丟包等問題，但該方案只能在一定范圍內克服時滯和丟包的影響，有一定的局限性。
綜上所述，為了提高微電網中各DER輸出的電壓和頻率的質量，并且考慮通信丟包和擾動問題，本文提出了一種基于信息物理融合系統（Cyber physical system, CPS）概念的分布式分層控制策略。
在網絡層中：基于事件觸發的思想，設計了將極限學習機（Extreme Learning Mechanism, ELM）以及模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）相結合的預測補償機制和一種考慮丟包問題的虛擬領導者-跟隨一致性控制（Virtual Leader-Following Consensus Control, VLFCC）來解決丟包問題；同樣基于事件觸發的思想，將滑模控制和VLFCC相結合，設計了SVLFCC來解決擾動問題。
在物理層中，基于信息層中的事件觸發機制來完成對電壓和頻率的二次控制，提高系統的穩定性。
圖1 第i個DER的分層控制架構框圖
總結
在考慮通信丟包和擾動問題的前提下，為了改善微電網中各DER由下垂控制輸出的電壓和頻率的控制效果，本文提出了一種基于CPS概念的分層控制策略。
在網絡層中：①基于事件觸發的思想，設計了將ELM與 MPC相結合的預測補償機制和一種考慮丟包問題的VLFCC來解決丟包問題；②同樣也基于事件觸發的思想，設計了將SMC與VLFCC相結合的SVLFCC來解決通信擾動問題。
在物理層中：基于信息層中的兩種事件觸發機制來完成對電壓和頻率的二次控制，提高系統的穩定性。
仿真實驗表明，相比于單獨使用ELM或者MPC來完成預測補償，本文提出的預測補償環節可以得到更好的預測精度，即預測數據的預測誤差最小；考慮丟包的VLFCC可以有效地解決丟包問題，使得被控電壓和頻率被調整至各自的參考值；本文提出的事件觸發機制具有很好的抗丟包效果；本文提出的SVLFCC可以很好地解決通信擾動問題，且在SMC抑制擾動后能很好地完成一致性控制。
