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- No.5, 2024 -
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本/期/推/荐
基于采用模糊逻辑分层控制的交流微电网的频率调节
DOI: 10. 19884 / j. 1672-5220. 202306004
引用本文：WU X Y, SHAN Y H, SHEN B. Frequency regulation of alternating current microgrid based on hierarchical control using fuzzy logic [J]. Journal of Donghua University (English Edition), 2024, 41(5): 536-544.
原文链接：
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第一作者
吴雪杨，东华大学信息科学与技术学院硕士研究生，从事新能源发电以及微电网运行优化的研究。
通信作者
单英浩，东华大学信息科学与技术学院副教授，硕士生导师，主要从事智能电网、预测控制和智能算法等相关研究。主持国家自然科学基金项目1项和上海市科委扬帆项目等。近年来以一作/通信作者发表学术论文十余篇，其中8篇刊于中科院1区TOP期刊，申请/授权发明专利7项。入选上海市海外高层次人才计划（青年）和全球前2%顶尖科学家“2022年度科学影响力排行榜”。
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摘 要
交流（alternating current，AC）微电网是一种集成可再生能源、电力变换器、控制器和负载的系统。分层控制可以管理微电网的频率，防止系统失衡和崩溃。现有的频率控制方法使用传统的比例积分（proportion integration，PI）控制器，无法实时调整PI参数以应对系统的状态变化。由模糊逻辑驱动的分层控制可以实时调整PI参数，该方法采用两层控制结构。一次控制采用下垂控制调整功率分配，模糊逻辑用于一次控制的电压环路；二次控制用于弥补下垂控制造成的频率偏差，模糊逻辑用于二次控制中以处理负载扰动引起的频率动态变化。在Matlab/Simulink中对所提出的方法进行仿真，在一次控制中，所提出的方法将输出电压两个周期的总谐波失真率（total harmonic distortion，THD）从4.19%降低到3.89%；在二次控制中，当负载增加和减少时，所提出的方法分别将系统的频率波动降低约0.03 Hz和0.04 Hz。结果表明，所提出的方法对AC微电网的频率维持和电压控制有较好的效果。
背景介绍
微电网是由分布式发电、储能设备、负荷、电力电子变换器、保护装置和控制装置组成的小型电力系统。它是一个相对独立的系统，可以实现自我控制，从其属性上看，呈现出低惯性、低容量的特点。它适用于岛屿、偏远边境和工厂。与传统的大电网相比，微电网具有清洁、能耗低等优点。然而，交流微电网的频率是一个全局变量，如果对频率控制不好，会使整个系统失去平衡甚至崩溃。目前，基于三次控制的分层控制已成为微电网的主流控制方案。一次控制主要关注电力分配和局部系统稳定；二次控制用于恢复一次控制引起的状态偏差并服务于并网；三次控制关注潮流及其经济效益。目前对微电网的分层控制方法以及模糊控制在微电网中的应用研究较多，但通过模糊控制对微电网进行统一协调的分层控制的研究还不够全面和充分，特别是通过简单而成熟的模糊逻辑来不断优化微电网自下而上的控制结构。鉴于此，该论文对这一问题进行详细的研究。
文章亮点
1) 在一次控制中采用模糊控制，降低微电网输出电压的THD，提高电能输出质量。
2) 将模糊控制应用于二次控制，以最小化分布式电源（distributed generation, DG）和微电网负荷变化期间的频率波动。
图文解读
模糊控制器的设计过程包括模糊化、模糊推理和去模糊化。模糊控制器由隶属度函数和模糊规则组成。隶属函数是指模糊集合中变量之间的隶属关系，其确定是主观的。
该研究采用三角隶属函数，模糊规则是“若x为A，则y为B”的形式，根据隶属度函数确定模糊规则。
该研究一次控制的模糊控制器的模糊规则的三维坐标图如图1所示，其中e表示参考电压与逆变器输出电压之间的偏差，Δe是e的变化率，它们均作为模糊控制器的输入。
图1 一次模糊控制的配置图
图2是使用PI控制和模糊PI控制的微电网输出频率。图2(a)是DG 3切入和切出情况下的系统频率性能。在0.5 s之前，DG 1和DG 2在微电网内的输出频率约为49.16 Hz。在0.5 s连接新的DG 3，频率稳定在49.30 Hz。在2.0 s时，DG 3被移除，频率下降到约49.16 Hz。在系统加入DG 3的过程中，所提出的一次模糊PI控制的超调量明显小于传统的PI控制。
图2(b)显示了二次控制在开启和关闭时对系统频率的影响。可以看出，模糊PI方法能够快速平滑地达到系统频率的参考值。在大约1.2 s时，传统PI控制达到最大值51.00 Hz，系统设置有频率限制来保护系统的安全。
在图2(c)中，二次控制在8.0 s时关闭。采用模糊PI方法可以使频率保持连续稳定。然而，传统的PI方法仅在7.0 s时达到参考值。对比结果充分表明，模糊PI方法相对于传统PI方法具有更快、更平滑的优势。
图2(d)是系统在负荷增加和减少时的频率控制表现。PI和模糊PI方法均能使频率稳定在额定值50.00 Hz。而模糊PI方法在负荷变化时具有更好的暂态性能，超调量更小，达到稳定额定值的速度更快。
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该研究提出了一种利用模糊逻辑的微电网分层控制结构，以提高一次控制和二次控制输出的电能质量。由模糊逻辑驱动的一次和二次控制可以自适应调整控制器的系数，从而实现连续的自下而上的优化。通过对模糊控制原理的分析和仿真，得到了如下结论：1)在一次控制中加入模糊逻辑控制，使输出电压更加平滑，THD降低，对提高电能质量有积极的作用；2)在二次控制中引入模糊逻辑控制，减小了微电网负载变化时的频率波动，这增强了微电网的抗干扰能力，提高了电能输出质量。对微电网控制的改进，将提高各种清洁能源的利用率，促进能源结构转型。
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