Stability-Constrained Decentralized Control and Energy Management for Grid-Forming Inverter-Based Microgrids

技术摘要：面向构网型逆变器微网的稳定性约束型分布式控制与能量管理

问题陈述
全球向可再生能源的转型导致微网中逆变器资源占主导地位，进而引发了系统惯量低、功率失衡高以及运行动态难以预测的问题。虽然构网型逆变器（GFI）为孤岛运行或弱电网条件下的电压和频率调节提供了极具前景的解决方案，但现有文献通常将控制设计与能量优化视为独立的领域。传统的控制方法往往依赖于需要外部参考的跟网型逆变器，或者采用集中式能量管理系统，而后者存在扩展性差、通信开销大以及单点故障等问题。此外，目前的优化模型经常简化逆变器动力学模型，未能捕捉控制机制与聚合调度决策之间的相互作用。目前仍缺乏一个能够将分布式 GFI 控制、最优能量管理以及可持续性分析整合在统一系统内的内聚框架。

方法论
本文提出了一个统一框架，将基于共识算法的分布式 GFI 控制与用于光伏-风能-电池微网能量管理的混合整数线性规划（MILP）相结合。

• 系统建模： 研究采用单二极管模型对光伏（PV）系统进行建模，并使用取决于风速的功率系数模型对风力涡轮机进行建模。储能系统通过荷电状态（SOC）动力学进行建模。
• 分布式控制： 控制层采用基于共识的算法，其中逆变器通过与邻居节点通信来实现比例功率分配，而无需中央控制器。GFI 利用有功和无功功率下垂控制分别实现频率和电压的调节。
• 稳定性分析： 为确保鲁棒性，该框架引入了基于李雅普诺夫（Lyapunov）的稳定性分析以证明全局渐近稳定性，并利用拉普拉斯矩阵特征值进行小信号稳定性分析，以保证收敛性和阻尼特性。
• 优化（MILP）： 基于 MILP 的能量管理系统在较慢的时间尺度上运行，旨在协同优化功率调度、储能调度以及逆变器运行。其目标函数是最小化功率失衡、运行成本、能量损耗和碳排放的加权总和。
• 耦合： 该架构具有两层结构：分布式控制层确保实时稳定性，而优化层则提供受控动力学衍生出的稳定性约束下的设定值。

主要贡献

1. 集成框架： 本研究提出了一种新颖的架构，同时解决了分布式 GFI 协调、时间耦合储能动力学以及系统级优化问题，弥合了控制理论与能量管理之间的鸿沟。
2. 稳定性约束优化： 与以往研究不同，该框架直接将稳定性约束（基于李雅普诺夫和特征值的约束）纳入能量管理过程，确保调度决策不会损害系统稳定性。
3. 技术-经济-环境评估： 本文引入了一个统一的评估框架，不仅从技术层面（效率、稳定性）评估性能，还从经济层面（运行成本）和环境层面（碳足向）进行评估。
4. 可扩展的分布式运行： 所提出的基于共识的方法消除了对中央监督器的需求，增强了系统的可扩展性和针对通信故障的韧性。

结果
在考虑可再生能源波动性、负载波动和故障条件的 24 小时时域模拟结果表明，与传统的跟网型和集中式控制机制相比，该系统表现出显著的性能提升：

• 效率： 系统效率从 88%（传统方式）提高到 94%。通过先进的拓扑和控制策略，逆变器效率从 85% 提升至 95%。
• 损耗降低： 能量损耗减少了约 50%（从每年 120,000 kWh 降至 60,000 kWh）。
• 碳排放： 碳排放量最高减少了 92%，与传统电网场景相比，计算得出减少了 460,000 kg CO₂。
• 稳定性与动态特性： 系统展示了从故障条件（电压和频率恢复）中快速恢复的能力，并实现了 8 秒的调节时间，而传统方法为 15 秒。特征值分析证实了具有良好阻尼动态行为的渐近稳定性。
• 经济可行性： 尽管资本支出（CAPEX）增加了 50%，但由于运营支出（OPEX）降低了 25%、能量节省以及碳信用价值，系统实现了 450 万美元的净年收益。

意义与主张
作者声称，这项工作是首批成功将分布式构网型逆变器控制与基于 MILP 的能量管理及可持续性分析相结合的研究之一。该框架的意义在于其能够为由逆变器主导的微网提供一种可扩展、高能效且碳中性的解决方案。通过解决当前研究中控制、优化和可持续性往往孤立研究的碎片化问题，本文提供了一种整体性的方法，使微网在孤岛运行和扰动条件下能够实现稳定、可靠且经济高效的运行。研究结论指出，此类集成框架对于向下一代碳中和电力系统的转型至关重要，但也承认了其在依赖仿真模型以及未来需要硬件在环验证方面的局限性。