面向100%逆变器微电网的电站-控制协同设计方法研究

《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》：A Plant-Control Co-Design Approach for 100% Inverter-Based Microgrids

本文针对高比例可再生能源接入下微电网动态性能与稳定性挑战，提出了一种电站-控制协同设计方法。研究人员通过混合整数线性规划优化分布式能源资源配置，结合粒子群算法优化控制器参数，实现了在满足IEEE 1547标准前提下同时降低系统成本与提升动态性能的目标。该研究为全逆变器微电网的规划设计提供了新思路。

　　

随着可再生能源占比的持续提升，现代电力系统正经历着深刻变革。微电网作为整合分布式能源的重要载体，其架构逐渐向100%逆变器接口转型。这种转变在提升运行灵活性的同时，也带来了前所未有的挑战——系统的稳定性与动态性能不仅取决于逆变器控制策略，更与电站设计（包括资源类型、数量及布局）紧密耦合。然而，传统微电网设计方法往往将电站规划与控制器设计割裂处理，导致最终配置难以满足动态性能要求，甚至出现运行不稳定等问题。

现有研究存在明显局限性：电站设计类研究多关注资源优化配置，却忽视控制器调参对动态响应的影响；而控制器设计类研究又常假设电站布局固定，未考虑不同布局对控制效果的制约。这种"各自为政"的设计思路，使得微电网在面临计划外孤岛等极端工况时，可能出现电压越限、频率波动等问题，难以满足IEEE 1547等标准要求。

为解决这一难题，北卡罗来纳纳州立大学Shweta Meena等研究人员在《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》发表了一项创新性研究，提出了一种电站-控制协同设计方法。该方法通过同步优化微电网电站设计与控制器参数，在保证系统稳定性的同时实现成本最小化，为全逆变器微电网的规划设计提供了新范式。

研究人员采用混合整数线性规划（MILP）进行电站优化，生成满足稳态约束的可行设计方案；随后基于非线性微分-代数方程建立微电网动态模型，通过电磁暂态（EMT）仿真验证稳定性；最后采用粒子群优化（PSO）算法整定控制器参数，以积分绝对误差（IAE）为指标优化动态性能。研究还引入了典型日聚合技术，将全年运行场景压缩至864个时间点，显著提升计算效率。

电站设计优化：通过MILP模型确定分布式能源（DER）的最优类型、容量和位置，考虑投资运行成本、功率流约束等因素。案例显示，Banshee配电系统中至少需要2个电池储能系统（BESS）才能满足稳态运行要求，单个BESS方案会出现电压越限问题。

动态性能验证：建立包含电网形成（GFM）和电网跟随（GFL）逆变器的详细模型，通过仿真验证不同布局方案对动态响应的影响。研究发现BESS布局对功率跟踪速度有显著影响，例如位于总线102和103的BESS组合表现出最优的功率跟踪特性。

控制参数优化：采用PSO算法优化下垂增益和低通滤波器（LPF）带宽等参数。结果表明，通过协同优化可显著改善系统响应，避免采用经验参数时出现的频率变化率（ROCOF）越限问题。

多场景对比：对比不同BESS数量配置下的性能表现，发现3个BESS方案虽成本较高，但在电网连接模式下具有更优的动态性能；而2个BESS方案在孤岛模式下表现更佳，揭示了成本与性能之间的权衡关系。

与传统方法对比：与DER-CAM等传统设计工具相比，协同设计方法在动态性能方面表现更优，功率跟踪速度提升约20%，且能保证在各种运行模式下满足IEEE 1547标准要求。

该研究通过严格的仿真验证表明，协同设计方法能够有效解决全逆变器微电网的稳定运行难题。特别是在计划外孤岛工况下，优化后的系统电压偏差控制在0.88-1.10 p.u.范围内，频率变化率低于2 Hz/s，完全符合标准要求。值得注意的是，研究还发现BESS的数量与布局对控制性能存在非线性影响——在电网连接模式下，增加BESS数量有助于提升性能；而在孤岛模式下则呈现相反趋势，这一发现对实际工程设计具有重要指导意义。

这项研究的创新点在于首次将电站设计与控制器优化纳入统一框架，通过系统性的参数扫描与性能评估，为微电网规划设计提供了量化依据。该方法不仅适用于新建微电网的优化设计，也可为现有系统的升级改造提供参考，对推进高比例可再生能源并网具有重要实践价值。未来研究可进一步考虑更复杂的能源组合与运行场景，拓展协同设计方法的适用范围。