传统发电厂可以根据负荷需求调整有源电力，而这些发电厂正迅速被只依靠可再生能源资源的可再生能源发电厂取代。这给电网安全、可靠运行带来了一大挑战。
伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）的研究正在利用新的发电能源范式解决这些挑战，该范式基于分散的电力电子装置，但各个控件相互关联。这个新概念与传统电网有本质的不同，后者依赖于集中式发电厂。
电气与计算机工程系副教授兼UIC智能电力电子装置电网边缘（IPEG）研究实验室主任Mohammad Shadmand博士谈到，电力电子化电力系统（PEDG）对人们的激励远远超过传统电力系统带来的好处。
Shadmand博士解释道，“传统电力系统面临诸多挑战，比如环境问题（它们是全球变暖的一个原因）、能源损失、稳定性问题、效率低下和可观察性规划限制，此外，它们在公用事业层面受到集中控制。转向基于其他能源的PEDG，可以解决其中大部分的问题。然而，仍会出现一些新的问题。我们正在针对这些挑战的不同方面，提供有效的整体解决方案。”
电力电子化电力系统（PEDG）
PEDG将与通信基础设施和物联网（IoT）集成，构建双向信息和电力潮流系统。它引入了各种新功能，包括攻击弹性、 自修复、电力质量提升、负载点的发电和储能系统调节，以及系统实时优化。PEDG具备支持支持电力市场发展所需的一切。
克服重重挑战
尽管新的PEDG概念可以增加整个电网的可再生资源使用量，但也在隐私、稳定性、控制、网络物理安全和规划方面带来了一些挑战。需要解决这些问题，才能加速新示范项目的全面实施。
UIC博士生兼IPEG实验室研究助理Mohsen Hosseinzadehtaher谈到，“解决了这些挑战，我们就有了安全的弹性能源系统，可以在诸多方面造福整个国家，比如社会福利、洁净的空气、降低医疗保健成本、提升高功率品质。”
UIC研究团队的解决方案：
- 设计自主学习控制方法等自主控制方案，这些方案能够提高PEDG的网络物理安全性、适应力、可控性和可观察性。
- 电网集群化技术可以更好地控制电网，去除多余的通信链路。
- 开发一个真实的微电网测试平台来评估所设计的控制方案，并设计一个可靠的便携式发电系统。
大处着眼，小处着手
多项研究活动正在同时进行。Shadmand表示，这些活动专注于设备级（电网交互式逆变器）和系统级（电网集群中的智能逆变器交互以及态势感知和网络安全分析）。
Shadmand博士谈到，“大部分研究已经完成，目前我们正在开发一个真实的小型微电网，我们将使用这个微电网用实验方法来检验我们设计和提出的技术的功能，从而达到我们的最终目标：确保电力电子化电力系统有弹性，并安全运行。”
该团队正在确定可能危及系统稳定性的潜在干扰。团队对这些问题进行根本原因分析，就能打造智能技术来控制系统参数，增强电网的适应力和稳定性。
测试平台的MicroLabBox部分
该团队使用一个MicroLabBox原型开发单元来控制其设计的测试平台上的各个电源开关。测试平台是利用MATLAB®/Simulink®开发的。采用功率组件的电压/电流测量值。将这些测量值作为MicroLabBox的输入，然后将MicroLabBox作为处理器，驱动在Simulink中开发的控制方案，并提供逻辑级信号来驱动转换器。举个例子，该团队用MicroLabBox开发了智能构网和跟网型逆变器，实现电力电子化电力系统的相干性。
The test bed for the smart grid-forming and grid-following inverters, tested by Ph.D. candidate and IPEG research assistant Matthew Baker.
The event-triggered self-learning inverter, tested by the IPEG research team (from left): Dr. Mohammad Shadmand, Amin Y. Fard and Mohsen Hosseinzadehtaher.
实施了预测控制算法
首先，用MATLAB/Simulink接口测试了基于弹性模型的预测控制方案，该方案的灵感来自电网交互式逆变器的人工智能方法。随后，在dSPACE ControlDesk环境中运行仿真，对该方案进行实验验证。
Shadmand博士谈到，MicroLabBox提供的最精妙的解决方案就是在Simulink中开发控制器和测试之间快速转换。
“有了MicroLabBox，我们就不必在开发周期早期投资微控制器编程，”他继续谈到。例如，模型预测控制的动态响应很快，但需要高处理速度、周转时间要尽量短。此外，我们开发的自适应控制需要迅速解决弱电网和超弱条件下LCL滤波器的谐振问题。”
Hosseinzadehtaher补充道，“总的来说，MicroLabBox提供了非常快的处理速度。我们能够毫不费力地通过实验验证智能逆变器的控制。”
Baker继续说到，“此外，利用ControlDesk的用户友好型用户界面，我们收集了所有结果，动态更改了参数，从而获得控制器的动态响应。”
分布式能源协同运作
针对PEDG的粒度研究，用MicrolabBox作为HIL平台，实施PEDG的二级和三级控制器，并结合跟网型和构网分布式能源（DER），研究分布式能源在电压调节、频率调节、合成惯量仿真、加强暂态稳定性等方面的协同运作。
由 伊利诺伊大学芝加哥分校 提供
《dSPACE杂志》，2022年4月出版
