分层控制论文

分层控制论文（精选12篇）

分层控制论文 篇1

0 引言

高压直流输电HVDC(High Voltage Direct Cur rent）作为一种大电网互联的有效手段，在国内外都得到了广泛发展[1]。HVDC可以解决大容量、高压电、远距离输电问题，有效减小了电能损耗。但直流输电整流站定电流控制的等间隔脉冲触发方式有可能对邻近大型火电机组引入负阻尼，进而有可能引起发电机轴系的次同步振荡SSO(SubSynchronous Oscillation）现象，从而对发电机组以及电网的稳定运行造成影响[2,3]。

SSO的发生有可能造成发电机组轴系断裂、电网失稳等情况，因此对次同步阻尼控制器的研究有重要意义。抑制SSO的手段有很多种，可通过附加励磁系统阻尼控制SEDC(Supplementary Excitation Damping Controller)[4,5]、FACTS装置[6,7,8,9]等方法抑制，此外，随着计算机计算能力的不断提高，也可以通过一些智能算法设计阻尼控制器抑制SSO，并取得了不错的控制效果[10,11]。当直流引起SSO时，附加次同步阻尼控制器SSDC(Supplementary SubSynchronous Damping Controller)[12,13]作为一种经济有效的方法而被广泛应用。文献[14]提出利用Prony辨识得到系统的传递函数，然后进行设计SSDC，但Prony存在定阶困难的缺点，得到的系统传递函数阶数较高，不利于实际工程实现。文献[15]提出利用系统传递函数Bode图设计SSDC，但未给出详细的控制结构。文献[16]提出基于TLS-ESPRIT辨识出SSO的振荡频率和阻尼信息，然后基于辨识结果得到振荡模态的相位补偿量，设计出SEDC。国内外大部分文献主要是集中在基于数学算法、SSO发生机理进行相位补偿等方法设计SSDC，从系统状态方程角度设计SSDC的研究较少。

根据发电机轴系刚体系数、轴系扭转系数及轴系惯性时间常数等参数，可直接得到发电机轴系的固有扭振频率（fc)[2]。本文从系统状态方程角度出发，提出基于射影定理[17]进行降阶处理来设计SSDC。首先利用TLS-ESPRIT算法[16]得到每个fc下的系统线性模型，然后通过射影定理保留闭环系统主导振荡模态，将状态反馈转换为输出反馈，最后得到每个fc降阶处理后的控制器传递函数，从而实现每个振荡模态分层控制。

本文以某电网直流系统作为实例仿真模型，先通过TLS-ESPRIT算法求得每个fc下的系统传递函数，然后基于射影定理分别针对每个fc求得SSDC的传递函数，最后将设计的SSDC加入到直流整流侧的定电流控制器上。以PSCAD/EMTDC作为实例仿真软件，仿真结果表明，设计的控制器可有效抑制直流输电引起的SSO。

1 基本原理

1.1 射影控制

射影控制是保留参考系统主导特征根的条件下，将状态反馈控制器映射为低阶静态或动态的输出反馈控制器。当设计的射影控制器的阶数多时，更多的参考系统特征根将被保留下来，更能反映参考系统的实际信息，这使得射影控制器的设计更为灵活，但控制器阶数过高不利于实际工程实现。

在SSDC的设计过程中，由于发电机组轴系的固有扭振频率可以通过计算得到，故而基于射影控制设计的控制器直接保留固有模态下的特征根即可，即针对振荡模态的阻尼比为负或较小的特征根设计控制器。

被控系统的状态方程可用式（1）表示：

其中，x为状态向量；y为输出向量；u为控制向量；A为状态矩阵；B为控制矩阵；C为输出矩阵。

系统状态反馈可表示为：

其中，K为状态反馈增益矩阵。加入状态反馈后可得闭环系统：

将式（3）表示的系统进行特征根分解得到：

其中，Λ为特征根三角阵；X为特征向量构成的矩阵。

令基于射影定理得到的SSDC的状态方程为：

其中，z为SSDC的状态向量；Au、Bu和Cu分别为SSDC的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵。

联立式（1）和（5）得：

式（6）可表示为被控系统式（1）基于射影控制式（5）得到的闭环反馈系统。式（6）可简化为：

对A′进行特征根分解得：

其中，W′为引入的特征向量；Λ′为式（4）求得的主导特征根保留值；X′为所保留主导特征根所对应的特征向量。即存在：

式（8）中，由于引入状态反馈形成闭环系统导致系统阶数增加。

由式（8）知：

由式（10）可推得：

定义P=W′-1Bu，则有：

鉴于Λ′为式（4）求得的主导特征根保留值，则由式（8）联立式（9）亦可推得：

即可求得：

由式（12）、（13）、（15）知，只要求得状态反馈增益矩阵K，即可求得SSDC的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵，进而得到SSDC的传递函数。

由于W′表示引入的特征向量，可能为任何矩阵，故而可直接取W′为单位矩阵。但考虑引入的特征向量后，系统的输出向量y除了包含参考系统的变量，还包含加入反馈后增加的变量。由文献[17]知，矩阵P为一个可调的自由参数对称矩阵，因而可以通过矩阵P的选择降低引入特征向量对原系统的影响。

1.2 直接代入法求状态反馈增益

由于SSDC的设计是针对每个轴系固有扭振频率分别设计相应的控制器实现分层控制，故而每个控制器只针对1对或2对保留共轭特征根，因此可以用直接代入法[18]求得状态反馈增益矩阵K。

假设控制器阶数为4阶，可将状态反馈增益矩阵K写为：

假设闭环系统式（3）所期望的特征根的位置分别为s=μ1、s=μ2、s=μ3、s=μ4，将K代入闭环系统式（3）可得：

由式（17）知该方程两端均为s的多项式，故而可通过其两端的s同次幂系数相当来确定k1、k2、k3和k4，进而可求得状态反馈增益矩阵K。

1.3 控制器设计

首先取得待研究发电机端转速，经过4阶巴特沃斯滤波器得到相应的固有扭振频率，然后基于射影控制设计SSDC的传递函数G(s），最终将针对每个振荡模态所设计的SSDC输出叠加后，加入到直流整流侧的主控制器上，控制框图如图1所示。其中，k为附加控制器增益；Δω为发电机转速偏差；l和Iord分别为直流电流的测量值和整定值；α为整流侧触发角。

2 仿真算例

在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建某电网直流输电系统的拓扑结构图，此直流输电系统额定电流为3 kA，双极运行额定传输功率为3 000 MW。当此系统在孤岛情况下降压70%运行时，系统发生扰动会引发整流侧发电机组的SSO。拓扑图如图2所示，其中发电厂A机组轴系参数如下：高压缸（HP）、中压缸（IP）、低压缸（LP）、发电机（GEN）的惯性常数分别为0.212 5、1.596 5、1.712 5、0.731;HP-IP、IP-LP、LP-GEN的弹性系数分别为12544、16500、22161，转矩力矩分别为0.53 p.u.、0.235 p.u.、0.235 p.u.。

经计算得知该发电机系统存在13.38 Hz、24.44 Hz和29.97 Hz3个振荡模态。在直流整流侧主控制器上施加幅值为10%的阶跃，再分别通过TLS-ESPRIT算法辨识出这3个振荡模态频率作为控制器输入时，所对应的系统传递函数为：

根据辨识出的每个扭振模态下的系统传递函数，选择期望特征值后，利用直接代入法求得相应的状态反馈增益矩阵：

根据式（21）得到的状态反馈增益矩阵，基于射影控制原理求出每层控制器传递函数为：

最后将所求的每层SSDC叠加后加入到整流侧的主控制器上。

2.1 未加SSDC

在2 s时在整流侧换流母线上施加三相接地短路故障，故障持续时间为0.02 s。系统未加入SSDC的发电机转速时域仿真结果如图3所示。

由图3知，在系统发生扰动后，发电机转速发生振荡且为放大趋势，系统会发生次同步放大现象。发电机轴系各缸体间的转矩（标幺值）如图4所示。

由图4知，发电机的4个模块间有3个扭振模态,每个扭振模态都是呈发散状态。采用TLS-ESPRIT算法同样可以辨识出每个振荡模态的详细参数，辨识结果如表1所示。

由表1知，直流系统存在3个振荡模态，模态1和模态2为负阻尼，容易造成SSO发散，模态3为弱阻尼，当发电机组转速发生波动时，这个频率的模态衰减较为缓慢，不利于系统稳定。

2.2 加SSDC

根据式（22)—(24）基于射影控制设计的SSDC传递函数，加入到直流整流侧主控制器，发电机转速的时域仿真结果如图5所示。

由图5知，加入SSDC以后，发电机转速波动很快平稳，说明设计的SSDC有效。发电机轴系各缸体间的转矩（标幺值）如图6所示。

由图6知，在加入SSDC以后，发电机各模块之间的扭振转矩可实现快速平稳。由图4和图6的对比分析，充分说明所设计SSDC的有效性，且控制器阶数较低，利于实际工程实现。

采用TLS-ESPRIT算法同样可以辨识出每个振荡模态的详细参数，辨识结果如表2所示。

将表2与表1对比分析知，加入SSDC以后，各个模态的阻尼比均有大幅度的提高。

3 结论

提出利用射影定理可将原系统的主导特征根保留并映射到低阶反馈控制器上的特点，设计SSDC。首先利用TLS-ESPRIT算法得到每个固有扭振模态下的系统传递函数，然后选择保留特征根基于射影控制设计出每个扭振模态的控制器传递函数，从而实现各模态的分层控制。

根据某电网直流系统的实例仿真模型，得到3个振荡模态所对应的控制器传递函数，经计算知所设计的控制器阶数较低，有利于实际工程实现。且仿真结果表明，加入SSDC后，发电机轴系的振荡可快速平稳，系统阻尼比有很大提高，表明所设计控制器的有效性。

摘要：火电机组经高压直流输电有可能引起轴系振荡,严重影响电力系统的稳定性,故为高压直流输电系统设计次同步阻尼控制器尤为重要。从系统状态方程的角度出发,基于系统状态方程,通过滤波器提取轴系各固有扭振模态,进而提出基于TLS-ESPRIT和射影定理设计直流附加次同步阻尼控制器,最终实现各个模态的分层控制。射影控制可保留系统的主导特征根,能够在保留系统实际信息的同时降低控制器的阶数。以某电网直流系统作为实例仿真模型,仿真结果表明,基于TLS-ESPRIT和射影定理分层控制的阻尼控制器可有效增大系统阻尼,实现次同步振荡的快速抑制,且控制器阶数较低,便于工程实现。

关键词：高压直流输电,次同步振荡,射影控制,附加次同步阻尼控制器,阻尼,分层控制,设计

分层控制论文 篇2

九龙桥明德小学徐连武

学习了分层教学的新理念，知道了分层的理念应贯穿在教学的每个环节中，在用新的理念实施分层教学的过程中，出现了许多困惑。

困惑之一：怎样把握分层，分层后如何安排学生的座位。对学生的分层不好把握，是应该细化分层，就是把学生按能力分为优中差三个层次，这样分层在实际产生的问题就是不好安排学生的座位。如果把学生的座位明显按层次排出，方便辅导和教学，但会挫伤学困生的自尊心，会增加他们的压力。如果不按层次排定座位，分层教学和辅导不方便。还是粗线条的对学生进行分层，就是在教师心目中有优生、有学困生，学生不特定排座位，这种分层是有弹性的，学困生和中等生，中等生和优生的界线不明显，是比较模糊的分层。怎样安排才好一直困惑着自己。

困惑之二：在分层教学中，学困生达到什么程度才算保底，按成绩衡量还是按每节课的目标来衡量。如果按成绩来衡量，学困生的成绩达到多少分才算保底；如果按分层的目标来衡量，学困生经常做基本的练习、基本的作业，到单元测验或期末考试时，他们的成绩肯定会不理想，达不到上级和学校的要求，这样算不算保底。

困惑之三：平时什么都分层，期末考试试卷却不分层。备课时目标分层，辅导时方法分层，提问时问题分层，巩固时练习分层，作业时题目分层，评价时标准分层，但在期末考试时试卷却没有分层。全体学生考的是一张试卷，一样的考题，判卷时一样的标准，结果学困生的成绩会低于或远远低于优生，这时他们的心里在也没有成功的体验了。并且我们县把及格的标准提高了，一、二年级80分及格，三、四年级75分及格，五、六年级70分及格。及格标准的提高，不及格的学生就会增多，怎样解决好平时分层期末考试不分层的问题。

困惑之四：做分层测试卡的基本练习题学生得100分的怎么不多。看资料介绍的都是学困生把分层测试卡的基本练习题做对、做好，得了一百分。而我在实际应用时却不是这样的结果，就连班里优秀的学生有时基本练习题都得不了100分，经常出现问题。基本练习题的正确率经常会低于综合题或拓展题，当然有学生在做题时不细心马虎造成的，可能也有自己在教学中的问题，自己也曾在教学中注意抓基础知识基本概念，也曾引导学生做题时要注意审题，但始终基本练习的正确率达不到预期的效果。经过对学生使用分层测试卡的实际应用，经过对分层测试卡基本练习题的研究，发现分层测试卡的基本练习题有些题目量过大，有个别题目的难度比较大，这样学生全部正确的机率相对较小。能不能调整基本练习的题目，让题目的量合适，难题调到综合练习中。

分层控制论文 篇3

【关键词】分层护理；精神科护理；护理质量控制

【中图分类号】R358【文献标识码】B【文章编号】1005-0019（2015）01-0513-01

由于实施分层管理的精神科护理可以有效提高工作人员的工作效率使每一个工作人员都能充分发挥自身的特长，所以可以把分层管理充分运用到精神科护理质量控制当中。

1.资料与方法

1.1一般资料

对2010年7月一2014年7月在我院就诊的152例精神疾病患者的治疗资料进行回顾性分析。152例精神疾病患者的年龄在35～68歲之间男性患者68例女性患者84例患者的患病时间至少为两年"

1.2方法

将在我院就诊的152例精神疾病患者分为两组海组76例实施分层管理护理的一组为实验组，不实施分层管理护理的一组为对照组通过对两组精神疾病患者的护理质量效果以及护理人员的综合能力进行对比分析哪一组精神疾病患者的康复效果比较好。

1.3标准

按照临床护理质量评价及检查标准，包括专业护理人员对患者安全方面的护理、质量方面的护理、护理的态度以及两组患者的康复度与满意度进行综合评价。

2.结果

2.1通过表格分析结果

两组效果对照表

项目病例数护理人员的综合能力康复度满意度实验组7693.69%92.85%9.54士0.55对照组7694.58%65.57%7.25士1.01具体描述结果通过表格可以得出结论，经过对比在两组病例数相同的情况下护理人员的综合能力没有明显的差异。但是，实验组精神疾病患者的康复效果明显比对照组精神疾病患者的康复效果好而且实验组康复的精神疾病患者的满意度也高于对照组康复的精神疾病患者。所以实施分层管理的精神科护理质量控制效果比不实施分层管理的精神科护理质量控制效果好。

3.讨论

分层管理实际上是源于企业的一种管理模式规在被引用到精神科护理工作中，一般被称为护士分层管理模式依据护理的工作范围、工作岗位、工作职责以及工作技术要求创造的一种新型护理方法换句话说就是不同层次的护士干不同级别的事情。可以将护理人员分为三个级别：初级护理人员主要负责护理精神疾病患者的基本生活和不需要技术操作的基础护理；中级护理人员主要负责精神疾病患者临床的各种治疗和处置；高级护理人员主要负责建立护理质量控制系统跟踪观察护理人员的日常工作将不足的地方及时记下，以便于及时改正并且，监督与指导初级护理人员的工作，对精神疾病患者进行管理。健康教育和护理质量控制是最主要的岗位，作为医院管理的核心工作，护理质量主要包括护理的效果。护理的态度，护理的技术等等同时护理质量也是衡量医院护理人员的一个标准像护理人员素质好坏、水平高低、技术是否熟练等等。医院采取护理质量控制目的庄要是提升护理工作的质量和效率增强护理人员的团结合作精神。

所以，医院对于精神科的护理人员的要求其实是比较高的，医院要根据不同级别的护士进行有针对性的辅导辅导对象要以参加工作不满一年的护士为主周为她们缺少对精神疾病护理方面的经验态度与能力方面都不是很到位，所以在进行培训辅导时要把侧重点放在能力与态度方面重点培养精神科护理人员的综合能力像专业知识、专业能力、临床应变能力等等从而提高护理人员的工作效率保证精神科护理质量的提升。俗话说少尺有所短才有所长，分层管理就是依据这一点，不同级别的护士做不同级别的事情，在自己可以承受的范围内，做自己力所能及的事情不会因为岗位的变化而变化所以启从实施分层管理之后不仅护理人员对护理工作的满意度明显提高同时还增强了护士的工作积极性提升了工作效率与工作质量。

4.结语

在精神科护理质量控制中实施分层管理肩利于提高护理工作效率不断提升护理工作的质量分层管理可以被广泛应用到实践当中。

参考文献

[1]张军山，由日玲.谈精神科护理道德要求[J].中国民康医学.2003（11）

[2]孙振华，刘爱芳.人文关怀在精神科护理中的应用[J].齐鲁护理杂志.2006（07）

[3]付秀玲.精神科护理中的道德护理[J].中国医药导报.2006（22）

[4]孙克莎，董萍，李枫.运用循证思想发展精神科护理模式[J].上海精神医学.2007（04）

[5]付丽松.加强法律意识在精神科护理工作中的重要性[J].中国伤残医学.2010（03）

[6]温云辉，严梅.美学在精神科护理中的应用[J].中国实用医药.2011（24）

分层控制论文 篇4

大学学科分层制度是指评价、组织、管理大学学科之间支配关系的规则体系。这一规则体系的建立源于资源存量与需求之间的矛盾。作为学科发展渴求资源的人才、资金、政策支持、信息等都不可能是无限的, 因此从政府、大学到院系的决策层通常都不是平等地分配科学和教育资源, 而是依据各门学科对社会、大学、院系发展的预期价值对资源与权力予以偏向分配, 因此便自然形成“第一梯队学科”、“第二梯队学科”和“第三梯队学科”的划档分等 (图1) 。“第一梯队学科”通常为国家级、省 (部) 级、校级重点学科、优势学科等, 这些学科在专业领域内或在一个大学实体内拥有更加显赫的地位、更多的资源、更大的学术话语权和更高的声誉等级;“第二梯队学科”主要是单个大学的主体学科、基础学科, 在大学中虽占有一定的发展资源和学术权力, 但与强势学科相比, 地位相对等而下之;“第三梯队学科”则一般是一些边缘弱势学科以及新生学科, 在大学系统中地位微乎其微, 难以获得发展资源和学术权力。

1 学科分层制度中的权力主体

伯顿·克拉克发现, 扎根于学科的权力、院校的权力和政府的权力“在各国高等教育系统中或单独、或综合、或强大、或弱小、或轻微地存在着”, (4) 这些权力相互交错形成控制网络直接影响着学科、大学乃至整个高等教育系统的发展。从本质而言, 权力对应的是利益的分配。在大学系统中存在各种利益相关者, 政府、学校管理人员、教师、学生、校友以及合作企业等等。这些利益相关者依据其对大学的资金、智力等方面的贡献, 享有不同的权力。而根据不同利益集团的权力大小与结构组成了不同的权力结合模式, 在相当程度上成为大学学科制度发展变革的动力因素, 也构成学科制度运作的机理, 制约着学科制度的运行规则。 (5)

从价值利益出发, 学科的价值主要在于其学术价值、发展价值、社会价值三个方面。这些价值是为特定利益相关者特别是权力主体们带来既定利益的本源。根据对这些价值利益的关注群体分, 参与学科分层的权力主体主要也可以分为三大类 (图2) :第一类是由“为知识而知识”的纯粹学者 (6) 组成的学术共同体, 他们主要关注学科的学术价值, 提倡于按照学术水平对学科予以分层划等;第二类是大学和求学者群体, 他们更多关注学科对学校、个人发展的价值, 在进行资源投向决策或职业规划选择的时候, 更倾向于考量学科对学校生存发展和个人职业规划发展利益贡献来进行分层;第三类是国家等社会群体, 首先要求的是学科体现社会价值, 其政策倾向等都体现根据实用功能进行学科分层分级建设。

2学科分层制度中的权力控制关系

2.1学术权力决定学科学术分层

从知识产生、发展的学术角度出发, 学科学术地位体现在三个方面:知识范畴的独特性、知识范式的成熟度和知识内容的丰富度。知识范畴的独特性, 简而言之就是学科门类的专门化程度, 那些能够成功地界定自己的边界的知识领域才有望获得学科的地位。

不同学科根据形成的早晚、发展速度的快慢、积累的多少, 在这三个维度里达成的程度不同, 相应形成了学科的学术分层。

因此, 大学学术界看待、衡量学科学术分层主要有三个不同的尺度, 即:专门化、规范化、理论化。由于有的学科经过长期积累, 有的学科刚刚起步, 因而各门学科在三个维度的达成程度不同, 相应形成了学科的专门化等级、规范化等级和抽象化等级。

(1) 专门化等级:即以一门学科的专门化程度作为学术界衡量该学科学术地位的标尺。在大学系统中, 一门学科的专门化程度通常被认为是该学科学术水平的标志。而那些没有形成专门化的知识、方法与学术评价体系, 没有严格的专业人员从业标准, 通常借用别的学科的理论说明、推演本领域现象的学科, 往往被视为学科家族中的“穷人”, 即使在大学中获得了学科建制, 也处于大学学科学术等级的较低序列。正因为专门化程度被学术共同体视为衡量一门学科学术水平的标志之一, 因此, “一个新生学科总是致力于产生出一套新的通用词汇, 以便帮助它的成员来界定这一学科, 使它和其它学科分道扬镳。”大学中随处可见所有知识类型都根深蒂固、努力不懈地要尽可能达到更加专门化的程度, 动力之一就在于为本学科赢得更高的学术。

(2) 规范化等级:即知识体系的规范化程度决定着规范学科、准规范学科、不规范学科的不同声望等级。如果说专门化等级是以学科之间的独特性衡量学科的学术地位, 那么可以说, 规范化等级则以是否达到同一种公认的研究“范型”来衡量学科的学术地位。“范型”指一定时期人们广泛推崇的生产、评判知识真理性的标准, 作为知识王国的“政体”, 它为每个知识领域提供同样的规则。“规范和标准建立的目的, 其实主要是为了便于对知识的系统性和逻辑性进行整理、加工与深化, 同时一也是为了满足共同体内部沟通和理解的需要。”但追寻大学学科发展史, 又可以发现, 不同时代人们对何谓规范学科具有不同的判定标准, 而且围绕规范标准, 在大学学科之间演绎出频繁不断的冲突和斗争。正因为不同时代知识规范不同, 因此, “各门学科都是历史发展的产物, 它们随时间迁移而发展, 并获得不同的声誉。”

(3) 理论化等级。吴国盛指出, 在漫长的人类文明史上, 一直存在着两个传统, 即哲学家传统和工匠传统 (英国科技哲学家S·F·梅森在其所著《自然科学史》一书中称之为哲学传统和工艺传统) , 他们共同构成了科学的历史渊源。哲学传统源于人类获得整体世界观的内在要求。人类永远需要为自己的心灵创造一个家园, 一个不会因为千变万化的眼前现象而经常改变的理解框架, 一种系统的理解世界的方式。工匠传统源于满足人类物质生活的需要。人类必须提高自己制造、使用和改进工具的技艺和能力, 提高自己支配自然界为自己服务的能力。可以说, 正是哲学传统推动了人类知识由神化知识型向形而上学知识型、科学知识型、文化知识型的不断转型, 使人类对客观世界与主观世界的认识逐渐变得更加清晰、更加全面, 更加接近丰富、复杂、多样的事实。同时, 又正是工匠传统推动了技术和工艺的进步, 带来了近代大工业的发展, 为人类创造了富足的物质生活。进入现代社会后, 科学对技术的推动价值日益显现, 技术对科学的拉动也成为科学发展的动力源之一, 两者开始一起汇合成人类智慧的洪流。如此看来, 认识世界的学问与改造世界的学问同样对人类文明的进步做出了独到的贡献, 两种传统一个使人类的思想发生变革, 一个使人类的生活发生变革, 应该都是人类不可偏废的两大幸福之源。但是, 事实情况是, 技术学科一直不受崇尚学术的大学学者的青睐, 从事纯科学、理论科学、基础科学的教授相对于从事应用技术学科的教授, 往往前者在学者心目中显得更有高深学问。同样是数学学科, 应用数学就遭到哈代的贬斥。在哈代看来, “纯数学整体上明显比应用数学有用。纯数学家似乎在实用方面和美学方面都占优势”, “经济学家或社会学家们所利用的数学根本够不上‘学术水准’。”出于战争需要用于弹道学和空气动力学等的“不重要的”数学, “不可能拥有‘真正的’数学那样的头衔。它们令人厌恶, 而且极其枯燥”, 只有纯数学研究才是“一个‘无害而清白的’职业。”

注:907不包括军事学的57个重点学科。

通过上述三大标准, 我们可以确定每门学科在大学学科体系中的学术地位与意义。当大学学人用上述三大标准衡量每一门学科的学术水平时, 便自然有了“学术性学科”、“准学术性学科”和“非学术性学科”的地位分等。有的学科便面临“不专业”、“欠规范”或“没理论”的危机。

2.2 大学行政权力决定学科大学分层

大学从各自的生存发展定位、办学理念、竞争资源地位、创建优势特色等需要出发, 在学科建设中“有所为, 有所不为”地提高某些学科的地位等级。

耶鲁大学各门学科的沉浮则更多地源于学校领导层的办学理念:19世纪耶鲁大学在把人文学科置于学校发展的重点。其结果是, 在1946年美国大学联合会对各大学科系的评定中, 耶鲁的学术地位总成绩排名第一, 其中人类学、艺术、地质学、德语、语言、东方研究、哲学等人文学科在学科排行中更是名列前茅或独占鳌头, 但其物理学、化学、经济学则排名靠后。为振兴排名靠后的学科, 1947年后, 耶鲁大学校方开始实施学科地位升级计划, 将物理学、经济学作为支持重点。1957年, 耶鲁的经济学终于打破了哈佛—芝加哥—哥伦比亚大学这个铁三角, 跻身前三名, 排在哈佛和芝加哥大学之后, 经济学重点学科建设终于取得成功。耶鲁大学在学科建设中“有所为”的同时, 也对某些学科毫不留情甚至令人扼腕叹息地打压排挤。50年代的校长格里斯沃尔德算是典型的耶鲁校长。他坚持大学学科建设应该围绕普通教育这一中心来进行, 应用学科不应当在大学有立锥之地。为此, 他设法挤走了洛克菲勒基金会在耶鲁资助设立, 其他大学意欲打破脑袋争抢的“国际研究所”, 关闭了应用性质的护理学院、教育系, 并将工程学院改造成文理学院下的一个系。现在, 耶鲁大学社会科学地位落在哈佛、芝加哥大学之后, 工程技术是耶鲁最弱的学科, 排名在全美大学中落在50位之外。

中国不少大学开展重点学科建设的动力可以说是谋求发展升格、竞争资源地位、创建优势特色等多种原因机缘凑合的结果。为了由教学型大学挤身于教学研究型大学, 或由教学研究型大学攀上研究型大学的高峰, 为了在与其他大学竞争国家和地方的制度资源、组织资源与物质资源方面占据优势, 不少大学把加强重点学科建设, 提高部分学科的层次和水平, 从而增设博士点、硕士点作为首选策略。而有助于学校实现“争点”、“保点”目标的学科, 便在大学的特殊呵护下得到高待遇的集中投入, 成为事实上的高地位学科。

学校给予其享受一般学科和其它重点学科不能享受的特殊政策, 包括:优先保证“特区”内重点学科建设的人才需要, 在人才引进和培养、职称晋升、科研岗位设置、研究生招生名额分配等方面实行计划单列;优先满足所需场地;重点保证配套资金的安排;一定范围内自行确定工资、津贴、劳务费标准;教授给本科生授课时数减半, 等等。A大学运用权力形成学科之间的等级差别, 区分学科之间在经费、人才、管理投入的差异, 鼓励它们在此基础上展开竞争, 形成学科之间在质量与水平方面的高低, 主要出于实现学校办学层次的发展升格, 竞争国家和地方教育资源, 增强学校办学实力、影响力和声誉等的需要。它根据该校发展基础和需要确定应该申报和应该给予重点建设的学科, 并给予相应的资金、地位、名誉和报酬, 吸引人才和资源在该学科高度集中, 从而加快该学科的发展。不同的学科由于基础、特点等方面的差别, 对于满足学校发展需要的价值就有分别, 从而在学校政策中获得不同的功能地位。如此, 对各门学科来说, 置身于大学场域中便不由自主处于一种竞争的空间, 每门学科不得不为获取更多的资源、更大的权力搭建在场竞争优势。其中既有个别学科对附属地位的抗拒, 也有同地位学科集体的联合抵制。而资源配置、关系重组、权力占有等始终是冲突与竞争的源头。透过学科之间的竞夺, 可以折射出大学中各类学科对其生存境遇的关切和对所属学科的功能的体认。

2.3 国家权力决定学科社会功能分层

大学学科的社会功能等级是指由于某些学科比其它学科对于国家系统、大学系统和求学者群体所发挥的当下功能更为重要从而享有的不同的社会地位。学科功能等级建立在这样一种假定上, 即能够实现某种社会功能的学科比不能实现该功能的学科更加“高级”, 更具有内在“优势”。对国家系统的功能等级。即以学科对国家政治、经济生存发展的价值大小衡量、确定不同学科的社会地位, 已经或预期在多大程度上满足某一时期国家生存发展的需要, 成为标志学科地位高低的函数。伯顿·克拉克指出, 一个国家至少要求高等教育具备三类效用: (1) 社会经济效用, 即职业培训以及对社会的实用价值; (2) 文化效用, 即文化复兴和民族特色; (3) 政治效用, 即培养良好的公民以及为政治目标服务; (4) 从发展学科的角度而言, 要实现第一种效用, 就意味着要发展技术学科和自然科学学科;要实现第二种效用, 则要发展人文学科和社会科学;要实现第三种效用, 则需要提高研究人员论证现有政治意识形态合法性的能力。但是, 在资源永远赶不上需要, 同时实现三种甚至更多种效用发生直接冲突的情况下, 或由于价值选择的不同, 不同种类的效用被赋予不同的价值时, 对于一定时期优先满足哪一种效用, 不同的国家都会做出不同的选择, 体现出不同的偏向。一定时期国家对高等教育政治、经济和文化效用的不同偏重, 便直接影响到什么学科可以或应该在大学得到发展, 同时使得不同的学科由于这种偏向而获得不同的功能地位。一旦某一种效用通过国家权力得到强调, 与之休戚相关的学科便会得到发展的机会和空间。相应地, 另外的效用则被置于从属地位, 受到压抑或否定, 与之相应的学科便处于比较糟糕的发展境地。如美国对大学生物科学和信息工程技术学科、 (7) 日本对工程技术学科的倾向等。

自1987年后, 我国开始评选重点学科, 开展重点学科建设, 国家将大学学科明确分为“重点学科”与“非重点学科”。此后, 国家、地方和大学又对重点学科再加以各种区分, “211”重点学科和省级、校级、甚至院 (系) 级重点学科的分等一时蔚为时尚。这种自上而下普遍对学科予以人为分层的做法, 则是从管理制度上进一步保持与强化学科分等。教育行政部门设置的重点学科点状况或许可以更直接地反映出由于国家对不同学科的倚重倚轻所形成的学科等级。以2002年教育部确定给予重点建设的学科点个数为例, 各学科在国家系统中的地位就存在巨大差异 (表1) 。

政府利用掌握的资源和权力, 以排他性的方式, 左右学科兴衰。政府对不同学科发展的优先排序和重点支持, 其中包括对基础学科、应用学科研究不同的经费支持方式和政策导向与倾斜, 构成大学学科兴衰荣辱的政策环境。当国家在假定不同学科对国家竞争和发展的效用存在差异的情况下, 都选择了能给国家带来直接的或急需的实惠的学科。国家对急需发展的重要学科在各方面的动员和救济, 就是国家在学科功能取向上的一个明显信号。 (8) 正像麦克·F·D·扬所揭示的, “占统治地位的经济和政治秩序明显地成为了知识分层的决定性因素。” (9) 吴刚也指出, “每一种知识形式无所谓优或劣, 科学也不例外, 关键是在何种情境中加以应用。例如在对于社会秩序的维护上, 伦理及法理的知识比科学更有效。” (10) 而在强调发展经济的秩序下, 显然科学技术知识更受青睐。不反思国家对学科分等的价值预设, 就不能说明同一类学科在不同国度的不同命运。

3 现行学科分层制度的双向影响

就学术等级而言, 宏观面上, 第一, 源获得与分配中的差异将有效促进科学资源向具有更大社会价值和更好发展前景的学科流动, 从而促进学科和社会发展。第二, 促进学科研究与教学充分释放应用潜能, 调动大学学者为社会发展而开展知识创新和人才培养的积极性。在学科共同体内部而言, 其积极意义在于:第一, 促进研究对象的集中化和研究方法与人才培养的规范化, 研究成果的系统化, 从而加速学科知识的积累和专门人才的培养, 形成学科的学术等级, 则“学术性学科”的高声誉, 可以为“准学术性学科”和“非学术性学科”提供科学研究和人才培养的效法典范, 带动它们建立严密的理论体系和严格的方法学训练, 增强知识生产的专业化、规范化程度, 提高学科的学术水平。第二, 有利于保护学科从业群体利益, 保障与大学活力和生命力休戚相关的学术权力。学科的学术地位对应了达到该学科共同体认可的知识技能标准的从业人员的水平, 学术共同体的独立性, 如此便可保障学者的学术权力和对真理的自由探讨。正是在那些已经牢固地确立了“学术方面的金本位”的英国、法国、德国等西方国家, 大学及其学者才获得了较高程度的“大学自治”和“学术自由”, 教授权力才得到充分的行使。第三, 激发起各门学科努力提高学术地位的动力。高地位等级的学科可以为处于较低层次的学科树立一个有吸引力的坐标——即更高的地位以及随之而来的报偿, 以此激起奋发的希望。

第二, 强化高等级标准的价值, 压制、限制“低地位学科”的发展, 导致某些知识门类发展受阻, 使人类多元文化盛衰不均。第三, 会切断学科之间的“生态链”, 破坏科学进步所依赖的学科之间的相互协调。人为地给各门学科不同等级的关注与建设, 则处于“优势地位”的学科得到政府、企业和学校大得不成比例的资助, 学科精英也持续汇聚其中, 使该学科在新思想、新著述、新人才的生产中获得明显优势。已经产生的优势又将该学科置于更有利于获得未来资金和人才的优越位置, 形成该学科的优势积累。相反, 处于“弱势地位”的学科则因缺乏发展资源日益走向衰落。这种用计划经济搞“攻关”的办法, 说到底是在所有学科付出代价的基础上换来个别学科局部的“成功”和“繁荣夕”。第四, 会导致人们忽视某些学科对社会发展的潜在独有价值, 使社会发展出现偏差。学科之间地位的差异往往既是不同社会评价导致的结果, 又常常成为影响人们对学科社会价值认可的原因。

摘要：大学学科分层制度是评价、组织、管理大学学科之间支配关系的规则体系, 在这一规则体系里各类权力主体形成的权力网络控制和影响着学科的发展。本文从权力控制的视角出发, 分析大学学科分层制度下的权力主体和权力控制关系, 评议学科分层制度对学科发展的双向影响。

关键词：学科,分层制度,权力,控制

注释

11 (澳) 马尔科姆·沃特斯.现代社会学理论[M].杨善华, 译.北京:华夏出版社, 2000.15.

22 吴康宁.知识的控制与分等:课程结构的社会学释义[J].教育理论与实践, 2000 (11) .

33 周作宇.学科分层与哲学社会科学的能力建设[J].科学中国人, 2004 (8) :134.

44 (美) 伯顿·克拉克.高等教育系统——学术组织的跨国研究[M].王承绪, 徐辉等译.杭州:杭州大学出版社, 1994:282.

55 包亚明.权力的眼睛——福柯访谈录[M].严锋, 译.上海:上海人民出版社, 1997:31.

66 冒荣, 缪榕楠.论学术腐败的内在根源及社会控制[J].煤炭高等教育, 2003 (1) :136.

77 (美) 亚伯拉罕·弗莱克斯纳.现代大学论——美英德大学研究[M].徐辉, 陈晓菲, 译.杭州:浙江教育出版社, 2001:144, 167-168.

88 郑杭生.当前社会学学科制度建设的问题[J].中国社会科学, 2002 (3) .

99 麦克·扬主.知识与控制[M].谢维和, 朱旭东, 译.上海:华东师范大学出版社, 2002:51.

分层控制论文 篇5

二郎坝小学

杜春艳

我们学校属于乡镇学校，家庭教育的差异较大，给教育教学带来了较多的困难。尤其是课堂教学，如果采用“齐步走”的方法，“吃不饱”和“难消化”的现象就会日益突出。而在班级授课中实施“面向全体，分层施教”的分层教学法，把班级教学、分组教学和个别教学三者有机地结合起来，扬其长而避其短，即能最大限度地克服过去班级授课制中的种种弊端，尽可能地让学生的个性、特长得以最充分的发展，使“不同的人学到不同的知识”、“人人都学到必需的知识”。

我考虑到学生中存在的差异程度，综合考虑每个学生的智力、非智力等因素，运用模糊学的方法，把全班学生分为短期性的（即处于发展变化状态而短期内又相对稳定的）a、b、c三个层次，并依据群体学生的差异，区别对待地制定分层教学目标，采取分层施教、进行分层评价，并有针对性地加强对不同层次学生的学习指导，从而大面积提高教学质量。

1、面对有差异的学生，实施有差异的教学，促使每个学生在不同基础上得到提高与发展。

2、形成一种便于操作的分层区别教学的模式。

3、通过好、中生的相互协作，培养学生的合作精神和自主创新能力。通过对学困生的直接教学和个别辅导，消灭“陪读”现象，更好地补差、防差，实现面向全体学生，全面提高教育质量的素质教育要求。通过分组区别教学的教改实验，提高学生的学习成绩。改变以往教学目标要求统一的状况，针对同一班内不同层次，不同学习水平的学生，有时我设计不同层次的教学目标，使教学目标指向每一个学生的“最近发展区”，具体可分为：

a、最低限度的课程标准，教材要求。b、标准、教材的全部基本要求。

c、对课程标准、教材基本要求的适当提高、加深。鼓励不同层次学生在达成本学习领域共同性目标后，选择高一层次的目标进行学习，用不断递进的分层目标来引导和要求学生，使教学要求和学生可能性的关系，始终处于动态协调之中。

4、教学分层过程

改变传统班级授课的课堂教学组织形式，采用“合——分”式教学结构，既有面向全体的“合”，双有兼顾各组的“分”。保证在一节课内既有统一的讲解、答疑、矫正、小结，也有分组的教学、自学、合作学，还有分层次的练习和个别指导。其基本模式是“合”（激趣入题、明确目标）——“分”（学习新知、巩固练习）——“合“（反馈口授，课堂小结）——“分”（课内作业，巡视指导）。“分”学的结构，可借鉴复式教学的经验，采用动、静交替的形式进行，要注意“分”而不“离”，“合”而不“死”。

5、练习作业分层次

不同组别完成不同程度的作业。a组学生完成基本题。

b组学生完成基本题加综合题。c组学生在此基础上再加上一些有利于思维发展，培养能力的提高题。对同一道题目，也可以有不同的要求。练习中，教师要鼓励并创造条件让低层次学生向高层次突破，体现弹性，激发学生求知欲。在此同时，教师要不断巡视，把握信息，并作个别点拨和矫正。

6、评估测试分层

为了反映不同层次学生的学习效果，充分发挥考试的评价功能，导向功能和激励功能，帮助各层次的学生，特别是学困生体验成功的喜悦，使之以学为乐，不断进取，积小成为大成。要改变传统的评价方式。在考查中，学困生做基础知识题，中等生加试综合运用题，优等生再加试分析拓展题，让各组学生在考查中充分发挥各自的水平和能力。允许在测验中未达标的学生在一星期内再进行第二次平行性达标测试，以达到预期的教学目标。

小学语文学困生转化计划

二郎坝小学

课题组

一、转化思想

为了落实好教学工作让语文成绩大面积丰收，就必须做好学困生的转化工作。在学困生的转化工作中，教师除了倾注爱心，发现闪光点，因材施教，抓好反复教育外，还要注重学困生非智力因素与智力因素的的培养，运用恰当而有效的方法。

二、学困生对象

一年级：蒋建华

蒋富鹏

蒋贵鹏

何芳琴

崔彦鹏 二年级：蒋华涛

百强勇

罗瑞

杨晓慧

三年级：罗贵超

蒋星月

蒋富阳

何万波

杨定文

蒋富康

蒋华瑞

四年级：蒋富东

蒋抄

杜欢

丁继浩 何兴红

李本旭 陈霞

陈明康

五年级：杨云云

崔子红

何宗杰

胡建红

蒋小云

杜彩云

蒋荣俊

郭宝成 何万龙

六年级： 杨丹

蒋华勇

三、调查时间

2013年9月-------2014年10月

四、学困生形成原因情况分析

1、学困生形成的家庭原因

不少学困生的家长都是打工者，父母们为了生计终日劳碌奔波，根本无暇顾及孩子的学习，大部分家长很少检查甚至从不检查孩子的作业，即使检查，也只停留在翻看和口头检查上，更不用说给孩子另外布置作业并辅导孩子的作业，调查显示90%的家长在晚饭后不是加班，就是看电视、聊天，家长很少布置或从不布置课外作业，大部分学困生表示家人帮助自己的能力有限。此外不少学困生的家长对自己子女的课外学习也不很重视，经常给孩子买课外书的家长只占调查人数的12%。父母的不良言行举止直接影响着孩子的健康成长，家长监管不利。(如：杨云云同学，家长从不过问该生的学习情况。)

2、学困生形成的学校原因

教师思想教育不力以及片面追求成绩。对后进生辅导不及时，缺少有效的方法，他们自己放松要求。

4、学困生形成的自身原因

学困生在家里的依赖性强，自觉性差，不能主动地学习。在校学习积极性不高，注意力不集中，学习缺乏主动性缺乏毅力，学习目的不明确，对学习无兴趣。不少学困生怕吃苦，懒惰，怕经受挫折，经受磨难，一遇困难就打退堂鼓，一遇挫折就一蹶不振，丧失信心与勇气，甚至产生变态心理，总认为老师、同学看不起自己，自己万事不如人，于是破罐子破摔，自己不学，也不想叫别人学，最后走进双差生行列。

五、转化学困生措施

1、培养学困生的自信心。只有树立起后进生的自信心，我们的转化工作才找到了起点。

2、要用科学的方法教育后进生。

3、对学困生多宽容，少责备。要做到“三心”：诚心、爱心、耐心。

4、教师不仅要注意培养后进生的学习兴趣。注意培养其兴趣的稳定性和集中性，使后进生有恒心、有毅力，在学习中专心致志，精益求精，从枯燥中寻乐趣，于困难中求喜悦。

5、教师在教学过程中必须想方设法培养学生有坚强的意志。

6、老师的辅导要及时。

7、家庭的配合是转化学困生的外部条件。父母在学生成长过程中的影响是很明显的，也是极为重要的。教师可通过家长学校、家长会议、家访等多种形式与家长相互交流，沟通信息。

8、在教育教学方法上进行大胆的尝试和改革，具体做法是：

①教师备课要想到学困生，要分层备课，要明确学困生理解教材的难点是什么，学困生容易出现的错误是什么?教师备课保证教学质量和转化后进生同时并进。

②教师上课要想到学困生，一是课堂提问教师要把较难较大较深的问题分解成较小较易较浅的问题，让学困生也有回答的机会，而不是将他们放在角落里无人问津。二是操作时要想到后进生，要鼓励学困生积极参与，贵在参与，不准再将他们搁置起来，置之不理。三控制学困生课堂违纪的问题。

③布置作业时，要想到学困生，要让学困生“吃小灶”体现分层作业，一是从数量上照顾，只求准确度，不求数量多，他们的作业可减半，对特别学困生甚至可以用课堂笔记来替代作业的办法;二是从难易程度上来照顾，学困生只需作基础题，对难度大的题目可以不做。

④教师辅导要把学困生放在“优先 发展的地位”，教师要充分利用早晚自修时间，对学困生进行耐心辅导。

⑤批改作业时，要想到学困生，后进生的作业要优先批改，要当面批改，要精批细改，不能简单地打“√”或“×”了事，不但要在错误处打上记号，还要帮助后进生找出原因，加以改正。上课前，要想到学困生，对于学困生哪怕是只有点滴进步，也要给予充分的肯定。在此基础上，充分发挥了群体效应的力量，开展“一帮一、一对红”的活动，帮助学困生尽快赶上来。

“十年树木，百年树人”，我相信在后进生的转化过程中，只要遵循教育规律，了解学生心理，从他们的年龄特点出发，持之以恒，就一定会有所收获。

分层控制论文 篇6

一、作业设计要体现差异性

作业是检验学生课堂知识掌握情况的一个最有效的手段，而作业布置的技巧直接决定着学生的完成质量，同时它也更大程度上影响着学生的学习兴趣、学习主动性等。传统的“吃大锅饭”似的作业布置即每个学生都布置统一的作业，这样让学生感到对每个学生都是一样的，学生从心理上感觉教师对每个学生都是一样的要求，一样的期待。对于优等生来说，很轻松地写完了作业，觉得没有太大的挑战性，在作业中没有显出自己的优势，没有在作业中体会到钻研问题，探究真知的乐趣，即所谓的“吃不饱”;中等生对于教师布置的统一作业还是拍手称快的，因为他们大多数是能够在理解的基础上完成的;而对于“学困生”，统一的作业就成了他们的障碍，不能准确地理解题意，很多题自己解决不了，不会做。

因此，对作业产生极大的畏惧，不愿意做作业，如果教师要求不严他们就会“逃作业”，如果教师查作业很严，这类学生就只有投机取巧找学生的作业，“顺手拈来”了。久而久之，作业成了他们的负担，衍生出的是对数学的厌倦。要让不同层次的学生都能学到对自己有价值的数学，在数学上得到不同的发展，教师就必须改变“一刀切”的作业布置，施行弹性作业策略。教师要根据学生的差异布置不同作业，增加作业的针对性和层次性，让每位学生都能体验到成功的喜悦，从而提高学生的学习积极性和主动性。

二、作者布置要体现层次性

为了满足不同学生的不同需要，教师要针对教材和学生实际，精选设计作业，分层布置、分层指导，不搞一刀切，给学生一个自主选择协调发展的空间。在分层之前，首先做好学生的思想工作。特别应当注意保护差生的自尊心，不要让他们感到这种分层作业的方法是教师在歧视他们。应该让他们意识到学习是循序渐进的，只有打牢基础才能去解决更难的、综合性的问题。

课后作业分为三个等级（A，B，C），第一层次为知识的直接运用与基础练习，以掌握基础知识为主，记为A等级;第二层次为变式题或简单的综合题，重在技能训练，提高速度，记为B等级;第三层次为综合题或探讨性问题，重在提高综合能力，记为C等级。让学生自己选择作业，要求是选择学生可以完成的一个等级的作业，认真完成，记为基础作业，可以思考高一级的作业，如果有想法也可以写。学生一听，作业是自己选择的，很多学生都非常兴奋，不同水平的学生自己去选择，教师不做直接定位，不直接指派哪些学生写哪类作业，让学生自己选择更体现了学生的自主性而且也让学生真正了解自己的水平，让不同的学生通过自己的作业找到了成功的体验。学困生能把A等级的作业完成，他们不会感到数学是负担，是听不懂的天书，是爬不出的数字迷宫。

实际上对于小学生来说兴趣和学习的欲望很重要，只要学生对这个学科保持浓厚的兴趣，我们总会看到学生的进步，让学生乐于参与数学活动，乐于在课后完成自己可以解决的数学问题，从而找到数学学习的快乐，那是学生最大的收获，也是教师教学的成败所在。

三、分层评价，分层指导

没有竞争就没有进步，尤其是对于小学生的表现欲，成就感特别强的年龄，让学生不断地获得成功的乐趣，又不断地给自己一些可及的目标，调动学生去学习，这才能紧紧地抓住学生，让学生在自我评价中不断地提高。

因此，在作业布置上经常给学生以学分的评定。对于不同学生所选择的作业等级，结合学生的作业质量给学生评定，如果一个优等学生选的是C类作业，而且是完成很好，教师给记10分;如果这类学生做了针对自己来说没有挑战性的B类作业，虽然完成质量较好，也只给记8分;如果学困生选择A类作业，而且是完成很好，教师给记10分。以次形式来让学生更准确地给自己定位，同时鼓励学生要敢于挑战。通过这种分层自选作业，教师以积分的形式给学生评定，让不同层次的学生都有所收获，既没有给学困生造成学习的障碍，丧失学习兴趣，又使优等生有更多的提高的空间，让他们通过拓展的C类题，真正发挥出了自己的潜能。

学习贵在坚持，教学手段要不断更新，评价形式也是不断改进，让每个学生都在尝试着超越自己的极限，一个月教师进行一次总结，看哪些学生在作业选择的等级上有变化，有提高，我再对他们成功的尝试给予大胆的鼓励和表扬，让他们感受到自己成功的愉悦，进一步增强学习的自信心和提高学习兴趣，让他们养成善于思考的好习惯。

课堂作业，我让优生与优生比作业的速度，比作业的准确性，比作业的思维质量，让他们在小组中共同评价，了解自己的优势和不足，对有疑惑的题目共同分析，共同解决。通过分类评价优生的作业，在优生中形成了竞争的氛围，使他们永不满足。不断地给自己设定新的目标，在小组中形成了比、学、赶的学习氛围。我在考核时也分层考核，在检测试卷中设计基础题、中档题和拔高题，要求基础题每个学生都要完成，中档题前20名要完成，拔高题优等生要完成。在同一时间段内分值设计不同，采用附加分的形式来提高优、中等生的学习兴趣，激发他们学习的热情。

教学中的分组是流动的，可以一段时间就改变一次，学生也可以根据自己的学习情况，向教师申请高一级的组别，在小组考核之后就可以晋升，这样学生形成了“一人带一组”，“优胜组带全班”的学习氛围，学生不会因为自己不会做题而沮丧，学生只要在自己的学习组中完成作业，就是对当天的教学有收获，而在不断地积累和竞争中晋升一级又是更大的进步。学生在这样的激励机制下，学习有压力也有动力，在成功的尝试中来树立学习的自信心，培养学习数学的兴趣，从而可实现“人人都能获得必需的数学，不同的人在数学上得到不同的发展”的目标。

在数学教学中，要尽量缩短学生的差距，缩小学困生的范围。学困生除了很少部分是智力因素外，大部分就是无数的学习打击而造成。他们在学习上很难有成功的体验和尝试，渐渐地他们对数学学习失去了信心和兴趣，从心理上对数学产生畏惧心理，有的甚至是“谈数色变”，这样的心理直接影响着他们的数学学习。教学中我采用分层布置作业，分层指导真正体现了教学中的因材施教，从作业安排上给学生以鼓励和信心，消除他们心理上对数学的紧张情绪，轻松地参加数学学习，能够培养他们健康的心态和良好的心理品质，最终收到较好的教与学的效果。

学无止境，教无定法。在教育教学中，我会不断摸索，在作业分层布置上不断更新，不断改进评价机制，加强分层指导的力度，让我们的每个学生都有收获，让教育之树常青！

机电控制系统抗干扰分层设计研究 篇7

然而, 各种电磁设备的广泛应用, 使得生产场所范围内的电磁环境变得越来越复杂, 各种电磁场的交叉给自动化控制系统带来了巨大的干扰, 严重影响系统的正常工作性能, 使得系统的反应灵敏度降低, 控制作用减弱, 极为不利于生产的正常进行, 严重者甚至可能造成巨大的生产安全事故。

因此, 在自动控制系统的设计阶段, 对系统进行科学合理的抗干扰设计就成了保障系统正常运行的设计重点。本文主要根据机电控制系统特别是自动化控制系统工作过程及其特点提出的一种分层抗干扰设计的方法, 以保障自动化控制系统的安全有效。

1 机电控制系统

机电控制系统尤其是自动控制系统, 是利用计算机信号对机械设备的运动控制来控制生产过程按照期望规律或预定程序进行的非人工或少人工控制的技术手段, 广泛应用于规模较大、设备较复杂、人工操作较困难或人工失误较多的生产系统中, 尤其多用于大型流水线生产系统, 如钢冶炼、石油化工、机械加工制造等行业。

自动控制系统按照对工艺参数控制手段的不同有多种分类, 主要有比例控制、积分控制、微分控制等, 虽然各控制手段作用原理略有不同, 但大体上都属于反馈自动调节控制。它的控制过程为:检测—整定—执行—反馈。在实际控制过程中, 由检测装置检测工艺参数与预定值的偏差, 并传输到总控中枢, 经分析得出整定控制信号传输到执行装置 (一般化工厂指的是管道、反应器、塔器的阀门、泵等) 进行控制调节, 再将调节后的参数反馈给控制中枢, 以进行下一周期的控制。

它的特点主要有:

1) 生产项目规模较大或者生产系统较复杂。一般在大型的生产系统中, 如石化企业的烷基化项目, 其生产规模较大, 所用机械设备较多且复杂, 生产过程中需要运用到多种复杂工艺, 且操作工艺有着严格的工艺参数条件要求, 生产过程相对复杂。

2) 反应灵敏, 自动化程度高。自动化控制系统中检测装置检测并输出信号、控制中枢整定检测信号并输出控制信号、执行装置接收执行信号并进行控制操作, 该过程反应完全网络化、信息化、智能化, 反应控制比较迅捷;完全不需要人工的干预, 自动化程度较高。

3) 有效避免人工失误, 增强生产过程中的系统安全、提高产品质量。自动化控制最突出的优点就是有效地避免了人工失误对系统正常运行的损害。经研究, 在以往的生产系统工作过程产生的生产事故中, 大部分是由于人的失误 (误判断、误操作、误响应) 而引起的, 采用自动化控制系统, 生产系统很少使用人工进行生产活动, 极大的避免了由于人主观失误而产生的对系统正常工作的危害, 同时相应地保证了生产系统的稳定性, 保障产品的生产质量。

4) 信号检测、传输、响应过程中容易受到干扰。在信号的检测、传输、响应执行的过程中, 由于周边强电场、磁场的存在, 可能使得信号受到干扰, 导致信号不清或者信号失真, 使得自动控制反应灵敏度下降或者控制失效。

2 抗干扰分层设计

根据自动控制系统的工作过程, 自动控制抗干扰的重点就是保证信号在产生、传输、整定、响应过程中的准确性。基于这个思路, 我们将自动控制抗干扰设计分为信号检测与响应、信号整定、信号传输三个层次进行设计考量。

2.1 信号检测与响应

这一层次的抗干扰主要指的是检测信号、反馈信号的产生过程中的抗干扰和执行信号的响应过程中的抗干扰。其干扰产生的主要原因是检测装置在进行检测过程中, 周边具有强烈的干扰环境, 如强电场、强磁场等, 以及检测装置受到干扰时影响到它的正常工作。

对该层次进行抗干扰设计主要措施有:

1) 选用合理的装置设施, 提高装置的灵敏度。如对工艺参数进行检测时, 选用量程相对合理的仪表, 能够有效地减轻干扰对仪表正常工作的影响;在强磁场、强电场条件下选用具有绝缘外壳的仪表、控制阀等, 可以有效减轻干扰对设备设施正常工作的影响。

2) 给检测装置、响应制动装置加装防护外壳。一般在电气设备和反应灵敏仪表外加装一套铁制外壳, 并设置接地。这不仅可以防止电气设备触电伤害而且能够在壳体内部形成弱电场、弱磁场的良好工作环境, 有效地屏蔽外界干扰对仪表、制动装置的影响。

2.2 信号整定

信号整定主要在总控中枢进行, 总控计算机将检测装置传输来的检测信号与既定信号进行比对, 计算反应过程中的工艺参数偏差, 并输出偏差调节信号。

对这一阶段的抗干扰设计主要是维护主控中枢软件系统的稳定性, 信号输入后进行整定计算的准确性与及时性, 避免由于计算机程序运行问题而产生的信号整定误差从而造成自动控制失灵。

2.3 信号传输

一般检测信号与执行信号的传输通过自动控制系统专用缆线完成, 在传输过程中, 要保证缆线的质量, 避免由于腐蚀、老化而产生缆线短路、断路而引起的信号传输不畅, 或者由于缆线绝缘层的失效而造成的多个信号交叉影响的干扰现象, 保证信号传输的及时与稳定。

3 总结

本文通过对机电控制系统特别是自动化控制系统工作过程及其特点的介绍, 研究并提出了一种基于自动化控制系统工作原理的分层抗干扰方法, 通过这种抗干扰设计, 保障信号在检测、传输、整定、响应、反馈过程中的安全与准确, 给自动化控制系统的提供安全保障。

摘要：多种类电磁设备的广泛应用给企业生产的自动化控制带来了巨大的干扰, 使得原控制系统由于干扰的影响而降低反应灵敏度, 甚至因此失去控制作用, 导致企业出现生产安全事故。在企业机电控制系统设计过程中, 对系统进行科学合理的抗干扰设计就成了保障系统正常运行的设计重点。本文主要根据机电控制系统特别是自动化控制系统工作过程及其特点提出的一种分层抗干扰设计的方法, 以保障自动化控制系统的安全有效。

关键词：机电控制,抗干扰,分层设计

参考文献

[1]李进生.浅析机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J].通信电源技术, 2013.

[2]梁治河.机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J].科技风, 2011.

[3]杨晶, 叶萧然, 程力.车载通信终端的抗干扰设计[J].通信电源技术, 2014.

分层控制论文 篇8

电脑横机是针织行业的重要装备,其控制器的技术水平直接决定了针织产品的竞争力。电脑横机通过传动系统、送纱系统、编织系统、摇床系统、牵拉系统、密度调节系统之间的相互协调动作进行编织工作[1]。由于传统的横机在整机维护和新增功能技术上的难度不断加大,本研究提出根据横机控制对象和功能将系统硬件结构进行模块划分,通过CAN总线技术实现对各功能模块的控制管理。系统的扩展只依赖于新的设备驱动模块和一定量的应用程序模块,而无需对整个系统的软硬件框架重新构建。花型文件传输技术是电脑横机控制系统的关键技术之一,它直接影响着横机的工作性能。传输错误不仅会使编织的花型错乱,还可能引起机构的误操作从而导致机械结构损坏。双口RAM是在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线,它允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。因此它能够保证花型传输的快速性和准确性。本研究通过分析CAN总线和双口RAM的特性,提出基于CAN总线和双口RAM的电脑横机控制系统的设计方案,在完成海量数据传输的同时,保证数据通信的可靠性[2]。

1 横机控制系统分层体系

横机控制系统分为3层,即人机交互层、主控制层以及底层控制层,方案如图1所示。

1.1 人机交互层

根据横机监控层的功能需求,本研究采用“ARM硬件平台+嵌入式操作系统+应用层软件”的系统架构来设计横机监控层。以Samsung公司的S3C2440芯片作为系统硬件的处理器,以Windows CE作为嵌入式操作系统,配备有液晶显示器与触摸屏,可以为用户提供一个友好且易操作的人机交互界面。Windows CE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础,它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统,是基于WIN32 API重新开发、新型的信息设备的平台,具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口且与处理器无关等特点[3]。Windows CE的图形用户界面相当出色,它不仅继承了传统的Windows图形界面,并且在Windows CE平台上可以使用Windows 95/98上的编程工具(如Visual Basic、Visual C++等)、使用同样的函数、使用同样的界面风格,使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使用[4]。人机界面功能模块主要包括LCD显示、键盘、USB接口、SD卡驱动、串行通信等,花型文件以及程序保存在SD卡。横机控制系统中,人机界面层负责对横机针织花型的设计与编译,形成机器数据之后,通过双口RAM传送给横机主控制层。由于双口RAM传输数据速度快,花型传输效率得到了很大的提高。同时它还接收并处理大量来自主控制层的实时数据,并将其中一些重要参数实时显示在运行界面上。

1.2 主控制层

主控制层采用TI公司的32位处理器TMS320F-28335;主控制层是需要设计实现的核心,该模块负责整个系统的协调与控制,主要完成以下功能:①接收监控层传送的花型文件、系统参数、工作参数等;②检测各类传感器信号,例如针零位信号,机头左右限位,摇床左右限位等;③监视编织状态,传送实时参数到人机交互层,并在LCD上显示;④通过双口RAM接收人机界面层的花型数据,并将花型存储在大容量的Flash存储器(64 MB),保证大型花型文件的快速准确地输入;⑤对机头的底层控制级发送CAN指令,通过CAN总线控制底层电气驱动,完成对电机、电磁铁、选针器等的控制;⑥控制移床电机(伺服电机)、卷步电机(两相步进电机)、机头主电机(伺服电机)移动等。本系统扩展了两片存储器,分别用来存储花型文件和工作参数。工作参数的存储采用存储空间达64 KB,具有IIC接口的EEPROM芯片24LC64[5]。

1.3 底层控制层

底层控制层采用TI公司的16位处理器TMS320-LF2407,通过ALTERA公司的CPLD对系统进行I/O扩展。机头控制层通过接收主控制层的数据,控制各个元件动作。底层控制部分主要包括步进电机、电磁铁和选针器的控制。电机控制部分控制10个步进电机(包括2个沉降片控制步进电机和8个密度控制步进电机)、电磁铁控制部分控制着40个电磁铁,分为16个纱嘴电磁铁(2组,每组8个)和24个三角电磁铁(4组,每组6个)。选针器控制部分控制8把选针器。

2 人机交互层与主控制层的通信

人机交互层与主控制层之间通过FPGA中的双口RAM进行数据传输。双口RAM是常见的共享式多端口存储器,它的最大特点是存储数据共享,即一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线,允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问[6]。

ALTERA EP3C10F256C8N芯片具有异步、双端口、带寄存器输入口、带寄存器输出口的存储模块―M9K模块[7]。在Quartus Ⅱ软件中进行简单的设置,就可以将M9K配置成双口RAM,并且数据和地位的位宽可根据实际需要进行选择[8]。

TMS320F28335外部晶振频率为30 MHz,5倍频后系统时钟频率达到150 MHz,FPGA外部晶振源频率为10 MHz,30倍频后达到300 MHz,S3C2440外部晶振频率为12 MHz,倍频后系统时钟频率为304 MHz。采用三态缓冲门控制读/写信号,防止总线读/写冲突。FPGA读/写时序控制模块如下,当外部读/写控制信号连续保持5个低电平周期后时钟信号处于上升沿时,FPGA开始读/写数据,当外部读/写控制信号为高电平时再将双口RAM置为无效,具体控制如下:

由于双口RAM传输数据速度快、准确性高,能够保证数据快速准确的传输。

3 主控制层与底层控制层的通信

主控制层与底层控制层通过CAN总线传输数据。CAN总线属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,其模型结构有3层,包括物理层、数据链路层和顶层的应用层[9]。CAN通讯采用短帧传输。一个有效的CAN数据是由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧停止组成的[10]。CAN通信模块原理图如图2所示。

3.1 各模块配置步骤

配置ECAN模块步骤如下:

(1) 使能CAN模块的时钟。

(2) 设置CANTX和CANRX作为CAN通信引脚。

(3) 复位后,CCR(CANMC.12)和CCE(CANES.4)位值1,允许用户配置位时间配置寄存器(CANBTC);如果CCE位置1(CANES.4=1),进行下一步;否则将CCR位置1(CANMC.12=1),然后等待直到CCE置1(CANES.4=1)。

(4) 使用适当的值对CANBTC进行配置,确认TSEG1和TSEG2不等于0。如果两个值等于0,则CAN模块不能退出初始化模式。

(5) 清CCR(CANMC.12)=0。

(6) SCB(CANMC.13)位置1,使用ECAN模式。

(7) 初始化MSGCTRLn寄存器。

(8) 检查CCE是否被清0(CANES.4=0),如果被清零,则表明CAN模块已经配置完成。

配置发送邮箱步骤如下:

(1) 清除CANTRS寄存器中相应的位。

(2) 清除邮箱使能寄存器(CANME)中相应的位,屏蔽邮箱。

(3) 装载邮箱的消息标识符寄存器(MSGID)。清除AME(MSGID.30)和AAM(MSGID.29)位,IDE置1,使用扩展帧,禁止使用屏蔽位。(a)MSGID(1)=0x80420100。(b)写数据长度到消息控制区寄存器,DLC=8。

(4) 通过清除CANMD中相应的位设置邮箱的方向:清除CANMD.1=1。

(5) 使能邮箱。

(6) 写消息到邮箱的数据区。

(7) 在发送请求寄存器中设置相应的标志位(CANTRS.1=1)已启动消息发送,CAN模块处理CAN消息的发送。

(8) 等待邮箱相应的发送响应标志位置位(TA.1=1)。成功发送消息后,CAN模块将该位置位。

配置接收邮箱步骤如下:

(1) 清除邮箱使能寄存器(CANME)中相应的位,屏蔽邮箱:清除ME.16=0。

(2) 写标志符到相应的MSGID寄存器,MSGID(16)=0x80000000。

(3) AME置1;接受屏蔽使能。

(4) LAM(16)=0x0000FFFF。

(5) 通过设置邮箱方向寄存器中相应的标志位,将邮箱配置为接收邮箱:CANMD.16=1。

(6) 使能(CANOPC)相应的位,防止接收数据被覆盖,OPC.16=1。

(7) 使能邮箱(CANME)。

(8) 在邮箱接收中断中判断(CANRMP)是否置1,如果(CANRMP)置1,清除CANRMP,并且读取MSGID、CANMDH、CANMDL。

3.2 实验结果与分析

本实验选用周立功CAN调试器,调试器类型选择USBCAN1,发送格式为正常发送,帧类型选择扩展帧,帧格式设置为数据帧,帧ID为00420100,设备操作菜单下的打开设备中的定时器设置如图3所示;另一个节点为DSP TMS320F28335上的CAN通信模块。只有TMS320F28335中的CAN功能模块设置正确,CAN调试器才能成功发送数据。CAN调试器设置以及发送的数据如图4所示。

图中数据均正确发送,而且波特率为1 Mbps,因此能够充分保证横机指令执行的准确性和快速性。

4 结束语

笔者研究的是基于FPGA双口RAM和CAN总线通信的新型电脑横机控制系统。双口RAM是一种并行通信,传输速度快。CAN总线的传输速度可以达到1 Mbps,测试表明数据传输的准确性高。该横机控制系统具有处理速度快、运行稳定且实时性好等特点。与传统的控制系统相比,系统处理速度更快、扩展方便、开放性好、易维护、智能化、操作简便,稳定性高,具有一定推广价值。

参考文献

[1]胡红.新型横机构造与编织[M].北京:中国纺织出版社,2000:34-51.

[2]曾宗云,李永波,胡旭东.基于CAN总线的电脑横机控制系统的研究[D].杭州:浙江理工大学机械与自动控制学院,2007.

[3]BOLING D.Programming Microsoft Windows CE withCdrom[M].USA:Microsoft Press Redmond,2001.

[4]SESHADRI P,GARRETTP.SQLServer for Windows CE-aDatabase Engine for Mobile and Embedded Platforms[C]//ICDE 2000.San Diego:[s.n.],2000:642-644.

[5]FANG A,GUO J,LUO L.Remote Electric Power NetworkMonitoring System Based on GPRS[C]//CASE 2009.Nan-chang:[s.n.],2009:229-231.

[6]钟清华,钟国新.视音频延时器用大容量FIFO的设计[J].中国有线电视,2004(13):46-49.

[7]杨姣,郝国法,方康玲.基于cyclone EP1C6的LED大屏设计方案[J].微计算机信息,2006(4Z):59-61.

[8]胡彬,陈涛.TMS320C6713DSPEMIF接口与FPGA双口RAM接口设计[J].电子质量,2008(10):32-35.

[9]LAWRENZ W.CAN system engineering:from theory topractical applications[M].Springer Verlag,1997.

分层控制论文 篇9

近年来, 随着分布式可再生能源发电的发展, 微电网引起了社会和学术界的广泛关注[1]。微电网是由分布式电源、负荷、监控、能量转换和保护装置等共同组成的中低压系统, 能够实现自我管理和控制。联网型微电网具备联网和孤岛2种运行模式, 可降低间歇性可再生能源发电并网对电网的影响, 与大电网互为备用, 提高重要用户的供电质量。偏远无电地区微电网可充分利用可再生能源发电, 降低昂贵的柴油燃料消耗, 解决无电地区的供电问题。

多微源的协调控制是微电网运行控制的关键技术之一[1,2,3]。目前已建成的微电网系统大多采用主从控制, 在联网和孤岛模式下, 单台储能换流器分别运行于PQ和VF控制模式, 并负责微电网的模式切换, 其他微源均采用PQ或最大功率点跟踪 (MPPT) 控制。但是在容量较大的兆瓦级微电网中, 由于单台储能换流器容量的限制, 需要多机并联组网技术。

目前, 多机并联组网的微电网有采用通信线的集中控制、无通信线的分散控制[2,3]和分层控制[4]3种控制方法。其中, 集中控制受通信速度的限制, 不适用于地理分布较为分散的多微源共同组网。分散控制采用模拟发电机下垂特性的同步电压源控制, 但是同步电压源控制是一种有差控制, 当系统功率波动较大时, 系统的电压和频率会超出允许的运行范围;其次, 微电网中储能装置的输出功率受其荷电状态 (SOC) 的限制, 需要根据系统的经济调度及SOC进行调整。借鉴大电网的三次调频技术, 文献[4]提出了交直流微电网的分层控制策略, 其中, 交流微电网采用三次联络线功率控制、二次电压频率无差控制及一次下垂控制的分层控制。采用集中控制和分散控制相结合的分层控制, 便于对微电网中的多微源进行统一调度和管理, 同时也能满足多机组网模式中微源就地响应的要求, 使微电网的冗余性和可靠性提高。但是文献[4]虽然提出了分层控制的概念, 其三次控制思想是根据换流器的控制目标划分的, 没有考虑整个微电网的协调控制以及底层控制和上层经济调度之间的协调配合问题。

根据不同的时间尺度, 本文提出了一种基于同步电压源的新的分层控制策略。在一次控制中, 分析了传统同步电压源控制存在的无功功率均分问题, 采取增大下垂系数法提高功率均分精度, 这种方法适用于带本地和公共负载的各种拓扑结构的微电网;在二次电压和频率控制中, 详细给出了下垂曲线二次调整量的计算方法, 提高了系统的电压和频率质量;此外, 在二次控制中, 还提出了基于同步电压源的无缝切换和联络线功率控制方法, 在微电网并网同期过程中能够维持各微源的功率均分关系, 在微电网并网运行时能实现微电网和主网之间的联络线功率控制, 并使各微源按比例均分负荷和联络线功率。最后, 利用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提出的控制策略的合理性。

1 基于不同时间尺度的微电网分层控制

本文借鉴电力系统三次调频的经验, 提出了基于不同时间尺度的微电网分层控制策略, 控制框图如图1所示。

根据不同时间尺度, 本文提出的分层控制主要包括以下几方面。

1) 三次控制:结合微电网内可再生能源发电的功率预测和负荷预测, 根据经济调度和储能系统的SOC确定各分布式电源的运行功率基点值和下垂特性曲线的斜率, 确定各分布式电源在微电网的一、二次控制过程中承担的功率波动比例。由微电网的能量管理系统 (EMS) 执行, 针对小时级的负荷波动进行控制。

2) 二次控制:当系统中负荷波动较大导致分布式电源的功率运行点偏离基点值较大时, 调整下垂特性曲线的空载频率和空载电压, 将系统的频率和电压维持在允许范围内。由微电网的EMS执行, 针对分钟级的负荷波动进行控制。同时, 还包括微电网和主网之间的联络线功率控制以及微电网孤岛/并网双模式切换控制。

3) 一次控制:利用分布式电源自身的同步电压源控制, 使各分布式电源按照EMS下达的功率基点值和下垂特性曲线的斜率均分系统中的瞬时负荷波动。由分布式电源自身执行, 调整秒级的负荷波动。

4) 零次控制:可调度型分布式电源内部, 可再生能源发电系统、能量型储能和功率型储能之间的协调控制, 使整个分布式电源系统能按照一次控制的要求输出功率, 并提高储能系统的技术和经济性能。

在以上各级控制中, 微电网的三次控制和二次控制需要依靠EMS和各分布式电源之间的通信来完成, 由于调节的时间尺度较长, 对通信速度要求不高;微电网的一次控制由于实时性较高, 由微源就地响应, 不需要通信。由于微电网的三次控制属于经济调度范畴, 本文不予讨论。下面分别对分层控制策略中的一次和二次控制进行具体介绍。

2 微电网的一次控制

2.1 同步电压源控制

参照电力系统一次调频有差控制的原理, 同步电压源控制通过对逆变器输出功率和输出电压幅值/相角之间的下垂控制, 使各逆变器共同承担系统中的负荷功率波动, 参与系统调频调压。

根据逆变器和交流母线之间的线路阻抗特性, 同步电压源控制分为P/f型, P/V型以及P/f-V型。为了有助于和旋转电机接口的微源实现负荷功率共享, 逆变器接口的微源需采用P/f型控制。引入虚拟阻抗[5,6]可以削弱线路中阻性成分的影响, 使用感性下垂控制。本文基于引入虚拟阻抗后的P/f型同步电压源控制进行介绍。

若微电网EMS下达的一次控制的下垂系数mi>0, ni>0, 采用P/f型同步电压源控制, 各台逆变器输出电压频率和幅值的参考值为:

式中:Pi*和Qi*分别为微电网EMS下达的有功和无功功率基点值;ωi*和Ei*分别为逆变器在基点功率下的运行频率和电压幅值, 一般取系统的额定频率和电压;Pi和Qi分别为逆变器实时输出的有功和无功功率。

需要注意的是, 在微电网的三次控制中, 各台换流器的下垂系数根据其基点运行功率确定, 需满足:

式中:C1和C2均为常数。

此外, 需设置各台逆变器在基点运行功率下的频率和电压点相同, 即

当Pi=0时, 空载频率和空载电压分别为:

由于式 (2) 和式 (3) 成立, 所以各台下垂逆变器的空载频率和空载电压相等。在微电网的一次控制期间, 各台逆变器的空载频率和空载电压不变。

2.2 同步电压源并联运行的功率均分分析

以两电源并联为例, 分析同步电压源并联运行的功率均分。引入虚拟阻抗后, 忽略线路上的电阻, 两同步电压源并联运行的等效模型如图2所示。图中:Ei_ref为逆变器的虚拟输出电压参数值, i=1, 2;Xvi为引入的虚拟电抗;Xi为线路阻抗;VL为公共负荷点电压。

根据式 (1) 和式 (4) 可以看出, 当系统稳态运行时, 2台逆变器的运行频率相同, 各台逆变器能够按照有功下垂系数均分系统的有功负荷;要使无功负荷达到均分, 需使各逆变器虚拟输出电压相等, 即E1_ref=E2_ref。但是由于各逆变器与公共母线之间线路阻抗上的电压降不等且负荷分配不均匀, 各逆变器的虚拟输出电压很难相等。

对于逆变器i, 有:

根据式 (1) 、式 (4) 、式 (5) , 可得:

2台逆变器发出的功率之比为:

通常情况下, 为了保证电压质量, 下垂系数取得很小, n1和n2可以忽略不计, 故

由式 (8) 可以看出, 当X1<X2时, Q1<Q2。虽然这种无功功率的分配有利于减小网损, 但是三次调频除了考虑系统网损之外, 还要根据逆变器的容量及蓄电池的SOC对各微源进行调度。由线路阻抗引起的功率均分误差极易造成某台换流器过流或短时间内SOC越限。

针对无功功率均分存在的问题, 已经有文献进行过研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15], 提出了几种解决办法, 但是这些方法仅适用于图2所示的简单拓扑结构, 且大多需要通信。由式 (7) 可以看出, 增大下垂系数, 可以提高功率均分精度, 同时增加系统的响应速度, 但是下垂系数过大会影响系统的稳定性。本文提出的分层控制中, 在不影响系统稳定性的前提下, 下垂系数的选取按照将无功功率均分误差限制在一定范围内的原则, 而不考虑系统频率和电压上下限的限制。

3 微电网的二次控制

3.1 微电网的频率/电压调节

由于一次控制中下垂系数的选取未考虑系统频率和电压运行的上下限, 当系统的负荷波动使逆变器的运行点偏离功率基值点较大时, 系统的频率和电压很可能超出正常范围。因此, 为保证微电网的供电质量, 需要对微电网进行二次频率和电压控制。

采用平移下垂曲线的方法, 对微电网进行二次控制。经过二次控制后逆变器输出电压频率和幅值的参考值ωi_ref′和Ei_ref′分别为:

其中, 下垂曲线的平移量Δωi*和ΔEi*根据式 (10) 计算得到。

经过二次调频控制后, 系统的频率和电压被校正回额定值。在二次控制期间, 根据式 (10) , 每台逆变器下垂曲线的平移量相等, 所以, 经过二次控制后, 各分布式电源依然能维持功率均分关系。

以频率调节为例, 二次控制的具体实现过程如图3所示。

A点为基点功率运行点, 当系统功率波动不大, 运行点偏离A点不远时, 属于一次控制范畴;当运行点偏离额定值较远时, 如运行到B点, 调整B点运行频率, 下垂曲线的空载频率由ω0*移动到ω0*, B′。微电网的EMS定时采集各微源的输出功率, 根据式 (10) 计算二次调频过程中下垂曲线的平移量, 并同时下达给各逆变器。二次调频时间间隔可根据系统内的负荷波动幅度而定。

3.2 微电网的无缝切换控制

无缝切换控制是微电网二次控制的重要目标[16]。微电网从并网状态切换到孤岛状态时, 不需要改变逆变器的控制策略。但微电网由孤岛状态切换到并网状态时, 需要满足同期并网条件, 即微电网和大电网电压的相位、幅值、频率一致时, 静态开关才能闭合。

在不改变逆变器基本控制结构的前提下, 分别采集公共连接点处主网和微电网的电压幅值、相位和频率信息, 进行如式 (11) 所示的预同步控制, 分别得到有功下垂曲线和无功下垂曲线的平移量Δωre和ΔEre为:

式中:θpcc_g和Upcc_g与θpcc_m和Upcc_m分别为公共连接点处主网与微电网的电压相位和幅值;kpθ和kiθ与kpU和ki U分别为电压相位与幅值的比例和积分控制系数。

并使:

式中:ωpcc_g为主网频率。

各微源的自适应电压源控制框图如图4所示。

当L1和L2开关闭合时, 启动预同步控制。通过比例—积分 (PI) 调节器的调节, 达到稳态时, 能够使

以频率控制为例, 预同步控制时, 逆变器的工作过程如图5所示。预同期控制之前, 微电网运行于孤岛状态, 逆变器i的下垂功率曲线为曲线1, 其基点功率运行点和实际运行点分别为曲线1上A点和E点。启动预同期控制后, 经过式 (11) 和式 (12) 的调节, 下垂曲线先平移至曲线2, 然后平移至曲线3;其基点功率运行点由A点移动到B点, 然后移动至C点, 实际运行点由E点移动到F点, 最后移动至G点。在预同期过程中, 各台逆变器下垂曲线的平移量相同, 因此, 微电网的并网过程中依然能维持各逆变器的功率均分关系。

3.3 微电网并网运行状态的联络线功率控制

微电网并网运行后, 如图4所示, 开关L1和L2断开, 切断预同步控制。假设主网无穷大, 并网后, 各逆变器的运行频率为:ωi_ref=ωpcc_g。根据式 (1) 和式 (12) , 有:

逆变器以EMS下达的基点功率运行, 逆变器i运行于图5中下垂曲线2的B点。这时, 微电网中各可控微源以PQ模式运行, 微电网中的负荷功率波动和不可控微源的功率波动均由主网来平抑。但根据微电网的运行要求, 并网状态下, 为了降低可再生能源并网对电网的影响, 要求微电网和主网之间的联络线功率可控。

本文在传统同步电压源控制的基础上增加了联络线功率控制, 如式 (15) 所示。

式中:P*g和Q*g分别为由EMS下达的联络线有功和无功功率的参考值;Pg和Qg为实际的联络线有功和无功功率, 需要依靠通信线路传输至各逆变器;kdi和kqi均为积分控制系数。

控制框图如图4所示。当微电网孤岛运行时, Pg*, Qg*, Pg, Qg均为0。当微电网并网运行时, 各逆变器基点功率之和为:

式中:PL*为系统内所有逆变器的有功功率基点值之和。

设逆变器i在微电网中承担的功率比例为a, 则

又由于:

根据式 (15) , 有

由式 (19) 可以看出:此控制对于联络线功率Pg和Qg表现为PI调节, 能控制联络线功率为目标值;此控制对于逆变器的功率Pi和Qi表现为下垂控制, 使各逆变器能够按下垂系数均分系统的总功率。

联络线功率控制原理见图5。增加了联络线功率控制功能后, 相当于改变了ω*, 其基点功率运行点由B点移动至D点, 由于电网的频率不变, 其实际运行点由B点移至H点, 使逆变器自身抑制其微电网内的功率波动, 并维持联络线功率为参考值。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建了微电网的仿真模型, 验证本文提出的分层控制策略的有效性。该微电网由2台容量均为30kW的逆变器DG1和DG2构成, 除了带本地负载外, 2台逆变器经线路阻抗后通过交流母线并联带公共负载运行, 系统的仿真参数如下:系统电压为380V;引入虚拟阻抗后, DG1的等效线路阻抗为 (0.005+j0.942) Ω;DG2的等效线路阻抗为 (0.005+j1.57) Ω;DG1和DG2均带有恒定阻抗为20Ω的本地负载;系统的公共有功和无功负载分别由2组可投切的15Ω的电阻和2组0.05H的电抗构成。在以下仿真算例中, 取DG1和DG2的基点有功功率分别为10kW和20kW, 基点无功功率分别为5kvar和10kvar。

4.1 仿真算例1

微电网运行于独立状态。系统的仿真过程为:0~5s时DG1和DG2分别带本地有功负载黑启动, 5s时DG1和DG2同期并网, 6~8s时两机均切换至同步电压源控制模式。12s时投入一组有功负载, 15s时投入一组无功负载。DG1和DG2有功下垂系数分别取为0.01和0.005, 无功下垂系数分别取为0.08和0.04;20s时将DG1和DG2的无功下垂系数分别改变为4和2。在微电网运行期间, DG1和DG2的有功和无功功率输出如图6所示。

由图6 (a) 可以看出, 当切换至下垂控制模式, 投入有功负载后, DG1和DG2输出的有功功率分别为8.11kW和16.02kW, 其有功功率输出之比约为1∶2, 能够按照下垂系数均分系统有功负荷。由图6 (b) 可以看出:20s之前, DG1的无功输出为5.75kvar, DG2的无功功率输出为3.91kvar, 并未按下垂系数之比均分负荷, 其无功功率之比近似为线路阻抗的反比;20s之后由于提高了无功下垂系数, DG1输出的无功功率为3.94kvar, DG2输出的无功功率为5.92kvar, 在一定程度上改善了无功功率均分程度。

4.2 仿真算例2

系统的仿真过程为:0~12s系统的运行过程同算例1, DG1和DG2的无功下垂系数分别取为4和2。15s投入一组无功负载, 18s增大无功负荷, 投入另外一组无功负载, 22s时启动二次调频, 系统的空载电压由326V提高至336V。系统的仿真波形如图7所示。

由图7可以看出, 增大无功负载后, 电压由之前的0.98 (标幺值) 降低到0.86 (标幺值) , 经过二次调频后, 系统电压恢复到0.95 (标幺值) , 提高了系统的电压质量。经过二次调频后, 各微源之间的功率均分关系依然保持。由于算例中采用恒阻抗负荷, 系统电压升高时, 无功负荷也随之加大, 所以系统电压没有完全恢复至额定值。在实际微电网运行过程中, 通信速度较快, 可根据实时采集的功率值计算二次调节量, 经二次调频后系统电压基本可恢复至额定值。

4.3 仿真算例3

微电网独立带负载运行。12s时, 对DG1和DG2分别进行电压同步控制, 16s时, 进行相位预同步控制。在同期过程中, 微电网与主网的电压和相角波形如图8所示。

通过图8可以看出, 采用本文提出的预同步控制, 经过0.5s左右, 微电网和主网的电压幅值和相位基本一致, 满足并网条件。

5 结语

本文提出了一种新的基于同步电压源的微电网分层控制策略, 具有以下优点。

1) 微电网孤岛运行时, 能够提高负荷功率分配精度, 并维持电网的频率、电压在正常范围内;微电网并网运行时, 能够实现微电网和主网之间的联络线的功率控制;能够实现微电网孤岛/联网2种运行模式的无缝切换。

2) 在微电网的运行过程中, 逆变器的同步电压源控制是一种通用的自适应控制, 不需要改变逆变器的控制策略, 就能够实现微电网各层控制及各种运行状态之间的平滑切换。

3) 增强了系统的灵活性和可扩展性, 提高了微电网的供电可靠性。

摘要：提出了一种基于同步电压源的不同时间尺度的分层控制策略。在一次控制中, 分析了传统同步电压源控制存在的无功功率均分问题, 采取增大下垂系数法提高功率均分的精度, 这种方法适用于带本地和公共负载的各种拓扑结构的微电网;在二次电压和频率控制中, 详细给出了下垂曲线二次调整量的计算方法, 提高了系统的电压和频率质量;此外, 在二次控制中, 还提出了基于同步电压源的无缝切换和联络线功率控制方法, 在微电网并网同期过程中能够维持各微源的功率均分关系, 在微电网并网运行时能实现微电网和主网之间的联络线功率控制, 并使各微源按比例均分负荷和联络线功率。最后, 利用PSCAD/EMTDC仿真验证了所提出的控制策略的合理性。

分层控制论文 篇10

电动汽车(EV)由于清洁环保,高效节能而备受关注。近年来,国内EV行业发展迅猛,产销两旺。预计到2020年,国内纯EV和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆,累计产销量超过500万辆[1]。

然而,EV大规模接入电网,会带来负荷高峰、电压下降、线路损耗增大、谐波污染,以及三相不平衡等问题[2]。因此,有必要对EV充电负荷进行有序协调控制。目前,在EV的有序协调充电方面已有较多的研究成果[3,4,5,6],主要通过优化充电负荷在时间上的分布,一方面提高充电站经济效益,另一方面减小负荷峰谷差,从而减少EV充电负荷对电网的影响。

EV不仅可以从电网获取电能,还能将电能输送回电网中。20世纪80年代,未来学家托夫勒就提出了产消者(Prosumer)的经济概念。由于EV具备消耗、存储、“生产”电能一体化的特性,可以作为产消者参与到电网的互动调控当中。产消者具备自主判断决策的能力,EV则可以根据电价信息和自身的电量需求制定充电计划,以此实现自身的收益最大化,并为电网提供其他辅助服务。车网互动(vehicle-to-grid,V2G)技术是EV成为产消者的关键技术。利用V2G技术,不仅可以削弱EV对于电网的不利影响,还可以实现系统的调峰[7]、调频[8]、增加备用容量[9,10]等功能。V2G与风力、太阳能等新能源配合运行[11],还能够平抑负荷波动和可再生能源波动,提高系统消纳间歇性能源的能力。

目前,对V2G优化调度问题的研究主要集中在减少发电成本、提高运营商的收益、降低负荷的峰谷差等方面。文献[12]在传统计及网络安全约束的机组组合问题的基础上,构建了计及V2G的经济调度双层优化数学模型,有效地减少了发电成本和系统的有功损耗。文献[13]基于EV的行驶行为特性,在满足用户需求的基础上,减少充放电代理商的运营费用,并将充放电负荷波动降到最低。文献[14]以满足用户充放电时间、充放电需求等为约束条件,以电网总负荷波动最小为目标建立了EV与电网互动的最优峰谷电价模型,通过制定合理的充放电价格引导用户的充放电行为,降低峰谷差。文献[15]在建立客户满意度模型的基础上,提出了基于多代理系统的充电站协调定价策略,实现了基于价格信号的EV分布式控制。

上述文献主要通过直接负荷控制或电价引导实现对V2G的协调控制,前者忽略了用户的主观意愿,实际的充电调度结果用户可能难以接受[14],从而无法有效地对EV进行调度;后者运用电价的手段对用户进行引导,但没对用户的充电行为进行适当合理的控制,很可能会在低价时段带来新的负荷高峰。另一方面,已有文献对EV的控制管理方式大多还是集中控制模式,随着EV规模的增大,其计算量将迅速增大,影响EV控制的实时性,集中控制方式不再适用。针对以上问题,本文采用基于分布式控制的电动汽车V2G分层管理框架:该框架分为EV智能体、本地运营商和配电网控制中心3个层次;采取EV智能体自主提交可接受充电计划集、本地运营商审核、配电网控制中心统一调度的方式对EV的充放电行为进行管理。该模型不仅可以实现EV智能体的利益最大化,还能对本地运营商管控区域内的负荷峰谷差进行控制,并确保配电网的安全稳定运行。由于分层管理框架将计算量分散到各个层次,大大缩小了优化计算的时间,因此适用于大规模EV的优化调度。

基于分布式控制的EV分层管理框架,国内外学者已经开展了相关研究[15,16,17],但大多文献没有考虑EV的放电行为或节点电压安全约束。与之不同的是,本文在建立EV分层管理架构的基础上,考虑充电桩及蓄电池的充放电健康度,并分析了峰时放电电价对EV智能体的V2G参与度的影响,以及不同电价机制对本地运营商峰谷差控制的影响,配电网控制中心通过电价指令引导EV智能体的充放电行为,防止包括节点电压在内的配电网安全约束越限。

1 电动汽车V2G分层管理框架

目前已发表的文献中,对EV的充放电协调控制策略主要有集中控制、分布式控制和分层控制。

集中控制方式是指控制中心通过聚集区域内EV的状态信息和需求信息并进行统一的优化计算,再将控制指令下达到每辆EV。文献[11,13]的控制方式为集中控制。随着EV规模的增大,控制中心每次优化计算需要存储的信息和计算量也相应增大,导致优化时间过长,甚至会出现“维数灾”问题。同时,由于集中式控制要求EV完全听从控制中心的指令,可能让用户难以接受。

分布式控制方式是指EV根据掌握的信息自主决策,制定充电计划并提交给本地运营商。文献[3,15]的控制方式为分布式控制。分布式控制将计算量分散到EV,有利于缓解控制中心的计算负担。同时,由于EV能够根据自身掌握的信息和意愿进行决策,决策结果更容易让用户接受。

分层控制方式按照区域将EV划分为多个较小的群体,由本地运营商进行控制管理,本地运营商向上层决策中心提交聚合的EV群体信息,由上层决策中心协调各个本地运营商的运行。文献[16,17]的控制方式为分层控制。分层控制方式也是解决大规模V2G问题的方法,通过分层计算的方式,大大缩小了问题的规模。

结合分层控制和分布式控制的优势,本文采用如图1所示的EV充放电分层管理框架,该管理框架分为配电网控制中心、本地运营商、EV智能体3个层次。EV作为具有适应性的智能体,在接入电网时,可以从本地运营商获取停留时段的电价等信息,根据自身的电池状态及充电需求进行优化计算,并将优化后的可接受充电计划集提交给本地运营商。本地运营商根据当地负荷预测的情况,对电动汽车提交的充电计划进行审核,选取最小化峰谷差的充电计划并下达给各个EV智能体,EV智能体照此计划进行充放电。实际充电计划与最优计划的成本差,将由本地运营商对用户进行补贴。配电网控制中心接收本地运营商聚合了各个EV智能体充电负荷的负荷数据后,针对节点电压、线路传输功率等安全约束,对各个本地运营商提交的购电计划进行管理控制。如果本地运营商提交的充电负荷使得配电网安全约束越限,则对越限时间段的充电电价进行调控,实现EV智能体充电负荷的转移,保证配电网的正常安全运行。

2 EV智能体的充放电负荷建模及V2G优化模型

EV通过V2G技术,可以作为电网中的分布式储能元件,实现“削峰填谷”的功能。影响EV充放电负荷特性的因素主要有用户的出行规律、使用习惯及电池特性。

2.1 EV的行驶特性

EV的行为具有随机性和分散性,如果仅考虑EV的总体负荷特性,可以运用历史数据对EV的出行规律进行统计分析[18],用蒙特卡洛仿真方法求得单台EV功率需求的均值和标准差,进而计算出多台EV的总体功率需求,以此作为仿真的需求数据。对EV充放电负荷产生影响的用户行驶特性主要包括用户出行和返回的时刻及日行驶里程等[14,16]。2009年,美国交通部对全美家用车辆的出行进行统计,其调查结果如式(1)至式(3)所示[19]。

1)EV的返回时刻,即充电起始时刻,服从正态分布,其概率密度函数为:

式中:μs=17.47;σs=3.41。

2)EV的出行时刻,即充电停止时刻,服从正态分布,其概率密度函数为:

式中:μe=8.92;σe=3.24。

3)日行驶里程服从对数正态分布,其概率密度函数为:

式中:μm=2.98;σm=1.14。

本文将基于上述概率分布模型对所述分层管理架构进行仿真。

2.2 EV的电池特性

目前,EV的电池主要有铅蓄电池、镍氢电池和锂电池3种。锂电池在3种电池中性能最好,其能量密度是铅蓄电池的4~6倍,是镍氢电池的2~3倍,在价格上相比镍氢电池也具有优势;其缺点是难以扩大充电容量并保证安全性。本文假设所有EV的电池都为锂电池,锂电池的充电方式可以用三分段函数拟合,本文中近似为恒功率充放电,有利于简化负荷功率的计算。

蓄电池的寿命由充放电循环次数来衡量,EV参与V2G会造成电池损耗,降低电池的寿命,因此需要考虑电池的损耗成本[20]。此外,由于本地运营商主要是通过控制充电桩的通断和整流逆变方向来实现有序充放电控制,充电状态的频繁变动,会增加充电桩的启停损耗或待机损耗。为了提高充电桩与电池的健康度,文献[21]最小化换电站内充电机一日之内的状态转换次数,而文献[22]则最大化电池充电状态的连续性,仅允许到达容量上限的电池放电,到达容量下限的电池充电。本文在最小化EV智能体充放电费的基础上,选取状态转换次数最小的充电计划,以兼顾蓄电池和充电桩的健康度。

2.3 EV智能体的V2G优化模型

对于EV智能体来说,其参与V2G的目的是提高自身的收益。在分时电价的机制下,其提高自身收益主要通过低电价时段充电、高电价时段放电来实现。影响EV智能体制定充电计划的因素主要有充电起始时刻TA、停留时间段TN、蓄电池充电起始荷电状态SA、离开时期望的蓄电池荷电状态SL及充放电电价。本文以1 h为控制时间段,EV智能体的可用优化时间段为表示不小于x的最小整数)。EV智能体的充放电优化模型如下。

1)目标函数

以最小化充放电费用为目标,目标函数为:

式中:Pci为EV充电功率;Pdi为放电功率;pci为充电电价;pdi为放电电价;Δt为时间段长度,本文取值为1 h;CB为EV参与V2G而导致的电池损耗成本;ui为决策变量,ui=1为时段i内EV智能体处于充电状态,ui=0为时段i内EV智能体处于空闲状态,ui=-1为时段i内EV智能体处于放电状态。

以充电机状态转换次数最小化为目标,目标函数为:

式中:Nswitch为充电计划中充电机的状态转换次数。

EV智能体在选择充电计划时,先以最小化充放电费用为目标,然后在费用相同的充电计划中,选取状态转换次数最小的充电计划提交给本地运营商。

2)约束条件

充电容量约束为:

式中:SB为蓄电池容量。

蓄电池安全约束为:

式中:Si为时段i内EV智能体蓄电池的荷电状态;Smin为蓄电池荷电状态下限;Smax为蓄电池荷电状态上限。

对此优化模型,由于目标函数和充电容量约束均为非线性,控制变量为离散变量,直接进行求解难度较大,本文采用文献[23]中的广度优先搜索(BFS)算法进行求解。该算法思路简单,易于实现,适用于寻求较小规模优化问题的可行解。EV智能体优化充放电一般为十几个时间段,可以用此算法进行求解。BFS算法的具体流程如图2所示,以TA时间段为根节点,逐步往下一时间段扩展搜索,不满足式(6)和式(7)的节点所在的搜索路径则被去除,到TA+TN-1时间段结束搜索,得到同时满足式(6)和式(7)的所有可行解并进行选取。由于BFS算法遍历了所有可行解,并在此基础上进行寻优,因此,可以得到问题的最优解。

3 本地运营商优化模型

大规模EV的随机充电可能使得区域负荷峰谷差增大,会使变压器等电力设备的利用率下降,甚至有可能出现变压器容量越限的情况,进而要求区域电网进行改造扩容,成本巨大。为此,本地运营商以管控区域24 h内的负荷峰谷差最小化为目标,其目标函数为:

式中:PLi为本地运营商管控区域中时段i内的常规负荷;PEi为EV时段i内的总充放电功率。

实际操作时,本地运营商要求EV智能体提交充电电价小于pS的所有充电计划,即可接受充电计划集,然后针对负荷峰谷差最小化的目标对可接受充电计划集进行选取,并将结果发送给EV智能体,EV智能体按照此计划进行充电。pS取值为:

式中:pL为最优充电计划的总费用,由于接入电网时蓄电池状态和充电需求的差异,每个EV智能体的pL不同;Δp为EV智能体为降低峰谷差产生的额外成本。本地运营商可以和用户签订合同,补偿用户的额外成本,使得用户愿意听从调度。由于EV参与峰谷调节的效果主要与其充放电功率有关,在下面的仿真中,均取Δp=0.5Pc=0.5Pd。

4 配电网控制中心调度模型

配电网控制中心调度的约束条件如下。

1)节点功率平衡约束

式中:j为与节点i存在相连支路的节点;Pi,Qi,Vi分别为节点i的注入有功功率、无功功率、电压幅值;Gij和Bij分别为互导纳的实部和虚部;θij为支路的首、末端电压相角差。

2)节点电压约束

式中:Vmin为节点电压下限;Vmax为节点电压上限。

3)线路电流约束

式中:Iijmax为连接节点i和j的支路电流上限。

由于EV充电负荷的增大主要会引发配电网节点电压下降等问题,本文将以负荷节点电压下限为例来验证配电网控制中心策略的有效性。配电网控制中心的控制流程如图3所示,在接收各个本地运营商的负荷数据后,配电网控制中心进行常规的潮流计算,求取各个负荷节点的电压。如果某个时间段存在节点电压幅值越限,配电网控制中心将该时间段的充电电价提高Δps,并要求新接入的EV智能体重新提交充电计划,而之前接入的EV充电费和充电计划不变。

通常,居民负荷具有较大的峰谷差,深夜谷时段电网的有功功率比较充足,EV早出晚归的出行规律使其具有足够的充电时间接受调度。配电网控制中心提高越限时段的电价后,当前时间段新接入的EV智能体会把充电负荷转移到低电价的谷时段,转移的负荷相对较小,谷时段充足的有功功率可以满足EV智能体的充电需求,配电网安全控制策略可以快速收敛,后续时间段接入的EV智能体也会由于充电电价较高而避免在越限时间段充电,不会出现反复调整的情况。当迭代次数过多时,说明有大量充电需求迫切的EV智能体接入,无法实现负荷转移,或者谷时段的负荷也接近节点电压稳定极限,配电网的整体供电能力不足。为了确保配电网的安全稳定,对于充电需求迫切的EV智能体,可以逐级降低其充电期望;如果是配电网供电能力不足,则须申请供电增容或安装无功补偿设备,提高配电网的整体电压水平。虽然节点电压越限时,会增加新接入EV智能体和配电网控制中心之间的通信量,但是由于单个时间段接入的EV智能体数目较小,因此影响不大。

在所述分层架构中,底层的EV智能体以自身利益最大化为目标,符合用户的行为习惯;本地运营商以负荷峰谷差最小化为目标,提高管控区域电网运行的效益;配电网控制中心则对各个区域的本地运营商的负荷进行管理监控,确保配电网的安全稳定。虽然3个层次的目标不同,但是该分层架构充分考虑了各个层次的效益,更加具备可操作性。同时,各个层次之间通过充放电负荷数据和控制指令的双向流动,从而实现整个系统的协调控制。

5 算例分析

5.1 仿真参数设置

本文以IEEE 33节点配电网为例来验证所述分层管理架构的有效性。该配电网拓扑如附录A图A1所示,选取基准功率100 MVA,基准电压12.66 k V,节点1为平衡节点,其他节点均为PQ节点。其中,负荷节点的最低电压要求为0.95(标幺值)。该配电网分为3个区域,分别由3个本地运营商进行控制,每个区域各有一个EV充电站,120辆EV,充电站分别接入节点3,13和30,各节点的日负荷数据参考文献[24]。

本地运营商层面,本文主要针对本地运营商2与EV智能体的互动进行仿真。该区域除了有EV充电负荷之外,还带有其他常规负荷。常规负荷曲线可以根据历史数据预测得到。对于仿真情景,本文做出如下假设。

1)所有EV智能体的蓄电池容量均为SB=32 k W·h,充电方式为慢充,充电功率Pc=3.3 k W,放电功率Pd=3.3 k W。

2)根据文献[12]的计算方法,本文EV参与V2G的电池损耗,取为1.2元/次,即CB=1.2。

3)蓄电池容量下限Smin=0.1,容量上限Smax=0.9,并默认用户期望的SL为0.9。

4)EV的返回时刻、出行时刻及日行驶里程数据根据式(1)至式(3)采用蒙特卡洛抽样模拟方法产生。

5)为了引导EV实现“削峰填谷”的目标,充电电价采用分时电价的机制。分时电价机制主要有峰谷分时电价、尖峰电价、实时电价3种,实时电价机制目前在国内的运营实行还不成熟,因此本文主要考虑的是峰谷分时电价和尖峰电价机制,具体数据分别如表1[25]和表2[26]所示。

5.2 峰时放电电价对EV智能体V2G参与度的影响

EV智能体的V2G参与度是指参与V2G的EV智能体占总数的比例。如2.3节所述,EV智能体追求的是自身经济利益的最大化,峰时放电电价的制定,将直接影响到EV智能体V2G的参与度。文献[14]指出,EV智能体参与V2G的放电电价不应超过放电时刻电网的销售电价,否则有损本地运营商的经济利益;同时,有可能存在初始荷电状态比较小的EV智能体为了赚取充放电差价,在负荷高峰前期进行充电,后期进行放电的现象,使得前期负荷高峰更大。但是,放电电价也不宜过低,否则会降低EV智能体的V2G参与度,甚至参与度为0。EV智能体参与V2G的前提是,其放电的利润大于电池损耗成本。影响放电利润的因素主要有EV智能体在负荷高峰时的蓄电池容量、可用的负荷高峰时段及谷时充电电价。采用电网尖峰电价机制时,EV智能体在负荷高峰时期的蓄电池容量Sp满足式(14),同时充电起始时刻TA满足式(15)才会选择放电。

式中:pdp为峰时放电电价;pcv为谷时段充电电价。

通过蒙特卡洛法模拟本地运营商2管控区域下的EV智能体在不同峰时放电电价下的V2G参与度,结果如附录A图A2所示。峰时放电电价在0.587元/(k W·h)以下时,EV智能体的V2G参与度为0;之后随着电价的提高而逐渐上升,当放电电价与峰时充电电价相等时参与度达到最大,为88.4%左右。在下文的仿真中,如无特别说明,峰时放电电价均与峰时充电电价相同。

5.3 最小化状态转换次数对EV充电计划的影响

为了提高充电桩与电池的健康度,2.3节中提出最小化充电机状态转换次数的目标函数。附录A图A3为有无考虑充电桩和蓄电池健康度的EV智能体最优充电计划,坐标轴以上表示充电,以下表示放电。该EV智能体的到达时刻TA=19,停留时段TN=15,蓄电池充电起始荷电状态SA=0.5,充电电价采用尖峰电价机制。从图中可以看出,考虑充电桩和蓄电池健康度时整个充电过程只有3次状态转换,在04:00时完成充电过程;而不考虑时状态转换次数则高达8次,到08:00才完成充电过程。可见,考虑充电桩和蓄电池健康度可以显著减少充电桩的频繁动作、电池充放电状态的转换次数和充电桩的工作时间,减小充电桩的启停或待机损耗和蓄电池的寿命损耗。

5.4 本地运营商调度策略对负荷峰谷差的影响

图4为2种电价机制下,本地运营商采用不同调度策略的负荷曲线。无峰谷差调节时,EV智能体只提交充电电价为pL的充电计划。

根据式(8)的计算方法,常规负荷的峰谷差为82.1 k W,尖峰电价下有峰谷差调节的总负荷峰谷差为55.2 k W,无峰谷差调节时为64.6 k W;峰谷分时电价下有峰谷差调节的总负荷峰谷差为24.0 k W,无峰谷差调节时为53.9 k W。无峰谷差调节时,虽然总负荷的峰谷差比常规负荷小,但是由于EV智能体过于集中在谷时段进行充电,会带来新的负荷尖峰。有峰谷差调节时,负荷曲线更加平稳。可见,两种分时电价机制下本地运营商的峰谷调度策略都能有效地减小负荷的峰谷差;而峰谷分时电价机制对峰谷差的调节更加有效,调节后约为常规负荷峰谷差的29.2%。并且,有峰谷调节的充电负荷也主要分布在电价谷时段,放电负荷分布在峰时段。可见,本地运营商在降低负荷峰谷差的同时,也兼顾了EV智能体的经济利益。

5.5 配电网调度策略

图5为峰谷分时电价下,有无配电网调度时EV智能体的充放电负荷曲线及配电网末端节点18的电压幅值曲线。无配电网调度时,在23:00—02:00四个时间段中节点18的电压幅值都会由于EV的接入而跌落到0.95(标幺值)以下,不满足负荷对电压的要求。配电网安全控制策略中,Δps取值为0.5。通过1次迭代后,控制策略收敛。从充放电负荷曲线可以看出,部分EV充电负荷转移到了电压裕度比较高的06:00—08:00,21:00—22:00时间段。经过配电网控制中心的调度控制,节点18的电压幅值都在0.95(标幺值)以上,满足配电网安全约束。

6 结论

本文采用基于分布式控制的EV充放电管理框架,通过EV智能体自主响应上层调度,实现配电网峰谷差控制和安全控制。该框架可以缓解本地运营商和配电网控制中心的计算负担,兼顾各方效益,实现3个层次之间的协调控制,适用于大规模EV优化调度。通过仿真算例,可以得到以下结论。

1)峰时放电电价不应超过放电时刻电网的销售电价;峰时放电电价越高,EV的V2G参与度越高;当峰时放电电价小于某一数值时,EV的V2G参与度为0。

2)考虑充电桩和蓄电池健康度可以显著减少充电桩的频繁动作和电池充放电状态的转换次数,减少充电桩的启停或待机损耗,延长蓄电池寿命。

3)2种分时电价机制下本地运营商的峰谷调度策略都能有效地减小负荷的峰谷差,而峰谷分时电价机制对负荷峰谷差的调节更加有效。

4)针对节点电压幅值下降问题,配电网控制中心能通过电价指令有效地实现充电负荷在时间维度上的转移,确保节点电压在配电网的安全约束之内。

本文的模型建立在EV智能体追求自身利益最大化的基础上,现实中EV的行为更为复杂。因此EV智能体对电价的响应行为及灵敏度分析等,还有待进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：针对传统的集中式控制方式计算量大,电动汽车用户难以接受集中控制指令的问题,采用基于分布式控制的电动汽车充放电分层管理框架,适用于大规模电动汽车的优化调度。采取用户自主提交可接受充电计划集、本地运营商审核、配电网控制中心统一调度的方式对电动汽车的充放电行为进行管理。在对电动汽车的充放电负荷进行建模的基础上,分别建立电动汽车智能体最大化自身收益的车网互动优化模型、本地运营商最小化负荷峰谷差的优化调度模型,以及配电网控制中心的安全控制调度模型,兼顾各个层次的效益。以包含3个本地运营商的IEEE 33节点系统为例,对各个层次的行为及控制策略进行仿真,验证了所述分层管理架构的有效性。

分层控制论文 篇11

摘 要： 以某坡屋顶大空间建筑为研究对象，利用eQUEST软件，提出了空调区和非空调区分区的建模方法，依据所建模型分析全室空调和不同分层高度时夏季分层空调峰值冷负荷特性.模拟结果表明，分层空调形式的负荷比全室空调的减少30%以上，夏季空调峰值负荷随分层高度增加近似线性增加.比较模拟负荷与常规分层空调负荷计算结果发现，两者相对误差小于3%，说明基于动态能耗模拟软件分区模拟大空间分层空调负荷的方法合理.

关键词： eQUEST软件； 大空间建筑； 分层空调； 空调负荷； 分层高度

中图分类号： TP 392 文献标志码： A

Research on the air conditioning load in large space under

different stratification height by partition modeling

HUANG Chen1， ZHANG Huijuan2， BAI Tianyu1

（1.School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，

China； 2.City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China）

Abstract： Based on a large space building with sloping roof，the physical models were constructed using the eQUEST for the lower conditioned space and the upper unconditioned space individually.The models were used to simulate the summer cooling loads of the entire air conditioning and stratified air conditioning with different heights.The simulation results show that the stratified air conditioning can reduce the cooling load by more than 30%，compared with the entire air conditioning.And the increase of stratification height results in a linear increase of the peak values of the cooling load in summer.The relative error between the simulation results and the general stratified air conditioning load calculation results is below 3%.This shows that it is feasible to construct the lower and upper physical models separately for modeling the stratified air conditioning load in the large space based on energy consumption simulation software.

Keywords： eQUEST； large space building； stratified air conditioner； air conditioning load； stratification height

随着我国城市化的迅速发展，越来越多的大空间建筑不断涌现.大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能耗往往远大于实际居留区所需能耗，其空调系统具有初投资高和运行能耗大的特点[1].目前大空间建筑仅占城镇总建筑面积的5%～6%，但其用电量为100～300 kW · h · m-2 · a-1[2].分层空调作为适用于大空间建筑的一种特殊送风形式，因其良好的舒适性和节能效果备受人们关注.分层空调是指仅对下部区域进行空调，而对上部区域不空调的方式.与全室空调相比，夏季可节省冷量30%左右[3].

本文以某大空间建筑工程实训中心为研究对象，根据实际建筑围护结构和空调系统运行情况，利用eQUEST（the Quick Energy Simulation Tool）动态能耗模拟软件建立物理模型.目前能耗软件模拟整个房间时均以一个温度的点状态表示，无法反映大空间建筑室内温度分层特点，为此要将能耗模拟软件应用于大空间建筑负荷及其能耗分析，大空间建筑室内的一室多温便是能耗模拟软件首先要研究的内容.虽然利用eQUEST软件模拟建筑能耗特性和探讨建筑节能有很多成功案例[4-5]，但结合室内温度分层、采用一室多温概念探讨大空间建筑负荷则鲜有报道.本文尝试利用eQUEST能耗模拟软件，提出按空调区和非空调区分区建模的方法，对不同分层高度的大空间建筑进行负荷模拟，以对比分析全室空调、不同高度分层空调负荷特性.

1 物理建模及运行工况

研究对象为由工业厂房改建的某工程实训中心，建筑面积2 685 m2，建筑墙体高9.6 m，双坡屋顶，无天窗的坡屋顶最高处为11.9 m，有天窗的坡屋顶最高处为14.5 m，利用eQUEST软件按实际建筑建立的建筑模型外观如图1所示.图2为建筑平面简图，图中：实训中心西北区域数控机床区为空调区，建筑面积约515 m2；相邻约1 350 m2的车工区为非空调区；实训中心东边办公室、南边教室均设置分体式空调器.数控机床区用空调机房位于建筑东侧，空调区东侧采用上部喷嘴送风，同侧下部回风，形成分层空调送风方式.本文主要对数控机床区的大空间进行夏季空调负荷模拟研究，不考虑其它房间的空调能耗，但物理模型以整个实训中心为对象.

数控机床区空调负荷主要由照明、设备、人员及围护结构负荷等组成.假定数控机床区采用一班制空调运行模式，每天工作和空调运行时段为8：00-17：00，周末和节假日不运行，节假日设置采用2011年实际休息日数据，空调系统运行时间采用上海世博会期间的相关参数[6]，具体如表2所示.并采用上海地区BIN气象参数作为室外参数.

2 分层空调与全室空调负荷对比分析 利用eQUEST软件模拟空调供冷期逐时建筑负荷，可得到供冷期的峰值冷负荷.采用全室空调模型和分层空调模型分别模拟全室空调以及喷口高度为5.5 m的分层空调负荷，并选取峰值负荷进行对比分析.除建筑物理模型不同外，其它条件（运行时间、围护结构、门窗大小、内部热源等）均相同.模拟结果为：全室空调的峰值冷负荷出现在7月14日16：00，分层空调的峰值冷负荷也出现在7月14日16：00.两者夏季峰值冷负荷对比如表3所示，其中：

下降值为分层空调负荷比全室空调负荷减少的值；下降占比是指负荷各组成项的下降值占总冷负荷下降值的比例.从计算结果可知，分层空调与全室空调相比，渗透形成的冷负荷下降占比最大，依次下降较大的有窗日射得热和窗传热形成的冷负荷、屋顶传热形成的冷负荷，最后是墙传热形成的冷负荷.其它门、照明、人员、设备负荷相等.

图3为冷负荷下降占比柱状图.对比分层空调与全室空调，在夏季峰值冷负荷中，渗透负荷形成的下降占比最大，为65%，窗传热负荷的下降占比为14.3%，屋顶传热负荷下降占比为13.1%，墙传热负荷的下降占比最小，为7.6%.这是因为分层模型中，建筑大部分渗透来自上部窗户、建筑孔洞等，其渗透形成的负荷处于非空调区，故分层空调负荷中渗透冷负荷较小，渗透下降占比最大.窗、墙传热形成的负荷下降是由于分层空调模型分区后，部分窗、墙在上部非空调区，而上部围护结构负荷不直接计入空调区负荷.同时，分层模型中屋顶为非空调区，故没有屋顶负荷.

基于负荷模拟结果，分层模型上部的非空调区对分层空调冷负荷有重要影响，决定上部非空调区范围的分层高度是影响分层空调冷负荷的关键因素.

3 分层高度对夏季峰值冷负荷的影响分析 为研究分层模型不同分层高度对峰值冷负荷的影响，在其它条件不变的前提下，分别对4.0、5.5、6.0、7.0、8.2、9.0 m六种分层高度建立物理模型进行负荷模拟，得到各分层高度下的峰值冷负荷和节能率，结果如图4所示.从图可知，夏季峰值冷负荷随分层高度的增加而增大，其变化近似呈线性，即分层高度单位峰值冷负荷平均增加1.48 kW · m-1.相比于全室空调模型，分层空调模型节能率随分层高度的增加呈下降趋势，分层高度在4～9 m范围内，节能率可达31%～37%，大于30%，这与《实用供热空调设计手册》[3]中提出的分层空调与全室空调相比夏季可节省冷量约30%基本一致.

图4 夏季峰值冷负荷和节能率随分层高度的变化

Fig.4 The relationship between the peak value of

cooling load in summer and energysaving

rate with stratification

4 冷负荷计算结果与模拟结果对比验证 《实用供热空调设计手册》[3]中分层空调冷负荷计算式为

qcl=qlw+qln+qx+qf+qd

（1）

式中：qcl为空调区分层空调冷负荷，W；qlw为通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷，W；qln为空调区内部热源散热形成的冷负荷，W；qx为空调区室外新风或渗透风形成的冷负荷，W；qf为非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷，W；qd为非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷，W.

式（1）计算所得的分层空调负荷，是在空调区常规空调负荷（如围护结构负荷、室内负荷、渗透负荷等）基础上，增加了非空调区向空调区转移的辐射和对流热转移形成的冷负荷.其中：式（1）等号右边前三项按全室空调常规冷负荷计算方法计算；辐射热转移冷负荷的计算方法是，首先计算非空调区各壁面向空调区地板的辐射热转移与透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量之和，附加30%后作为非空调区向空调区转移的辐射热，利用经验数据获得辐射转移冷负荷；对流热转移负荷则根据非空调区与空调区热强度比及非空调区的排热率查阅相关实验数据计算获得，详见文献[3].根据式（1）计算7月14日16：00时不同分层高度下的冷负荷，并与eQUEST软件分层物理模型的模拟结果对比，结果如图5所示.

图5 计算负荷与模拟负荷对比

Fig.5 The comparison of the loads between calculated

and simulation values

由图5可知，软件模拟结果与式（11）计算结果的最大相对误差为2.7%.这说明本文建立的大空间分层空调物理模型的模拟结果，与普遍认可的《实用供热空调设计手册》[3]中分层空调负荷计算公式的结果非常接近.

5 结 论

本文采用空调区和非空调区分区的建模方法建立大空间建筑物理模型，以此分析全室空调和不同分层高度下分层空调的夏季峰值冷负荷特性.模拟结果表明，分层高度在4～9 m时，与全室空调相比，分层空调节能率可达31%～37%，夏季空调峰值负荷随分层高度增加近似呈线性增加，分层高度每增加1 m，峰值负荷增加1.48 kW.比较模拟负荷计算结果与常规分层空调负荷计算结果时发现，两者极为吻合，相对误差小于3%，说明基于能耗模拟软件分区模拟大空间分层空调负荷的方法合理.研究成果为今后利用软件分析大空间建筑全年能耗提供了方法.

参考文献：

[1] 范存养.大空间建筑空调设计及工程实录[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2] 李传成.大空间建筑通风节能策略[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] ZHU Y M.Applying computerbased simulation to energy auditing：a case study[J].Energy and Buildings，2006，38（5）：421-428.

[5] 马晓云.建筑能耗模拟软件eQUEST及其应用[J].建筑热能通风空调，2009，28（6）：78-83.

分层控制论文 篇12

微网是由分布式电源、分布式储能单元与相应负荷组成的独立可控系统[1,2],具有自治运行、多能互补、优化管理和协调控制等优势。为实现多分布式发电接入和用户高效可靠供电,可将微网划分成多个计划性的子微网[3]。为此应根据微网间的组网结构,研究微网内分布式电源、分布式储能单元、本地负荷、开关以及多微网之间的协调控制,以保证微网在不同运行状态下都满足本地用户的供电要求[3,4,5]。

微网的控制主要包括主从控制、对等控制和分层控制3种类型[6],其中分层控制通过微网中央控制器(MGCC)实现全局能量管理,是解决微网中各元件协调控制的有效途径。文献[7]提出微网两级分层控制方式,上层MGCC根据分布式电源出力和微网内的负荷需求变化,调节底层分布式电源控制器的稳态设置点和负荷投切;文献[8]建立以发电效率最大化为目标的分层控制模型,但上述研究仅针对单个微网进行控制设计,不能用于具有多个计划孤岛的多微网系统。配电网中多微网间一般采用串联或者并联结构。文献[5]基于多微网系统的分层控制,研究微网的黑启动流程和负荷恢复顺序;文献[9]建立多微网的在线状态估计方案。但是,现有研究还未涉及不同运行状态下多个微网之间的协调控制,这对于多微网的正常运行和本地负荷的可靠供电至关重要。云电科技园智能微网工程是由光伏发电、风电机组、锂电池堆、双向储能变换器和柴油发电机等组成的多能源混合微网,已成功进行联络线功率控制、并网孤岛模式切换和电能质量测试等实验。该微网系统包含2个计划性的子微网,并且具有并联和串联2种运行结构。本文结合云电科技园智能微网的结构特点和运行需求,设计多微网系统串、并联不同结构的两级分层控制;分析多个子微网的运行状态及其触发事件,对多微网系统运行状态进行简化组合,制定状态转换方案。针对多微网系统的联络线功率控制和模式切换,提出不同子微网MGCC之间的协调策略。利用MATLAB/Simulink分析联络线功率调节、模式转换过程中微网运行特性,验证所提出策略的正确性。

1 多微网系统组网结构

根据云电科技园智能微网系统结构,本文研究的多微网系统如图1所示。图1包含2个可孤岛运行的子微网,通过切换开关K11,K12可形成串联和并联2种组网结构。2个子微网分别经开关K2和K3接入配电网,其中子微网A包括双馈感应发电机(DFIG)(其转子侧接变流器和Crowbar保护电路)、储能蓄电池A(经逆变器和隔离变压器接入电网)、柴油同步发电机和本地负荷。子微网B包括单级式光伏发电系统、储能蓄电池B和本地负荷,其中分布式电源和分布式储能单元均采用逆变器接口并由隔离变压器接入。

2 多微网系统分层控制

多微网两级分层控制结构如图2所示。

在微网两级分层结构[7]基础上,增加MGCC间通信联络以实现子微网的配合。微网上层为MGCC,底层包括微源控制器(MC)和负荷控制器(LC),多微网的MGCC间增加通信联络进行各个微网的协调,MC和LC执行MGCC的操作指令。

单个微网的MGCC应包括功率管理、状态管理和同步控制3项基本功能[10],对于多微网MGCC亦应具备前述所有功能。文献[7,11]已给出了多微网系统MGCC的功率管理方法,本文将重点研究多微网系统MGCC运行状态管理和并网同步控制。

3 多微网系统MGCC协调控制

3.1 多微网系统运行状态转换

多微网系统的每种设备包括投、切2种状态,其中风力发电机和光伏阵列采用最大功率点跟踪(MPPT)控制,不参与多微网系统有功功率调节。本文研究子微网之间的运行状态转换,因此忽略风力发电机和光伏阵列的运行状态。将蓄电池作为主控单元,子微网孤岛运行时,蓄电池须投入;当子微网A,B共同组成单个孤岛且蓄电池B切除时,由于蓄电池A容量有限,结合柴油机才能保证子微网A,B的供电可靠性。

多微网系统中能保证负荷供电的有效运行状态如表1所示,其余运行状态为停机状态。其中设备投入或子微网连接用“1”表示,退出用“0”表示,“0/1”表示该设备投、切归属同一运行状态。AB两孤岛表示子微网A,B分别孤岛运行;AB单孤岛表示子微网A,B共同组成单个孤岛微网;B单孤岛表示子微网A并网运行,子网B孤岛运行;AB并网表示子微网A,B均为并网运行。

由于针对子微网之间的协调进行研究,可将子微网内部的状态转换合并,即表1中状态2和3归为同一运行状态(2);同理,原始状态4和5,8和9,10和11,12和13分别合并为状态(3),(6),(7)和(8)。多微网状态转换路径如图3所示。

状态转换对应的触发事件如表2所示。

当微网处于串联AB并网状态时,若子微网B内部故障且持续时间短(触发事件2),子微网B孤岛运行,微网转至串联B单孤岛状态;此时若子微网A故障且持续时间短(触发事件6),蓄电池可以维持子微网孤岛运行,转至串联AB两孤岛状态;若微网孤岛运行时蓄电池电能不足或子微网故障持续时间长(触发事件7),微网无法维持运行,转为停运状态。

微网处于并联AB并网状态时,若配电网故障且蓄电池电能充足(触发事件4),开关K1断开,转至并联AB单孤岛状态。多微网系统通过开关K11和K12可实现串联与并联结构间的转换,但运行状态转换过程中开关K11和K12开合保持不变。

3.2 多微网系统联络线功率控制协调策略

通过调节多个子微网的功率指令可实现联络线功率控制,下面研究状态(4)和(9)时子微网MGCC间的联络线功率控制协调策略。串联和并联结构多微网系统联络线功率控制时的MGCC协调策略如图4所示。

由于串联多微网与配电网联络线距离馈线上游子微网较近,上游子微网作为联络线功率控制主要执行单元,将蓄电池容量较大的子微网(子微网A)接入馈线上游。图4(a)和(b)中子微网A的MGCC测量联络线的功率信号PK3,与功率设定值比较后经比例—积分(PI)环节得到子微网A中蓄电池的功率调节信号,进行蓄电池A充放电控制。

对于串联结构多微网,一旦馈线上游子微网功率调节能力达到上限,下游子微网(子微网B)需配合上游子微网控制联络线功率。图4(a)中蓄电池A的功率调节信号经过判断模块,得到子微网B与子微网A的交换功率增量指令并传递至中央控制器B。当子微网A的调节能力未达到上限时,子微网B只调节联络线L2功率PK2;当子微网A的调节能力达到上限时,子微网B则参与联络线L1的功率调节。

并联结构多微网联络线功率控制时,子微网A的MGCC测量多微网系统与配电网的交换功率PK1,再与功率设定值比较后经PI环节得到联络线交换功率的调节信号。该信号经过分配系数得到各个子微网的功率参考值,分别与子微网A和B的交换功率PK3和PK2比较后经PI环节得到蓄电池的功率调节信号,实现联络线功率控制。

3.3 多微网系统并网同步控制协调策略

孤岛微网重新并网时,需使分布式电源或分布式储能单元进行主动同步控制[12]。由于分层控制多微网系统具备完整的控制信号通信通道,其状态转换时的功率分配常采用主从控制方式。采用主从控制时,孤岛微网维持额定频率,若电网频率发生偏离,需根据频率差、相位差和幅值差对微网进行主动调节[13]。

多微网系统中各子微网MGCC根据微网当前运行状态和触发事件,确定合闸开关以及进行主动同步的分布式电源或分布式储能单元[14]。图5为子微网A和B的并网同步控制结构,合闸开关两侧频率差df、相位差dp和幅值差dV的本地信号传递至上游子微网A的MGCC。由于df将导致两侧电压的dp出现周期性变化,主动同步时以dp和dV调节为主。图中:V和δ分别为蓄电池电压和相角;PA和QA分别为蓄电池A的有功和无功功率;PB和QB分别为蓄电池B的有功和无功功率。相位差dp和幅值差dV经PI环节后产生补偿信号,按预定系数αA,αB,βA,βB将补偿量分配给子微网A和B的蓄电池,频率差df直接与额定频率fn相加作为微网频率指令值,进而得到蓄电池端电压幅值和相位指令,实现多微网系统的并网同步控制。表3为多微网不同孤岛运行状态(图3)重新并网时的同步方案。

状态(1)→(2)时,αA=βA=0,αB=βB=1(即仅蓄池B参与调节dp,dV),当dp,dV满足并网条件后关K2合闸。状态(5)→(6)时,K2先进行无压合闸无须主动同步,其后由蓄电池A进行同步控制,至合闸条件满足后合并开关K3。状态(2)→(4)和→(9)时,由蓄电池A和B共同参与同步控制,A′=ΔPA/(ΔPA+ΔPB),αB′=1-αA′,βA′=ΔQA/ΔQA+ΔQB),βB′=1-βA′,其中ΔPi=Pin-Pi0,Qi=Qin-Qi0(i=A或B),Pin,Qin和Pi0,Qi0分别蓄电池i的额定有功、无功功率和初始有功、无功率。

当蓄电池功率余量ΔPA+ΔPB不满足相位和频率调节时,其出力调节至最大后仍未达同步条件,多微网系统须保持孤岛运行,等待下一次检测达到同步条件,重新同步。若本地负荷减小使蓄电池功率余量ΔPA′+ΔPB′满足(ΔPA′+ΔPB′-ΔPA-ΔPB)>ηr(PAn+PBn);或者等待时间经过Tr后,多微网再次同步并网,则比例系数ηr取为0.1,重新同步时间Tr取为1~2min(与电网二次调频响应时间相同)。

4 仿真分析

为验证本文所提出的控制策略的可行性,搭建图1所示的串联和并联结构多微网模型(参数见附录A),分析多微网系统联络线功率调节、同步过程中MGCC协调控制的动态特性。

4.1 串联结构微网的联络线功率调节协调

设多微网系统处于状态(4),各分布式电源和分布式储能单元的无功功率指令不变,在t=2s时从配电网注入微网的联络线功率控制指令从20kW降至10kW,蓄电池的最大输出功率为15kW,此时联络线和蓄电池功率如图6所示。图6(b)中蓄电池A的有功功率达到限值15kW,须利用子微网MGCC间通信,启动蓄电池B参与功率调节。

由图6(a)可知,子微网MGCC未协调配合时,联络线L1的功率由20kW降到15kW,没能达到降至10kW的指令要求。设子微网B中光伏系统的有功功率分别在t=3s和t=4s时增加6kW和减少3kW。由图6(b)可知,变化过程中下游子微网B均能配合上游子微网A参与联络线功率调节。由于MGCC配合后配电网注入微网的有功功率减小,使得微网本地的无功消耗降低,MGCC配合后注入微网的无功功率略有降低。

4.2 并联结构微网的联络线功率调节协调

将多微网由状态(4)切换至状态(9),设t=7s时从配电网注入微网的联络线功率控制指令从20kW降低至10kW,图7为并联结构微网的联络线和蓄电池功率。

当子微网MGCC间未协调配合时不能实现联络线L1的功率控制,配合后MGCC根据预定系数控制子微网A和B的蓄电池的功率如图7(b)所示。由于子微网A中柴油发电机功率调节缓慢,使得蓄电池A的有功功率在1.5s后才调节至稳定值。

4.3 多微网系统的并网同步控制协调

设配电网发生故障,串联多微网转入状态(2),子微网A和B组成单孤岛运行,在t=6s时配电网恢复正常,串联多微网重新并网切换至状态(4)。图8为串联多微网由状态(2)→(4)时,开关K3两侧电压的幅值、相位和频率差(微网孤岛运行中电网频率维持50Hz),图中“子微网A和B”和“子微网A”表示子微网A和B同时参与和仅有子微网A参与同步控制。

图9和附录B图B1显示了并联多微网由状态(6)→(9)时开关K1两侧电压的幅值、相位和频率差,图9中多微网在状态(6)孤岛运行时电网频率下降至49.2Hz,而图B1中电网频率保持50Hz不变。

图9中还给出开关两侧电压的频率差,由于频率差为-0.8Hz,导致两侧电压相位差出现周期为1.25s的变化。

对比图8和图9的仿真结果可知,多微网系统利用子微网A和B同时参与开关两侧的频率、相位和幅值调节,能够加快孤岛多微网的并网同步过程。为此提出的同步控制协调策略,满足不同电网频率下串联和并联结构多微网系统的主动同步要求。

5 结语

本文提出了多微网系统的联络线功率和并网同步协调控制策略,仿真结果表明,该方法能够实现串联和并联结构微网的联络线功率调节指令的分配。多个子微网同时参与主动同步控制,可快速将合闸开关两侧电压的幅值差、频率差和相位差减小至同步范围内,实现多微网系统与配电网的重新连接。下一阶段将利用云电科技园智能微网平台进一步验证和完善本文的协调控制方法,此外还将探讨该方法在包含2个以上计划孤岛的多微网系统中的适用性。

摘要：根据多微网间的串联和并联组网结构,设计了串、并联不同结构的多微网系统两级分层控制方案。以多微网系统允许出现的有效运行状态为基础,依据其当前状态和触发事件制定微网运行状态的转换。针对多微网系统的联络线功率控制、并网和孤岛模式切换,提出串、并联结构的多微网中央控制器之间的协调配合策略。结合云电科技园智能微网的工程建设,利用MATLAB/Simulink软件搭建串联和并联结构的多微网模型;仿真分析联络线功率调节、不同模式转换和同步过程中微网的动态特性。仿真结果验证了控制策略的正确性和有效性。