随着全球能源向绿色和低碳结构转型，风能和光伏（PV）等可再生能源（RES）的渗透率持续上升[[1], [2]]。这些能源的固有波动性对电网的稳定运行带来了重大挑战[3]。特别是能够自主运行的岛式微电网，成为偏远地区能源供应的有效解决方案[[4], [5]]。然而，传统的化石燃料不仅成本高昂且供应不稳定，还会加剧当地环境污染和温室气体排放[6]。此外，RES的间歇性和负载的随机性使得岛式微电网的频率稳定性控制变得尤为困难[7]。因此，在保证供电可靠性的同时，最大化利用RES并确保运行经济性，已成为微电网控制领域亟待解决的关键问题。
为了实现微电网的可靠、经济和高质量运行[[8]]，学术界广泛采用了分层控制架构[[9], [10]]，如图1所示。初级控制主要负责在几秒钟的时间尺度内缓解瞬态功率波动。虚拟同步发电机（VSG）技术通过模拟同步发电机的转子运动方程来提供必要的虚拟惯性和阻尼支持，已成为初级控制的主流技术[[11], [12]]。为了进一步提高控制器的动态性能，基于智能优化算法的参数调优策略成为重要的研究焦点。在参考文献[13]中，利用粒子群优化（PSO）对VSG的惯性和阻尼参数进行离线优化，仅关注频率偏差、最低点和频率变化率（RoCoF）等技术指标。对于复杂的多区域系统，参考文献[14]提出了一种由Crow搜索算法优化的Type-2模糊级联分数阶PI控制器，显著提高了系统的鲁棒性。
然而，上述研究通常侧重于开发复杂的元启发式算法来寻找一组全局最优固定参数。这种离线调优方法缺乏适应性，无法适应微电网在不同能量状态下的差异化控制需求。此外，这些研究中的目标函数通常只考虑频率稳定性，忽略了频率控制、运行经济性和能量状态之间的耦合。在计算复杂性和可靠性方面，这些方法涉及大量的迭代计算和随机搜索过程，计算时间通常从几秒到几分钟不等。这种高计算负担使得它们不适合资源有限的岛式微电网。
二级控制的核心目标是使频率恢复到标称值[[15], [16]]。传统的二级控制主要依赖于柴油发电机（DG），往往忽视了动态性能和运行成本。为了提高频率恢复的效果，参考文献[17]提出了一种基于分数阶数学和模糊逻辑的自适应VSG二级控制策略。虽然这种方法实现了快速零误差频率调节，但它优先考虑了控制性能指标，忽略了不同发电单元之间的运行成本差异。另一方面，为了降低微电网的运行成本，参考文献[18]提出了一种考虑动态功率需求的分布式实时经济调度方法。通过引入反馈校正项，该方法解决了由负载波动引起的供需不匹配问题。然而，这种方法本质上属于迭代调度层算法，其收敛过程通常与底层的频率控制回路分离，使得在严重频率波动的瞬态过程中难以施加毫秒级的实时成本约束。此外，参考文献[19]利用深度强化学习来提高RES在二级控制中的参与度。然而，它强调在调度层面的经济优化，很少有研究在突然的频率扰动后实现经济和绿色目标的直接和深度整合。参考文献[20]试图通过将增量成本函数直接嵌入VSM控制回路来弥合控制和调度之间的差距，实现频率和经济的去中心化协调。尽管如此，为了保持单元间的经济分配比例，这种方法不得不牺牲频率控制的准确性，保留了一定的稳态频率偏差，从而无法满足高标准的电能质量要求。尽管在二级控制方面取得了显著进展，但传统的分层架构导致控制和经济在时间尺度上严重分离。因此，在频率恢复的瞬态过程中，微电网通常不得不依赖成本较高的DG进行机械调度来补偿频率不足，未能充分利用零边际成本的储能或RES。这导致了资源浪费和频率调节过程中的成本增加，忽略了经济和绿色发电因素。系统运行经济性和能源管理通常由上层三级控制（EMS）管理，其操作时间尺度为15分钟甚至几小时[[21], [22]]。因此，如何同时实现“快速零误差频率恢复”和“实时最优经济调度”仍然是一个需要进一步研究的问题。
为了克服上述限制，本文提出了一种结合经济目标的分层频率控制策略。该策略旨在将传统三级控制的优化目标整合到响应更快的初级和二级控制层中，实现频率稳定性和运行经济性的协同优化。表1总结了所提出的改进初级控制策略与参考文献[[23], [24], [25]]中基于元启发式算法的方法在控制机制、参数特性和计算复杂性方面的比较。显然，所提出的基于Sigmoid函数的改进VSG策略代表了一种计算负担低的在线自适应方法。这种低复杂度特性不仅确保了控制策略在低成本嵌入式控制器中的实时可行性，还降低了与复杂算法相关的计算发散或收敛停滞的风险。因此，它在极端条件下提高了岛式微电网的运行可靠性，同时实现了频率稳定性和能源效率的协调优化。
本文的主要贡献总结如下：
1.提出了一种结合经济目标的分层频率控制架构。这种架构打破了“可靠性”和“经济性”分离的传统分层模式，直接将优化目标（如可再生能源接纳和运行经济性）嵌入到初级和二级频率控制中。这使得供电可靠性和经济运行实现了深度整合，特别适合具有高自主性要求的岛式微电网。
2.设计了一种基于能量状态的改进VSG控制策略。该方法在模拟同步发电机特性的同时，根据风能-太阳能-储能转换系统（WSSCS）的能量盈余或不足状态，使用Sigmoid函数实时调整阻尼系数。因此，经济和绿色运行目标被深入嵌入到毫秒级的初级频率响应中。
3.构建了一个结合最优经济调度的二级频率控制框架。通过创新性地引入模型预测控制（MPC）框架，该方法在每个控制周期内对微电网的未来动态进行在线滚动优化。它将频率恢复的技术要求和协调调度的经济目标统一到一个前瞻性的目标成本函数中。这实现了多灵活资源的实时最优经济调度，同时确保了精确的频率恢复。
本文的其余部分组织如下：第2节详细阐述了结合经济目标的分层频率控制策略，分析了基于能量状态的自适应VSG初级控制和具有集成经济成本函数的MPC二级调度模型。第3节基于MATLAB/Simulink平台进行了多维仿真验证和比较分析，评估了所提策略在突然负载变化和可再生能源波动下的频率动态性能，量化了其在运行经济性方面的优势，并通过敏感性分析验证了该策略在参数扰动下的强鲁棒性。第4节总结了本文。
