基于多智能體系統的智能微網分散協調控制策略

馬經緯，王曉梅，陳淼，馬文華，李杰

（1.國網山東省電力公司日照供電公司，山東日照 276826；2.天津大學，天津 300072）

微網分布式電源的應用不僅能夠提高系統運行穩定性，同時，更有利于節能減排。目前，針對微網中分布式電源的研究正逐漸成為國內外學術研究的熱點。智能微網由分布式電源（distributed genera?tor，DG）、儲能裝置、負荷和控制裝置組成[1-3]。智能微網即微網的智能化，通過采用先進的電力技術、通信技術、計算機技術和控制技術在實現微網現有功能的基礎上，滿足微網對未來電力、能源、環境和經濟的更高發展需求[4-6]。智能微網作為新的能源利用形式，不僅能與大電網并網運行，還可以脫離大電網孤島運行[5-8]。因此，如何對智能微網內部的多個DG進行有效控制，確保微網在不同運行模式下安全穩定運行，已成為國內外微網研究的熱點[6-11]。

大多數DG及儲能裝置通過電力電子接口接入微網，其控制策略主要由電壓源型逆變器（voltage source inverter，VSI）完成[5-8]。近年來，微網逆變器控制技術的研究已取得很多成果，分散控制和集中控制是微網控制方向的2大主要方法。分散控制是針對采用即插即用分布式電源的微網提出的控制方法，是一種無通信互連線的控制技術[9]。然而，對于簡單的微網，分散控制策略能夠通過上層的能量管理系統來維持微網穩定，但對于分布式電源滲透率逐漸增加，微網結構也越來越復雜，分散控制由于缺少單元系統之間的配合溝通，導致微網受到擾動時，電壓和頻率出現不穩定的問題。而集中控制策略的原理是根據系統全局信息，由中心控制器統一控制各單元系統，對于結構簡單的系統，該方法非常有效。同樣，當面對結構復雜的網絡時，其建模維數巨大、信號傳輸時滯、對通信鏈路要求高的缺陷就凸顯了出來。由此可見，分散控制和集中控制各具優缺點，因此基于多智能體系統的分散協調控制方法應運而生[10-13]。

本文以采用雙環下垂控制的逆變器型微源為研究對象，在分析VSI數學簡化模型和協調控制通用模型的基礎上，針對功率分配，電壓頻率一致的控制目標（每個微源輸出功率比例相等、孤網運行時電壓頻率一致、切換運行模式時調節電壓頻率與大電網一致），設計了基于多智能體系統（multi-agent system，MAS）的分散控制策略，該策略將多智能體系統構建為3層：協調控制層、積分運算層和主控制層。在通過一個小的案例分析驗證所提控制策略能有效分配功率的基礎上，仿真驗證了所提控制策略在微網孤網、并網和切換3種模式下的有效性。

1 問題描述

1.1 數學模型分析

在本文中VSI采用電壓外環電流內環的雙環控制方案，如圖1所示。雙環控制方案的電流內環擴大了逆變器控制系統的帶寬，使得逆變器動態響應加快，輸出電壓的諧波含量減小，非線性負載適應能力加強。采用雙環控制方案的VSI的數學模型可簡寫為

式中：xi是第i個VSI的內部狀態變量；是第i個VSI的輸出向量；是輸入至第i個VSI的輸入向量。協調控制的通用模型[5，10]為

圖1 采用雙環控制的VSI控制示意圖Fig.1 Schematic diagram of VSI control with double loop control

式中：Ni是指代第i個VSI的鄰VSI；指代第i個VSI的入度。

智能微網約束條件為

式中：Pgi,Qgi分別為第i個VSI的有功和無功輸出；PD,QD為功率需求；Ploss,Qloss為電網中的損耗；Vi為第i個VSI的電壓，該電壓限制在最大電壓Vmax和最小電壓Vmin之間；ωi為第i個逆變器的輸出角頻率，該頻率限制在最大頻率ωmax和最小電壓ωmin之間；Ptr,Qtr為通過變壓器的有功功率和無功功率，如圖2所示。

圖2 基于分散控制策略的智能微網示意圖Fig.2 Diagram of smart micro-grid based on decentralized control method

1.2 系統控制對象

該控制系統的對象由式（5）—式（9）給出。本文使用功率平均分配法分配功率，所有的分布式電源的輸出功率比例均相等，數學表達式為

式中：Pgi和Qgi是第i個VSI產生的有功和無功功率；和是在給定時間內第i個逆變器能產生的最大功率。

在電網的某些運行狀態下，大電網和微網之間通過公共連接點（point of common coupling，PCC）的變壓器存在一定數量的功率交換[14-19]。然而，由于沒有大數據和控制中心的支持，再加上大多數以可再生能源作為一次能源的微源的發電量具有天然的波動性，因此這里的功率交換并不是可調度的。但是，希望所交換電能Ptr、Qtr盡可能地接近于期望值：

對VSI的電壓控制使得智能電網中的VSI與另一個VSI的電壓相接近，這使得智能電網中的無功功率流動減少。如圖2所示，重連大電網時，要求變電站的斷路器的每一個終端的電壓基本相等[20-21]。對該對象的數學描述如下：

式中：VPCC,VMG分別代表公共連接點和大電網的電壓。

將所有VSI的頻率調整為ωref來匹配公共連接點和大電網的頻率和相位：

式中：ωi為第i個VSI的輸出頻率；θPCC和θMG分別代表公共連接點和大電網的相角。

2 系統結構與設計

傳統的微網控制一般分為3層[22]，第一層控制的實現是指各個分布式電源或儲能設備自身的控制策略；第二層控制的實現是通過微網中心控制器對各個分布式電源分別發指令，來實現微網的穩定運行；第三層控制是使用微網能量管理系統來確定第二層控制目標參考值的過程[22-26]。

微網中分布式電源大部分是基于電力電子技術的逆變型電源，多智能體系統中的智能體代表的是可以自主運行的各個逆變型電源，多智能體系統的目標是將復雜的微網系統歸納為小的、彼此互相通信和協調的、易于管理的系統；面對微網中的多個逆變型電源，則需要協調控制器對若干個智能體進行協調，協調的過程是一個多目標決策的過程，也是一個全局優化的過程，主要是提高微電源對微網負荷變化的響應性和微網運行的穩定性，以滿足微網在并網運行、孤立運行及2種運行模式間切換時的不同需求，保證微網運行的穩定性[27-32]。

本文中設計了基于多智能體系統的協調控制策略，該策略的結構與通用的微網3層控制結構相類似，主控制層包括一級控制器，主要作用為處理本地節點信息和積分運算層的信息。一級控制器在本文中采用下垂控制策略[5，7，8]，主要功能是快速響應輸出功率的突變，通過模擬傳統發電機的下垂特性實現電壓和頻率的有差調節，該控制器處理的是VSI自身的輸出信息，再將控制器的輸出通過PWM得到三相逆變器6個IGBT的驅動信號，實現對VSI輸出電壓和頻率的控制[33-37]。

積分運算層的作用為處理協調控制層的數據信息，對其進行積分運算，輸送至主控制層。積分運算層與傳統微網3層控制結構中的二級控制器的功能類似，都是實現電壓和頻率的無差調節，通過積分運算得到主控制層中下垂控制策略中的參數，實現下垂特性的動態調節。積分運算層是VSI中DSP程序的一部分，通過采樣每個中斷的信號并相加，實現積分運算，最后將運算結果返回至主控器的下垂控制方程中。

協調控制層的主要作用為：接受來自鄰節點的數據信息，通過二級和三級控制器的運算，分別輸出電壓、頻率和功率的狀態向量矩陣至積分運算層。由于本文提出的控制策略針對微網的3種運行狀態：孤網、并網和切換，所以本文的第三層控制策略綜合了傳統微網的二級和三級控制的功能：設置并網運行時PCC聯絡線輸出功率參考值，調整孤網運行時每個DG的輸出功率參考值，設定下垂曲線穩態參考點和分配比例系數。協調控制層通過接收相鄰節點的信息，并通過DSP程序編程處理后將運算結果返回至積分運算層。下面具體解釋本文提出的3層控制策略。

主控制器用來響應電源和負載間的突變，達到均衡電源和負載的目的。與同步發電機不同，VSI的輸出頻率是獨立于其他功率輸出源的。因此，在測量每個VSI的輸出功率后，使用下垂控制器按照一定比例來改變其輸出頻率。本文中，首層控制器安裝在每個VSI上，頻率和電壓的下垂特性為

式中：Vdi,Vqi,idi,iqi分別表示電壓和電流在直軸方向上和交軸上的分量；ωci代表低通濾波器的截止頻率，S代表Laplace算子。

系統穩定性的含義是指系統在受到某種擾動后返回穩態的性能。二級控制器的作用是微網受到擾動后使頻率和電壓恢復常態，從而使系統保持穩定。它通常通過通信網絡來實現該控制，是電力系統全局穩定性的保障。

三級控制器根據電力系統的需要來調整下垂特性中P0i和Q0i的參數。在電力系統中，電力系統的運行人員通過DG的運行狀態、當前系統情況以及負載等多方面綜合考慮來調整這些參數。

2.1 控制器設計

實時的調整式（10）和式（11）中的參數是本控制系統的研究目標，并使得系統在3種工作模式下均能夠滿足式（4）中的約束條件。基于這樣的考慮，將所有的VSI均配置成能夠接收鄰VSI頻率、電壓和功率參數的結構，使得這些參數能夠像本地參數一樣調節本地的VSI，如圖3所示。利用接收到的數據，與本地數據一起協調控制本地主控制器，如圖4所示。在設計本控制系統時，使用如下的假設[5，9]：

圖3 本地控制器結構圖Fig.3 Structure of the local controller

圖4 本文控制方法下的控制層級圖Fig.4 Control level chart based on the proposed control method

將式（14）的假設代入式（10）和式（11）中，得出：

式中：P0i,Q0i,ω0i和Vd0i表示主控制器的動態參數，由協調控制器通過PI控制積分求得：

式中：KPi,KQi,Kωi,KV表示第i個積分器的增益大小，LPi,LQi,Lωi,LV表示基于通信拓撲結構的拉普拉斯矩陣。P,Q,ω,Vd表示控制器的狀態向量，定義如下：

式中：BP,BQ,Bω,Bd為協調控制器的輸入矩陣向量，其中，當bi表示VSI接收到的信號是來自于關鍵點的協調控制器時，則bi=1；其他情況bi=0。在并網運行模式下，輸入向量為

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關鍵點，則，否則為0。

微網的總發電量調節目標則為使得Ptr能夠逐漸逼近。式（18c）中的表示大電網d軸電壓和表示公共接入點d軸電壓，表示大電網與公共接入點交流電壓相位角的差值對時間的偏導數，則式（16c）的計算方法為

由于孤島運行模式通常發生在大電網的有源配電網故障時，因此此時的大電網往往處于非常態運行。那么在孤島運行時，由于通過變電站的功率為 0，因此式（18a）和式（18b）中關鍵點的有功和無功功率則變為，大電網的d軸電壓，。同時，關鍵點對某VSI發出控制信號，若第i個VSI接收到關鍵點的控制信號則，否則為0。而在重新返回并網運行模式時，需要調整微網的電壓幅值、相角和頻率與大電網一致，為了實現協調一致，協調控制系統的輸入量：

將式（20）代入式（16c）中，則能實現微網與大電網頻率和相角的匹配。

2.2 功率分配案例分析

本案例中的功率，電壓等變量均為標幺值，假設某微網的兩微源最大有功功率輸出分別為，與大電網的交換功率為Ptr=1pu，這兩微源的實際有功輸出為Pg1=2/3pu，Pg2=1/3pu，微網中總負荷為電網運行人員設定交換功率的期望值從1 pu變為，即希望增加微網中微源的發電量，減少交換功率，并假設KPi=0.25；時間步長Δt=1 s。如圖4所示。

在第一個時間間隔后：

第二個時間間隔后：

則P01=1,P02=0.5,Ptr=0.5，滿足，即1+0.5+0.5=2。

3 實驗及仿真分析

本文使用MATLAB/SIMULINK對提出的方法進行了仿真。表1中列出了實驗參數，如圖5所示，為該仿真系統的系統交流示意圖。

表1 實驗條件及假設Tab.1 Experimental conditions and assumptions

通信頻率為5 Hz并假設網絡無時滯。實驗假設存在5個分布式電源，初始狀態為并網運行狀態，t=1 s時大電網發生了故障，微網與大電網斷開，轉入孤島運行模式，t=30 s時大電網恢復，系統進入切換模式重新接入大電網。故障發生前后的電氣參數如表2所示。

表2 切換前后電氣參數對比Tab.2 Comparison of electrical parameters before and after switching

并網運行模式下，也就是0≤t＜1時，SMG的電壓和頻率均受大電網控制，如表2所示。此時，各分布式電源的功率及利用率如表3所示，分布式電源的總功率為695 kW，各電源的使用率均為15.1%，剩余的1 417 kW由大電網供給。

t=1 s時刻故障發生，1 s＜t＜30 s時間內微網轉換成孤島模式，通過PCC的功率變為0，即Ptr=0。據式（15a）和式（15b），系統的頻率和電壓會明顯下降，如圖 6（a）和圖 8（a）所示。接下來，協調控制器起到二級控制器的作用，調整系統的頻率和電壓，使其逐漸增加至平衡點。相比于并網運行模式，孤島運行模式下，逆變器的電壓會相對較高，這主要是因為電力流動方向的改變，另外也與微網的較高的傳輸損耗有關。由于DG4和DG5的電源容量相比于DG1～DG3較小，因此在相同的使用率下，DG4和DG5的功率較小，如表3所示。

表3 各DG及變電站功率及使用率情況Tab.3 Power and usage rate of each DG and substation

在t=31 s時，電網開始進入切換模式。圖6所示為切換模式下頻率的變化曲線。所有DG的頻率都逐漸逼近49.9 Hz，而不是50 Hz。這是因為大電網在故障消除后的頻率被設定為49.9 Hz。圖7所示為PCC與大電網中相位的不同，在31 s時，相位差為20°，并最終在t≈41 s逐漸接近0。如圖9—圖12所示，PCC和大電網電壓在微網與大電網重新連接后基本一致，均為0.95 pu，如表2所示。

圖6 5個節點頻率變化曲線圖Fig.6 The curve of frequency changes at five nodes

圖7 相位差隨時間變化曲線圖Fig.7 The curve of the phase difference change over time

圖8 各節點利用率變化曲線圖Fig.8 The curve of utilization rate change at each node

圖9 總發電功率和經過變壓器的功率曲線圖Fig.9 The curve of the total power generation and transformer capacity

因此PCC的電壓減少至0.95 pu。而所有逆變器的電壓均大于0.95 pu，這是因為電壓會沿著反饋器逐漸降低。切換模式下的電力產生于孤島模式下是相同的，因為在此模式下在智能微網和大電網之間并沒有電力交換。在切換模式下，所有的分布式電源的使用率均與孤島模式相同。

圖10 各節點功率曲線圖Fig.10 The curves of the power of each node

圖11 五個節點電壓變化曲線圖Fig.11 The curve of voltage change at five nodes

圖12 公共接入點電壓變化曲線圖Fig.12 The curve of PCC voltage change

4 結語

本文提出了在3種運行模式下，智能微網的協調控制的方法，該方法分別對功率、頻率和電壓進行控制。在本文提出的系統中，分布式協調控制使用了二級和三級控制器來調整主控制器的動態參數。仿真結果表明：提出的方法能夠在給定時間內分配與其發電能力成比例的發電量，因此要控制每個逆變器的輸入電量和輸出電量的平衡；本文提出的方法能夠穩定智能微網的頻率和電壓，通過不斷的調整，使得每個逆變器輸出頻率和電壓不斷接近期望值；調整后的頻率和電壓能達到并網的要求。

本文提出的分布式協調控制系統具有靈活性強和自治性強的特點，相比于集中式控制的方法有效地減少了對通信鏈路的依賴。在分布式協調控制方法下的微網，分布式電源能夠以即插即用的方式進入微網，這極大的增加了系統的可操作性。

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