基于多智能體系統(tǒng)的智能微網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略

馬經(jīng)緯，王曉梅，陳淼，馬文華，李杰

（1.國網(wǎng)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(wǎng)分布式電源的應(yīng)用不僅能夠提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，同時，更有利于節(jié)能減排。目前，針對微網(wǎng)中分布式電源的研究正逐漸成為國內(nèi)外學術(shù)研究的熱點。智能微網(wǎng)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(wǎng)即微網(wǎng)的智能化，通過采用先進的電力技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)在實現(xiàn)微網(wǎng)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，滿足微網(wǎng)對未來電力、能源、環(huán)境和經(jīng)濟的更高發(fā)展需求[4-6]。智能微網(wǎng)作為新的能源利用形式，不僅能與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，還可以脫離大電網(wǎng)孤島運行[5-8]。因此，如何對智能微網(wǎng)內(nèi)部的多個DG進行有效控制，確保微網(wǎng)在不同運行模式下安全穩(wěn)定運行，已成為國內(nèi)外微網(wǎng)研究的熱點[6-11]。

大多數(shù)DG及儲能裝置通過電力電子接口接入微網(wǎng)，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(wǎng)逆變器控制技術(shù)的研究已取得很多成果，分散控制和集中控制是微網(wǎng)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(wǎng)提出的控制方法，是一種無通信互連線的控制技術(shù)[9]。然而，對于簡單的微網(wǎng)，分散控制策略能夠通過上層的能量管理系統(tǒng)來維持微網(wǎng)穩(wěn)定，但對于分布式電源滲透率逐漸增加，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來越復雜，分散控制由于缺少單元系統(tǒng)之間的配合溝通，導致微網(wǎng)受到擾動時，電壓和頻率出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。而集中控制策略的原理是根據(jù)系統(tǒng)全局信息，由中心控制器統(tǒng)一控制各單元系統(tǒng)，對于結(jié)構(gòu)簡單的系統(tǒng)，該方法非常有效。同樣，當面對結(jié)構(gòu)復雜的網(wǎng)絡(luò)時，其建模維數(shù)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(yōu)缺點，因此基于多智能體系統(tǒng)的分散協(xié)調(diào)控制方法應(yīng)運而生[10-13]。

本文以采用雙環(huán)下垂控制的逆變器型微源為研究對象，在分析VSI數(shù)學簡化模型和協(xié)調(diào)控制通用模型的基礎(chǔ)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(wǎng)運行時電壓頻率一致、切換運行模式時調(diào)節(jié)電壓頻率與大電網(wǎng)一致），設(shè)計了基于多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）的分散控制策略，該策略將多智能體系統(tǒng)構(gòu)建為3層：協(xié)調(diào)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(chǔ)上，仿真驗證了所提控制策略在微網(wǎng)孤網(wǎng)、并網(wǎng)和切換3種模式下的有效性。

1 問題描述

1.1 數(shù)學模型分析

在本文中VSI采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案，如圖1所示。雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小，非線性負載適應(yīng)能力加強。采用雙環(huán)控制方案的VSI的數(shù)學模型可簡寫為

式中：xi是第i個VSI的內(nèi)部狀態(tài)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(xié)調(diào)控制的通用模型[5，10]為

圖1 采用雙環(huán)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)示意圖Fig.2 Diagram of smart micro-grid based on decentralized control method

1.2 系統(tǒng)控制對象

該控制系統(tǒng)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(shù)學表達式為

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

在電網(wǎng)的某些運行狀態(tài)下，大電網(wǎng)和微網(wǎng)之間通過公共連接點（point of common coupling，PCC）的變壓器存在一定數(shù)量的功率交換[14-19]。然而，由于沒有大數(shù)據(jù)和控制中心的支持，再加上大多數(shù)以可再生能源作為一次能源的微源的發(fā)電量具有天然的波動性，因此這里的功率交換并不是可調(diào)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(wǎng)中的VSI與另一個VSI的電壓相接近，這使得智能電網(wǎng)中的無功功率流動減少。如圖2所示，重連大電網(wǎng)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(shù)學描述如下：

式中：VPCC,VMG分別代表公共連接點和大電網(wǎng)的電壓。

將所有VSI的頻率調(diào)整為ωref來匹配公共連接點和大電網(wǎng)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(wǎng)的相角。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

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

微網(wǎng)中分布式電源大部分是基于電力電子技術(shù)的逆變型電源，多智能體系統(tǒng)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(tǒng)的目標是將復雜的微網(wǎng)系統(tǒng)歸納為小的、彼此互相通信和協(xié)調(diào)的、易于管理的系統(tǒng)；面對微網(wǎng)中的多個逆變型電源，則需要協(xié)調(diào)控制器對若干個智能體進行協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)的過程是一個多目標決策的過程，也是一個全局優(yōu)化的過程，主要是提高微電源對微網(wǎng)負荷變化的響應(yīng)性和微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，以滿足微網(wǎng)在并網(wǎng)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(wǎng)運行的穩(wěn)定性[27-32]。

本文中設(shè)計了基于多智能體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，該策略的結(jié)構(gòu)與通用的微網(wǎng)3層控制結(jié)構(gòu)相類似，主控制層包括一級控制器，主要作用為處理本地節(jié)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(yīng)輸出功率的突變，通過模擬傳統(tǒng)發(fā)電機的下垂特性實現(xiàn)電壓和頻率的有差調(diào)節(jié)，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(qū)動信號，實現(xiàn)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(xié)調(diào)控制層的數(shù)據(jù)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(tǒng)微網(wǎng)3層控制結(jié)構(gòu)中的二級控制器的功能類似，都是實現(xiàn)電壓和頻率的無差調(diào)節(jié)，通過積分運算得到主控制層中下垂控制策略中的參數(shù)，實現(xiàn)下垂特性的動態(tài)調(diào)節(jié)。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(xiàn)積分運算，最后將運算結(jié)果返回至主控器的下垂控制方程中。

協(xié)調(diào)控制層的主要作用為：接受來自鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)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(tài)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(wǎng)的3種運行狀態(tài)：孤網(wǎng)、并網(wǎng)和切換，所以本文的第三層控制策略綜合了傳統(tǒng)微網(wǎng)的二級和三級控制的功能：設(shè)置并網(wǎng)運行時PCC聯(lián)絡(luò)線輸出功率參考值，調(diào)整孤網(wǎng)運行時每個DG的輸出功率參考值，設(shè)定下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點和分配比例系數(shù)。協(xié)調(diào)控制層通過接收相鄰節(jié)點的信息，并通過DSP程序編程處理后將運算結(jié)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(yīng)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(fā)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(tǒng)穩(wěn)定性的含義是指系統(tǒng)在受到某種擾動后返回穩(wěn)態(tài)的性能。二級控制器的作用是微網(wǎng)受到擾動后使頻率和電壓恢復常態(tài)，從而使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。它通常通過通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)該控制，是電力系統(tǒng)全局穩(wěn)定性的保障。

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

2.1 控制器設(shè)計

實時的調(diào)整式（10）和式（11）中的參數(shù)是本控制系統(tǒng)的研究目標，并使得系統(tǒng)在3種工作模式下均能夠滿足式（4）中的約束條件?；谶@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(shù)的結(jié)構(gòu)，使得這些參數(shù)能夠像本地參數(shù)一樣調(diào)節(jié)本地的VSI，如圖3所示。利用接收到的數(shù)據(jù)，與本地數(shù)據(jù)一起協(xié)調(diào)控制本地主控制器，如圖4所示。在設(shè)計本控制系統(tǒng)時，使用如下的假設(shè)[5，9]：

圖3 本地控制器結(jié)構(gòu)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(shè)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(tài)參數(shù)，由協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)的拉普拉斯矩陣。P,Q,ω,Vd表示控制器的狀態(tài)向量，定義如下：

式中：BP,BQ,Bω,Bd為協(xié)調(diào)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(guān)鍵點的協(xié)調(diào)控制器時，則bi=1；其他情況bi=0。在并網(wǎng)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(guān)鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關(guān)鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關(guān)鍵點，則，否則為 0。

如果第i個VSI接收的控制信號來自于關(guān)鍵點，則，否則為0。

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

由于孤島運行模式通常發(fā)生在大電網(wǎng)的有源配電網(wǎng)故障時，因此此時的大電網(wǎng)往往處于非常態(tài)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(guān)鍵點的有功和無功功率則變?yōu)?，大電網(wǎng)的d軸電壓，。同時，關(guān)鍵點對某VSI發(fā)出控制信號，若第i個VSI接收到關(guān)鍵點的控制信號則，否則為0。而在重新返回并網(wǎng)運行模式時，需要調(diào)整微網(wǎng)的電壓幅值、相角和頻率與大電網(wǎng)一致，為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)一致，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的輸入量：

將式（20）代入式（16c）中，則能實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)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(shè)某微網(wǎng)的兩微源最大有功功率輸出分別為，與大電網(wǎng)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(wǎng)中總負荷為電網(wǎng)運行人員設(shè)定交換功率的期望值從1 pu變?yōu)?，即希望增加微網(wǎng)中微源的發(fā)電量，減少交換功率，并假設(shè)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(shù)，如圖5所示，為該仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)交流示意圖。

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

通信頻率為5 Hz并假設(shè)網(wǎng)絡(luò)無時滯。實驗假設(shè)存在5個分布式電源，初始狀態(tài)為并網(wǎng)運行狀態(tài)，t=1 s時大電網(wǎng)發(fā)生了故障，微網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開，轉(zhuǎn)入孤島運行模式，t=30 s時大電網(wǎng)恢復，系統(tǒng)進入切換模式重新接入大電網(wǎng)。故障發(fā)生前后的電氣參數(shù)如表2所示。

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

并網(wǎng)運行模式下，也就是0≤t＜1時，SMG的電壓和頻率均受大電網(wǎng)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(wǎng)供給。

t=1 s時刻故障發(fā)生，1 s＜t＜30 s時間內(nèi)微網(wǎng)轉(zhuǎn)換成孤島模式，通過PCC的功率變?yōu)?，即Ptr=0。據(jù)式（15a）和式（15b），系統(tǒng)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(xié)調(diào)控制器起到二級控制器的作用，調(diào)整系統(tǒng)的頻率和電壓，使其逐漸增加至平衡點。相比于并網(wǎng)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(wǎng)的較高的傳輸損耗有關(guān)。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(wǎng)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(wǎng)在故障消除后的頻率被設(shè)定為49.9 Hz。圖7所示為PCC與大電網(wǎng)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(wǎng)電壓在微網(wǎng)與大電網(wǎng)重新連接后基本一致，均為0.95 pu，如表2所示。

圖6 5個節(jié)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(jié)點利用率變化曲線圖Fig.8 The curve of utilization rate change at each node

圖9 總發(fā)電功率和經(jīng)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(chǎn)生于孤島模式下是相同的，因為在此模式下在智能微網(wǎng)和大電網(wǎng)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(jié)點功率曲線圖Fig.10 The curves of the power of each node

圖11 五個節(jié)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(jié)語

本文提出了在3種運行模式下，智能微網(wǎng)的協(xié)調(diào)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(tǒng)中，分布式協(xié)調(diào)控制使用了二級和三級控制器來調(diào)整主控制器的動態(tài)參數(shù)。仿真結(jié)果表明：提出的方法能夠在給定時間內(nèi)分配與其發(fā)電能力成比例的發(fā)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(wěn)定智能微網(wǎng)的頻率和電壓，通過不斷的調(diào)整，使得每個逆變器輸出頻率和電壓不斷接近期望值；調(diào)整后的頻率和電壓能達到并網(wǎng)的要求。

本文提出的分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)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(xié)調(diào)控制方法下的微網(wǎng)，分布式電源能夠以即插即用的方式進入微網(wǎng)，這極大的增加了系統(tǒng)的可操作性。

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