基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者一致性的大規(guī)模微電網(wǎng)智能協(xié)同分層控制

宮晶贏 丁惜瀛 畢明濤

基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者一致性的大規(guī)模微電網(wǎng)智能協(xié)同分層控制

宮晶贏1丁惜瀛1畢明濤2

（1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110870；2. 遼寧清原抽水蓄能有限公司，遼寧 撫順 113300）

針對(duì)微電網(wǎng)布局分散、難以集中協(xié)調(diào)控制，且運(yùn)行期間母線電壓存在嚴(yán)重脆弱性的問題，以微源并網(wǎng)逆變控制器作為智能體，以電能質(zhì)量指標(biāo)為一致性目標(biāo)，構(gòu)建微電網(wǎng)協(xié)同分層控制結(jié)構(gòu)，底層采用下垂控制調(diào)節(jié)負(fù)荷變化引起的電壓偏差，上層以逆變器輸出電壓為一致性目標(biāo)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化各微源的電壓給定值，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及母線電壓控制精度。針對(duì)弱電網(wǎng)狀態(tài)下的電壓波動(dòng)與畸變問題，采用基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制策略，提高弱電網(wǎng)狀態(tài)下系統(tǒng)對(duì)非線性參數(shù)的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓的魯棒控制。最后，通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)驗(yàn)證方法的有效性。

多智能體；一致性；弱電網(wǎng)；微電網(wǎng)

0 引言

微電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致集中式控制越來越困難，基于多智能體系統(tǒng)（multi-agent system, MAS）的分布式一致性算法逐漸成為了研究熱 點(diǎn)[1-4]。集中式控制依賴中央控制器實(shí)現(xiàn)微源功率、電壓、頻率及負(fù)荷消耗的集中優(yōu)化，完成對(duì)分布式微源控制器的調(diào)控，系統(tǒng)通信及數(shù)據(jù)處理量大、魯棒性差[5-7]的問題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰?；贛AS的分布式控制利用相鄰智能體的局部通信代替中央控制器，通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠有效避免單點(diǎn)故障，可靠性更高。

大規(guī)模微電網(wǎng)布局分散，輸電線路過長(zhǎng)，高壓遠(yuǎn)距離外送消納，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱[8-10]。輸電線路過長(zhǎng)還會(huì)出現(xiàn)環(huán)流問題[11]。弱電網(wǎng)狀態(tài)下用戶側(cè)負(fù)荷通常是離網(wǎng)或弱并網(wǎng)的狀態(tài)，系統(tǒng)供電能力不足，并且微源側(cè)的時(shí)變非線性線路阻抗嚴(yán)重降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。弱電網(wǎng)環(huán)境下負(fù)荷的切入與切除會(huì)帶來并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)與畸變[12-13]，采用下垂控制難以抑制大幅波動(dòng)的局限性造成系統(tǒng)存在失穩(wěn)可能。

文獻(xiàn)[14]采用一種基于虛擬電容補(bǔ)償?shù)募?jí)聯(lián)型有源電力濾波器控制策略，提升了系統(tǒng)在線路阻抗不一致和負(fù)荷變化時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的抵抗電網(wǎng)電壓干擾能力。文獻(xiàn)[15-16]提出基于虛擬電阻的下垂控制方法，無需通信，即插即用，但由于存在分布不均的線路阻抗，無法同時(shí)滿足均流精度及母線電壓要求。

針對(duì)弱電網(wǎng)下系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，文獻(xiàn)[17]選擇對(duì)逆變器的并聯(lián)等效輸出阻抗進(jìn)行重塑，使電網(wǎng)阻抗寬范圍變化時(shí)始終能夠保持逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)具有恒定的穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[18-20]提出一種基于瞬時(shí)無功功率理論的光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，該控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能，提高了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，但其未考慮公共連接點(diǎn)（point of common coupling, PCC）電壓穩(wěn)定問題。

本文針對(duì)電能遠(yuǎn)距離輸送導(dǎo)致的電壓偏離額定值問題，提出基于誤差迭代的微電網(wǎng)電壓協(xié)同分層控制策略。在多智能體微電網(wǎng)中，分布式微源與相鄰微源進(jìn)行通信并接收電壓信息，采用誤差迭代一致性算法自動(dòng)修正下垂控制的參考電壓，使各微源輸出電壓趨于一致，滿足容量合理分配及母線電壓要求，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)弱電網(wǎng)狀態(tài)下的電壓波動(dòng)與畸變問題，提出基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制，引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者提供電壓基準(zhǔn)值，微源電壓收斂于電壓基準(zhǔn)，提高一致性控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)變化的自適應(yīng)能力及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 微電網(wǎng)多智能體模型建立

大規(guī)模微電網(wǎng)系統(tǒng)的微源并網(wǎng)調(diào)控目標(biāo)集中但控制器分散。

以包含五個(gè)微源的微電網(wǎng)為例，以并網(wǎng)逆變器為單元構(gòu)建微電網(wǎng)多智能體模型如圖1所示，每個(gè)微源逆變器的控制器作為一個(gè)智能體，各智能體之間是獨(dú)立的，但相鄰智能體之間可以相互通信、相互協(xié)調(diào)。

圖1 微電網(wǎng)多智能體模型

傳統(tǒng)的下垂控制通過采集微源端口電壓和頻率進(jìn)行計(jì)算來完成對(duì)逆變器的控制，微源之間沒有通信。但當(dāng)出現(xiàn)局部故障或過載時(shí)，下垂特性會(huì)引起電壓或頻率的偏差，需要通過上層分布式協(xié)同控制來修正偏差，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。

在上層控制中以逆變器輸出電壓為一致性目標(biāo)，動(dòng)態(tài)更新下垂控制參考電壓值，減小多微源的電壓偏差，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

2 基于誤差迭代的微電網(wǎng)電壓協(xié)同分層控制策略

采用如圖2所示的基于誤差迭代的電壓協(xié)同分層控制框圖。底層的微源內(nèi)部采用下垂控制；上層基于誤差迭代的電壓協(xié)同控制中，通過一致性協(xié)同控制器得到微源逆變器輸出電壓與鄰居電壓后送入各智能體控制器得到新的電壓值，并送回對(duì)應(yīng)微源中，自動(dòng)修正電壓的參考值。

圖2 基于誤差迭代的電壓協(xié)同分層控制框圖

2.1 多智能體微電網(wǎng)底層下垂控制

由式（4）可知，各微源輸出的無功功率與線路阻抗、母線電壓和下垂系數(shù)有關(guān)。

2.2 多智能體微電網(wǎng)基于誤差迭代的電壓協(xié)同控制

寫成矩陣形式為

引入誤差以改善電壓協(xié)同控制的迭代性能，即

則式（5）更新為

3 基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制

3.1 弱電網(wǎng)等效模型建立

圖3 弱電網(wǎng)工況下的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于時(shí)變非線性線路阻抗的影響，微源處于弱電網(wǎng)狀態(tài)，公共連接點(diǎn)電壓對(duì)于微源的擾動(dòng)、逆變器端電壓的擾動(dòng)及負(fù)荷的擾動(dòng)變得特別敏感。當(dāng)用電負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響各微源的輸出功率，從而導(dǎo)致微源與母線連接的并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值發(fā)生變化，隨后PCC的電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)逐漸失穩(wěn)。

3.2 基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制

圖4 基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的一致性跟蹤控制框圖

引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者后的誤差為

4 仿真

用Matlab/Simulink軟件搭建微電網(wǎng)仿真模型，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示，對(duì)微電網(wǎng)的五個(gè)微源進(jìn)行電壓仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證策略針對(duì)不同工況的有效性。

4.1 基于誤差迭代的微電網(wǎng)電壓協(xié)同分層控制策略有效性驗(yàn)證及分析

表1 微源參數(shù)

本文采用如圖1所示的通信結(jié)構(gòu)，鄰接矩陣為

可以看出各微源的鄰居數(shù)均為2，則有

通過兩個(gè)仿真案例來證明電壓一致性算法針對(duì)線路中負(fù)荷不同造成的電壓偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的有效性。

1）仿真案例1：正常運(yùn)行

仿真時(shí)長(zhǎng)為4s，得到正常運(yùn)行時(shí)各微源電壓如圖5所示，其中圖5（a）為傳統(tǒng)下垂控制下的各微源電壓運(yùn)行結(jié)果，圖5（b）為采用基于誤差迭代的電壓協(xié)同控制的各微源電壓運(yùn)行結(jié)果。由圖5可以看出，正常運(yùn)行時(shí)，基于誤差迭代的電壓協(xié)同控制可以修正傳統(tǒng)下垂控制的電壓偏差，使各微源的電壓在額定范圍內(nèi)趨于一致。

2）仿真案例2：負(fù)荷突增

仿真時(shí)長(zhǎng)為4s，其中0～2s正常運(yùn)行，各微源參數(shù)與仿真案例1相同，容量均為4kW，負(fù)荷為15kW，2s時(shí)并入一個(gè)5kW的負(fù)荷，得到負(fù)荷突增時(shí)各微源電壓如圖6所示。

圖5 正常運(yùn)行時(shí)各微源電壓

圖6 負(fù)荷突增時(shí)各微源電壓

由圖6可以看出，當(dāng)負(fù)荷突增時(shí)，下垂控制仍然存在較大的電壓偏差，基于誤差迭代的電壓協(xié)同控制可以修正下垂控制中的電壓偏差，自動(dòng)更新負(fù)荷變化后的電壓參考值，維持系統(tǒng)穩(wěn)定并提高系統(tǒng)的智能性。

4.2 弱電網(wǎng)工況下基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制策略驗(yàn)證及分析

1）仿真案例1：弱電網(wǎng)工況下一般運(yùn)行

圖7為弱電網(wǎng)狀態(tài)下電壓波形，可以看出在可變電感作用下，各微源電壓出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，無領(lǐng)導(dǎo)者的電壓協(xié)同控制下，每一時(shí)刻微源的參考電壓不斷波動(dòng)，無法平衡。

圖7 弱電網(wǎng)狀態(tài)下電壓波形

一致性跟蹤控制引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者，通信拓?fù)淙鐖D8所示。

圖8 引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的通信拓?fù)?/p>

對(duì)應(yīng)的領(lǐng)導(dǎo)者矩陣為

弱電網(wǎng)工況下引入虛擬領(lǐng)導(dǎo)者，仿真時(shí)間為4s，弱電網(wǎng)工況下一般運(yùn)行時(shí)各微源電壓如圖9所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制可以使各微源電壓跟隨電壓基準(zhǔn)值，從而抑制弱電網(wǎng)帶來的電壓波動(dòng)。

2）仿真案例2：弱電網(wǎng)工況下負(fù)荷突增

仿真時(shí)長(zhǎng)為2s，其中0～1s正常運(yùn)行，各微源參數(shù)與弱電網(wǎng)工況案例1相同，容量均為4kW，負(fù)荷為15kW，1s時(shí)并入一個(gè)5kW的負(fù)荷，得到弱電網(wǎng)工況下負(fù)荷突增時(shí)各微源電壓如圖10所示。圖10（a）為下垂控制下各微源電壓幅值情況，圖10（b）為一致性跟蹤控制下各微源的電壓幅值情況。

圖10 弱電網(wǎng)工況下負(fù)荷突增時(shí)各微源電壓

由圖10可以看出，弱電網(wǎng)工況負(fù)荷的切入會(huì)使微源逆變器端電壓幅值發(fā)生波動(dòng)且偏離額定電壓幅值，采用基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制策略可以使各微源電壓趨于一致并收斂于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者提供的電壓基準(zhǔn)值。結(jié)果表明，系統(tǒng)在弱電網(wǎng)工況下出現(xiàn)負(fù)荷突變時(shí)仍能維持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對(duì)負(fù)荷變化時(shí)采用傳統(tǒng)下垂控制會(huì)產(chǎn)生電壓偏差的問題提出了基于誤差迭代的電壓協(xié)同分層控制策略，針對(duì)清潔能源滲透率高帶來的弱電網(wǎng)問題進(jìn)行建模并提出了基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制策略。最后通過仿真證明了方法的可行性。

1）誤差迭代一致性算法可以消除傳統(tǒng)下垂控制由線路阻抗帶來的電壓偏差問題，使各微源在額定范圍內(nèi)逐漸趨于一致，保證了母線電壓的穩(wěn)定和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且在負(fù)荷突增的情況下依然有效。同時(shí)也采用了局部通信，大大地減小了通信壓力。

2）基于虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的誤差迭代一致性跟蹤控制避免了弱電網(wǎng)狀態(tài)下各微源的參考電壓不斷變化的現(xiàn)象，由虛擬領(lǐng)導(dǎo)者提供電壓基準(zhǔn)值并使微源不斷跟蹤，有效抑制了弱電網(wǎng)帶來的電壓波動(dòng)，保證電壓的平穩(wěn)和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

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Intelligent collaborative hierarchical control of large-scale microgrid based on virtual leader uniformity

GONG Jingying1DING Xiying1BI Mingtao2

(1. Shenyang University of Technology, Shenyang 110870; 2. Liaoning Qingyuan Pumped Storage Co., Ltd, Fushun, Liaoning 113300)

In order to solve the problem that the layout of microgrid is too decentralized to conduct centrally coordinate control, and the bus voltage is seriously vulnerable during operation, the inverter controller of each micro source is used as an agent to build a multi-agent system of microgrid, where the intelligent cooperative hierarchical control structure of microgrid is constructed with the power quality index as the consistency goal. Droop control is used in the bottom layer to control the voltage deviation caused by the uneven power distribution leading by the load change. The upper layer takes the inverter output voltage as the consistency goal, dynamically optimizes the voltage setting value of each micro source, and greatly reduces the voltage deviation of multiple micro sources. Aiming at the problem of voltage fluctuation and distortion in weak current grid, the grid voltage deviation is taken as the consistency target, where the error iterative consistency tracking control based on virtual leader is adopted, and the micro source continuously tracks the voltage reference value to reduce the voltage fluctuation. Finally, the effectiveness of the method is verified by Matlab/Simulink simulation platform.

multi-agent; uniformity; weak grid; microgrid

2021-10-09

2021-10-20

宮晶贏（1997—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磁c分布式發(fā)電。