CN106712085B - 一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法，其特点是，包括分布式电压、频率下垂控制器设计以及分布式电压、频率二级控制器设计，该方法基于输入/输出反馈线性化理论和一致性理论，将传统集中式分级控制策略转化为一个一阶线性多智能体系统的同步问题，进而弥补了下垂控制带来的电压、频率误差。该方法相比于传统集中式分级控制方法，没有中央控制器且使用了稀疏的通信网络进而极大地提高了系统的可靠性；而且该方法能适用于微网较为复杂网络拓扑结构，实现了微网即插即用的特点。

Description

一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控 制方法

技术领域

本发明涉及电力系统微网控制技术领域，是一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法。

背景技术

近年来，微网作为智能电网的重要组成部分得到了迅速发展，其运行模式一般分为并网模式、孤岛模式两类。正常情况下，微网以并网模式运行，与主网相连；当主网发生故障或有特殊运行要求的情况下，微网会脱离主网进入孤岛运行模式。微网在孤岛运行模式下，可通过下垂控制策略来调节微网的电压和频率。当负荷变化时，各分布式电源通过调节其电压和频率可使微网达到一个新的稳态工作点，进而实现功率的合理分配。但由于下垂控制是一种有差控制，负荷变化前后系统电压、频率会有所变化，如何弥补两者之间的误差，是亟需解决的重要问题之一。

目前集中式分级电压、频率控制方法在电压、频率调节领域应用比较广泛，该方法在对一级下垂控制进行改进的基础之上，利用二级控制改善了电压、频率的质量，但该法依旧存有误差，而且由于需要中央控制器和复杂的通信网络，其系统可靠性较低。随着多智能体系统控制理论的发展，其在电力系统运行控制中得到了广泛应用，基于多智能体系统的分布式控制方法能够更好实现网络中所有智能体的一致性，该法能够更好地改善微网电压和频率的质量，而且该控制方法由于使用稀疏的通信网络因而具有较高的可靠性。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可靠性高、电压及频率质量改善效果好的一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：

1)分布式电压一级下垂控制器设计

为了使第i个分布式电源的输出电压v_o,magi同步到参考电压v_ref，为下垂控制选择一个合适的电压控制输入量V_ni，分布式电压一级下垂控制器的设计步骤如下：

分布式电源的下垂特性可用下式表示：

v_odi＝V_ni-n_QiQ_i (1)

式中，Q_i表示第i个分布式电源输出的无功功率，v_odi是第i个分布式电源的输出电压v_o,magi的直轴分量。运用输入-输出反馈线性化理论，将式(1)等式两边分别微分，即：

式中，u_vi是辅助控制输入量。根据式(2)，分布式电压控制问题就转化为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现对v_odi的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_vi根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vi＝-c_ve_vi (4)

式中，c_v为控制增益；e_vi为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_vi具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考电压v_ref的值。

为保证分布式电源输出的无功功率按照下垂控制方法分配，即分布式电源输出的无功功率须满足下述两式：

n_Q1Q₁＝n_Q2Q₂＝…＝n_QiQ_i＝…＝n_QNQ_N (7)

式中，N为微网孤岛运行时分布式电源的数目；Q_max.i为第i个分布式电源的额定无功功率。由于分布式电压一级下垂控制系数n_Qi是根据各分布式电源的额定无功功率制定的，所以式 (6)等价于式(7)。

因此为了使分布式电压下垂控制方法满足式(6)和式(7)，需对式(2)中的引入附加的辅助控制输入量u_qi。由此，将分布式电压控制问题变成一个一阶线性多智能体系统的调节器同步问题：

为了实现同步，附加的辅助控制输入量u_qi须满足下式：

u_qi＝-c_qe_qi (9)

式中，c_q∈R为控制增益；e_qi是第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_qi具体表达式为：

综上，电压控制输入量V_ni设计为：

V_ni＝∫(u_vi+u_qi)dt (11)

2)分布式频率一级下垂控制器设计

分布式频率一级下垂控制的目标是使各分布式电源的频率同步到额定值，分布式频率一级下垂控制的控制方法按照下述两式分配有功功率：

m_P1P₁＝…＝m_PNP_N (13)

其中，m_pi表示第i个分布式电源的分布式频率一级下垂控制系数；P_maxi为第i个分布式电源的额定有功功率。

同上，将分布式电源频率下垂特性等式两边分别微分得：

其中，v_fi是辅助控制输入量。频率控制输入量ω_ni根据v_fi得到，即

w_ni＝∫v_fidt (15)

根据式(14)，分布式频率控制就转化为一阶线性多智能体系统的同步问题，即

为了实现对ω_ni的同步，辅助控制输入量v_fi的具体表达式为：

式中，c_fi是控制增益，固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考角频率ω_ref的值。

3)分布式电压二级控制器设计

为进一步改善电压质量，弥补分布式电压一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的电压变化量δV_ni同步到枢纽母线电压变化量δV_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δV_ni微分：

式中，u_vci是辅助控制输入量。据式(18)，分布式二级电压控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δV_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_vci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vci＝-c_vce_vci (20)

式中，c_vc为控制增益；e_vci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_vci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽电压变化量δV_ns的值。

由式(18)-式(21)即可得出：

δV_ni＝∫u_vcidt (22)

综上，结合分布式电压一级下垂控制器及分布式电压二级控制器，由式(11)和式(22) 即可得到新的电压控制输入量

4)分布式频率二级控制器设计

为进一步改善频率质量，弥补分布式频率一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的频率变化量δω_ni同步到枢纽母线频率变化量δω_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δω_ni微分：

式中，u_ωci是辅助控制输入量。据式(24)，分布式频率二级控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δω_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_ωci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_ωci＝-c_ωce_ωci (26)

式中，c_ωc为控制增益；e_ωci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_ωci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽频率变化量δω_ns的值。

由式(24)-式(27)即可得出：

δω_ni＝∫u_ωcidt (28)

综上，结合分布式频率一级下垂控制器及分布式频率二级控制器，由式(15)和式(28) 即可得到新的频率控制输入量

本发明是一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法，该法与现有集中式控制方法相比具有如下优点：

1.由于没有中央控制器和复杂的通信网络，且使用稀疏的通信网络结构进而具有更高的通信可靠性，可用于较为复杂的网状网络中；

2.该分布式控制方法的目的是实现网络中多个智能体系统的一致性，相较于集中式控制方法更易实现电压和频率的稳定，并能达到较好的电压及频率质量；

附图说明

图1是分布式电压一级下垂控制器的框图；

图2是分布式频率一级下垂控制器的框图；

图3是分布式电压二级控制器框图；

图4是分布式频率二级控制器框图；

图5是微网仿真模型；

图6是微网通信有向图；

图7是传统下垂控制频率仿真结果示意图；

图 8 是传统集中式分级控制频率仿真结果示意图；

图 9 是分布式一级控制频率仿真结果示意图；

图 10 是分布式二级控制频率仿真结果示意图；

图 11 是传统下垂控制电压仿真结果示意图；

图 12 是传统集中式分级控制电压仿真结果示意图；

图 13 是分布式一级控制电压仿真结果示意图；

图 14 是分布式二级控制电压仿真结果示意图。

具体实施方式

下面利用附图和算例对本发明作进一步说明。

本发明是通过下述技术方案实现的，具体措施为：

1)分布式电压一级下垂控制器设计

为了使第i个分布式电源的输出电压v_o,magi同步到参考电压v_ref，为下垂控制选择一个合适的电压控制输入量V_ni，分布式电压一级下垂控制器的设计步骤如下：

分布式电源的下垂特性可用下式表示：

v_odi＝V_ni-n_QiQ_i (1)

式中，Q_i表示第i个分布式电源输出的无功功率，v_odi是第i个分布式电源的输出电压v_o,magi的直轴分量。运用输入-输出反馈线性化理论，将式(1)等式两边分别微分，即

式中，u_vi是辅助控制输入量。根据式(2)，分布式电压控制问题就转化为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现对v_odi的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_vi根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vi＝-c_ve_vi (4)

式中，c_v为控制增益；e_vi为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_vi具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考电压v_ref的值。

为保证分布式电源输出的无功功率按照下垂控制方法分配，即分布式电源输出的无功功率须满足下述两式：

n_Q1Q₁＝n_Q2Q₂＝…＝n_QiQ_i＝…＝n_QNQ_N (7)

式中，N为微网孤岛运行时分布式电源的数目；Q_max.i为第i个分布式电源的额定无功功率。由于分布式电压一级下垂控制系数n_Qi是根据各分布式电源的额定无功功率制定的，所以式 (6)等价于式(7)。

因此为了使分布式电压下垂控制方法满足式(6)和式(7)，需对式(2)中的引入附加的辅助控制输入量u_qi。由此，将分布式电压控制问题变成一个一阶线性多智能体系统的调节器同步问题：

为了实现同步，附加的辅助控制输入量u_qi须满足下式：

u_qi＝-c_qe_qi (9)

式中，c_q∈R为控制增益；e_qi是第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_qi具体表达式为：

综上，电压控制输入量V_ni设计为：

V_ni＝∫(u_vi+u_qi)dt (11)

其分布式电压一级下垂控制器框图如图1所示。

2)分布式频率一级下垂控制器设计

分布式频率一级下垂控制的目标是使各分布式电源的频率同步到额定值，分布式频率一级下垂控制的控制方法按照下述两式分配有功功率：

m_P1P₁＝…＝m_PNP_N (13)

其中，m_pi表示第i个分布式电源的分布式频率一级下垂控制系数；P_maxi为第i个分布式电源的额定有功功率。

同上，将分布式电源频率下垂特性等式两边分别微分得：

其中，v_fi是辅助控制输入量。频率控制输入量ω_ni根据v_fi得到，即

ω_ni＝∫v_fidt (15)

根据式(14)，分布式频率控制就转化为一阶线性多智能体系统的同步问题，即

为了实现对ω_ni的同步，辅助控制输入量v_fi的具体表达式为：

式中，c_fi是控制增益，固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考角频率ω_ref的值。其分布式频率一级下垂控制器框图如图2所示。

3)分布式电压二级控制器设计

为进一步改善电压质量，弥补分布式电压一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的电压变化量δV_ni同步到枢纽母线电压变化量δV_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δV_ni微分：

式中，u_vci是辅助控制输入量。据式(18)，分布式二级电压控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δV_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_vci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vci＝-c_vce_vci (20)

式中，c_vc为控制增益；e_vci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_vci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽电压变化量δV_ns的值。

由式(18)-式(21)即可得出：

δV_ni＝∫u_vcidt (22)

综上，结合分布式电压一级下垂控制器及分布式电压二级控制器，由式(11)和式(22) 即可得到新的电压控制输入量

其分布式电压二级控制器如图3所示。

4)分布式频率二级控制器设计

为进一步改善频率质量，弥补分布式频率一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的频率变化量δω_ni同步到枢纽母线频率变化量δω_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δω_ni微分：

式中，u_ωci是辅助控制输入量。据式(24)，分布式频率二级控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δω_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系。辅助控制输入量u_ωci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_ωci＝-c_ωce_ωci (26)

式中，c_ωc为控制增益；e_ωci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差。

e_ωci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽频率变化量δω_ns的值。

由式(24)-式(27)即可得出：

δω_ni＝∫u_ωcidt (28)

综上，结合分布式频率一级下垂控制器及分布式频率二级控制器，由式(15)和式(28) 即可得到新的频率控制输入量

其分布式频率二级控制器如图4所示。

根据图5搭建仿真模型，母线Bus 1选为公共母线，仿真模型对应的通信有向图如图6所示。分布式电源、负荷以及线路参数见表1和表2。

表1微网仿真模型参数及分布式电源参数

表2负荷及线路参数

设计一种仿真场景并进行仿真分析，负荷2在0.6s时增加有功25kW和无功20kvar；将仿真模型中分布式电源的终端电压v_ref和角频率ω_ref分别设置为380V和314.16rad/s，对传统下垂控制方法、传统集中式分级控制方法以及分布式协同一级及二级控制方法的电压、频率仿真结果进行分析，四种控制方法的仿真结果如图7- 图14 所示。

由图7- 图14 知，负荷变化后，传统下垂控制方法中，DG3的电压为358V，其偏移量达到5.8％＞5％，不符合电压质量的要求，其频率质量虽然满足要求，但是误差较大，过渡过程较长；传统集中式控制方法中，虽能改善DG3的电压使其满足要求，但DG1和DG2的电压却达到400V，其偏移量虽降为5.3％＞5％，但电压质量仍不合格，不过其频率质量相较于下垂控制得到了明显的改善，但是过渡时间依然较长，稳定运行后有较细微的振荡；相比于上述两种方法，分布式协同一级及二级控制方法的频率质量得到明显的改善，在负荷变化前后均能保持为50Hz，而且过渡时间短，频率的质量误差基本为0。两种方法的电压质量也有明显地改善，前者能令DG3的电压稳定在366V，使其偏移量降到3.7％，后者则稳定在370V运行，偏移量降到2.6％，相比于传统下垂控制方法，其电压质量提高了2.7％，其他分布式电源的电压质量相比于传统集中式下垂及二级控制也得到了有效的改善，如DG1、DG2均能在负荷变化后以额定电压380V稳定运行，相比于传统集中式控制方法，将误差缩小到了0。

综上，通过对此场景的仿真结果进行分析，对传统集中式控制策略进行一致化改进后，该分布式协同一级及二级控制方法能改善DG的电压、频率质量，从而验证了所提方法的有效性。同时，采取分布式控制方法之后，提高了孤岛微网的可靠性。

Claims (1)

1.一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法，此控制方法如下所述：

1)分布式电压一级下垂控制器设计

为了使第i个分布式电源的输出电压v_o,magi同步到参考电压v_ref，为下垂控制选择一个合适的电压控制输入量V_ni，分布式电压一级下垂控制器的设计步骤如下：

分布式电源的下垂特性可用下式表示：

v_odi＝V_ni-n_QiQ_i (1)

式中，Q_i表示第i个分布式电源输出的无功功率，v_odi是第i个分布式电源的输出电压v_o,magi的直轴分量；运用输入-输出反馈线性化理论，将式(1)等式两边分别微分，即：

式中，u_vi是辅助控制输入量；根据式(2)，分布式电压控制问题就转化为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现对v_odi的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系；辅助控制输入量u_vi根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vi＝-c_ve_vi (4)

式中，c_v为控制增益；e_vi为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差；

e_vi具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考电压v_ref的值；

为保证分布式电源输出的无功功率按照下垂控制方法分配，即分布式电源输出的无功功率须满足下述两式：

n_Q1Q₁＝n_Q2Q₂＝…＝n_QiQ_i＝…＝n_QNQ_N (7)

式中，N为微网孤岛运行时分布式电源的数目；Q_max.i为第i个分布式电源的额定无功功率；由于分布式电压一级下垂控制系数n_Qi是根据各分布式电源的额定无功功率制定的，所以式(6)等价于式(7)；

因此为了使分布式电压下垂控制方法满足式(6)和式(7)，需对式(2)中的引入附加的辅助控制输入量u_qi；由此，将分布式电压控制问题变成一个一阶线性多智能体系统的调节器同步问题：

为了实现同步，附加的辅助控制输入量u_qi须满足下式：

u_qi＝-c_qe_qi (9)

式中，c_q∈R为控制增益；e_qi是第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差；

e_qi具体表达式为：

综上，电压控制输入量V_ni设计为：

V_ni＝∫(u_vi+u_qi)dt (11)

2)分布式频率一级下垂控制器设计

分布式频率一级下垂控制的目标是使各分布式电源的频率同步到额定值，分布式频率一级下垂控制的控制方法按照下述两式分配有功功率：

m_P1P₁＝…＝m_PNP_N (13)

其中，m_pi表示第i个分布式电源的分布式频率一级下垂控制系数；P_maxi为第i个分布式电源的额定有功功率；

同上，将分布式电源频率下垂特性等式两边分别微分得：

其中，v_fi是辅助控制输入量；频率控制输入量ω_ni根据v_fi得到，即：

ω_ni＝∫v_fidt (15)

根据式(14)，分布式频率控制就转化为一阶线性多智能体系统的同步问题，即：

为了实现对ω_ni的同步，辅助控制输入量v_fi的具体表达式为：

式中，c_fi是控制增益，固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取参考角频率ω_ref的值；

3)分布式电压二级控制器设计

为进一步改善电压质量，弥补分布式电压一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的电压变化量δV_ni同步到枢纽母线电压变化量δV_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δV_ni微分：

式中，u_vci是辅助控制输入量；据式(18)，分布式二级电压控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δV_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系；辅助控制输入量u_vci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_vci＝-c_vce_vci (20)

式中，c_vc为控制增益；e_vci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差；

e_vci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽电压变化量δV_ns的值；

由式(18)-式(21)即可得出：

δV_ni＝∫u_vcidt (22)

综上，结合分布式电压一级下垂控制器及分布式电压二级控制器，由式(11)和式(22)即可得到新的电压控制输入量

4)分布式频率二级控制器设计

为进一步改善频率质量，弥补分布式频率一级下垂控制器的误差，使各分布式电源的频率变化量δω_ni同步到枢纽母线频率变化量δω_ns，运用前述的输入-输出反馈线性化理论，将δω_ni微分：

式中，u_ωci是辅助控制输入量；据式(24)，分布式频率二级控制也变为一个一阶线性多智能体系统的跟踪同步问题：

为了实现δω_ni的同步，假设每个分布式电源可以在制定的有向通信图上和其他分布式电源互相联系；辅助控制输入量u_ωci根据每一个分布式电源及其在有向通信图上相邻的分布式电源的信息来确定：

u_ωci＝-c_ωce_ωci (26)

式中，c_ωc为控制增益；e_ωci为第i个分布式电源与其相邻的第j个分布式电源间的跟踪误差；

e_ωci具体表达式为：

固定增益g_i≥0且至少有一个分布式电源能获取枢纽频率变化量δω_ns的值；

由式(24)-式(27)即可得出：

δω_ni＝∫u_ωcidt (28)

综上，结合分布式频率一级下垂控制器及分布式频率二级控制器，由式(15)和式(28)即可得到新的频率控制输入量

由1)、2)、3)、4)即可得到一种基于多智能体系统的孤岛微网电压/频率分布式二级控制方法。