CN110518641A - 一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法，构造一种含有一级控制器和二级控制器的分布式分层控制器，并且将微电网建模为一个多智能体系统，每个分布式发电单元被视为一个多智能体系统中的跟随者，构造一个命令发生器视为多智能体中的领导者，从而将功率分配问题被制定为一个领导者‑跟随者的跟踪问题；通过一级控制器输入到本地的电压电流双环控制中控制逆变器，使功率按照预定比例分配，并使其发出的总功率满足预定的电力需求。本发明采用分布式控制器控制，微电网系统可快速达到稳定，并且功率实现合理分配，输出功率满足负载段所需总功率，具有很强的自适应性。

Description

一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体为一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法。

背景技术

随着清洁能源的发展，由于分布式发电电源(DGs)具有位置灵活、分散的特点极好地 适应了分散电力需求和资源分布的需求，因此分布式发电电源也得到了迅速的发展，但也伴 随着诸多需要解决的技术难题。IEEEP1547对分布式能源的做了规定:当电力系统发生故障时, 分布式发电电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大 电网与分布式电源间的矛盾,充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益,在本世 纪初,学者们提出了微电网的概念。微电网的出现为现代电力系统带来了新的机遇和挑战，在 过去二十年中得到了广泛的研究。微电网已经在许多方面展示了它们的能力，例如可再生能 源集成，电能质量改善，峰值需求减缓和能效提升。微电网通常以两种模式运行，即孤岛模 式和并网模式，当微电网以不同的模式运行时，分布式发电电源(DGs)有望实现不同的目 标。

在孤岛模式中，微电网与大电网断开连接。DG将协同工作以满足当地的电力需求，并 且保持频率、电压和功率的稳定性。在并网模式中，微电网被集成到大电网中，其母线电压 和频率都由大电网决定，所以在并网模式中所主要解决的技术问题是实现功率的稳定输出。 在微电网中DG可以分为不可调度的DG，例如光伏单元和风力涡轮机，和可调度的DG(DDG)， 例如燃料电池，微型涡轮机和储能单元。虽然不可调度的DG需要产生满负荷的电力，但DDG 应该协同控制，以满足某些高层次最优策略所预定的期望电力需求，旨在最小化成本或最大 化利润。根据一些预先指定的功率分配方案，DDG应该共同满足所需的功率需求。功率分配 问题逐渐成为研究的热点。

功率分配问题作为微电网控制的基本问题之一。该问题的解决方案分为两类，分别是基 于通信的方案和无通信方案。对于基于通信的方案，通常存在一个中央控制器，它先计划出 所有DG的发电量和控制信号作为全局信号传输到本地控制。对于无通信的方案，一般采用 的是下垂控制策略。下垂控制源于传统的电力系统控制。系统频率和电压都由所有DG共同 确定。由频率作为全局变量，因此可以精确地实现DG之间的有功功率分配。

对于上述基于通信的方案，不能自主地实现功率分配，需要由某些中央控制器预先计算 出参考信号，以分配其功率需求。当微电网的规模较小时，集中控制方案是可行的，其中一 个中央单元负责整个通信和计算任务。然而，当微电网的规模增加时，由于通信和计算成本 的显着增长，集中控制方案将不那么经济，并且消息传输会由于时滞影响微电网的稳定性。 对于上述基于下垂控制的无通信方案，由于总线电压在配电网络上变化并且不同步，因此无功功率分配的 性能并不总是令人满意。

目前急需一种即经济又可靠运行的控制方案使微电网在与大电网并网运行时维持稳定， 若一旦发生不稳定的情况，不仅会使微电网系统产生扰动，对大电网的成本损失更大。

解决并网交流微电网的功率分配问题，目前有提出分布式的控制方案，由两个控制级组 成。不足是在此项研究中的微电网中采用了一种十分理想和化简过的分布式发电电源的模型， 忽略了每个分布式发电电源的细节，若投入到实际中可能会因为分布式发电电源中参数的复 杂性而无法实现微电网的稳定运行。

术语解释：

微电网：微电网(Micro-Grid，MG)是由分布式发电单元(DistributedGenerators，DGs)、 负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。

分布式发电单元(DGs)：DGs可以是以新能源为主的多种能源形式，如光伏发电、风力发电、 水力发电、燃料电池、电动汽车电池等；在微电网中分布式发电单元应协同控制，以满足某 些高层次最优策略所计划的期望电力需求，这些策略旨在使成本最小化或利润最大化。

储能装置：储能装置可采用各种储能方式，包括物理储能、化学储能、电池储能等，用于新 能源发电的能量存储、负荷的削峰填谷等。

控制装置：由控制装置构成控制系统，实现分布式发电控制、储能控制、并离网切换控制、 微电网实时控制、微电网能量管理等。

交流微电网：微电网可以分为直流微电网和交流微电网：

1、直流微电网：分布式电源、储能装置、负荷等均连接至直流母线，直流网络再通过电力电 子逆变装置连接至外部交流电网。直流微电网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的 交流、直流负荷提供电能，分布式电源和负荷的波动可由储能装置在直流侧调节。

2、交流微电网：分布式电源、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线。目前交流 微电网仍然是微电网的主要形式。通过对PCC处开关的控制，可实现微电网并网运行与孤岛 模式的转换。

交直流混合微电网：既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直 接向直流负荷供电。

并网微电网：

微电网的运行模式可以分为：

1、并网运行：并网运行就是微电网与公用大电网相连，微网断路器闭合，与主网配电系统进 行电能交换。光伏系统并网发电。储能系统可进行并网模式下的充电与放电操作。并网运行 时可通过控制装置转换到离网运行模式。

2、离网运行：离网运行也称孤岛运行，是指在电网故障或计划需要时，与主网配电系统断开， 由DG、储能装置和负荷构成的运行方式。储能变流器PCS工作于离网运行模式为微网负荷 继续供电，光伏系统因母线恢复供电而继续发电，储能系统通常只向负载供电。

功率分配：各分布式电源之间的无功功率之间按照一定比例分配、有功功率之间按照一定比 例分配。本专利中所提出的功率共享基数m_i代表每个DG的能量容量与整个微电网总能量容 量之比或功率容量与整个微电网中总功率之比，即：

其中：p_ib表示第i个分布式发电单元的有功功率，Q_ib表示第i个分布式发电单元的无功功 率。

分布式分层协调控制：在微电网中，随着分布式发电单元接入微电网数量的增加,微电网系统 的稳定性受到了很大的影响，协调控制能够有效管理本地各个分布式电源和负荷，实现微电 网安全、可靠、稳定的运行。

分布式分层协调控制：目前最普遍使用的分层控制是三层控制结构。一次控制(底层控制) 也称为本地控制，工作在一个快速的时间尺度内，由各分布式发电单元进行本地的电流控制、 电压控制，实现局部的参考输出功率。二次控制就是通过数据采集系统，将各个分布式电源 的输出电压幅值，通过通讯手段将数据传到中央控制器(MCC)，由中央控制器(MCC)下发指令 到一次控制的各个分布式电源逆变器进行调节。第三层(顶层控制)为高层次最优策略，由 电网调度中心来控制，主要负责控制微电网和电网之间的协调运行，实现配电网管理和经济 运行的功能。在本立中不考虑顶层控制的设计。分层控制结构的具体实现有集中控制和分布 式控制两种。集中控制，主要是由中央控制器选择最优运行模式和协调控制底层单元工作， 中央控制器具有最高的控制权，由它对底层各个分布式电源下发运行任务，同时底层控制也 具备自主的控制能力。分布式控制，是指底层各个分布式电源具有更高的自主能力，可通过 多代理技术实现对微电网的协调控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种更为接近实际的微电网模型的交流微电网实 现功率分配的分布式分层协调控制方法。技术方案如下：

一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在微电网的每个分布式发电单元中设置二级分布式控制器，使其同时连接一级本 地控制和本地电压电流双环控制；每个二级分布式控制器的多智能体都与其相邻的二级多智 能体双向通信；

步骤2：通过期望电力需求和本地的功率输出反馈决定二级多智能体系统的领导者信息；

步骤3：确定二级多智能体系统的跟随者，根据多智能体的一致性算法，使跟随者逐渐跟 踪上领导者，并向分布式发电单元发送分布式信号；

步骤4：通过本地的功率输出反馈信息和跟随者发出的分布式信号来决定与跟随着对应的 二级分布式控制器的输出状态；

步骤5：由非线性方程反馈线性化得到一级控制器与二级分布式控制器的关系，由二级分 布式控制器的输出状态决定本地控制器的结构；

步骤6：通过一级控制器输入到本地的电压电流双环控制中控制逆变器，使功率按照预定 比例分配，并使其发出的总功率满足预定的电力需求。

本发明的有益效果是：

1)对于集中控制方案，中央控制器需要能够直接与各个DDG通信；在实际应用中，本发 明的方法是完全分布式的，DDGs和命令生成器只需要通过通信网络与相邻DDGs进行通信；

2)于集中控制方案，中央单元需要计算所有DDGs的本地参考功率输出；本发明的方法 命令生成器不需要确定任何DDG的本地参考功率输出；只需要测量通过与大电网母线连接点的电流就可以更新全局同步信号

3)在集中控制中，为了实现功率共享，所有DDGs的功率共享基数应由中央控制器预先 计算得出，以便合理分配功率需求；本发明的方法只要每个DDG都知道自己的功率共享基数就足够了，这使得所提出的控制方案具有即插即用的能力。

附图说明

图1为本发明的方案流程图。

图2为本发明基于多智能体的分布式协调控制网络示意图。

图3为本发明的以第i个分布式发电单元为例的单元系统动态模型图。

图4为本发明的以分布式发电单元i为例的分布式分层控制的具体流程示意图。

图5为本发明一级控制与二级控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明分布式分层控制的主要 体现是：把所有的DGs建模为一个多智能体系统，每个DGs都被视为一个智能体，将功率 分配问题转化为一个多智能体系统的跟踪问题。与现有的(领导者)leader-(跟随者)follower 多智能体系统中领导者系统是一个独立的系统不同，本文考虑的领导者系统的动力学状态与 跟随者的状态是相互关联的，而跟随者的状态要复杂得多。为了解决这一跟踪问题，提出了 本专利中的分布式分层控制方案，含有二级控制和一级控制。其中二次控制(第二层控制) 运行在一个较慢的时间尺度上，每个分布式发电单元通过通信网络与相邻的分布式发电单元 交换信息，得到一个全局的同步信号，根据这个信号，每个分布式发电单元的本地参考功率 输出按其功率共享基数的比例确定。一次控制(底层控制)，工作在一个快速的时间尺度内， 由各分布式发电单元进行本地的电流控制、电压控制，实现局部的参考输出功率。

本发明构造一种含有一级控制和二级控制的分布式分层控制器，并且将微电网建模为一 个多智能体系统，每个分布式发电单元被视为一个多智能体系统中的跟随者，构造一个命令 发生器视为多智能体中的领导者。从而将功率分配问题被制定为一个领导者-跟随者的跟踪问 题。该分布式分层控制方法的实现步骤如下：

步骤1：微电网的每一个分布式发电单元中都设置有二级分布式控制连接一个一级本地 控制和本地电压电流双环控制。每个二级多智能体都能与其相邻的二级多智能体通信，并且 这个信息是双向。整个二级多智能体系统的通信拓扑网络中不要求领导者直接与每个跟随者 有通信，只需含有生成树，因此多智能体的通信网络具有鲁棒性。

步骤2：通过某些高层次最优策略所预定的期望电力需求和本地的功率输出反馈首先决 定二级多智能体系统的领导者信息。

步骤3：二级多智能体系统的跟随者跟踪领导者，根据多智能体的一致性算法，跟随者 逐渐跟踪上领导者，每一个分布式发电单元得到分布式信号。

步骤4：第i个二级分布式控制器的输出状态由本地的功率输出反馈信息和步骤三中得到 的第i个跟随者发出的分布式信号来决定。(假设有N个分布式发电单元，i表示其中第i个 分布式发电单元)。

步骤5：由非线性方程反馈线性化可以得到一级控制器与二级控制器的关系，所以当步 骤四中得到了二级控制器，可以决定本地控制器的结构。

步骤6：一级控制器输入到本地电压电流双环控制中控制逆变器，从而使功率按照一定 比例合理分配，并使其发出的总功率满足以最小化成本或最大化利润为目标的高层次最优策 略预定的电力需求。

根据如图1所示的并联交流微电网，构建如图2所示的多智能体分布式协调控制网络。

本文考虑的微电网系统如图1所示，其中包含一组N个可调度的DG。每个框图包含一 个主电源(energy resource)和逆变器。此外，框图还包括一些本地控制器(controller)：电 流控制器和电压控制其。和功率计算器(Power calculation)。与微电网并联的大电网中的电 压和频率都该是刚性的，它们分别用V_m，ω_b表示。因此微电网与大电网连接点处总线电压和 频率也是刚性的并且分别等于V_m，ω_b。

根据图1构建图2所示的多智能体分布式协调控制网络。将整个微电网系统构造成一个 包含有两级控制的分布式控制网络，并且将微电网系统视作一个多智能体系统，其中本方案 中构造的命令发生器为领导者，二级分布式控制器为跟随者，构造一个多智能体的领导者- 跟随者的一致性算法，使得跟随者跟踪上领导者的状态。值得说明的是，在构建的多智能体 系统中的领导者命令生成器的状态由本地输出状态和某些高层次最优策略所预定的期望电力 需求和本地的功率输出反馈决定。其主要表达公式为：

Y₀表示命令生成器的输出信号，且 表示由某些高层次最优策略所预定 的期望电力需求，y_C表示本地的功率输出反馈。

在图2中以及步骤1中所知的分布式分层控制网络，其中一级控制为电气物理层控制， 主要由一个一级分布式控制器和本地电流电压双环控制构成，主要交换和测量的数据是电信 号，其内部结构如图4所示。二级控制为通信网络层面的控制，主要交换的是通信信号，其 中包括作为多智能体系统领导者的命令生成器，以及作为多智能体系统跟随者的二级控制器， 以及作为输入信号直接输入到一级控制中的分布式二级控制器。

一下描述均按照第i个分布式发电单元为情况进行说明。在多智能体系统中的领导者-跟踪 者的一致性问题可以表述为：随着t→0，η_i→η_j→Y₀,跟踪者跟 踪上领导者的信号。

并且在通信拓扑网络中不要求领导者知道所有跟踪者的状态，只需拓普网络含有生成树， 因此多智能体的通信网络具有鲁棒性，体现在微电网具有即插即用的功能。

说明，在步骤4中，与一级控制器直接相连接的二级分布式控制器表示为：

Y_i表示本地输出反馈，K_1i∈R^2×4，K_2i∈R^2×4的取值要求使得微电网动态方程的 系数矩阵构成一个Hurwitz矩阵即可。其中η_i为多智能体中跟踪者的输出信息。表示为：

其中P_ib和Q_ib分别表示为第i个分布式发电单元的额定有功功率和额定无功功率。

说明在步骤5中的，一级分布式控制器与二级分布式控制器的关系为：

这个关系是由微电网的非线性动态方程经过反馈线性化得到。其中，u_i表示一级分布式 控制器。反馈线性化的过程及其参数在后面会提出。

步骤6中的最后控制目标的实现，可以通过图3分析第i个分布式发电单元为例的单元 系统动态模型得出；可以获得在dq坐标下表示的第i个分布式发电单的动态特性方程。

测量微电网输出端母线上的电压和电流，经过计算得到功率，再经过一个低通滤波器后得到 第i个DG的有功功率P_i和无功功率Q_i

本地电压控制器的动态特性方程为：

本地电流控制器的动态特性方程为：

LC滤波器和系统输出的动态特性：

综合以上，第i个DG的完整动态特性方程可以变成以下形式：

y_i＝h_i(x_i) (5b)

其中f_i，k_i和g_i可以从(1)到(4)中得到；D_i代表一种已知的干扰；代表输出；x_i表示状态 向量并且

x_i＝[P_i，Q_i，φ_di，φ_qi，γ_di，γ_qi，i_ldi，i_lqi，v_odi，v_oqi，i_odi，i_oqi]^T

y_i＝col[P_i，Q_i]

将所有DG的总功率容量表示为：

本专利研究的技术是解决微电网的功率分配问题，在此定义一中功率分配基数，代表每个DG 的能量容量或功率容量。

其中P_ib，Q_ib是第i个DG的额定有功和额定无功功率。

定义一个M，表示微店中中有功功率总和和无功功率总和。

则功率分配基数表示为：

为有功功率和无功功率的标幺值。

本发明考虑的具体问题如下：

考虑一个微电网系统(5)，使得闭环系统内部稳定。

其中， 分别表示有功功率和无功功率的期望值，由高层次优化 控制决定。(第三层控制，在本发明中不考虑)。

根据步骤5中得到的一级分布式控制器u_i,输入到微电网非线性系统中，使得其输出y_i随 着时间的变化，跟踪上控制目标使得微电网系统稳定运行，并且使功率按照一定比例 合理分配，以及发出的总功率满足以最小化成本或最大化利润为目标的高层次最优策略预定 的电力需求。

下面对本发明提出的控制器设计提出进一步说明。

对于一级控制层面中，微电网中DG的动力学是非线性的如公式(5)所示，可能并不完 全相同，分析起来较为复杂，所以本专利中对该非线性系统进行了反馈线性化。对于(5)中第i个DG的动力学，在y_i的两次推导之后，得到y_i和u_i的二阶导数之间的直接关系如下：

其中F_i(x_i)展开表示为：F_i(x_i)＝f_i(x_i)+k_i(x_i)D_i.

其中：是h_i的李导数，表示为： 是关于的李导数，表示为：在此我们引入与一级分布式控制器直接相连接的二级分布式控制器v_i的设定，

然后可以得到一个二阶线性系统：

并且可以得到控制器u_i与v_i的关系如下：

从而我们可以知道设计一个合适的二级分布式控制器v_i可以得到一个一级分布式控制器u_i,从 而使得微电网的输出稳定且接近目标参数的值。

设计v_i的详细过程如下。首先，系统(7)可以写成：

等同于：

其中参数：

之后本专利将参考系统的动态特性重新定义为：

其中

并且

本发明的控制目标由之前非线性系统的跟踪问题变为线性系统的跟踪问题，称之为问题 1，通过公式表示为：

由

变为：

即系统(8)跟踪上系统(9)。对此，本专利设计了一个命令发生器(11)作为二级多智 能体系统的领导者，其信号可以是通过通信网络中的路径发送到每个DG：

其中θ为一个正常数。

并且该通信网络中存在根，也称一个图包含有生成树节点，存在从根节点到任何其他节 点的路径。

然后，可以将问题(1)一个线性系统的跟踪问题转换为领导者-跟随者多智能体系统 的跟踪问题(2)，其中领导者代表命令生成器(11)，跟随者代表每个分布式发电单元。

本专利可以得到一个结论：

在当非线性系统(5)通过反馈线性化转化成线性系统(8)的情况下，对该系统采用分 布式分级控制。其中在二级多智能体的系统中，设置一个命令生成器(11)作为领导者，每 个分布式发电单元在二级控制层面的信号η_i作为跟随者去跟踪领导者。当问题(2)实现便可 实现最终的控制目标：微电网系统稳定运行，并且使功率按照一定比例合理分配，以及发出 的总功率满足以最小化成本或最大化利润为目标的高层次最优策略预定的电力需求：

由变为实现:

这里总结为什么要进行问题转化：一是原来的微电网系统为非线性系统，微电网中的参 数分析起来较复杂。二是考虑到微电网要具有即插即用功能，整个微电网所带分布式发电单 元的功率会不断变化，因而导致m_i将变为一个不确定的值。所以将问题(1)转化成问题(2) 将更有利于问题的分析。转化为问题(2)表示，每个本地的输出量Y_i按照一定规则跟踪领导者Y₀。 因为Y₀为全局信号，的值能够跟随系统的变化，所以能够保证信息的传输以及有效性。

为解决问题(2)，本专利设计了一种新型的分布式分层控制方案，在二级控制分别设置 一个与一级控制直接相链接的二级控制器v_i,一个二级分布式辅助控制器η_i的输出为了多智能 体系统跟踪者的输出信号，辅助控制器的目的在于传输给上级的二级控制器全局信号的同步 信号。

使用内膜原理设计了二级控制器。通过内膜原理可知，

令

若能找到K_1i∈R^2×4和K_2i∈R^2×4，使得A_ci为一个Hurwitz矩阵。则二级分布式控制具有一下结构：

其中v_i＝[v_i1 v_i2]^T；Z_i∈R⁴，

并且辅助控制器具有以下结构：

其中μ_i＞0。

本发明所考虑的是包含一组空间集中的分布式发电单元的并网交流微电网的功率分配问 题，根据一些预先制定的功率分配基数，每个分布式发电单元之间应该按照分配的比例合理 的发出功率。这种微电网最典型的应用就是新兴的商用电池能量存储系统(BESS),BESS在 现代电力系统中发挥着重要作用，它在很多方面使电网受益，例如：负载平衡、电能质量改 进以及使可再生能源间歇性降低等等。在BESS中由于每个分布式电源的功率和能量有限， 所以需要分布式电源之间合理分配功率，否者或导致一些分布式电源过载一些又负载不足， 导致不良的不平衡的充电状态。

Claims (1)

1.一种交流微电网实现功率分配的分布式分层协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在微电网的每个分布式发电单元中设置二级分布式控制器，使其同时连接一级本地控制和本地电压电流双环控制；每个二级分布式控制器的多智能体都与其相邻的二级多智能体双向通信；

步骤2：通过期望电力需求和本地的功率输出反馈决定二级多智能体系统的领导者信息；

步骤3：确定二级多智能体系统的跟随者，根据多智能体的一致性算法，使跟随者逐渐跟踪上领导者，并向分布式发电单元发送分布式信号；

步骤4：通过本地的功率输出反馈信息和跟随者发出的分布式信号来决定与跟随着对应的二级分布式控制器的输出状态；

步骤5：由非线性方程反馈线性化得到一级控制器与二级分布式控制器的关系，由二级分布式控制器的输出状态决定本地控制器的结构；

步骤6：通过一级控制器输入到本地的电压电流双环控制中控制逆变器，使功率按照预定比例分配，并使其发出的总功率满足预定的电力需求。