CN114552664B - 一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法 - Google Patents

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CN114552664B CN202210444294.1A CN202210444294A CN114552664B CN 114552664 B CN114552664 B CN 114552664B CN 202210444294 A CN202210444294 A CN 202210444294A CN 114552664 B CN114552664 B CN 114552664B
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Abstract

本发明公开了一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，该方法首先建立多微网优化协调运行控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系；然后利用双层有向图表示各代理之间的通信网络；最后根据双层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略：下层控制利用一致性算法通过信息迭代修正下垂控制参数，实现分布式电源输出电压、频率的二次控制以及功率均分；上层控制用以调节网间功率互济，使多微网系统在不同情况下的运行更加合理。本发明不仅综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互问题，还通过对多微网运行工况的划分，满足了各子微网运行的独立性和个性化需求。

Description

一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法
技术领域
本发明涉及多微网优化协调控制领域，尤其涉及一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法。
背景技术
在碳中和背景下的电力清洁低碳化将加快推动传统电力系统积极向以可再生能源为主体的新型电力系统发展，利用这些可再生能源以及本地化石燃料进行发电供能的技术称为分布式发电，所述分布式发电技术目前得到广泛应用，新型电力系统中会有大量分布式电源DG接入。传统电力系统依靠集中式电能调度架构对电能进行管理，由于分布式发电在地理位置上呈现分散特征，所以大规模分布式电源(Distributed Generation, DG)接入会使配电网从辐射状结构转变为多电源结构，改变配电网中的潮流分布，所以导致传统的集中式电能调度架构不再适用于新型电力系统。微电网(Microgrid, MG)作为DG与配电网之间的枢纽，是推动电力系统转型、实现可再生能源高效利用的重要方式；在这样的背景下需要微电网MG将这些分布式电源DG进行就地整合，形成一个自治系统，发挥分布式电源DG的最高效能；同时，一定区域内多个临近的微电网可互联形成多微网系统。在互联运行模式下，临近的微电网可以协同运行并且相互支撑，大大提升了系统可再生能源的消纳水平和相互间的供电可靠性。然而与单个微电网相比，多微网系统的结构更加复杂，微电网间存在更多的功率、信息交互，如何综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间灵活、合理的功率交互仍是亟待解决的关键问题。
近年来，有相关研究将集中式方法和分散式方法应用于多微网的运行控制中。集中式控制虽然能够实现整个系统的全局可观，但过于依赖中央控制器，单点故障会降低系统的可靠性；分散式控制虽然可靠性高，但仅仅依赖局部信息无法实现全局优化。分布式控制能够解决集中式与分散式控制的不足，由于其仅依靠局部信息交互即可实现分布式电源DG间的协调运行，在微电网领域中逐渐得到广泛应用。在多微网的分布式控制研究中，文献[何红玉, 范丽, 韩蓓, 等.基于一致性协议的多微网协调控制[J]. 电网技术, 2017, 41(4): 1269-1276]设计双层一致性算法，即微电网间基于一致性算法实现功率分配，DG之间基于一致性算法实现调频调压，维持多微网电压、频率稳定；文献[于国星, 宋蕙慧, 侯睿,等. 柔性直流互联孤岛微网群的分布式频率协同控制[J].电力系统自动化, 2020, 44(20): 103-111.]使微电网间的换流器参与到分布式信息交互中，网内DG只需跟踪换流器即可恢复频率；文献[LAI Jingang, LU Xiaoqing, YU Xinghuo, et al. Cluster-Oriented distributed cooperative control for multiple AC microgrids[J]. IEEETransactions on Industrial Informatics, 2019, 15(11): 5906-5918.]将多微网系统映射为网间和网内双层稀疏通信网络，网间控制实现多微网的功率分配并向每个微电网提供电压、频率参考值，网内控制负责调节各DG的输出电压和频率；文献[GONG Pingping, LUZiguang, LIN Jingyu, et al. Distributed secondary control based on clusterconsensus of inhibitory coupling with power limit for isolated multi-microgrid[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2019, 13(18): 4114−4122.]及文献[LIU Wei, GU Wei, XU Yinliang, et al. General distributedsecondary control for multi-microgrids with both PQ-controlled and droop-controlled distributed generators [J]. IET Generation, Transmission andDistribution, 2017, 11(3): 707-718.]提出分组一致性控制策略，该策略能够达到多目标一致状态，实现不同微电网内的功率分配。但是，在现有的这些多微网分布式控制策略中，当系统内某个节点功率变化时，在一致性协议的作用下，所有节点都会参与调节，这会增加控制器的计算任务，并且无法顾及子微网的独立性以及个性化需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，综合考虑多微网中各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互控制问题，通过对多微网运行工况的划分，能够兼顾运行时子微网的独立性以及个性化需求，在维持各子微网的电压、频率稳定的同时实现网间灵活、合理的功率交互。
本发明所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其中所述多 微网系统包含M个微电网MG，第k个子微网MG k 包含m k 个分布式电源DG，k∈N MG={1, ... , M}；第k个子微网MG k 中的第i个分布式电源DG表示为DG k,i ，
Figure 915142DEST_PATH_IMAGE001
；多微网 中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代理系统实现；所述控制方法包括以 下步骤：
步骤1、建立多微网系统优化协调控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系；
步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络；
步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略。
进一步的，所述的步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网系统的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点PCC实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节：
Figure 458381DEST_PATH_IMAGE002
(1)
Figure 362752DEST_PATH_IMAGE003
(2)
式中，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源DG k,i 的输出频率、电压；
Figure 384060DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 323066DEST_PATH_IMAGE005
为下垂控制的频率、电压参考值；
Figure 771627DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 163294DEST_PATH_IMAGE007
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure 988293DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 781806DEST_PATH_IMAGE009
为分布式电源DG k,i 的输出有功功率、输出无功功率。
进一步的，所述的步骤2具体包括：
下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG 对应，称为DG代理，利用下层有向图
Figure 272041DEST_PATH_IMAGE010
表示各DG代理之间的通信拓扑，其 中非空节点集
Figure 885425DEST_PATH_IMAGE011
表示DG代理集合，与分布式电源DG k,i 对应的DG 代理称为DG k,i 代理；
Figure 248536DEST_PATH_IMAGE012
表示边集；
Figure 630976DEST_PATH_IMAGE013
为邻接矩阵，a k,ij 表示DG k,i 代理与DG k,j 代理之间通信权重；若
Figure 421339DEST_PATH_IMAGE014
，表示DG k,j 代理向DG k,i 代理 传递信息，则a k,ij > 0，否则a k,ij =0；此外a k,ii =0；DG k,i 代理采集分布式电源DG k,i 的运行状态 信息，将该信息与DG k,j 代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DG k,i 下垂控制的设定 值指令；
上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图
Figure 787599DEST_PATH_IMAGE015
表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V up={v 1, v 2, …, v M }对应PCC代理集合，与第k个子微网MG k 的PCC节点PCC k 对应的PCC代理称为PCC k 代理；
Figure 954400DEST_PATH_IMAGE016
表示边集；
Figure 722505DEST_PATH_IMAGE017
为邻接矩阵，
Figure 418191DEST_PATH_IMAGE018
表示PCC k 代理与 PCC s 代理之间通信权重；若
Figure 881533DEST_PATH_IMAGE019
，表示PCC s 代理向PCC k 代理传递信息，则
Figure 84981DEST_PATH_IMAGE020
， 否则
Figure 943478DEST_PATH_IMAGE021
；PCC k 代理接收来自下层有向图
Figure 574180DEST_PATH_IMAGE022
中所有DG代理采集到的状态信息，并将该 信息与PCC s 代理进行交互。
进一步的，步骤3中，根据下层有向图表示的通信网络设计基于下层有向图
Figure 885337DEST_PATH_IMAGE022
的 下层控制，控制目标为：
Figure 892477DEST_PATH_IMAGE023
(3)
Figure 730114DEST_PATH_IMAGE024
(4)
Figure 531716DEST_PATH_IMAGE025
(5)
Figure 849610DEST_PATH_IMAGE026
(6)
式中：w n、U n为频率、电压额定值，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源 DG k,i 的输出频率、电压；
Figure 129282DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 696792DEST_PATH_IMAGE028
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure 544662DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 328947DEST_PATH_IMAGE030
为DG k,i 的输 出有功功率、输出无功功率。
进一步的，所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：
1) 频率控制器和有功控制器
基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导：
Figure 913774DEST_PATH_IMAGE031
(7)
令频率控制辅助变量
Figure 99905DEST_PATH_IMAGE032
；有功控制辅助变量
Figure 744775DEST_PATH_IMAGE033
；
MG k 中各分布式电源DG代理按照
Figure 281936DEST_PATH_IMAGE022
表示的通信网络进行信息交互，利用自身以 及相邻代理的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示：
Figure 795088DEST_PATH_IMAGE034
(8)
Figure 835725DEST_PATH_IMAGE035
(9)
式中，
Figure 385918DEST_PATH_IMAGE036
为MG k 的频率控制增益；当分布式电源DG k,i 代理有额定信号输入时，g k,i =1，否则g k,i =0；
Figure 144795DEST_PATH_IMAGE037
为MG k 的有功控制增益；
综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)-式(9)可修正下垂控制频率参考值：
Figure 445326DEST_PATH_IMAGE038
(10)；
2) 电压观测器
电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值：
Figure 107514DEST_PATH_IMAGE039
(11)
式中，
Figure 592722DEST_PATH_IMAGE040
为分布式电源DG k,i 利用电压观测器获取的输出电压观测值；
3）电压控制器和无功控制器
基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导：
Figure 871519DEST_PATH_IMAGE041
(12)
令电压控制辅助变量
Figure 100375DEST_PATH_IMAGE042
；无功控制辅助变量
Figure 363209DEST_PATH_IMAGE043
；
基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示：
Figure 19318DEST_PATH_IMAGE044
(13)
Figure 113307DEST_PATH_IMAGE045
(14)
式中，
Figure 145854DEST_PATH_IMAGE047
为MG k 的电压控制增益；
Figure 782634DEST_PATH_IMAGE048
为MG k 的无功控制增益；
综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)-式(14)可修正下垂控制电压参考值：
Figure 344065DEST_PATH_IMAGE049
(15)。
进一步的，步骤3中，根据上层有向图表示的通信网络设计基于上层有向图G up的上层控制，PCC代理接收来自DG代理的状态信息，将多微网系统划分为两种运行工况：
1）工况1：各子微网独立运行
工况1的判定条件为：
Figure 66296DEST_PATH_IMAGE050
(16)
式中，
Figure 246742DEST_PATH_IMAGE051
为MG k 中的负荷功率；
Figure 970984DEST_PATH_IMAGE052
为DG k,i 的有功最大容量；
工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；
2) 工况2：子微网间功率互济
工况2的判定条件为：
Figure 470361DEST_PATH_IMAGE053
(17)
工况2下，多微网系统内存在某个子微网MG l 内的分布式电源DG都按照最大容量输出，还是无法满足负荷需求，与子微网MG l 的PCC节点PCC l 对应的PCC l 代理与上层有向图G up中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网系统进入功率互济模式：
首先PCC k 代理获取MG k 的初始剩余可用容量信息，MG k 的剩余可用容量定义为：
Figure 37477DEST_PATH_IMAGE054
(18)
式中，
Figure 647712DEST_PATH_IMAGE055
为MG k 的初始剩余有功容量；
然后计算MG l 的缺额功率P lack的数值为：
Figure 757620DEST_PATH_IMAGE056
(19)
为了简化分析，假设上述缺额功率P lack由多微网系统中除MG l 之外的所有其他子微网供电，即MG l 的缺额功率由MG k (k=1, ... , l-1, l+1, ... , M)提供，MG k 提供的功率P k,PCC为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE057
(20)
最后，根据功率平衡有：
Figure 286952DEST_PATH_IMAGE058
(21)
上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MG k (k=1, ... , l-1, l+1,... , M)按自身剩余可用容量承担MG l 的缺额功率，即：
Figure 92097DEST_PATH_IMAGE059
(22)。
进一步的，所述上层控制基于目标(22)，根据上层有向图G up表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：
Figure 506023DEST_PATH_IMAGE060
(23)
PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：
Figure 204858DEST_PATH_IMAGE061
(24)
在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应 使
Figure 299898DEST_PATH_IMAGE062
满足：
Figure 451393DEST_PATH_IMAGE063
(25)
因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DG k,i 的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；
Figure 793644DEST_PATH_IMAGE064
(26)
式中，
Figure 346985DEST_PATH_IMAGE065
(27)。
本发明的有益效果为：本发明所述的方法针对多微网中各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互控制问题，提出基于双层有向图的优化协调控制架构，即将多微网系统与双层有向图建立对应关系，利用双层有向图表示的通信网络分别设计控制策略；下层控制利用一致性算法通过信息迭代修正下垂控制参数，实现分布式电源输出电压、频率的二次控制以及功率均分；上层控制用以调节网间功率互济，利用PCC代理接收DG代理的状态信息，以此划分多微网的运行工况，使各子微网能够应对功率变化时保持运行的独立性，使多微网系统在不同情况下的运行更加合理。本发明不仅综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互问题，还通过对多微网运行工况的划分，当某个微电网产生功率缺额时，其余子微网根据自身剩余可用容量提供功率支撑，满足了各子微网运行的独立性和个性化需求。
附图说明
图1是多微网优化协调运行控制架构；
图2是功率互济示意图；
图3是多微网控制流程图；
图4是多微网分布式控制框图；
图4（a）是图4中无功功率互济和无功/电压控制的局部结构示意图；
图4（b）是图4中有功功率互济和有功/频率控制局部结构示意图；
图4（c）是图4中DG输出控制局部结构示意图；
图5是本发明实施例中多微网仿真模型；
图6是本发明实施例中各代理间通信网络；
图7是本发明实施例中算例1仿真结果示意图，其中图7（a）是DG输出频率示意图，图7（b）是DG输出电压示意图，图7（c）是DG输出有功示意图，图7（d）是DG输出无功示意图，图7（e）是PCC节点功率示意图；
图8是本发明实施例中算例2仿真结果示意图，其中图8（a）是DG输出频率示意图，图8（b）是DG输出电压示意图，图8（c）是DG输出有功示意图，图8（d）是DG输出无功示意图，图8（e）是PCC节点功率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例中，所述多微网系统包含M个微电网MG，第k个子微网MG k 包含m k 个分 布式电源DG，k∈N MG={1, ... , M}；第k个子微网MG k 中的第i个分布式电源DG表示为DG k,i ，
Figure 624645DEST_PATH_IMAGE001
；多微网中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代 理系统实现。
本发明所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立多微网系统优化协调控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系。
如图1所示，所述步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网系统的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点（PCC）实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节：
Figure 529016DEST_PATH_IMAGE002
(1)
Figure 284745DEST_PATH_IMAGE003
(2)
式中，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源DG k,i 的输出频率、电压；
Figure 567958DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 515055DEST_PATH_IMAGE005
为下垂控制的频率、电压参考值；
Figure 142607DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 466141DEST_PATH_IMAGE007
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure 761119DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 144695DEST_PATH_IMAGE009
为分布式电源DG k,i 的输出有功功率、输出无功功率。
步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络。
所述的步骤2具体包括：
下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG 对应，称为DG代理，利用下层有向图
Figure 259544DEST_PATH_IMAGE010
表示各DG代理之间的通信拓扑，其 中非空节点集
Figure 121190DEST_PATH_IMAGE011
表示DG代理集合，与分布式电源DG k,i 对应的DG 代理称为DG k,i 代理；
Figure 5094DEST_PATH_IMAGE012
表示边集；
Figure 418627DEST_PATH_IMAGE013
为邻接矩阵，a k,ij 表示DG k,i 代理与DG k,j 代理之间通信权重；若
Figure 32491DEST_PATH_IMAGE014
，表示DG k,j 代理向DG k,i 代理 传递信息，则a k,ij > 0，否则a k,ij =0；a k,ii 与a k,ij 都是上述邻接矩阵A k 中的元素，a k,ij 为非对 角线元素，表示DG k,i 代理与DG k,j 代理之间通信权重；a k,ii 为对角线元素，表示DG k,i 代理与 DG k,i 代理之间的通信权重；因为DG k,i 代理无法与自身通信，所以a k,ii 并没有实际意义，在一 致性理论中默认a k,ii 取0。
DG k,i 代理采集分布式电源DG k,i 的运行状态信息，将该信息与DG k,j 代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DG k,i 下垂控制的设定值指令。
上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图
Figure 432248DEST_PATH_IMAGE015
表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V up={v 1, v 2, …, v M }对应PCC代理集合，与第k个子微网MG k 的PCC节点PCC k 对应的PCC代理称为PCC k 代理；
Figure 436238DEST_PATH_IMAGE016
表示边集；
Figure 240246DEST_PATH_IMAGE017
为邻接矩阵，
Figure 828223DEST_PATH_IMAGE018
表示PCC k 代理与 PCC s 代理之间通信权重；若
Figure 267556DEST_PATH_IMAGE019
，表示PCC s 代理向PCC k 代理传递信息，则
Figure 890168DEST_PATH_IMAGE020
， 否则
Figure 756755DEST_PATH_IMAGE021
；PCC k 代理接收来自下层有向图
Figure 956661DEST_PATH_IMAGE022
中所有DG代理采集到的状态信息，并将该 信息与PCC s 代理进行交互。
步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略。
所述步骤3中，所述分布式控制策略包括基于下层有向图
Figure 199686DEST_PATH_IMAGE022
设计的下层控制和 基于上层有向图G up设计的上层控制；
1）下层控制
下层控制目标是将各子微网内每一个DG k,i 的输出频率w k,i 都恢复至额定值，并实现DG间精确的有功、无功按比例分配，但是由于各分布式电源DG线路阻抗不匹配，DG在按比例进行无功分配时不能保证输出电压都恢复到额定值，所以电压控制目标折中为各DG输出电压的平均值达到额定值，综上，控制目标为：
Figure 676803DEST_PATH_IMAGE023
(3)
Figure 979871DEST_PATH_IMAGE024
(4)
Figure 276860DEST_PATH_IMAGE025
(5)
Figure 431898DEST_PATH_IMAGE026
(6)
式中：w n、U n为频率、电压额定值，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源 DG k,i 的输出频率、电压；
Figure 264987DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 971912DEST_PATH_IMAGE028
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure 257662DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 465658DEST_PATH_IMAGE030
为DG k,i 的输 出有功功率、输出无功功率。
所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：
1-1) 频率控制器和有功控制器
基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导：
Figure 141535DEST_PATH_IMAGE031
(7)
令频率控制辅助变量
Figure 550520DEST_PATH_IMAGE032
；有功控制辅助变量
Figure 323566DEST_PATH_IMAGE033
；
MG k 中各DG代理按照
Figure 945040DEST_PATH_IMAGE022
表示的通信网络进行信息交互，利用自身以及相邻代理 的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示：
Figure 595464DEST_PATH_IMAGE034
(8)
Figure 676815DEST_PATH_IMAGE035
(9)
式中，
Figure 435692DEST_PATH_IMAGE036
为MG k 的频率控制增益；当分布式电源DG k,i 代理有额定信号输入时，g k,i =1，否则g k,i =0；
Figure 362322DEST_PATH_IMAGE037
为MG k 的有功控制增益；
综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)-式(9)可修正下垂控制频率参考值：
Figure 382100DEST_PATH_IMAGE066
(10)
1-2) 电压观测器
电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值：
Figure 634352DEST_PATH_IMAGE039
(11)
式中，
Figure 287050DEST_PATH_IMAGE040
为分布式电源DG k,i 利用电压观测器获取的输出电压观测值；
1-3) 电压控制器和无功控制器
基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导：
Figure 814109DEST_PATH_IMAGE041
(12)
令电压控制辅助变量
Figure 94917DEST_PATH_IMAGE042
；无功控制辅助变量
Figure 252491DEST_PATH_IMAGE043
；
基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示：
Figure 985961DEST_PATH_IMAGE044
(13)
Figure 785552DEST_PATH_IMAGE045
(14)
式中，
Figure 920867DEST_PATH_IMAGE047
为MG k 的电压控制增益；
Figure 261061DEST_PATH_IMAGE048
为MG k 的无功控制增益；
综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)-式(14)可修正下垂控制电压参考值：
Figure 216248DEST_PATH_IMAGE049
(15)。
2）上层控制
上层控制实现的是对整个多微网系统的全局调控，控制目标在于：第一，各子微网内部能够应对功率变化时保持独立运行，当某个子微网内部DG出力不足时由其他子微网提供功率支撑，发挥多微网功率互济的优势；第二，在进行功率互济时，考虑其他子微网的剩余可用容量，合理的分配功率；PCC代理会接收来自DG代理的状态信息；基于上述目的，将多微网系统划分为以下两种运行工况。因本发明根据子微网内DG输出能否满足负荷需求对多微网系统进行运行工况划分，即有功无功都能满足负荷需求以及有功无功都无法满足负荷需求两种情况，所以无功分析和有功完全相同，在此仅从有功功率的角度对运行工况进行描述，把符号P换成Q即可得到无功功率的分析。
2-1）工况1：各子微网独立运行
工况1的判定条件为：
Figure 147426DEST_PATH_IMAGE050
(16)
式中，
Figure 402827DEST_PATH_IMAGE051
为MG k 中的负荷功率；
Figure 902203DEST_PATH_IMAGE052
为DG k,i 的有功最大容量；
工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；
2-2) 工况2：子微网间功率互济
工况2的判定条件为：
Figure 344686DEST_PATH_IMAGE053
(17)
工况2下，多微网系统内存在某个子微网MG l 内的分布式电源DG都按照最大容量输出，还是无法满足负荷需求，与子微网MG l 的PCC节点PCC l 对应的PCC l 代理与上层有向图G up中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网系统进入功率互济模式：
首先PCC k 代理获取MG k 的初始剩余可用容量信息，MG k 的剩余可用容量定义为：
Figure 954921DEST_PATH_IMAGE054
(18)
式中，
Figure 330408DEST_PATH_IMAGE055
为MG k 的初始剩余有功容量；
然后计算MG l 的缺额功率P lack的数值为：
Figure 266265DEST_PATH_IMAGE056
(19)
为了简化分析，假设上述缺额功率P lack由多微网系统中除MG l 之外的所有其他子微网供电，即MG l 的缺额功率由MG k (k=1, ... , l-1, l+1, ... , M)提供；如图2所示，MG k 提供的功率P k,PCC为经由PCC节点传递到MG l ，P k,PCC的数值为：
Figure 196044DEST_PATH_IMAGE057
(20)
最后，根据功率平衡有：
Figure 983871DEST_PATH_IMAGE058
(21)
上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MG k (k=1, ... , l-1, l+1,... , M)按自身剩余可用容量承担MG l 的缺额功率，即：
Figure 184171DEST_PATH_IMAGE060
(22)
基于目标(22)，根据上层有向图G up表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：
Figure 258306DEST_PATH_IMAGE060
(23)
PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：
Figure 176846DEST_PATH_IMAGE061
(24)
在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应 使
Figure 752052DEST_PATH_IMAGE062
满足：
Figure 72437DEST_PATH_IMAGE063
(25)
因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DG k,i 的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；
Figure 583053DEST_PATH_IMAGE064
(26)
式中，
Figure 977170DEST_PATH_IMAGE065
(27)。
上述分布式控制策略的流程图如图3所示。
结合下层控制的频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器、无功控制器以及上层控制的功率互济控制器，多微网分布式控制框图如图4、图4（a）-图4（c）所示。
下面例举一个实施例对本发明所述的方法进行说明。
本实施例在MATLAB/Simulink软件中建立了包含3个微电网的多微网系统，系统结构如图5所示。代理之间的通信网络基于MATLAB/Simulink中的一个模块S-Function建模，代理之间的通信网络如图6所示。系统的额定频率和额定电压分别为314rad/s和380V。各DG的下垂系数、最大功率以及其他系统参数如表1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE068
针对孤岛多微网系统发生负荷变化的情况进行仿真，验证本发明方法的控制效果。本实施例设定算例1和算例2两个仿真算例。
1）算例1：各子微网独立运行
算例1中下各子微网有能力应对网内功率变化，PCC代理之间不进行信息交互，各子微网保持独立运行。该工况下MG1&2&3的初始负荷如表1所示，假设2.5s时MG2内的负荷增加至10kW+5kVar，5.5s时恢复至5kW+2.5kVar，8s时仿真结束。仿真结果如图7（a）-图7（e）所示。
图7（a）-图7（b）表明当微电网内功率变化时，DG的输出频率和电压会由于一次下垂控制的影响而产生变化，但经过本发明所设计的控制策略调节后，所有DG的输出频率、输出电压的平均值在短时间内能够恢复至额定值。从图7（c）-图7（d）可以看到，MG1内的DG按2:1的比例均分有功、无功功率；MG3内的DG按6:3:2的比例均分有功、无功功率；MG2内的DG按3:2的比例均分有功、无功功率，在2.5s负荷增加后，MG2内的DG的输出也相应增加，最终输出仍然满足3:2。
算例1中PCC节点处功率大小如图7（e）所示。由于MG2内的DG有能力应对功率变化，所以三个微电网都保持独立运行，相互之间没有功率支撑，即PCC节点处的功率为0。
2）算例2：子微网间功率互济
算例2为功率互济模式，MG1&2&3的初始负荷与算例1相同，2s时MG2内的负荷增加至10kW+5kVar，4s时继续增加至25kW+12.5kVar，6s时恢复至10kW+5kVar，8s时仿真结束。仿真结果如图8（a）-图8（e）所示。
图8（a）)-图8（b）表明在功率互济模式下，各DG的输出频率、输出电压的平均值都能维持在额定值。从图8（c）-图8（d）可以看到，4s后MG2内的负荷功率超出了DG最大容量总和，此时MG2内DG都以最大容量输出：P 2,1=9kW、Q 2,1=6kVar、P 2,1=6kW、Q 2,1=4.5kVar；MG2在4-6s内的缺额功率大小为10kW+5kVar，PCC代理之间交互功率缺额信息，由MG1和MG3提供功率支撑。
首先由图8（c）-图8（d）得到4s时MG1和MG3的初始剩余可用容量分别为18kW+9kVar、22kW+11kVar。功率互济模式下多微网系统达到新的稳态时流过PCC节点的功率如图8（e）所示，MG1和MG3提供的功率支撑约为4.5kW+2.25kVar和5.5kW+2.75kVar，该功率支撑之比与剩余可用容量之比相近，并且MG1和MG3内DG的输出仍然满足2:1、6:3:2。
从本实施例可以看出，采用本发明所提方法能够对多微网系统进行有效的优化协调运行控制，各分布式电源输出电压平均值和频率能恢复至额定值，并实现有功、无功的按比例分配。网间灵活合理的功率互济既能保证各子微网的独立性也能满足不同子微网的个性化需求。
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其特征在于，所述多微网包含M个微电网MG，第k个子微网MG k 包含m k 个分布式电源DG，k∈N MG={1, ... , M}；第k个子微网MG k 中的第i个分布式电源DG表示为DG k,i ，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；多微网中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代理系统实现；所述控制方法包括以下步骤：
步骤1、建立多微网优化协调控制架构，将多微网与双层有向图建立对应关系；
步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络；
步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略；
所述的步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点PCC实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节：
Figure 714467DEST_PATH_IMAGE002
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(2)
式中，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源DG k,i 的输出频率、电压；
Figure 792233DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为下垂控制的频率、电压参考值；
Figure 544288DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure 553701DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为分布式电源DG k,i 的输出有功功率、输出无功功率；
所述的步骤2具体包括：
下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG对应，称为DG代理，利用下层有向图
Figure 820735DEST_PATH_IMAGE010
表示各DG代理之间的通信拓扑，其中非空节点集
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示DG代理集合，与分布式电源DG k,i 对应的DG代理称为DG k,i 代理；
Figure 957318DEST_PATH_IMAGE012
表示边集；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为邻接矩阵，a k,ij 表示DG k,i 代理与DG k,j 代理之间通信权重；若
Figure 314612DEST_PATH_IMAGE014
，表示DG k,j 代理向DG k,i 代理传递信息，则a k,ij > 0，否则a k,ij =0；此外a k,ii =0；DG k,i 代理采集分布式电源DG k,i 的运行状态信息，将该信息与DG k,j 代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DG k,i 下垂控制的设定值指令；
上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V up={v 1, v 2,…, v M }对应PCC代理集合，与第k个子微网MG k 的PCC节点PCC k 对应的PCC代理称为PCC k 代理；
Figure 245659DEST_PATH_IMAGE016
表示边集；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为邻接矩阵，
Figure 186939DEST_PATH_IMAGE018
表示PCC k 代理与PCC s 代理之间通信权重；若
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，表示PCC s 代理向PCC k 代理传递信息，则
Figure 923951DEST_PATH_IMAGE020
，否则
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；PCC k 代理接收来自下层有向图
Figure 385019DEST_PATH_IMAGE022
中所有DG代理采集到的状态信息，并将该信息与PCC s 代理进行交互；
步骤3中，根据下层有向图表示的通信网络设计基于下层有向图
Figure 503279DEST_PATH_IMAGE022
的下层控制，控制目标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(3)
Figure 682588DEST_PATH_IMAGE024
(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(5)
Figure 957711DEST_PATH_IMAGE026
(6)
式中：w n、U n为频率、电压额定值，w k,i 、U k,i 为第k个子微网MG k 中第i个分布式电源DG k,i 的输出频率、电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 788133DEST_PATH_IMAGE028
为有功下垂系数、无功下垂系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 60982DEST_PATH_IMAGE030
为DG k,i 的输出有功功率、输出无功功率；
所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：
1) 频率控制器和有功控制器
基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
(7)
令频率控制辅助变量
Figure 478319DEST_PATH_IMAGE032
；有功控制辅助变量
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
MG k 中各分布式电源DG代理按照
Figure 494817DEST_PATH_IMAGE022
表示的通信网络进行信息交互，利用自身以及相邻代理的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示：
Figure 992794DEST_PATH_IMAGE034
(8)
Figure DEST_PATH_IMAGE035
(9)
式中，
Figure 951392DEST_PATH_IMAGE036
为MG k 的频率控制增益；当分布式电源DG k,i 代理有额定信号输入时，g k,i =1，否则g k,i =0；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为MG k 的有功控制增益；
综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)-式(9)可修正下垂控制频率参考值：
Figure 839714DEST_PATH_IMAGE038
(10)
2) 电压观测器
电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
(11)
式中，
Figure 722219DEST_PATH_IMAGE040
为分布式电源DG k,i 利用电压观测器获取的输出电压观测值；
3) 电压控制器和无功控制器
基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
(12)
令电压控制辅助变量
Figure 757259DEST_PATH_IMAGE042
；无功控制辅助变量
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示：
Figure 637490DEST_PATH_IMAGE044
(13)
Figure DEST_PATH_IMAGE045
(14)
式中，
Figure 262376DEST_PATH_IMAGE046
为MG k 的电压控制增益；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为MG k 的无功控制增益；
综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)-式(14)可修正下垂控制电压参考值：
Figure 620676DEST_PATH_IMAGE048
(15)；
步骤3中，根据上层有向图表示的通信网络设计基于上层有向图G up的上层控制，PCC代理接收来自DG代理的状态信息，将多微网划分为两种运行工况：
1）工况1：各子微网独立运行
工况1的判定条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
(16)
式中，
Figure 781661DEST_PATH_IMAGE050
为MG k 中的负荷功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为DG k,i 的有功最大容量；
工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；
2) 工况2：子微网间功率互济
工况2的判定条件为：
Figure 832794DEST_PATH_IMAGE052
(17)
工况2下，多微网内存在某个子微网MG l 内的分布式电源DG都按照最大容量输出，还是无法满足负荷需求，与子微网MG l 的PCC节点PCC l 对应的PCC l 代理与上层有向图G up中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网进入功率互济模式：
首先PCC k 代理获取MG k 的初始剩余可用容量信息，MG k 的剩余可用容量定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
(18)
式中，
Figure 944975DEST_PATH_IMAGE054
为MG k 的初始剩余有功容量；
然后计算MG l 的缺额功率P lack的数值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
(19)
为了简化分析，假设上述缺额功率P lack由多微网中除MG l 之外的所有其他子微网供电，即MG l 的缺额功率由MG k (k=1, ... , l-1, l+1, ... , M)提供，MG k 提供的功率P k,PCC为：
Figure 106966DEST_PATH_IMAGE056
(20)
最后，根据功率平衡有：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
(21)
上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MG k (k=1, ... , l-1, l+1, ... ,M)按自身剩余可用容量承担MG l 的缺额功率，即：
Figure 168463DEST_PATH_IMAGE058
(22)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其特征在于，所述上层控制基于目标(22)，根据上层有向图G up表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
(23)
PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：
Figure 141229DEST_PATH_IMAGE060
(24)
在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应使
Figure DEST_PATH_IMAGE061
满足：
Figure 491439DEST_PATH_IMAGE062
(25)
因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DG k,i 的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
(26)
式中，
Figure 706389DEST_PATH_IMAGE064
(27)。
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