孤立微电网分布式协同频率控制

摘要

随着微电网（Microgrids，MGs）和主动配电网（Active distribution networks，ADNs）技术的快速发展，在未来的电网中将会频繁出现以独立自治或脱网孤立运行为特征的微电网形态。孤立微电网是一个具有高随机性、低抗干扰性、拓扑结构易变、运行工况复杂等特征的非线性动力系统，另外，分布式电源的随机间歇性波动、即插即用、低转动惯量等特性导致孤立微电网的频率稳定性问题尤为值得关注，基于源荷储分布式协同的频率控制是维持微电网稳定运行的有效方法。本文引入多智能体系统(Multi-agent system，MAS)分布式协同理论，从分布式协同控制机理、信息交互方法、协同控制策略、仿真验证四个方面展开深入研究，提出适用于不同规模、不同控制模式（主从/对等模式）微电网的分布式信息交互方法（单层/双层/牵制一致性），设计基于不同信息获取和分享方法的分布式协同频率控制策略，解决主智能体依赖、通信时延影响、一致性收敛、拓扑结构多变和过控过切等一系列难题，并利用PSCAD/EMTDC和MATLAB接口仿真技术对所提控制策略进行仿真和验证，为建立微电网分布式协同频率控制体系和方法提供重要的理论支撑和技术支持。本文主要研究内容如下:
　　1)孤立微电网协同频率控制机理研究:分别针对主从控制和对等控制模式，研究微电网中源、储、荷的动态变化特性，挖掘频率偏移时各类分布式电源对微电网频率支撑的潜能，进而在双层控制架构下研究多类分布式电源、多元复合储能、以及可控负荷的协同频率控制机理，分别提出了主从模式下的基于频率变化率和虚拟等效转动惯量系数的有功功率预测方法和基于参与因子的协同功率分配方法，以及对等模式下的二次功率参考值协同分配和多级负荷减载容量协同制定方法。
　　2)基于一致性算法的分布式协同频率控制研究:结合现有数据处理和信息通信技术，为适应即插即用的需求建立适合当前微电网频率稳定控制的分布式多智能体协同控制架构，综合考虑收敛性、精确性、实时性等因素，分析和比较各种不同类型的平均一致性算法，对算法的升级矩阵进行改进和优化，提出了基于改进平均一致性算法的信息交互技术，通过局部信息获得全局关键信息;进而提出了相应的分布式协同频率控制策略，包括基于多智能体的多源协同频率恢复策略、储能互补优化频率恢复策略和多级协同优化减载策略。
　　3)基于双层一致性算法的分布式协同频率控制研究:为克服主智能体依赖的弊端，提出基于双层一致性理论（最近邻居规则）的信息交互技术进行全局信息分享，将信息通信层和协同控制层分离，在控制层实现完全分布的协同控制;为应对大扰动下孤立微电网的频率稳定问题，综合考虑传统发电机组、分布式电源、储能系统的频率控制特性，研究了适合于分布式多级负荷低频减载方法，提出了基于摇摆方程和下垂特性的功率缺额分布式预测方法，并研究了通过频率阈值的设定（低频减载阈值和切负荷阈值）来实现孤立微电网的协同优化减载。
　　4)基于牵制一致性算法的分布式协同频率控制研究:综合考虑主从和对等两种控制模式的差异，分别在主从/对等模式下提出了基于牵制一致性的分布式协同控制方法，以形成孤立微电网分布式协同控制的通用型方法;选择性地对部分智能体施加牵制，各牵制智能体结合系统运行状况设置一致性预设收敛点，而多智能体系统中的其他智能体依据通信耦合关系沿着牵制一致性的收敛过程搜寻同步，进而实现分布式协同控制;所提分布式控制策略无需集中控制器和复杂的通信拓扑结构，且在固定和不确定变化通信拓扑结构下均能达到牵制一致性，因而在实现分布式能更好地适应孤立微电网通信线路变化和即插即用等特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 孤立微电网频率控制方面

1．2．2 基于MAS的集中式协同频率控制方面

1．2．3 基于MAS的分布式协同频率控制方面

1．2．4 存在主要问题

1．3 本文主要工作

第二章 微电网建模及控制研究

2．1 引言

2．1 典型分布式电源建模

2．1．1 光伏电池模型

2．1．2 风力发电机模型

2．1．3 蓄电池模型

2．1．4 微型燃气轮机模型

2．2 并网逆变器控制

2．2．1 PQ控制

2．2．2 V／f控制

2．2．3 Droop控制

2．3 微电网运行控制模式

2．3．1 主从控制模式

2．3．2 对等控制模式

2．3．3 分层控制模式

2．3 本章小结

第三章 孤立微电网协同频率控制机理

3．1 引言

3．2 孤立微电网协同频率控制架构

3．2．1 主从控制模式下双层协同架构

3．2．2 对等控制模式下双层协同架构

3．3 主从模式下双层协同频率控制机理研究

3．3．1 主从模式下双层协同频率控制

3．3．2 主从模式下双层协同频率仿真分析

3．4 对等模式下双层协同频率控制

3．4．1 对等模式下双层协同频率控制

3．4．2 对等模式下双层协同频率仿真分析

3．5 本章小结

第四章 基于一致性的分布式协同频率控制研究

4．1 引言

4．2 基于MAS的分布式协同控制框架

4．3 基于改进一致性的分布式信息交互

4．4 基于改进一致性的分布式协同频率控制

4．4．1 基于IACA的分布式协同控制流程

4．4．2 分布式信息交互

4．4．3 分布式协同功率分配

4．4．4 分布式多级优化减载

4．5 仿真分析

4．5．1 信息交互方法收敛性验证

4．5．2 通信时延影响分析

4．5．3 过载及DG投入场景

4．5．4 过载及DG切除场景

4．6 本章小结

第五章 基于双层一致性的分布式协同频率控制研究

5．1 引言

5．2 最近邻居一致性算法

5．3 基于双层一致性的协同频率控制

5．3．1 分布式协同控制流程图

5．3．2 分布式信息分享层

5．3．3 分布式协同控制层

5．4 仿真分析

5．4．1 仿真场景A：孤岛

5．4．2 仿真场景B：过载及线路变化

5．4．3 仿真场景C：过载及DG切除

5．5 本章小结

第六章 基于牵制一致性的分布式协同频率控制研究

6．1 引言

6．2 主从模式下分布式协同控制

6．2．1 主从模式下一次控制

6．2．2 主从模式下二次控制

6．3 主从模式下基于牵制一致性的分布式协同控制

6．3．1 固定通信拓扑结构

6．3．2 不确定通信拓扑结构

6．3．3 分布式协同控制流程

6．4 对等模式下基于牵制一致性的分布式协同控制

6．4．1 对等模式下牵制控制分析

6．4．2 对等控制模式下分布式协同控制流程

6．5 仿真分析

6．5．1 仿真场景A：主从模式固定通信拓扑

6．5．2 仿真场景B：主从模式不确定通信拓扑

6．5．3 仿真场景C：对等模式

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果

作者在攻读博士学位期间参与的科技项目