基于多代理系统的直流微电网分层分布式协调控制研究

摘要

能源危机与环境问题的凸显，促使以新能源和可再生能源为主要发电形式的微电网系统得到了广泛关注。本文基于现阶段微电网技术领域研究现状的分析介绍，指出交流微电网和直流微电网为微电网系统的主要应用形式，并通过两者技术特点和应用前景的比较分析，选择直流微电网作为研究对象。 基于直流微电网的结构属性和分布式微电源运行特点，提出以分层控制为理论基础，兼具对等控制与主从控制优点的分层分布式协调控制策略作为本文各项研究的基本框架。按照从单元级微电源和变流器的性能分析与模型建立，到系统级稳定控制与能量优化管理的方法设计这一研究思路，完善直流微电网协调控制策略的技术内涵。对于直流微电网的稳定控制研究，针对系统内不同单元的隶属关系，分别设计以中心控制器为主导的分层分布式稳定控制方法和以微电源自协调、自组网为策略实现的分区域式稳定控制方法;针对直流微电网的能量优化管理问题，提出将传统集中式的能量管理方法转化为包含4个实现阶段的分层分布式优化方案，分别设计针对经济性、环保性和可靠性的两种单目标优化方法，以及基于Pareto解集的两种多目标优化方法。为了完成上述各项研究内容并实现直流微电网分层分布式协调控制策略，提出基于JADE平台的多代理系统(MAS)方法作为研究手段，并利用IEC61850的信息模型作为代理(Agent)间通信的统一参考，以解决MAS在微电网领域广泛应用的互操作性难题。通过构建半物理仿真平台进行算例分析，验证了本文提出的直流微电网分层分布式协调控制的正确性和有效性。 主要包含以下几方面的研究内容: (1)基于对国内外微电网应用背景和研究现状的深入调研，详细分析促使微电网进步发展的关键技术，并通过对交/直流微电网运行特点与应用前景的分析比较，选择直流微电网系统作为本文的研究对象。 (2)通过对对等控制、主从控制、分层控制等现有直流微电网运行控制策略设计思路和实施方法的分析阐述，提出更适合于直流微电网结构特点和微电源运行特性的分层分布式协调控制策略作为本文各项研究的实现框架。 (3)分层分布式协调控制策略的实现，依赖于单元级分布式微电源和接口变流器的性能支持，通过对直流微电网中广泛应用的典型微电源和变流器控制系统的性能分析和建模仿真，确定各单元在直流微电网协调控制中的角色定位和任务目标，为系统级稳定控制和能量优化管理研究目标的实现提供技术支持。 (4)通过对于代理和多代理系统的分析阐述，选择混合型Agent开发具有联邦式结构特征的MAS，以实现分层分布式协调控制策略层内自治、层间协作的功能目标。基于对MAS在直流微电网中的适用性分析，提出利用IEC61850的信息模型作为Agent间通信的统一参考，分别定义基于IEC61850和MAS的直流微电网信息模型和功能模型，以JADE平台为载体详述实现两者兼容的操作方法，最后利用半物理仿真平台构建系统仿真算例以验证两者的兼容性，以及基于IEC61850的MAS方法在直流微电网中应用的可行性和有效性。 (5)直流微电网的稳定控制不仅是分层分布式协调控制的重要环节，也是系统实际应用的关键技术。以直流母线电压的恒定作为系统运行稳定的重要标志，根据直流微电网内各单元的隶属关系，提出分层分布式和分区域式两种稳定控制方案，并构建相应的MAS框架，以发挥Agent自治性与协作性的优点。对于分层分布式稳定控制，可在中心控制器全局管理下实现直流微电网孤岛和并网稳态运行模式，以及两种运行模式切换的暂态过程中直流母线电压的稳定，适用于系统中各单元具有同一隶属关系的应用范畴;而分区域式稳定控制是由分层分布式稳定控制方案演变而来，并忽略中心控制器的全局协调作用，仅利用MAS提供的服务发布与搜索功能和Agent间的协商合作，以自组网的形式实现发电功率的合理调度，适用于分属不同用户和业主的微电源之间的协作。通过半物理仿真平台构建相应的系统仿真算例，以验证提出的两种稳定控制方案的有效性。 (6)能量优化管理属于直流微电网分层分布式协调控制的重要组成部分，良好的优化结果不仅能为系统实时运行控制提供单元出力参考，而且可以提高直流微电网的经济性、环保性和供电可靠性。为了突出不同单元的运行特性和操作人员的控制目标，并提高系统能量优化效率，提出将传统集中式能量管理方法转变为包含细化变量定义域的微电源分布式计算、基于遗传算法的中心控制器优化、修正优化解的分布式并行调节以及生成最终解的全局协调等四个阶段的分层分布式能量优化，并将各微电源的运行特性与操作人员的控制目标以约束条件的形式，分散到各阶段予以实现。针对直流微电网单目标与多目标优化问题，建立系统能量优化管理模型，设计相应的优化方法并定义各单元Agent的任务目标。仿真算例表明相对于传统的集中式优化，提出的分层分布式优化策略不仅具有更高的计算效率，并且能更全面的反应不同单元的运行特性和控制目标，特别是在多微电源的直流微电网能量优化管理中具有更加显著的优势。

目录

声明

摘要

专用词汇注释表

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 能源危机与环境问题

1．1．2 分布式发电与微电网

1．1．3 我国开展微电网研究的必要性

1．2 国内外微电网研究现状

1．3 微电网关键技术研究现状

1．4 交／直流微电网运行特点与应用前景分析

1．4．1 交流微电网特点

1．4．2 直流微电网特点

1．4．3 交／直流微电网应用前景

1．5 论文的主要工作

第2章 直流微电网运行控制策略研究

2．1 引言

2．2 直流微电网常规控制策略分析比较

2．2．1 对等控制

2．2．2 主从控制

2．2．3 分层控制

2．2．4 控制策略分析比较

2．3 直流微电网分层分布式协调控制策略研究

2．3．1 分层分布式协调控制策略功能描述

2．3．2 分层分布式协调控制策略特点分析

2．4 本章小结

第3章 直流微电网基本单元运行特性分析与建模仿真

3．1 引言

3．2 微电源运行特性分析与建模仿真

3．2．1 光伏电池

3．2．2 风力发电机

3．2．3 燃料电池

3．2．4 微型燃气轮机

3．2．5 储能装置

3．3 电力电子变流器控制系统建模仿真

3．3．1 直流接口变流器控制系统建模

3．3．2 交流接口变流器控制系统建模

3．4 本章小结

第4章 基于IEC 61850的多代理系统在直流微电网中的应用方法研究

4．1 引言

4．2 代理与多代理系统

4．2．1 代理的基本特性与典型结构

4．2．2 多代理系统的基本概念与典型结构

4．2．3 多代理系统的通信机制

4．3 基于JADE平台的多代理系统在直流微电网中的适用性分析

4．3．1 多代理系统在直流微电网中的适用性分析

4．3．2 JADE开发平台应用分析

4．4 IEC 61850与多代理系统的兼容

4．4．1 直流微电网的简化应用模型

4．4．2 基于IEC 61850的直流微电网信息模型

4．4．3 基于多代理系统的直流微电网功能模型

4．4．4 IEC 61850向多代理系统的映射

4．5 算例分析

4．5．1 半物理仿真平台构建

4．5．2 代理任务功能描述

4．5．3 仿真结果分析

4．6 本章小结

第5章 基于多代理系统的直流微电网稳定控制研究

5．1 引言

5．2 基于多代理系统的直流微电网分层分布式稳定控制研究

5．2．1 直流微电网分层分布式稳定控制方案

5．2．2 应用于直流微电网分层分布式稳定控制的多代理系统

5．2．3 算例分析

5．3 基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制研究

5．3．1 直流微电网分区域式稳定控制方案

5．3．2 应用于直流微电网分区域式稳定控制的多代理系统

5．3．3 算例分析

5．4 本章小结

第6章 基于多代理系统的直流微电网能量优化管理研究

6．1 引言

6．2 直流微电网能量优化管理模型定义

6．2．1 适用于能量优化管理研究的直流微电网简化模型

6．2．2 能量优化管理目标函数

6．2．3 能量优化管理约束条件

6．3 直流微电网能量优化管理方法研究

6．3．1 直流微电网单目标优化方法

6．3．2 直流微电网多目标优化方法

6．4 适用于直流微电网能量优化管理的遗传算法定义

6．4．1 优化算法应用性分析

6．4．2 适用于直流微电网能量优化管理中的遗传算法实现

6．5 应用于直流微电网能量优化管理的多代理系统

6．6 算例分析

6．6．1 单目标优化算例分析

6．6．2 多目标优化算例分析

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者简介