面向对等模式下微电网的基于牵制的分布式协同控制方法

摘要

本发明公开了一种面向对等模式下微电网的基于牵制的分布式协同控制方法，该控制方法包括下述步骤：步骤10）一次下垂控制自动保持微电网功率平衡；步骤20）确定牵制智能体预设的牵制一致性收敛值；步骤30）寻求牵制一致性；步骤40）达到牵制一致性：根据频率初始值调整量的参考值和电压初始值调整量的参考值，调整下垂控制的频率初始值和电压初始值，消除微电网一次下垂控制的频率偏差和电压偏差，使每个分布式单元智能体运行在预定状态。该控制方法可以在微电网发生扰动后，消除传统下垂控制的频率电压稳态偏差，保证自治微电网频率电压协同恢复到标准值附近，改善微电网控制的可靠性和适应性。

说明书

技术领域

本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种面向对等模式下微电 网的基于牵制的分布式协同控制方法。

背景技术

能源是人类文明延续和发展的基础。随着世界工业和经济的发展，传统的煤 炭、石油等一次能源的消耗日趋增加，世界各国日益意识到能源枯竭问题的严重 性。同时，一次能源的使用产生了大量的废气废水，严重污染了人类赖以生存的 环境。因此，世界各国在努力提高能源利用效率，优化能源结构的同时，也积极 促进诸如太能能、风能等可再生能源的发展，以缓解能源危机，减少二氧化碳和 污染气体的排放，维持经济的可持续发展。

为了实现可再生能源的有效利用，微电网作为一种组织分布式发电单元和负 荷的独立系统得到了广泛的研究。微电网的稳定运行是实现可再生能源利用的前 提，但微电网中的分布式电源大多通过电力电子元件将可再生能源、传统能源等 转化为电能，而电力电子元件的惯性较小，对微电网的频率和电压稳定控制提出 了较大的挑战。另一个方面，太阳能、风能等可再生能源受自然条件的影响较大， 在一年中的不同月份，在一天的不同时刻均有较大的差别，这等同于在发电侧有 了一个输出不可测的发电机，对于微电网的稳定控制提出了更高的要求。

目前，微电网的控制方案有集中式的主从控制和分散式的对等控制。传统的 集中控制对于中央控制器具有较大的依赖性，严重影响了微电网的安全性和可靠 性。而对等控制模式可以赋予微电网“即插即用”的功能，适应分布式电源的 分散式接入，有利于提高可再生能源的利用率。同时，对等控制模式下微电网的 各分布式发电单元均能参与维持系统频率和电压的稳定，可以有效提高微电网的 可靠性，满足用户多样化的电力需求。下垂控制是对等控制模式下分布式单元参 与微电网频率和电压控制的主要方式，但下垂控制在维持微电网稳定的情况下， 也造成了微电网频率电压的偏移。在可再生能源随机性和间歇性以及负荷波动性 的影响下，极有可能造成微电网的崩溃，影响供电的可靠性。因此，必须建立对 等控制模式下微电网的分布式协同控制策略，实现微电网频率和电压的恢复和稳 定，保证供电的可靠性和安全性。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种面向对等模式下微电网 的基于牵制的分布式协同控制方法，该控制方法可以在微电网发生扰动后，消除 传统下垂控制的频率电压稳态偏差，保证自治微电网频率电压协同恢复到标准值 附近，改善微电网控制的可靠性和适应性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采取一种面向对等模式下微 电网的基于牵制的分布式协同控制方法，该控制方法包括下述步骤：

步骤10)一次下垂控制自动保持微电网功率平衡：当微电网发生功率扰动 时，基于下垂控制的分布式发电单元智能体，根据式(1)自动控制微电网的频 率和电压，改变功率输出，维持微电网的功率平衡：

$\left(\begin{array}{c}{f}_i=f_{n,i}-m_{P,i}{P}_i\\ U_i=U_{n,i}-n_{Q,i}{Q}_i\end{array}\right)$式(1)

式中，f_i表示第i个分布式发电单元下垂控制产生的频率参考值；f_n,i表示第 i个分布式发电单元下垂控制的频率初始值；m_P,i表示第i个分布式发电单元的有 功下垂系数；P_i表示第i个分布式发电单元输出的有功功率；U_i表示第i个分布式 发电单元下垂控制产生的电压参考值；U_n,i表示第i个分布式发电单元下垂控制的 电压初始值；n_Q,i表示第i个分布式发电单元的无功下垂系数；Q_i表示第i个分布式 发电单元输出的无功功率；i表示分布式发电单元的编号；

步骤20)确定牵制智能体预设的牵制一致性收敛值：分布式发电单元的控 制及相互间的信息交互由智能体负责，每个分布式发电单元对应一个智能体，分 布式发电单元的编号和与该分布式发电单元对应的智能体的编号相同；根据式 (2)确定牵制智能体预设的一致性收敛值：

$\left(\begin{array}{c}{f}_c=\underset{i}{\Sigma }(f_{n,i}-f_i)/N\\ U_c=\underset{i}{\Sigma }(U_{n,i}-U_i)/N\end{array}\right)$式(2)

式中，f_c表示牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值；U_c表示牵制智能 体预设的电压偏差一致性收敛值；N表示采用下垂控制的智能体的总数；

步骤30)寻求牵制一致性：在微电网二次控制中，分布式发电单元智能体 根据通信耦合寻求牵制智能体的一致性，并按照式(3)设置频率和电压初始值 调整量的误差：

$e_i=\left(\begin{array}{c}{e}_{f,i}\\ e_{U,i}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\Delta f_{n,i}-f_c\\ {\mathrm{\Delta U}}_{n,i}-U_c\end{array}\right)$式(3)

式中，e_i表示e_f,i和e_U,i组成的列向量，e_f,i表示第i个智能体下垂控制频率初 始值调整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值的误差，e_U,i表 示第i个智能体下垂控制电压初始值调整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏 差一致性收敛值的误差,Δf_n,i表示第i个智能体下垂控制频率初始值调整量的参 考值，ΔU_n,i表示第i个智能体下垂控制电压初始值调整量的参考值；

对于式(3)中的e_i，根据第i个智能体的信息交互过程，得到第i个智能体 基于牵制的分布式协同控制方程，如式(4)所示：

${\stackrel{·}{e}}_i=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{w}_{ij}(e_j-e_i)-d_i{e}_i$式(4)

式中，表示对e_i进行求导，e_j表示e_f,j和e_U,j组成的列向量，e_f,j表示第j 个智能体下垂控制频率初始值调整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏差一 致性收敛值的误差，e_U,j表示第j个智能体下垂控制电压初始值调整量的参考值与 牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值的误差；w_ij表示智能体i和智能体j之 间的通信耦合，如果智能体i和智能体j通过通信线路连接，则w_ij≠0，否则， w_ij＝0；d_i表示牵制控制增益，d_i≥0；d_i＝0表明没有针对智能体i的牵制控 制；

步骤40)达到牵制一致性：采用下垂控制的分布式单元智能体，根据式(4) 得到的频率初始值调整量的参考值和电压初始值调整量的参考值，调整下垂控制 的频率初始值和电压初始值，消除微电网一次下垂控制的频率偏差和电压偏差； 当牵制智能体的频率初始值调整量的参考值和电压初始值调整量的参考值分别 达到预设的牵制一致性收敛值，使每个分布式单元智能体运行在预定状态，微电 网的频率和电压稳定在标准值附近，整个微电网处于协同工作状态。

作为优选例，所述的步骤40)中，整个微电网的基于牵制的分布式协同控制 方程的矩阵如式(5)所示：

$\stackrel{·}{E}=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{E}}_f\\ {\stackrel{·}{E}}_U\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}W{E}_f-(D\times I_n)E_f\\ {\mathrm{WE}}_U-(D\times I_n)E_U\end{array}\right)=W_{fU}\left(\begin{array}{c}{E}_f\\ E_U\end{array}\right)=W_{fU}E$式(5)

式中，E表示微电网频率和电压初始值调整量误差矩阵，表示E的导数；E_f 表示微电网频率初始值调整量误差矩阵，表示E_f的导数，E_f＝[e_f,1、e_f,2、…、 e_f,n]，其中，e_f,1表示第1个智能体的频率初始值调整量误差，e_f,2表示第2个智能体 的频率初始值调整量误差，e_f,n表示第n个智能体的频率初始值调整量误差；n表 示微电网中智能体的总数；E_U表示微电网电压初始值调整量误差矩阵，表示 E_U的导数，E_U＝[e_U,1、e_U,2、…、e_U,n]，e_U,1表示第1个智能体的电压初始值调整 量误差，e_U,2表示第2个智能体的电压初始值调整量误差，e_U,n表示第n个智能体的 电压初始值调整量误差；W表示通信耦合矩阵，w_ij为矩阵W的第(i，j)个元素， D＝[d₁、d₂、…、d_n]，D表示微电网牵制矩阵，d₁表示第1个智能体的牵制控制增 益，d₂表示第2个智能体的牵制控制增益，d_n表示第n个智能体的牵制控制增益； I_n表示单位矩阵；W_fU表示对E的变化矩阵，其值由式(6)确定：

$W_{fU}=\left(\begin{array}{cc}W-(D\times I_n)& 0_n\\ 0_n& W-(D\times I_n)\end{array}\right)$式(6)

式中，0_n表示n阶0矩阵。

作为优选例，所述的步骤30)中，w_ij依据式(7)、式(8)确定：

式(7)

$\left(\begin{array}{c}{\Sigma }_i{w}_{ij}=1\\ {\Sigma }_j{w}_{ij}=1\end{array}\right)$式(8)

式中，N_i表示与智能体i相邻的智能体编号的集合；n_i为与智能体i相邻的 智能体数目；n_j为与智能体j相邻的智能体数目；θ是影响平均一致算法收敛速 度的收敛因子，0<θ<1。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施 例的面向对等模式下微电网的基于牵制的分布式协同控制方法，采用牵制控制的 概念来实施多个基于下垂控制的分布式发电单元的频率电压恢复控制。通过牵制 控制的一致性过程，本发明所提的控制方法可以以分布式的方式消除传统下垂控 制的频率电压稳态偏差，保证自治微电网频率电压协同恢复到标准值附近，改善 了微电网控制方案的可靠性和适应性。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明实施例中微电网仿真结构图

图3是本发明实施例中t＝2s，通信线关闭时的微电网通信拓扑图。

图4是本发明实施例中t＝4s，切机操作时的微电网通信拓扑图。

图5是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的有功功率线条图。

图6是本发明实施例中微电网的各分布式电源输出的无功功率线条图。

图7是本发明实施例中微电网的频率线条图。

图8是本发明实施例中微电网的各分布式电源电压有效值线条图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅 用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本发明实施例的一种面向对等模式下微电网的基于牵制的分布 式协同控制方法，包括下述步骤：

步骤10)一次下垂控制自动保持微电网功率平衡：当微电网发生功率扰动 时，基于下垂控制的分布式发电单元智能体，根据式(1)自动控制微电网的频 率和电压，改变功率输出，维持微电网的功率平衡：

$\left(\begin{array}{c}{f}_i=f_{n,i}-m_{P,i}{P}_i\\ U_i=U_{n,i}-n_{Q,i}{Q}_i\end{array}\right)$式(1)

式中，f_i表示第i个分布式发电单元(英文：DistributedGenerator,文中简称 DG)下垂控制产生的频率参考值；f_n,i表示第i个分布式发电单元下垂控制的频 率初始值；m_P,i表示第i个分布式发电单元的有功下垂系数；P_i表示第i个分布式 发电单元输出的有功功率；U_i表示第i个分布式发电单元下垂控制产生的电压参 考值；U_n,i表示第i个分布式发电单元下垂控制的电压初始值；n_Q,i表示第i个分布 式发电单元的无功下垂系数；Q_i表示第i个分布式发电单元输出的无功功率；i表 示分布式发电单元的编号。

步骤20)确定牵制智能体预设的牵制一致性收敛值：分布式发电单元的控 制及相互间的信息交互由智能体负责，每个分布式发电单元对应一个智能体，分 布式发电单元的编号和与该分布式发电单元对应的智能体的编号相同；，根据式 (2)确定牵制智能体预设的一致性收敛值：

$\left(\begin{array}{c}{f}_c=\underset{i}{\Sigma }(f_{n,i}-f_i)/N\\ U_c=\underset{i}{\Sigma }(U_{n,i}-U_i)/N\end{array}\right)$式(2)

式中，f_c表示牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值；U_c表示牵制智能 体预设的电压偏差一致性收敛值；N表示采用下垂控制的智能体的总数。

在确定牵制智能体收敛值之前，需要确定X个智能体被选择和牵制，本发明 专利实施例中，X＝1。当微电网中分布式单元个数增加时，需相应增加智能体， 以保持牵制一致性的稳定性。

步骤30)寻求牵制一致性：在微电网二次控制中，分布式发电单元智能体 根据通信耦合寻求牵制智能体的一致性，并按照式(3)设置频率和电压初始值 调整量的误差：

$e_i=\left(\begin{array}{c}{e}_{f,i}\\ e_{U,i}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\Delta f_{n,i}-f_c\\ {\mathrm{\Delta U}}_{n,i}-U_c\end{array}\right)$式(3)

式中，e_i表示e_f,i和e_U,i组成的列向量，e_f,i表示第i个智能体下垂控制频率初 始值调整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值的误差，e_U,i表 示第i个智能体下垂控制电压初始值调整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏 差一致性收敛值的误差,Δf_n,i表示第i个智能体下垂控制频率初始值调整量的参 考值，ΔU_n,i表示第i个智能体下垂控制电压初始值调整量的参考值。

对于式(3)中的e_i，根据第i个智能体的信息交互过程，得到第i个智能体 基于牵制的分布式协同控制方程，如式(4)所示：

${\stackrel{·}{e}}_i=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{w}_{ij}(e_j-e_i)-d_i{e}_i$式(4)

式中，表示对e_i进行求导，e_j如式(9)所示，e_j表示e_f,j和e_U,j组成的列 向量，e_f,j表示第j个智能体下垂控制频率初始值调整量的参考值与牵制智能体预 设的频率偏差一致性收敛值的误差，e_U,j表示第j个智能体下垂控制电压初始值调 整量的参考值与牵制智能体预设的频率偏差一致性收敛值的误差；Δf_n,j表示第j 个智能体下垂控制频率初始值调整量的参考值，ΔU_n,j表示第j个智能体下垂控制 电压初始值调整量的参考值。w_ij表示智能体i和智能体j之间的通信耦合，如果 智能体i和智能体j通过通信线路连接，则w_ij≠0，否则，w_ij＝0；d_i表示牵制 控制增益，d_i≥0；d_i＝0表明没有针对智能体i的牵制控制。

$e_j=\left(\begin{array}{c}{e}_{f,j}\\ e_{U,j}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\Delta f_{n,j}-f_c\\ {\mathrm{\Delta U}}_{n,j}-U_c\end{array}\right)$式(9)

w_ij依据式(7)、式(8)确定：

式(7)

$\left(\begin{array}{c}{\Sigma }_i{w}_{ij}=1\\ {\Sigma }_j{w}_{ij}=1\end{array}\right)$式(8)

式中，N_i表示与智能体i相邻的智能体编号的集合；n_i为与智能体i相邻的 智能体数目；n_j为与智能体j相邻的智能体数目；θ是影响平均一致算法收敛速 度的收敛因子，0<θ<1。

步骤40)达到牵制一致性：采用下垂控制的分布式单元智能体，根据式(4) 得到的频率初始值调整量的参考值和电压初始值调整量的参考值，调整下垂控制 的频率初始值和电压初始值，消除微电网一次下垂控制的频率偏差和电压偏差； 当牵制智能体的频率初始值调整量的参考值和电压初始值调整量的参考值分别 达到预设的牵制一致性收敛值，使每个分布式单元智能体运行在预定状态，微电 网的频率和电压稳定在标准值附近，整个微电网处于协同工作状态。

在步骤40)中，整个微电网的基于牵制的分布式协同控制方程的矩阵如式(5) 所示：

$\stackrel{·}{E}=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{E}}_f\\ {\stackrel{·}{E}}_U\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}W{E}_f-(D\times I_n)E_f\\ {\mathrm{WE}}_U-(D\times I_n)E_U\end{array}\right)=W_{fU}\left(\begin{array}{c}{E}_f\\ E_U\end{array}\right)=W_{fU}E$式(5)

式中，E表示微电网频率和电压初始值调整量误差矩阵，表示E的导数；E_f表示微电网频率初始值调整量误差矩阵，表示E_f的导数，E_f＝[e_f,1、e_f,2、…、 e_f,n]，其中，e_f,1表示第1个智能体的频率初始值调整量误差，e_f,2表示第2个智能体 的频率初始值调整量误差，e_f,n表示第n个智能体的频率初始值调整量误差；n表 示微电网中智能体的总数；E_U表示微电网电压初始值调整量误差矩阵，表示 E_U的导数，E_U＝[e_U,1、e_U,2、…、e_U,n]，e_U,1表示第1个智能体的电压初始值调整 量误差，e_U,2表示第2个智能体的电压初始值调整量误差，e_U,n表示第n个智能体的 电压初始值调整量误差；W表示通信耦合矩阵，w_ij为矩阵W的第(i，j)个元素， D＝[d₁、d₂、…、d_n]，D表示微电网牵制矩阵，d₁表示第1个智能体的牵制控制增 益，d₂表示第2个智能体的牵制控制增益，d_n表示第n个智能体的牵制控制增益； I_n表示单位矩阵；W_fU表示对E的变化矩阵，其值由式(6)确定：

$W_{fU}=\left(\begin{array}{cc}W-(D\times I_n)& 0_n\\ 0_n& W-(D\times I_n)\end{array}\right)$式(6)

式中，0_n表示n阶0矩阵。

本发明的控制方法能够在扰动发生后迅速采取反应，实现分布式决策制定， 从而消除传统下垂控制的频率电压稳态偏差，保证自治微电网频率电压协同恢复 到标准值附近，改善了微电网控制方案的可靠性和适应性。本发明实施例的控制 方法是可以在扰动发生后迅速采取反应，协同控制各种储能、分布式发电单元和 负荷实现分布式决策制定，以实现频率和电压的协同恢复。本发明实施例的控制 方法基于多智能体系统的双层平均一致性算法，采用牵制控制的概念来实施多个 基于下垂控制的分布式发电单元的二次频率电压恢复控制。通过牵制控制的一致 性过程，所提自治微电网分布式控制方法可以以分布式的方式克服传统下垂控制 的稳态偏差，也改善了控制方案的可靠性和适应性。本发明的基于牵制的自治微 电网分布式控制方法在事故发生时，分布式发电单元智能体的一次下垂控制发生 作用，自治微电网的频率和电压根据下述预定的下垂关系实现控制，维持自治微 电网中的功率平衡。针对一次下垂控制产生的频率偏差，预定的X个牵制智能 体根据预定的一致性收敛点，根据通信耦合寻求牵制智能体的一致性，并控制频 率和电压误差逐步调节到预定的牵制一致性收敛值。当达到基于牵制的预定一致 性时，每个DGA(对应中文：分布式发电单元智能体)运行在预定状态，整个 微电网也处在协调工作状态，微电网的频率将稳定在额定范围内。

下面例举一个实施例。

微电网的仿真结构如图2所示。该仿真微电网由微型燃气轮机(简称MT， 图中用DG1表示)、储能系统(简称ESS，图中用DG2表示)、光伏系统(简称 PV，图中用DG3表示)、小水电(简称MH，图中用DG4表示)四个DG及4 个负荷单元(Load1、Load2、Load3、Load4)组成，各分布式单元由电力电子 元件接入0.38kV低压配电网。系统有8个分布式智能体(Agent)，分别用A1， A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8表示。一个智能体只能与其在通信拓扑上直接 相邻的智能体进行通信。基于电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真(英 文简称：PSCAD/EMTDC)平台搭建仿真微电网模型，在矩阵实验室(英文简称 MATLAB)中模拟多智能体系统，建立多智能体系统第一层的全局信息共享和 微电网分散式成本优化的切负荷算法程序，利用Fortran语言编译接口程序将 MATLAB中的算法与电力系统计算机辅助设计(英文简称PSCAD)模型联合运 行，从而利用联合仿真技术实现本发明的控制方法的仿真验证。

针对孤岛模式的微电网发生扰动的情况进行仿真，验证本发明方法的控制 效果。在仿真微电网中，DG3工作在恒功率(PQ)控制模式，DG1，DG2，DG4 工作在下垂控制模式以保持自治微电网功率平衡。在t＝2s，智能体A5和智能体 A7之间的通信线路关闭，如图3所示，同时，自治微电网也发生过载。在t＝4s， A1(DG3)由于错误关闭，功率平衡被打破，通信拓扑发生改变，智能体A1和智 能体A6之间的通信线路关闭，如图4所示。

图5至图8所示为仿真过程中四个DG的输出功率和电压以及微电网频率变 化曲线。其中，图5表示微电网中各分布式电源输出的有功功率变化图，横坐标 表示时间，单位为秒，纵坐标表示分布式电源输出的有功功率，单位为千瓦。图 5中，带有正三角形的线条表示DG3输出的有功功率变化图；带有正方形的线 条表示DG4输出的有功功率变化图；带有圆形的线条表示DG2输出的有功功率 变化图；带有倒三角形的线条表示DG1输出的有功功率变化图。图6表示微电 网中各分布式电源输出的无功功率变化图，横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标 表示分布式电源输出的无功功率，单位为千乏。图6中，带有正三角形的线条表 示DG3输出的无功功率变化图；带有正方形的线条表示DG4输出的无功功率变 化图；带有圆形的线条表示DG2输出的无功功率变化图；带有左三角形的线条 表示DG1输出的无功功率变化图。左三角形是指将正三角形逆时针旋转90度。 图7表示微电网的频率变化图，横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示微电网 的频率，单位为赫兹。图8表示微电网的各分布式电源电压有效值线条图，横坐 标表示时间，单位为秒，纵坐标表示分布式电源输出的电压标幺值。图8中，带 有正三角形的线条表示DG3电压有效值线条图；带有正方形的线条表示DG4电 压有效值线条图；带有圆形的线条表示DG2电压有效值线条图；带有左三角形 的线条表示DG1电压有效值线条图。

图5至图8中各变量的变化曲线表明，本发明实施例的分布式协同控制方法， 微电网可以在过负载情况和通信改变情况下，根据预定的一致性数值，控制分布 式单元智能体根据牵制智能体间改变的通信耦合以分布式的方式跟踪预定的一 致性收敛点，消除通信线路关闭和智能体切机操作对于微电网控制方案的影响， 维持微电网频率电压的稳定。