基于MAS的微电网即插即用理论研究

郭佳欢，谢清华，黄 伟

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

基于MAS的微电网即插即用理论研究

郭佳欢，谢清华，黄 伟

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量。微电网内部的电源如太阳能发电装置、风力发电设备、微型燃气轮机、燃料电池等经过整流逆变等电力电子器件实现能量的转换，并通过必要的控制手段，孤立运行或与外部主网并网运行。微电网系统能够充分利用各种分布式电源，发挥新能源的环保优势，减少环境污染，具有低电压低损耗、规模灵活、使用地域广泛[1-2]、效率高[3-4]等显著的优点。

然而，微电源的分布式特性以及控制数据量大、控制方式灵活多变等特点，使得采用以往由调度中心统一判断、调度的集中式控制方法难以实现微电网灵活、有效的运行[5]，因此有学者提出即插即用理论[6]，即通过一定的控制手段满足微电源的随机接入和退出，使之既能满足负荷的需求又能减少其对微电网和大电网的影响，通过将控制权分散到各微电网元件中，由各元件根据微网的调度自行改变运行状态，同时加强微网各元件之间的通信和联系，强化彼此间的协作。这种控制思想是解决微网控制难题，实现即插即用的有效途径[7-10]。正是在这种控制思想下，采用MAS（多代理）系统构建微网即插即用的控制系统，并详细分析了微电网各元件的协调控制策略，为微电网的优化运行控制提供了新思路。

1 MAS控制系统结构图

MAS的控制系统结构有多种[11-14]，本文采用3层控制结构，如图1所示。图中包含3种Agent（代理）单元，即电网Agent，微电网Agent和微电网元件Agent。电网Agent负责大电网及微电网的协调调度，并综合微电网Agent信息做出重大决策，微电网Agent对元件Agent进行管理，如接收元件Agent的相关信息，根据系统运行状况及调整策略为其提供相应的控制策略，元件Agent具有独立运行能力[15]，能够根据获得的信息，自行决策并控制元件的运行，实现即插即用。各个Agent之间通过通信加强彼此之间联系，协作保持微电网系统的灵活、稳定运行。

图1 MAS结构图

MAS控制系统中各元件之间、元件和微电网之间、微电网和上级大电网之间的通信方式有直接通信和间接通信2种。直接通信采用点对点、点对面的联邦系统通信或广播通信，间接通信则采用所谓的“黑板”系统，它将所有必要的信息粘贴在一个叫做“黑板”的全局数据库上，提供给相同等级的Agent检索，方便了元件之间的协作[15]。

2 即插即用模型及系统协调控制

2.1 元件即插即用模型

以往对即插即用的研究多从电力电子技术出发，设计微电源的控制系统[16-19]，这种单一的控制技术具有明显的局限性，例如其控制范围仅限于单个的元件，在微电网正常运行或者波动较小时，能很好的跟踪系统变化，实现元件的稳定运行；但是在微电网波动较大时，单个元件的自身调节能力已无法支持微电网的正常运行。同时由于缺少通信设备，各元件只能各自为战，无法有效调度所有元件协调动作，有时甚至会因为单个元件的动作而加剧微电网系统的波动。

因此，本文设计了一种全新的即插即用模型。它包含3个模块的内容：一是元件Agent的自我决策与控制模块，二是元件间以及元件和微电网间的通信与协作模块，三是元件的电力电子控制系统，如图2所示。

图2 元件即插即用模型图

虚框内的部分代表一个元件Agent所具有的基本功能单元。元件Agent将采集到的微电网运行数据如电压、频率和负荷功率等以及微电网和其他元件Agent的响应信息一起送入分析/处理单元，并经决策/命令单元做出决策，最终发出命令或请求。控制命令及时作用于电力电子器件，利用元件的输出参数如电压、频率等跟踪微网变化，并保证各元件的输出特性满足要求，实现即插即用功能；同时发出请求信号给其他元件Agent和微电网Agent，告知是否需要彼此协作。

2.2 电力电子控制系统设计

以微型燃气轮机为例设计它的并网控制系统。由于微型燃气轮机的端口电压和频率都不满足并网要求 （这里选择的微型燃气轮机的出口电压为0.325kV，频率为1200Hz）因此需要通过整流、逆变装置，使并网电压有效值降至220V，频率降至50Hz。整流、逆变器均为三相半桥结构且采用双PWM控制，图3、图4分别是整流器和逆变器的控制框图。整流器直流侧参考电压为1kV，逆变器交流侧三相交流电压参考值幅值为0.311kV（有效值220V），频率为50Hz。PWM信号g1～g6控制整流器的开断，p1～p6控制逆变器的开断。

图3 微型燃气轮机整流器控制框图

图4 微型燃气轮机逆变器控制框图

2.3 系统协调控制

以孤网情况下的微电网为例阐述各Agent的协调控制策略。此时，系统包括微电网Agent和元件Agent，其中元件Agent又包括微型燃气轮机Agent，蓄电池Agent和负荷Agent。各Agent的功能如下：

1）微电网Agent综合网络电气参数，采集元件Agent上传信息，并对这些数据进行综合处理、制订相关控制策略，并下达给各元件Agent。

2）微型燃气轮机Agent跟踪系统及负荷变化，及时调整电力电子控制器件的参考数据，使输出电压、频率以及功率满足负荷要求，并与微网及其他元件Agent通信，获取控制命令及协调信息。

3）蓄电池Agent跟踪系统及负荷变化，同样及时调整电力电子器件，控制接入系统输出功率以维持系统电压和稳定，并与微电网及其他元件Agent通信。

4）元件Agent调节负荷功率，模拟实际情况下负荷的变化，与微电网及其他元件Agent通信。

具体协调控制策略如下：

1）在负荷功率未超过微型燃气轮机功率输出上限时，微型燃气轮机自动跟踪负荷变化，并通知微电网Agent和蓄电池Agent。微电网Agent不作干预，而蓄电池则充电，充满电后接入开关断开。

2）负荷Agent调节负荷功率，使负荷超过微型燃气轮机的功率上限，但是功率差值不超过蓄电池的容量。此时微型燃气轮机满功率运行，蓄电池Agent控制接入开关闭合，输出功率弥补功率不足。微型燃气轮机Agent和蓄电池Agent同时向微电网Agent发送信息，微电网Agent并不作干预。

3）继续调节负荷，使负荷功率保持较长时间超过燃气轮机输出功率上限。此时，微电网Agent根据采集到的信息发出命令，通知各元件Agent。负荷Agent通过控制系统切除一部分负荷，使微电源功率和负荷功率回到平衡状态。此时微型燃气轮机降低输出功率，回到经济运行状态，而蓄电池则再次充电。

3 仿真结果

根据以上阐述，建立由微型燃气轮机、蓄电池和负荷组成的微电网PSCAD模型，并通过仿真验证上述即插即用理论的正确性。

图5～8是系统PSCAD仿真图形。

图5 逆变器出口电压分析

图6 逆变器出口电压频率分析

图7 逆变器出口电压谐波分析

图8 负荷潮流图

1）图5是逆变器出口侧的交流电压，其幅值为0.304kV，电压偏差为：

从1）、2）可以看出逆变器的输出电压能够较好的跟踪参考电压，电压和频率计算值和实际测量值相符，电压的偏差满足要求。

2）图7反应了逆变器出口侧交流电压的谐波情况，基准频率为50Hz，经过傅里叶变换器，出口侧的交流电压只含有基波分量，即只含有工频电压。因此微型燃气轮机经过整流、逆变后，输出的电压没有谐波，有利于提高微电网系统的电能质量。

3） 图8中P1代表燃气轮机的输出功率，P2代表的是蓄电池的输出功率。从图中可以看到，在前5min内P2为0，负荷没有超过微型燃气轮机的功率输出上限，其所需功率全部由微型燃气轮机提供，蓄电池接入开关断开；在5s时负荷超出微型燃气轮机的输出功率上限，此时蓄电池接入开关合上，负荷所需功率由二者共同提供，蓄电池放电，P2不为0。

综上可知，采用基于MAS的即插即用控制技术，各元件能够根据系统运行工况的变化实现自主控制，同时各元件又能加强合作，共同维持微电网系统的稳定运行。

4 结论

构建了适用于微电网的MAS 3层控制体系，设计了基于电力电子技术和MAS的即插即用模型，制定了相应的控制策略，仿真表明该控制策略既能够调整微电源的输出特性，使其满足负荷需求和系统稳定要求，实现即插即用，又可同时对多个元件进行协调控制，使微电网系统的运行得到优化。

[1]Abu-Sharkh S,Arnold RJ,Kohler J,et al.Can microgrids make a major contribution to UK energy supply[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006(10):78-127.

[2]Robert Lasseter,Abbas Akhil,Chris Marnay,et al.A Sakis Meliopoulous,Robert Yinger,Joe Eto.White Paper on Integration of Distributed Energy Resources[R/OL].http://certs.lbl.gov/pdf/50829-app.pdf.

[3]糜洪元.国内外燃气轮机发电技术的发展现况与展望[J].电力设备，2006，7(10)：8-10.

[4]王建，王志伟.微型燃气轮机在我国能源工业中的发展前景［J］.发电设备，2006(6)：18-21.

[5]王成山，余旭阳.基于Multi-Agent系统的分布式协调紧急控制[J].电网技术，2004，28(3)：1-5.

[6]鲁宗相，王彩霞，闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.

[7]杨旭升，盛万兴，王孙安.多Agent电网运行决策支持系统体系结构研究[J].电力系统自动化，2002,32(24)：44－49.

[8]罗凯明，李兴源.基于多代理技术的不间断电力变电站设计方案[J].电网技术，2004，28(22)：1-5.

[9]王鑫,郭佳欢,谢清华,等.超级电容器在微电网中的应用[J].电网与请洁能源，2009,25(6):18-22.

[10]郭佳欢,沈宏,黄伟.含小型冷热电联产的微电网系统经济运行[J].电网与请洁能源，2009,25(10):21-24.

[11]刘伟达，孟建良，庞春江，等.多Agent在电力系统中的应用［J］.电气时代，2004(8)：65-67.

[12]Dimeas A L,Hatziargyriou N D.A MAS architecture for Micro-grids control[J].ISAP 2005.

[13]盛戈皞，涂光瑜，罗毅，等.基于多Agent的二级电压控制系统［J］.电力系统自动化，2002(5)：20－25.

[14]Dimeas A L,Hatziargyriou N D.Agent based control of Virtual Power Plants[C]//Intelligent Systems Applications to Power Systems,ISAP 2007:1-6.

[15]章健，艾芊，王新刚.多代理系统在微电网中的应用[J].电力系统自动化，2008，32（24）：80－82.

[16]Wijinbergen S,de S W H,Slootweg JG.Plug‘n’Play Interface for Renewable Generators Participation in Grid Voltage and Frequency Control[J].IEEE Africon.6th,2002(2):579-584.

[17]BinduhewaP J,Renfrew A C,Barnes M.Micro Grid Power Electronics Interface for Photovoltaics[D].Manchester:The University of Manchester,2008.

[18]Binduhewa P J,Renfrew A C,Barnes M.Ultracapacitor Energy Storage for MicroGrid Micro Generation[D].Manchester:The University of Manchester,2008.

[19]秦纪平,刘前进.基于MAS的协同保护方案研究[J].南方电网技术，2008,2(3):66-69.

[20]Abdulwahid U,Manwell J F,McGowan J G.Development of a Dynamic Control Communication System for hybrid Power Systems[J].IET Renew,Power Gener,2007,1(1):70-80.

Study on the Plug and Play Theory in Micro-grid Based on MAS

GUO Jia-huan，XIE Qing-hua，HUANG Wei
（Dept.of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

The Plug and Play theory becomes a focus in the micro- grid research. However, the research ongoingboth at home and abroad concentrates mainly on designing the electronic power control systems for a single micro- source with little attention paid to thecoordinated controlstrategies of multimicro- grid elements. This paper first introduces the advantages and disadvantages of the micro- grid, as well as the theoretic application foundation of the ‘Plug and Play’ in the micro- grid. A 3- tier control system is established which contains the power grid Agent, the micro- Grid Agent and component Agent, and elaborates the control system. A ‘PlugandPlay’ modelisalsosetupwhich isbased on combination ofthe power electronic technologyandMulti- Agent system（MAS） and finally the coordinated control strategy of the model is closely examined and studied.

plug and play theory；micro-grid；multi-agent system；‘plug and play’model；coordinated control

即插即用理论是微电网研究的热点，目前国内外对即插即用理论的研究多侧重于设计单个微源并网的电力电子控制系统，而很少研究多个微网元件之间的协调控制策略。首先介绍了微电网的优缺点以及即插即用在微网中运用的理论基础，构建并阐述了以电网Agent、微电网Agent和元件Agent组成的微电网3层控制体系，设计了基于MAS系统和电力电子控制技术的即插即用模型，并详细分析了微电网元件协调控制策略。

即插即用理论；微电网；Multi-Agent系统；即插即用模型；协调控制

国家863项目（2008AA05Z216&2007AA05Z249）。

1674-3814（2010）01-0031-05

TM71；TM727.2；TM743

A

2009-09-15。

郭佳欢（1984—），男，硕士，研究方向为电力系统规划与可靠性、微网并网运行与控制;

谢清华（1983—），男，硕士，研究方向为电力系统规划与可靠性、微网并网运行与控制;

黄 伟（1962—），男，博士、教授，研究方向为电力系统规划与可靠性、配电系统自动化技术、微网并网运行控制和保护研究等。

（编辑 董小兵）