基于Multi-agent的微电网运行与控制的研究

刘增环 李 洁

(河北工程大学信息与电气工程学院，河北 邯郸 056038)

基于Multi-agent的微电网运行与控制的研究

刘增环 李 洁

(河北工程大学信息与电气工程学院，河北 邯郸 056038)

为了提高微电网并网和孤岛两种模式切换的平滑性，增加其运行的可靠性，对基于Multi-agent系统理论的微电网控制模型进行了深入的研究，提出了新的控制模型。该模型增加了孤岛检测agent，根据电压和频率的变化及时判断孤岛的出现，使各微源可以迅速选择各自的控制方式，在实现微电网局部自治和保证微电网运行的安全性和可靠性的基础上,提高了微电网控制系统的快速反应能力。试验仿真结果证明了新模型的可行性和有效性。

微电网控制模型 多智能体系统 孤岛检测 恒功率控制 恒频恒压控制 超级电容

0 引言

为了解决全球面临的能源短缺危机和缓解环保压力等问题，微电网作为一种新的供电模式应运而生。微电网系统是一种新型的电网结构，它既可以与外部电网并网运行，也可以脱离外部电网孤立运行[1-2]。

目前对微电网控制策略和方式的研究有很多。文献[3]～[5]采用了类似大电网的传统控制方法，其控制系统的反应能力有限。文献[6]～[7]将agent技术应用到了微电网的控制中，建立了基于Multi-agent系统的微电网控制模型，增加了系统的快速反应能力，有效改善了微电网对电网调度稳定运行和可靠性影响的问题。

本文对基于Multi-agent系统理论的微电网控制系统模型进行了进一步的分析研究，提出了新的模型结构。仿真试验表明，该模型可以及时检测系统孤岛的出现,并可以平滑地进行微电网从并网到孤岛状态的转换，使微电网控制模型更加完善和高效。

1 新型微电网控制模型

Multi-agent系统理论是实现复杂软件系统和控制系统的新途径，具有协调和综合处理复杂问题的能力。它是由多个agent组成的复杂系统，其中每个agent都具有自治性、交互性、协作性和学习能力等特性。将agent技术应用到微电网控制系统中，使其在局部范围内实现自治，并且只需上报监控数据，增加了控制系统的快速反应能力[8]。

基于Multi-agent系统中的分层控制理论，将微电网内部分成不同的控制点并设置相应的agent控制，将控制中心agent设置为顶层agent，其他为底层agent。分层后的微电网系统将集中控制和分散控制相结合，更容易实现系统的控制。

在外部大电网出现故障或受到干扰的情况下，微电网需要及时与大电网断开，转为独立运行模式，保证电网系统的安全。加入孤岛检测单元可以增加微电网系统运行模式转换的快速性，并有效改善供电的灵活性。

1.1 微电网控制结构

基于Multi-agent的微电网分层控制结构框图如图1所示。微电网控制系统结构的底层主要有：微源(DG)agent、负荷agent、储能agent、孤岛检测agent等。

图1 基于Multi-agent的微电网控制结构

其中，DG agent包含微源发电组件的实时检测模块、控制模块和逆变器控制模块，其目的是根据实时检测的微电网系统的运行状态信号和微电网控制中心的指令完成电压和频率的调节。负荷agent单元完成微电网系统当前负荷的功率检测。储能 (super-capacitor,SC) agent单元负责储能单元充放电的控制。孤岛agent单元判断孤岛的发生并及时将信号上报。

微电网控制中心agent作为微电网控制系统结构的顶层，负责接收底层agent发送和上报的信息，然后对信息进行辨识并将任务信息下发给底层agent。控制中心agent和各个agent共同协作，完成微电网系统的控制[6]。

1.2微电网控制模型

Multi-agent系统是由多个简单的agent组成的复杂系统，主要注重各个agent合作交流、共同协调解决问题的能力。根据图1的微网分层控制结构建立对应的控制模型，如图2所示[6]。

图2 各agent内部模块

图2中，ID为身份标志，用于对不同agent身份的识别；Policy为微源控制方式标志，包括PQ(恒功率控制)和V/f(恒频恒压控制)；Pref、Qref分别为PQ控制时有功设定值和无功设定值；PL、QL为负荷agent的有功功率和无功功率。

当微电网所接负荷发生变化时，负荷agent检测到功率变化并向控制中心agent发送自己的身份编号。控制中心agent接收到负荷agent的身份编号，先进行身份识别认证，然后通过监测和分析模块，最终由决策模块生成Pref、Qref。将其值与微源的身份编号发送给各微源agent。各微源agent将控制中心发送的身份编号与自己的身份编号进行比对，相同则执行PQ控制，实现恒功率控制。

当孤岛agent检测模块检测出现孤岛时，立即向控制中心agent发送孤岛信号和自己的身份编号。控制中心agent通过接收到的身份编号进行身份识别，确定出现孤岛。由决策模块选择具有V/f控制的微源，再通过任务模块将该微源agent的身份编号发出。各微源agent接收到控制agent中心内的信号后与自己的身份编号进行比对，相同则执行切换，切换为V/f控制方式，不同则不改变控制方式。

2 新型模型中各模块设计

2.1 孤岛检测agent设计

孤岛检测agent中主要是孤岛检测模块的设计，其模型如图3所示。

图3 孤岛检测agent模块模型

图3中，PL和QL为负荷所需求的有功、无功功率；P和Q为DG经逆变器后向负载提供的有功功率、无功功率；ΔP、ΔQ为DG提供的功率与负载需求不匹配的有功功率、无功功率；UPCC为PCC处的相电压；ω为公共连接点(PCC)处的角频率。设U0为孤岛后 PCC处相电压，ω0为孤岛后 PCC处角频率。根据微电网在并网运行时PCC处能量守恒和出现孤岛的条件可得到[9]：

(1)

(2)

出现孤岛后，由式(1)和式(2)可以看出：PCC处的电压变化与有功功率的变化ΔP相关；频率的变化与有功和无功的变化相关；且当变化越大时，相应的电压和频率的变化也会越大。这样就可以根据测量的电压或频率的变化来检测孤岛的发生。然而当电压和频率变化较小时，应根据频率变化Δf与负荷电压变化ΔUL之比即Δf/ΔUL来判断孤岛的发生。

稳定状态时，PCC处的频率和电压值基本保持恒定。用DG的频率与稳定时的频率之差的绝对值|f-f0|来判定系统是否出现扰动。若|f-f0|≤λ，则认为系统稳定，此时Δf/ΔUL=0；若|f-f0}> λ，则认为系统出现了扰动(λ=0.5)。设一个孤岛检测阈值T(在这里T取2.5[10])，将Δf/ΔUL和T进行比较来判断扰动类型。若Δf/ΔUL>T，则系统出现了孤岛；若Δf/ΔUL

2.2 微源agent设计

微源agent设计中主要是PQ控制方式和V/f控制方式模块的设计。

2.2.1PQ控制模块

微电网在并网运行时，微源通常采用PQ控制，其控制目的是使微源输出的有功功率、无功功率实时跟踪其设定的参考信号。此时由大电网提供电压和频率的支撑。PQ控制原理图如图4所示。

图4 PQ控制原理图

图4中，Uabc为输出电压，iabc为馈线电流；Ud、Uq和id、iq为经Park变换后的旋转坐标轴下的电压和电流值；ω为大电网频率；Pref、Qref和idref、iqref为功率和电流设定值。

逆变器输出的有功功率和无功功率在dq0坐标下表达式为：

(3)

(4)

在旋转坐标轴下，一般选取参考轴Uq=0，则有：

(5)

(6)

因此，可以根据设定的Pref、Qref算出参考电流idref、iqref的值，即：

(7)

(8)

由式(7)和式(8)可知，对参考功率的跟踪问题可以转化为对参考电流的跟踪，这样就实现了有功功率和无功功率的解耦[11]。具体控制过程是：由Pref和Qref计算得到dq轴参考电流idref和iqref，再使其与实际测量信号id和iq的差值通过PI控制器调节，同时考虑线路电感的耦合作用，最终得到dq轴参考电压信号Udref和Uqref。将得到的电压信号通过Park反变换转换为用于驱动SPWM控制的三相abc控制信号分量，实现对逆变器的控制。

2.2.2 V/f控制模块

微电网在孤岛运行状态下，需要有微源采用V/f控制来提供强有力的电压和频率支撑，最终实现恒频/恒压控制，并满足负荷功率的跟随特性。V/f控制原理如图5所示。

图5 V/f控制结构框图

图5中，Uabc为输出电压，iabc为馈线电流；Ud、Uq和idref、iqref为经Park变换后的旋转坐标轴下的电压和电流值。

逆变器的V/f控制采用电压外环、电流内环的双环控制[12]。电压外环控制通过PI控制器实现，将参考电压Udref、Uqref和电压Ud、Uq作为系统输入，保证负载电压的稳定。电流内环采用比例控制器P控制，其输入为电压外环的输出，输出数据通过dq逆变换和SPWM发生器最终得到逆变器控制信号。

对V/f双环控制进行分析验证，可以得出：电压外环超调量较小，调整时间短，确保了输出电压的稳定；电流内环控制对电流的跟踪可达到无静差，具有良好的动态性能。

2.3 SC agent模块

超级电容因其充放电迅速、使用寿命长、运行安全、内部状态可测等优点被广泛用作微电网系统中的储能单元，辅助微源实现系统功率平衡和电压的稳定[7]。

SC agent模块的主要作用是控制储能单元的充放电。当微电网并网运行时，由大电网来调节功率的平衡，此时储能处于充电状态；出现孤岛后，切换到放电状态，弥补功率缺额，维持微电网系统的功率平衡。

2.4 微电网控制中心agent

微电网控制中心agent 是微电网控制的核心，主要任务是接收底层各个agent的信号，然后进行分析、决策，最终生成任务将信号发出[8]。文中搭建的Multi-agent系统中的DG agent、负荷 agent 和SC agent，在运行期间反馈各自的运行状态，并能够向控制中心agent提供修改和删除的信息。同时，微电网控制中心agent可以根据系统中各单元的运行状态来控制各微源的控制方式和超级电容的充放电，最终保证微电网系统的稳定运行。

3 参数设置与仿真分析

为了验证微电网控制新模型的可行性和有效性，根据微电网系统结构，在Matlab中进行微电网系统建模仿真。微电网系统结构如图6所示。

图6 微网系统结构

系统中有两个微源单元，即太阳能光伏组件DG1和微型燃气轮机DG2，还有一个储能单元SC[9]。具体参数设置如表1所示。

表1 参数的设置

各微源和储能单元的输出功率变化、系统母线电压和频率变化的仿真结果图分别如图7～图9所示。

如图7所示，在1 s时刻检测到孤岛信号，经过0.05 s微电网控制中心agent发出孤岛运行模式信号。DG1保持孤岛前的功率输出基本不变，DG2则改变原来的PQ控制方式为V/f方式，并且振荡较小，在达到稳定前由超级电容SC放电来维持系统功率的平衡。当t处于1.5～2.5 s，切除了负荷3，DG1保持原来的输出不变，DG2输出功率降低。当t为3 s时，系统重新并网，DG1恢复原来的输出有功功率，SC进入充电状态。

图7 输出功率变化曲线

图8 母线电压变化曲线

图9 频率变化曲线

如图8和图9所示，整个过程中电压范围为225～230 V，频率基本保持50 Hz不变。可以看出,母线电压和频率的波动都在允许范围内，且在各个状态运行期间，母线电压和功率都基本保持稳定。

从结果图(图7～图9)可以看出，加入孤岛检测模块的新型微电网控制模型，保证了微电网系统在不同模式下的平滑切换，增加了微电网系统控制的快速反应能力，有效改善了系统运行的可靠性和稳定性。

4 结束语

对基于Multi-agent系统的微电网控制模型进一步分析研究，并进行改进补充，增加了孤岛检测agent。详细设计了微电网模型中各个主要agent模块，并根据该模型构建了具体的算例进行建模仿真分析，验证了该新模型的可行性和有效性，为实际的复杂微电网系统控制的研究提供了依据。此外，对Multi-agent各agent之间的协作机制还有待于进一步研究。

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Research on the Micro-grid Operation and Control Based on Multi-agent

In order to improve the smoothness of the micro-grid during switching between grid-connected mode and island mode, and enhance the reliability of the operation, the micro-grid control model based on theory of multi-agent system is researched in-depth, and the new model is proposed. The island detection agent is added in new model, the appearance of the island can be judged timely in accordance with the variation of voltage and frequency and each micro source can quickly select their control mode. On the basis of implementing micro-grid local autonomy, and ensuring security and reliability of micro-grid operation, the high speed response capability of the micro-grid control system is increased. The results of experiment and simulation verify the feasibility and effectiveness of the new model.

Micro-grid control model Multi-agent system Island detection PQ control V/F control Super-capacitor

刘增环(1962-)，男，2005年毕业于燕山大学测试计量技术及仪器专业，获硕士学位，教授；主要从事电气自动化检测与控制的研究。

TM743

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504004

修改稿收到日期： 2014-08-24。