基于多智能体系统的智能微网分散协调控制策略

马经纬，王晓梅，陈淼，马文华，李杰

（1.国网山东省电力公司日照供电公司，山东日照 276826；2.天津大学，天津 300072）

微网分布式电源的应用不仅能够提高系统运行稳定性，同时，更有利于节能减排。目前，针对微网中分布式电源的研究正逐渐成为国内外学术研究的热点。智能微网由分布式电源（distributed genera⁃tor，DG）、储能装置、负荷和控制装置组成[1-3]。智能微网即微网的智能化，通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术在实现微网现有功能的基础上，满足微网对未来电力、能源、环境和经济的更高发展需求[4-6]。智能微网作为新的能源利用形式，不仅能与大电网并网运行，还可以脱离大电网孤岛运行[5-8]。因此，如何对智能微网内部的多个DG进行有效控制，确保微网在不同运行模式下安全稳定运行，已成为国内外微网研究的热点[6-11]。

大多数DG及储能装置通过电力电子接口接入微网，其控制策略主要由电压源型逆变器（voltage source inverter，VSI）完成[5-8]。近年来，微网逆变器控制技术的研究已取得很多成果，分散控制和集中控制是微网控制方向的2大主要方法。分散控制是针对采用即插即用分布式电源的微网提出的控制方法，是一种无通信互连线的控制技术[9]。然而，对于简单的微网，分散控制策略能够通过上层的能量管理系统来维持微网稳定，但对于分布式电源渗透率逐渐增加，微网结构也越来越复杂，分散控制由于缺少单元系统之间的配合沟通，导致微网受到扰动时，电压和频率出现不稳定的问题。而集中控制策略的原理是根据系统全局信息，由中心控制器统一控制各单元系统，对于结构简单的系统，该方法非常有效。同样，当面对结构复杂的网络时，其建模维数巨大、信号传输时滞、对通信链路要求高的缺陷就凸显了出来。由此可见，分散控制和集中控制各具优缺点，因此基于多智能体系统的分散协调控制方法应运而生[10-13]。

本文以采用双环下垂控制的逆变器型微源为研究对象，在分析VSI数学简化模型和协调控制通用模型的基础上，针对功率分配，电压频率一致的控制目标（每个微源输出功率比例相等、孤网运行时电压频率一致、切换运行模式时调节电压频率与大电网一致），设计了基于多智能体系统（multi-agent system，MAS）的分散控制策略，该策略将多智能体系统构建为3层：协调控制层、积分运算层和主控制层。在通过一个小的案例分析验证所提控制策略能有效分配功率的基础上，仿真验证了所提控制策略在微网孤网、并网和切换3种模式下的有效性。

1 问题描述

1.1 数学模型分析

在本文中VSI采用电压外环电流内环的双环控制方案，如图1所示。双环控制方案的电流内环扩大了逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。采用双环控制方案的VSI的数学模型可简写为

式中：xi是第i个VSI的内部状态变量；是第i个VSI的输出向量；是输入至第i个VSI的输入向量。协调控制的通用模型[5，10]为

图1 采用双环控制的VSI控制示意图Fig.1 Schematic diagram of VSI control with double loop control

式中：Ni是指代第i个VSI的邻VSI；指代第i个VSI的入度。

智能微网约束条件为

式中：Pgi,Qgi分别为第i个VSI的有功和无功输出；PD,QD为功率需求；Ploss,Qloss为电网中的损耗；Vi为第i个VSI的电压，该电压限制在最大电压Vmax和最小电压Vmin之间；ωi为第i个逆变器的输出角频率，该频率限制在最大频率ωmax和最小电压ωmin之间；Ptr,Qtr为通过变压器的有功功率和无功功率，如图2所示。

图2 基于分散控制策略的智能微网示意图Fig.2 Diagram of smart micro-grid based on decentralized control method

1.2 系统控制对象

该控制系统的对象由式（5）—式（9）给出。本文使用功率平均分配法分配功率，所有的分布式电源的输出功率比例均相等，数学表达式为

式中：Pgi和Qgi是第i个VSI产生的有功和无功功率；和是在给定时间内第i个逆变器能产生的最大功率。

在电网的某些运行状态下，大电网和微网之间通过公共连接点（point of common coupling，PCC）的变压器存在一定数量的功率交换[14-19]。然而，由于没有大数据和控制中心的支持，再加上大多数以可再生能源作为一次能源的微源的发电量具有天然的波动性，因此这里的功率交换并不是可调度的。但是，希望所交换电能Ptr、Qtr尽可能地接近于期望值：

对VSI的电压控制使得智能电网中的VSI与另一个VSI的电压相接近，这使得智能电网中的无功功率流动减少。如图2所示，重连大电网时，要求变电站的断路器的每一个终端的电压基本相等[20-21]。对该对象的数学描述如下：

式中：VPCC,VMG分别代表公共连接点和大电网的电压。

将所有VSI的频率调整为ωref来匹配公共连接点和大电网的频率和相位：

式中：ωi为第i个VSI的输出频率；θPCC和θMG分别代表公共连接点和大电网的相角。

2 系统结构与设计

传统的微网控制一般分为3层[22]，第一层控制的实现是指各个分布式电源或储能设备自身的控制策略；第二层控制的实现是通过微网中心控制器对各个分布式电源分别发指令，来实现微网的稳定运行；第三层控制是使用微网能量管理系统来确定第二层控制目标参考值的过程[22-26]。

微网中分布式电源大部分是基于电力电子技术的逆变型电源，多智能体系统中的智能体代表的是可以自主运行的各个逆变型电源，多智能体系统的目标是将复杂的微网系统归纳为小的、彼此互相通信和协调的、易于管理的系统；面对微网中的多个逆变型电源，则需要协调控制器对若干个智能体进行协调，协调的过程是一个多目标决策的过程，也是一个全局优化的过程，主要是提高微电源对微网负荷变化的响应性和微网运行的稳定性，以满足微网在并网运行、孤立运行及2种运行模式间切换时的不同需求，保证微网运行的稳定性[27-32]。

本文中设计了基于多智能体系统的协调控制策略，该策略的结构与通用的微网3层控制结构相类似，主控制层包括一级控制器，主要作用为处理本地节点信息和积分运算层的信息。一级控制器在本文中采用下垂控制策略[5，7，8]，主要功能是快速响应输出功率的突变，通过模拟传统发电机的下垂特性实现电压和频率的有差调节，该控制器处理的是VSI自身的输出信息，再将控制器的输出通过PWM得到三相逆变器6个IGBT的驱动信号，实现对VSI输出电压和频率的控制[33-37]。

积分运算层的作用为处理协调控制层的数据信息，对其进行积分运算，输送至主控制层。积分运算层与传统微网3层控制结构中的二级控制器的功能类似，都是实现电压和频率的无差调节，通过积分运算得到主控制层中下垂控制策略中的参数，实现下垂特性的动态调节。积分运算层是VSI中DSP程序的一部分，通过采样每个中断的信号并相加，实现积分运算，最后将运算结果返回至主控器的下垂控制方程中。

协调控制层的主要作用为：接受来自邻节点的数据信息，通过二级和三级控制器的运算，分别输出电压、频率和功率的状态向量矩阵至积分运算层。由于本文提出的控制策略针对微网的3种运行状态：孤网、并网和切换，所以本文的第三层控制策略综合了传统微网的二级和三级控制的功能：设置并网运行时PCC联络线输出功率参考值，调整孤网运行时每个DG的输出功率参考值，设定下垂曲线稳态参考点和分配比例系数。协调控制层通过接收相邻节点的信息，并通过DSP程序编程处理后将运算结果返回至积分运算层。下面具体解释本文提出的3层控制策略。

主控制器用来响应电源和负载间的突变，达到均衡电源和负载的目的。与同步发电机不同，VSI的输出频率是独立于其他功率输出源的。因此，在测量每个VSI的输出功率后，使用下垂控制器按照一定比例来改变其输出频率。本文中，首层控制器安装在每个VSI上，频率和电压的下垂特性为

式中：Vdi,Vqi,idi,iqi分别表示电压和电流在直轴方向上和交轴上的分量；ωci代表低通滤波器的截止频率，S代表Laplace算子。

系统稳定性的含义是指系统在受到某种扰动后返回稳态的性能。二级控制器的作用是微网受到扰动后使频率和电压恢复常态，从而使系统保持稳定。它通常通过通信网络来实现该控制，是电力系统全局稳定性的保障。

三级控制器根据电力系统的需要来调整下垂特性中P0i和Q0i的参数。在电力系统中，电力系统的运行人员通过DG的运行状态、当前系统情况以及负载等多方面综合考虑来调整这些参数。

2.1 控制器设计

实时的调整式（10）和式（11）中的参数是本控制系统的研究目标，并使得系统在3种工作模式下均能够满足式（4）中的约束条件。基于这样的考虑，将所有的VSI均配置成能够接收邻VSI频率、电压和功率参数的结构，使得这些参数能够像本地参数一样调节本地的VSI，如图3所示。利用接收到的数据，与本地数据一起协调控制本地主控制器，如图4所示。在设计本控制系统时，使用如下的假设[5，9]：

图3 本地控制器结构图Fig.3 Structure of the local controller

图4 本文控制方法下的控制层级图Fig.4 Control level chart based on the proposed control method

将式（14）的假设代入式（10）和式（11）中，得出：

式中：P0i,Q0i,ω0i和Vd0i表示主控制器的动态参数，由协调控制器通过PI控制积分求得：

式中：KPi,KQi,Kωi,KV表示第i个积分器的增益大小，LPi,LQi,Lωi,LV表示基于通信拓扑结构的拉普拉斯矩阵。P,Q,ω,Vd表示控制器的状态向量，定义如下：

式中：BP,BQ,Bω,Bd为协调控制器的输入矩阵向量，其中，当bi表示VSI接收到的信号是来自于关键点的协调控制器时，则bi=1；其他情况bi=0。在并网运行模式下，输入向量为

如果第i个VSI接收的控制信号来自于关键点，则，否则为 0。

如果第i个VSI接收的控制信号来自于关键点，则，否则为 0。

如果第i个VSI接收的控制信号来自于关键点，则，否则为 0。

如果第i个VSI接收的控制信号来自于关键点，则，否则为0。

微网的总发电量调节目标则为使得Ptr能够逐渐逼近。式（18c）中的表示大电网d轴电压和表示公共接入点d轴电压，表示大电网与公共接入点交流电压相位角的差值对时间的偏导数，则式（16c）的计算方法为

由于孤岛运行模式通常发生在大电网的有源配电网故障时，因此此时的大电网往往处于非常态运行。那么在孤岛运行时，由于通过变电站的功率为 0，因此式（18a）和式（18b）中关键点的有功和无功功率则变为，大电网的d轴电压，。同时，关键点对某VSI发出控制信号，若第i个VSI接收到关键点的控制信号则，否则为0。而在重新返回并网运行模式时，需要调整微网的电压幅值、相角和频率与大电网一致，为了实现协调一致，协调控制系统的输入量：

将式（20）代入式（16c）中，则能实现微网与大电网频率和相角的匹配。

2.2 功率分配案例分析

本案例中的功率，电压等变量均为标幺值，假设某微网的两微源最大有功功率输出分别为，与大电网的交换功率为Ptr=1pu，这两微源的实际有功输出为Pg1=2/3pu，Pg2=1/3pu，微网中总负荷为电网运行人员设定交换功率的期望值从1 pu变为，即希望增加微网中微源的发电量，减少交换功率，并假设KPi=0.25；时间步长Δt=1 s。如图4所示。

在第一个时间间隔后：

第二个时间间隔后：

则P01=1,P02=0.5,Ptr=0.5，满足，即1+0.5+0.5=2。

3 实验及仿真分析

本文使用MATLAB/SIMULINK对提出的方法进行了仿真。表1中列出了实验参数，如图5所示，为该仿真系统的系统交流示意图。

表1 实验条件及假设Tab.1 Experimental conditions and assumptions

通信频率为5 Hz并假设网络无时滞。实验假设存在5个分布式电源，初始状态为并网运行状态，t=1 s时大电网发生了故障，微网与大电网断开，转入孤岛运行模式，t=30 s时大电网恢复，系统进入切换模式重新接入大电网。故障发生前后的电气参数如表2所示。

表2 切换前后电气参数对比Tab.2 Comparison of electrical parameters before and after switching

并网运行模式下，也就是0≤t＜1时，SMG的电压和频率均受大电网控制，如表2所示。此时，各分布式电源的功率及利用率如表3所示，分布式电源的总功率为695 kW，各电源的使用率均为15.1%，剩余的1 417 kW由大电网供给。

t=1 s时刻故障发生，1 s＜t＜30 s时间内微网转换成孤岛模式，通过PCC的功率变为0，即Ptr=0。据式（15a）和式（15b），系统的频率和电压会明显下降，如图 6（a）和图 8（a）所示。接下来，协调控制器起到二级控制器的作用，调整系统的频率和电压，使其逐渐增加至平衡点。相比于并网运行模式，孤岛运行模式下，逆变器的电压会相对较高，这主要是因为电力流动方向的改变，另外也与微网的较高的传输损耗有关。由于DG4和DG5的电源容量相比于DG1～DG3较小，因此在相同的使用率下，DG4和DG5的功率较小，如表3所示。

表3 各DG及变电站功率及使用率情况Tab.3 Power and usage rate of each DG and substation

在t=31 s时，电网开始进入切换模式。图6所示为切换模式下频率的变化曲线。所有DG的频率都逐渐逼近49.9 Hz，而不是50 Hz。这是因为大电网在故障消除后的频率被设定为49.9 Hz。图7所示为PCC与大电网中相位的不同，在31 s时，相位差为20°，并最终在t≈41 s逐渐接近0。如图9—图12所示，PCC和大电网电压在微网与大电网重新连接后基本一致，均为0.95 pu，如表2所示。

图6 5个节点频率变化曲线图Fig.6 The curve of frequency changes at five nodes

图7 相位差随时间变化曲线图Fig.7 The curve of the phase difference change over time

图8 各节点利用率变化曲线图Fig.8 The curve of utilization rate change at each node

图9 总发电功率和经过变压器的功率曲线图Fig.9 The curve of the total power generation and transformer capacity

因此PCC的电压减少至0.95 pu。而所有逆变器的电压均大于0.95 pu，这是因为电压会沿着反馈器逐渐降低。切换模式下的电力产生于孤岛模式下是相同的，因为在此模式下在智能微网和大电网之间并没有电力交换。在切换模式下，所有的分布式电源的使用率均与孤岛模式相同。

图10 各节点功率曲线图Fig.10 The curves of the power of each node

图11 五个节点电压变化曲线图Fig.11 The curve of voltage change at five nodes

图12 公共接入点电压变化曲线图Fig.12 The curve of PCC voltage change

4 结语

本文提出了在3种运行模式下，智能微网的协调控制的方法，该方法分别对功率、频率和电压进行控制。在本文提出的系统中，分布式协调控制使用了二级和三级控制器来调整主控制器的动态参数。仿真结果表明：提出的方法能够在给定时间内分配与其发电能力成比例的发电量，因此要控制每个逆变器的输入电量和输出电量的平衡；本文提出的方法能够稳定智能微网的频率和电压，通过不断的调整，使得每个逆变器输出频率和电压不断接近期望值；调整后的频率和电压能达到并网的要求。

本文提出的分布式协调控制系统具有灵活性强和自治性强的特点，相比于集中式控制的方法有效地减少了对通信链路的依赖。在分布式协调控制方法下的微网，分布式电源能够以即插即用的方式进入微网，这极大的增加了系统的可操作性。

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