基于分布式控制的孤立微网优化控制方法

刘维

摘要：孤立微网的经济运行越来越受到关注，针对目前孤立微网集中式控制中存在对通信网络依赖度大，一旦中心控制器发生故障，系统很难坚持运行的问题，除此之外，在微电网稳定运行的同时还需要考虑合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系统的运行成本，提高综合效益。本文提出一种能源转换层变流器不依赖中心控制器自治运行，提供稳定电压，频率支持;能源管理层优化策略采用基于“无中心节点”的分布式控制，通过各分布式电源对等的信息交互，实现全局最优控制的分布式功率均衡控制的运行方法。

关键词：孤立微网;分布式功率均衡;优化控制

引言

随着化石能源的枯竭和全球变暖等环境问题日益严峻，及分布式电源和主动负荷的大量出现，微电网中的发电功率及负荷扰动将表现出具有分布式、随机性和间歇性等固有特点，其经济调度也面临着严峻的挑战。传统的经济调度方法一般采用集中式优化方法来解决经济调度问题，其利用各分布式微源和中央控制器（MGCC）之间的通信实现信息交换，通过中央控制器统一下发调度指令，从而实现全网经济优化。然而这种控制方式存在对通信网络依赖度大，一旦中心控制器发生故障，系统很难坚持运行的问题，除此之外，在微电网稳定运行的同时还需要考虑合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系统的运行成本，提高综合效益。本文提出一种能源转换层变流器不依赖中心控制器自治运行，提供稳定电压，频率支持;能源管理层优化策略采用基于“无中心节点”的分布式控制，通过各分布式电源对等的信息交互，实现全局最优控制的运行方法。

1 基于多子站对等自治的分布式功率均衡控制策略

针对孤立微电网功率均衡优化目标及分布式控制架构及功率控制方法，提出基于多子站对等自治的分布式功率均衡控制策略，系统总体框架图如下。系统取消中心控制器概念，为每个下垂控制子站分配虚拟代理人，由代理人完成分布式信息交互及功率均衡和优化控制策略。子站通过设备自身的下垂控制实现自治，保证微电网的电压一次调节及功率就地平衡，同时多代理人之间通过信息共享完成上层系统的功率优化分配及电压二次调节。

系统代理人在通讯组网完成后，代理人通过交互彼此信息。同时每个代理人按系统建模仿真给出控制策略集（代理协议）和调节控制策略参数，从而完成控制目标。由于取消了中心控制器的逻辑，通讯压力大幅减小。若因为故障损失一个或多个代理人，假设剩余一次功率电压能满足系统运行，剩余的代理人仍可按照代理协议继续完成系统功率和电压控制。

1.1 全局电压平均值获取方式

由于孤立直流微电流之间功率流动导致各代理人采集的电源接点电压也不同，为了在系统级电压二次调节时的稳定和优化，各代理人之间必须获得全网的平均电压，同步调节平均电压，才能不引起扰动满足供电质量。在初始条件下，各代理人仅知道自身的电压值，且仅能具备彼此通信的代理人共享信息。为了进一步压缩通信通道，需要合理设计全局电压值转移矩阵，实现全局平均电压的实时共享。

具体方案，利用系统级通信对时在各代理人之间同步时钟，按约定的时间间隔Ts刷新本地电压值，本地电压差由下式

式中，U*ave 为上一时刻全网平均额定电压，U为该电源点输出电压。代理人i的本地电压压差计算完成后，将ΔU赋予电压差状态量ΔUi进入后续计算。

为了计算全网平均电压差，根据收集的可通信其他代理人的信息获得

式中dij为通信矩阵D元素，由通信组网连接结构决定，若代理人i和代理人j有通信链路dij=dji，反之为0。基于MAS的孤立微电网分布式协同功率优化控制研究，提出的一种Metropolis方法，dij的值为：

Max（ni，nj）代表本代理人和相邻代理人通过通信接点的较大值。Ni代表与节点i相连的相邻集合，由于通信矩阵D≠0时满足收敛性。ΔU[∞]最终收敛值为

同时采用下式作为收敛的判据，还可以适应通信组网的变化

M一般取值1-5，判据收敛后获得全局电压平均值

1.2 功率一致性控制

获得全局电压平均值后，在下一时钟周期启动功率一致性控制。功率一致性控制将全局电压收敛值ΔU[∞]作为反馈值，与当前采样功率一并参与计算得到调节输出功率，从而实现功率和电压的同步调节。具体方案如下

Step1 代理人i从本地控制器采集实时输出功率Pi，当前电压Ui，计算功率标幺值：

式中，Pib为代理人i对应的额定功率，Pi*为当前时刻的功率标幺值，n代表微电网中有n台发电单元作为下垂控制。

第二步，將Pi信息发布到通信可达的相邻代理人j。

式中dij含义相同，Pir为当前时刻代理人j的参考输出频率，kp为反馈比列调节系数。

第三步，各代理人按照本地信息修正下垂系数。

完成这三个步骤后，进入下一个时间周期的电压采样-全局电压平均值，功率采样和功率控制，直至各变流器输出功率标幺值一致性收敛于P*。流程图如下

综上所述，本策略在“无中心控制器”的情况下，基于局部信息完成了功率的高精度均衡分配和电压二次调节。

结语

本文针对孤立微电网功率优化问题，借鉴分布式控制架构及多子站自治的分布式控制方法。从分布式控制架构及分布式功率优化方法出发，讨论了分布式信息交互方法、协同优化控制策略，提出基于分布式功率优化控制策略。该方法不需要中央控制器，利用等微增率原则，仅通过相邻微源之间交换各自的微增率，就能实现微电网运行在电压及功率最优状态，从而实现各个单元的优化控制，有效地解决了集中式控制中存在的通信信息量大、通信成本高等问题。给孤立微电网的功率控制及二次优化提出了一种思路。

参考文献

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