基于多代理系統的直流微電網分區域式穩定控制方法研究

郝雨辰, 江葉峰, 仇晨光, 雷 震, 耿 智, 張 浩, 陸 曉

(國網江蘇省電力公司調度控制中心, 江蘇 南京 210024)

基于多代理系統的直流微電網分區域式穩定控制方法研究

郝雨辰, 江葉峰, 仇晨光, 雷 震, 耿 智, 張 浩, 陸 曉

(國網江蘇省電力公司調度控制中心, 江蘇 南京 210024)

基于直流微電網的結構屬性和分布式電源的運行特點，以直流母線電壓的恒定作為控制目標，針對系統中各單元隸屬于不同用戶的情況，利用多代理系統構建信息網絡，提出以各分布式電源自協調、自管理、自組網為策略實現的直流微電網分區域式穩定控制方法。選擇直流微電網系統中的獨立子區域作為研究對象，設計不同供求關系下的系統穩定控制策略，實現基于信息流的功率流的重新分配與優化。仿真分析結果表明文中設計的基于多代理系統的直流微電網分區域式穩定控制方法，不僅能有效保持系統的運行穩定性，而且能充分體現不同分布式電源的運行特點。

直流微電網; 多代理系統; 穩定控制

0 引言

隨著能源危機的加劇、環境污染的蔓延，以新能源為載體的分布式發電得到了蓬勃發展，微電網作為分布式發電的高級應用形式，通過源荷協調技術、能量管理方案、并離網切換手段有效提高了用戶供電可靠性、能源利用環保性、系統運行經濟性[1，2]。與交流微電網相比，直流微電網具有以下優點[3-7]：便于直流電源的接入；僅需考慮直流母線電壓的恒定、無需考慮同步操作、無功補償等復雜控制；能有效減少電力電子裝置的大量使用從而降低能量轉換造成的損失。

直流微電網研究的重點在于直流母線的電壓穩定，文獻[8]指出為提高系統供電可靠性和分布式電源/負荷接入靈活性，直流微電網可采用多母線結構；文獻[9-11]針對直流微電網工作狀態多樣性設計了統一控制方法，實現不同運行模式的無縫切換；文獻[12-15]以直流微電網中的儲能單元作為研究對象，提出基于母線電壓偏差反饋的多種穩壓控制方法，甚至實現了負荷在分布式儲能中的均衡分配；文獻[16,17]著眼于微電網的層次化結構，研究直流微電網分層穩定控制方案。上述文獻多以單一直流微電網為研究對象，著力于改進集中控制的能力，未從系統層面構建包含多用戶、多需求、多目標的協同控制體系。因此文中針對具有區域自治性的直流微電網，在闡述多代理系統適用性基礎上，設計基于多代理系統的直流微電網分區域式穩定控制方法，在保持母線電壓穩定的同時，滿足區域內各電源的運行目標。

1 直流微電網結構模型

典型的具有區域自治性的直流微電網結構如圖1所示，其中直流母線電壓額定值設為800 V，并經靜態開關在公共連接點處與外部電網相連。

圖1 直流微電網分區域式結構模型Fig.1 Sub-regional structure model of DC microgrid

選擇具有輸出可控的質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)和固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)作為區域2，3的穩控單元。光伏電池(photovoltaic, PV)具有與自然條件相關的不可控性，因此將超級電容(super capacitor, SC)與PV出口Boost電路高壓側相連，確保對區域1內負荷的可靠供電。

2 直流微電網分區域式穩定控制方法

根據圖1所示直流微電網的結構，設計相應的分區域式穩定控制方法，其核心思想在于，利用各區域內微電源控制器(microsource controller, MC)與其他關聯區域內MC的通信，根據協商結果控制區域間開關的通斷，以自組網的形式進行發電功率的合理調度以維持區域子系統的電壓穩定。

由于直流微電網中不考慮無功功率的流動，直流母線電壓的變化是系統有功功率供求波動的外在體現。根據文獻[6]所述直流微電網的穩定性可定義為當系統受到干擾時，直流母線電壓波動不超過額定值的5%。因此，對于圖1中的各區域子系統，均可以由直流母線電壓的狀態來制定相應的穩定控制方法，如圖2所示。

圖2 直流微電網中各區域子系統決策流程Fig.2 Decision process of sub-regional in DC microgrid

從圖2直流微電網各區域子系統決策流程可以看出，通過定時采樣直流母線電壓Udc，當Udc大于額定值800 V時，表征區域內微電源出力大于負荷所需，此時MC通過減小微電源出力以控制直流母線電壓穩定，如微電源出力已降至其輸出功率下限，并且當區域內儲能裝置不具備充電條件或者因最大充電電流的限制，無法全部及時消納區域內的富余有功時，MC則判斷母線電壓的上升是對外功率支持引起還是本區域內負荷減小造成，對于前者則主動斷開區域間開關并及時地通知對方MC，對于后者則查詢系統數據庫(directory facilitator,DF)獲取能夠消納多余功率的其他區域內的MC通信地址，以拍賣的方式詢問其報價以出售這部分多余的功率，并選擇價高者作為合作對象，閉合兩區域間的開關。

如其他區域無法全額消納富余有功，說明此時該區域內的微電源出力已超過整個直流微電網的消納能力，為了保證母線電壓的穩定同時不影響與本區域相連的其他區域負荷的供電質量，MC通過改變控制模式犧牲部分經濟性以降低微電源出力，或者直接進行切機操作。

當Udc小于額定值800 V時，表征區域內微電源出力無法滿足負荷所需，此時MC通過增大微電源出力以控制直流母線電壓穩定，如微電源出力已達到其輸出功率上限，并且區域內儲能裝置不具備放電條件或者因最大放電電流的限制，無法及時彌補區域內功率缺額時，MC則判斷母線電壓的下降是由對外功率支持引起還是本區域內負荷增大造成，對于前者則主動斷開區域間的開關并及時通知對方MC，對于后者則查詢DF獲取能提供功率支持的其他區域內的MC通信地址，以競價的方式詢問其報價，并選擇報價低者作為合作對象，閉合兩區域間的開關。

如整個直流微電網中已無可利用的外部區域電源，說明此時該區域內的負荷需求已超過整個直流微電網的供電能力，為了保證母線電壓的穩定同時不影響與本區域相連的其他區域負荷的供電質量，MC與區域內負荷控制器(load controller, LC)通信請求進行切負荷操作。

由于直流微電網各區域微電源屬于不同業主，有各自的運行特點與獨立的控制目標，各MC出于利益最大化的追求，在其他MC尋求協作過程中均會積極響應。但另一方面出于對本區域運行可靠性的考慮，各MC不僅會拒絕其他區域MC的協助請求，而且在已連接的運行過程中，會出于對本區域負荷的優先供電考慮而主動斷開與其他區域的連接關系，因此，MC需及時查詢DF尋找新的合作關系，或直接采用切機切負荷的電壓恢復手段。

3 適用于直流微電網分區域式穩定控制的多代理系統

3.1 多代理系統在直流微電網中的適用性

多代理系統是由多個相互聯系、相互作用的自主代理(Agent)組成的松散耦合分布式網絡系統，Agent是具有不同能力和目標的異構單元，在沒有全局控制器的協調下，以通信的方式交互彼此掌握的局部信息，實現異步的、并發的計算過程。在直流微電網中的適用性體現在以下幾方面[17-19]：

(1) 邏輯結構的統一性。直流微電網是由一定區域內分散的微電源和負荷構成的具有鮮明層次特點的小型電力系統，具有層內自治、層間協作的運行特點，與多代理系統中分層分布式的Agent集合具有邏輯結構上的統一性。

(2) Agent的自治性。Agent具有根據自身運行特點和控制目標，制定相應策略并規劃自身行為的自主性。當應用于直流微電網中時，各Agent通過監測系統運行信息，及時調節所屬單元的控制參數，以體現各自的運行特點和控制目標。

(3) 多代理的協作性。Agent具備彼此通信，相互配合解決復雜問題的協作性，可用于直流微電網這種具有多控制參數、多參與單元、復雜任務目標的應用場合。

(4) 多代理的可靠性。Agent的自治性使其可以采集與所屬單元運行相關的所有必要信息，做出最準確的判斷，Agent的協作性使其僅需交互少量信息即可實現單元間的合作關系。應用于直流微電網中時，多代理系統雖采集了更多的信息，但網絡中實際傳遞的數據量反而減少了，由此不僅能滿足各單元的運行要求，而且有效提高了系統的可靠性。

(5) 多代理的自適應性。Agent具有感知外界條件變化調節自身行為的環境適應性，以及通過本地控制或通信協作反作用于環境的能動性，應用于直流微電網中時，能有效減輕分布式微電源接入與退出過程中對直流微電網穩定性的沖擊。

應用于文中所述直流微電網分區域式穩定控制策略實現的多代理系統，各區域內的微電源、儲能、負荷控制器即視為一個Agent，各Agent通過采樣區域直流母線電壓信息并監測自身運行狀態，以基于本地信息的自治與基于通信的協作方式維持系統的穩定運行，實現所屬業主的控制目標。與傳統集中控制相比，充分發揮各Agent的自治性，弱化中央控制器的性能；與分布式控制相比，體現各單元協作的能力，以自協調、自組網的方式強化整個直流微電網的運行穩定性。

3.2 多代理系統構建

根據圖1所示直流微電網結構模型，構建適用于圖2分區域式穩定控制決策流程的多代理系統，其中包括區域各發用電單元對應的Agent，以及系統級的DF Agent和完備的點對點通信網絡，DF Agent的作用在于給各MC Agent提供發布、更新和刪除各區域供電裕量和運行狀態的信息平臺，但不具備傳統集中控制的主動協調能力；點對點通信網絡為Agent間的通信交互提供了網絡支持。

Agent間的交互關系如圖3所示，各區域MC Agent根據LC Agent發送的負荷信息，并實時監測直流母線電壓的變化，一旦發現電壓波動超過動作值時，即進行與內部儲能SC Agent的通信，或借助DF Agent開展與外部區域MC Agent的信息交互。圖3中Request、Query、合同網協議均屬于FIPA國際組織定義的適用于多代理系統的標準通信協議，利用inform，agree等標準化語句明確了各協議的實現過程，使文中Agent間的通信具有通用性。

圖3 各區域代理間交互關系Fig.3 Interaction among agents in different regions

4 仿真分析

圖1所示直流微電網系統中，區域2，3內的燃料電池具有輸出功率可控性，區域1內PV的不可控性和SC的充放電制約性，使得兩者構成的復合供電系統具有復雜的運行特點。因此，以區域1為研究對象，采用表1所示參數。其中為了避免SC頻繁啟停，設定SC的動作值為20 V，滿足文獻[6]所述電壓波動小于±5%額定值的穩定要求，下面的仿真結果證明了文中所述基于多代理系統的直流微電網分區域式穩定控制方法的有效性。

表1 直流微電網主要單元參數信息Table 1 Parameters of DC microgrid components

4.1 PV出力大于區域內負荷需求

如圖4所示。初始狀態下采用最大功率跟蹤控制模式的PV出力大于區域1中負荷所需，其直流母線電壓上升，PV Agent即利用Query協議與SC Agent通信，得其同意后閉合兩者間開關，SC開始工作于充電穩壓狀態，使得直流母線電壓回落并穩定在額定值800 V，如圖4(a)所示。0.7 s時區域1負荷增大，對應直流母線電壓稍有波動，SC充電功率也相應減小，如圖4(b)所示。直至1.23 s時SC充電飽和，SC Agent即通知PV Agent并斷開兩者間開關。由于PV輸出功率仍大于負荷所需，導致直流母線電壓繼續上升，由于SC不再具備充電裕量，由此PV Agent利用Request協議查詢DF Agent得到PEMFC Agent和SOFC Agent的通信方式，之后采用合同網通信協議與兩者進行交互，并選定SOFC Agent作為合作對象，于1.4 s時閉合區域1,3間開關，從圖4(c)中可見1.4 s前區域3直流母線電壓穩定在800 V，兩區域聯通后由于得到了區域1的功率輸入，區域3中SOFC的輸出功率具有明顯的下降，而兩區域母線電壓具有一致性。上述過程中Agent間的信息交互如圖4(d)所示。

圖4 區域內供大于求時分區域穩定控制結果Fig.4 Regional stability control for supply exceeding load

4.2 PV出力小于區域內負荷需求

如圖5所示。初始狀態下PV出力小于區域1中負荷所需，其直流母線電壓下降，PV Agent即與SC Agent通信，得其同意后閉合兩者間開關，SC開始工作于放電穩壓狀態，隨著區域1內負荷遞增，SC不斷增大輸出功率以維持母線電壓的穩定，此過程中SC端電壓不斷下降，如圖5(b)所示。直至2 s時由于負荷突增，PV Agent向DF Agent發送服務查詢信息，假設只有SOFC Agent在DF Agent中注冊，PV Agent得其反饋后即向SOFC Agent發送請求信息，經其同意后閉合兩區域間開關。此時SOFC輸出功率增大，且區域1，3直流母線電壓具有一致的波形，如圖5(c)所示。設定區域3內部負荷4.5 s突增，導致母線電壓再次降低，PV Agent判定此波動不是區域1內部負荷變化引起，因此不采取任何動作，但對SOFC Agent來說由于內部負荷增大，其功率輸出達到上限，為保證對本區域負荷的可靠供電，SOFC Agent于5.2 s斷開與區域1間開關，并在DF Agent中注銷服務，此后PV Agent查詢DF Agent無果，只能選擇切負荷穩壓手段，如圖5(a)所示，上述過程中Agent間的信息交互如圖5(d)所示。

圖5 區域內供小于求時分區域穩定控制結果Fig.5 Regional stability control for load exceeding supply

5 結論

隨著新能源項目的發展，勢必形成一定區域內分屬于不同用戶的、以分布式電源為主導、自帶負荷的新型系統，各區域間既相互依存又相互競爭，文中針對這種新情況，以直流微電網為研究對象，提出基于多代理系統的分區域式穩定控制方法，通過各區域子系統的自我識別和自我管理，利用多代理系統提供的服務發布與搜索功能，可實現不依賴于集中控制器的底層單元間的自通信、自決策和自組網，提高了系統的運行可靠性和靈活性，仿真結果驗證了所提策略的有效性，不僅能保持系統的運行穩定，而且能體現不同電源的運行特點。

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(編輯徐林菊)

Research on Sub-regional Stability Control of DC Microgrid Based on Multi-agent System

HAO Yuchen, JIANG Yefeng, QIU Chenguang, LEI Zhen, GENG Zhi, ZHANG Hao, LU Xiao

(State Grid Jiangsu Electric Power Dispatching and Control Center, Nanjing 210024, China)

Based on the structural attributes of DC microgrid and diverse micro-sources’ features, the constant DC bus voltage is considered as the control target. For the situation that each unit belongs to different users, the multi-agent system is used to construct the information network, and a DC microgrid regional stability control method based on distributed power self-coordination, self-management and self-organizing network is proposed. The independent sub-region in the DC microgrid system is chosen as the research object, and the system stability control method under different supply and demand is designed to realize the redistribution and optimization of the power supply based on the interactive information. The simulation results demonstrate that the proposed method can be used to maintain the stability of the system, and it can fully reflect the running characteristics of different distributed power supply.

DC microgrid; multi-agent system; stability control

郝雨辰

2017-04-07；

2017-05-21

TM711

：A

：2096-3203(2017)05-0015-06

郝雨辰(1985—)，男，江蘇南京人，博士，研究方向為電力調度控制與新能源發電(E-mail：hao_yuchen@126.com)；

江葉峰(1976—)，男，江蘇宜興人，高級工程師，研究方向為電力調度運行管理；

仇晨光(1977—)，男，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向為電力調度運行管理；

雷 震(1979—)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為新能源調度運行管理;

耿 智(1982—)，男，江蘇揚中人，高級工程師，研究方向為電力調度控制；

張 浩(1985—)，男，江蘇靖江人，工程師，研究方向為電力調度控制；

陸 曉(1968—)，男，江蘇蘇州人，高級工程師，研究方向為電力調度運行管理。