基于分布式控制的孤立微網(wǎng)優(yōu)化控制方法

劉維

摘要：孤立微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行越來越受到關(guān)注，針對(duì)目前孤立微網(wǎng)集中式控制中存在對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)依賴度大，一旦中心控制器發(fā)生故障，系統(tǒng)很難堅(jiān)持運(yùn)行的問題，除此之外，在微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)還需要考慮合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高綜合效益。本文提出一種能源轉(zhuǎn)換層變流器不依賴中心控制器自治運(yùn)行，提供穩(wěn)定電壓，頻率支持;能源管理層優(yōu)化策略采用基于“無中心節(jié)點(diǎn)”的分布式控制，通過各分布式電源對(duì)等的信息交互，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制的分布式功率均衡控制的運(yùn)行方法。

關(guān)鍵詞：孤立微網(wǎng);分布式功率均衡;優(yōu)化控制

引言

隨著化石能源的枯竭和全球變暖等環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，及分布式電源和主動(dòng)負(fù)荷的大量出現(xiàn)，微電網(wǎng)中的發(fā)電功率及負(fù)荷擾動(dòng)將表現(xiàn)出具有分布式、隨機(jī)性和間歇性等固有特點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)調(diào)度也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法一般采用集中式優(yōu)化方法來解決經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，其利用各分布式微源和中央控制器（MGCC）之間的通信實(shí)現(xiàn)信息交換，通過中央控制器統(tǒng)一下發(fā)調(diào)度指令，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。然而這種控制方式存在對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)依賴度大，一旦中心控制器發(fā)生故障，系統(tǒng)很難堅(jiān)持運(yùn)行的問題，除此之外，在微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)還需要考慮合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高綜合效益。本文提出一種能源轉(zhuǎn)換層變流器不依賴中心控制器自治運(yùn)行，提供穩(wěn)定電壓，頻率支持;能源管理層優(yōu)化策略采用基于“無中心節(jié)點(diǎn)”的分布式控制，通過各分布式電源對(duì)等的信息交互，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制的運(yùn)行方法。

1 基于多子站對(duì)等自治的分布式功率均衡控制策略

針對(duì)孤立微電網(wǎng)功率均衡優(yōu)化目標(biāo)及分布式控制架構(gòu)及功率控制方法，提出基于多子站對(duì)等自治的分布式功率均衡控制策略，系統(tǒng)總體框架圖如下。系統(tǒng)取消中心控制器概念，為每個(gè)下垂控制子站分配虛擬代理人，由代理人完成分布式信息交互及功率均衡和優(yōu)化控制策略。子站通過設(shè)備自身的下垂控制實(shí)現(xiàn)自治，保證微電網(wǎng)的電壓一次調(diào)節(jié)及功率就地平衡，同時(shí)多代理人之間通過信息共享完成上層系統(tǒng)的功率優(yōu)化分配及電壓二次調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)代理人在通訊組網(wǎng)完成后，代理人通過交互彼此信息。同時(shí)每個(gè)代理人按系統(tǒng)建模仿真給出控制策略集（代理協(xié)議）和調(diào)節(jié)控制策略參數(shù)，從而完成控制目標(biāo)。由于取消了中心控制器的邏輯，通訊壓力大幅減小。若因?yàn)楣收蠐p失一個(gè)或多個(gè)代理人，假設(shè)剩余一次功率電壓能滿足系統(tǒng)運(yùn)行，剩余的代理人仍可按照代理協(xié)議繼續(xù)完成系統(tǒng)功率和電壓控制。

1.1 全局電壓平均值獲取方式

由于孤立直流微電流之間功率流動(dòng)導(dǎo)致各代理人采集的電源接點(diǎn)電壓也不同，為了在系統(tǒng)級(jí)電壓二次調(diào)節(jié)時(shí)的穩(wěn)定和優(yōu)化，各代理人之間必須獲得全網(wǎng)的平均電壓，同步調(diào)節(jié)平均電壓，才能不引起擾動(dòng)滿足供電質(zhì)量。在初始條件下，各代理人僅知道自身的電壓值，且僅能具備彼此通信的代理人共享信息。為了進(jìn)一步壓縮通信通道，需要合理設(shè)計(jì)全局電壓值轉(zhuǎn)移矩陣，實(shí)現(xiàn)全局平均電壓的實(shí)時(shí)共享。

具體方案，利用系統(tǒng)級(jí)通信對(duì)時(shí)在各代理人之間同步時(shí)鐘，按約定的時(shí)間間隔Ts刷新本地電壓值，本地電壓差由下式

式中，U*ave 為上一時(shí)刻全網(wǎng)平均額定電壓，U為該電源點(diǎn)輸出電壓。代理人i的本地電壓壓差計(jì)算完成后，將ΔU賦予電壓差狀態(tài)量ΔUi進(jìn)入后續(xù)計(jì)算。

為了計(jì)算全網(wǎng)平均電壓差，根據(jù)收集的可通信其他代理人的信息獲得

式中dij為通信矩陣D元素，由通信組網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)決定，若代理人i和代理人j有通信鏈路dij=dji，反之為0?；贛AS的孤立微電網(wǎng)分布式協(xié)同功率優(yōu)化控制研究，提出的一種Metropolis方法，dij的值為：

Max（ni，nj）代表本代理人和相鄰代理人通過通信接點(diǎn)的較大值。Ni代表與節(jié)點(diǎn)i相連的相鄰集合，由于通信矩陣D≠0時(shí)滿足收斂性。ΔU[∞]最終收斂值為

同時(shí)采用下式作為收斂的判據(jù)，還可以適應(yīng)通信組網(wǎng)的變化

M一般取值1-5，判據(jù)收斂后獲得全局電壓平均值

1.2 功率一致性控制

獲得全局電壓平均值后，在下一時(shí)鐘周期啟動(dòng)功率一致性控制。功率一致性控制將全局電壓收斂值ΔU[∞]作為反饋值，與當(dāng)前采樣功率一并參與計(jì)算得到調(diào)節(jié)輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)功率和電壓的同步調(diào)節(jié)。具體方案如下

Step1 代理人i從本地控制器采集實(shí)時(shí)輸出功率Pi，當(dāng)前電壓Ui，計(jì)算功率標(biāo)幺值：

式中，Pib為代理人i對(duì)應(yīng)的額定功率，Pi*為當(dāng)前時(shí)刻的功率標(biāo)幺值，n代表微電網(wǎng)中有n臺(tái)發(fā)電單元作為下垂控制。

第二步，將Pi信息發(fā)布到通信可達(dá)的相鄰代理人j。

式中dij含義相同，Pir為當(dāng)前時(shí)刻代理人j的參考輸出頻率，kp為反饋比列調(diào)節(jié)系數(shù)。

第三步，各代理人按照本地信息修正下垂系數(shù)。

完成這三個(gè)步驟后，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間周期的電壓采樣-全局電壓平均值，功率采樣和功率控制，直至各變流器輸出功率標(biāo)幺值一致性收斂于P*。流程圖如下

綜上所述，本策略在“無中心控制器”的情況下，基于局部信息完成了功率的高精度均衡分配和電壓二次調(diào)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)孤立微電網(wǎng)功率優(yōu)化問題，借鑒分布式控制架構(gòu)及多子站自治的分布式控制方法。從分布式控制架構(gòu)及分布式功率優(yōu)化方法出發(fā)，討論了分布式信息交互方法、協(xié)同優(yōu)化控制策略，提出基于分布式功率優(yōu)化控制策略。該方法不需要中央控制器，利用等微增率原則，僅通過相鄰微源之間交換各自的微增率，就能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行在電壓及功率最優(yōu)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元的優(yōu)化控制，有效地解決了集中式控制中存在的通信信息量大、通信成本高等問題。給孤立微電網(wǎng)的功率控制及二次優(yōu)化提出了一種思路。

參考文獻(xiàn)

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