郭佳歡，謝清華，黃 偉

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

基于MAS的微電網(wǎng)即插即用理論研究

郭佳歡，謝清華，黃 偉

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時(shí)提供電能和熱量。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源如太陽(yáng)能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等經(jīng)過(guò)整流逆變等電力電子器件實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)必要的控制手段，孤立運(yùn)行或與外部主網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠充分利用各種分布式電源，發(fā)揮新能源的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，減少環(huán)境污染，具有低電壓低損耗、規(guī)模靈活、使用地域廣泛[1-2]、效率高[3-4]等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

然而，微電源的分布式特性以及控制數(shù)據(jù)量大、控制方式靈活多變等特點(diǎn)，使得采用以往由調(diào)度中心統(tǒng)一判斷、調(diào)度的集中式控制方法難以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)靈活、有效的運(yùn)行[5]，因此有學(xué)者提出即插即用理論[6]，即通過(guò)一定的控制手段滿足微電源的隨機(jī)接入和退出，使之既能滿足負(fù)荷的需求又能減少其對(duì)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的影響，通過(guò)將控制權(quán)分散到各微電網(wǎng)元件中，由各元件根據(jù)微網(wǎng)的調(diào)度自行改變運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)加強(qiáng)微網(wǎng)各元件之間的通信和聯(lián)系，強(qiáng)化彼此間的協(xié)作。這種控制思想是解決微網(wǎng)控制難題，實(shí)現(xiàn)即插即用的有效途徑[7-10]。正是在這種控制思想下，采用MAS（多代理）系統(tǒng)構(gòu)建微網(wǎng)即插即用的控制系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了微電網(wǎng)各元件的協(xié)調(diào)控制策略，為微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行控制提供了新思路。

1 MAS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

MAS的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有多種[11-14]，本文采用3層控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中包含3種Agent（代理）單元，即電網(wǎng)Agent，微電網(wǎng)Agent和微電網(wǎng)元件Agent。電網(wǎng)Agent負(fù)責(zé)大電網(wǎng)及微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，并綜合微電網(wǎng)Agent信息做出重大決策，微電網(wǎng)Agent對(duì)元件Agent進(jìn)行管理，如接收元件Agent的相關(guān)信息，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及調(diào)整策略為其提供相應(yīng)的控制策略，元件Agent具有獨(dú)立運(yùn)行能力[15]，能夠根據(jù)獲得的信息，自行決策并控制元件的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)即插即用。各個(gè)Agent之間通過(guò)通信加強(qiáng)彼此之間聯(lián)系，協(xié)作保持微電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 MAS結(jié)構(gòu)圖

MAS控制系統(tǒng)中各元件之間、元件和微電網(wǎng)之間、微電網(wǎng)和上級(jí)大電網(wǎng)之間的通信方式有直接通信和間接通信2種。直接通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面的聯(lián)邦系統(tǒng)通信或廣播通信，間接通信則采用所謂的“黑板”系統(tǒng)，它將所有必要的信息粘貼在一個(gè)叫做“黑板”的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)上，提供給相同等級(jí)的Agent檢索，方便了元件之間的協(xié)作[15]。

2 即插即用模型及系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

2.1 元件即插即用模型

以往對(duì)即插即用的研究多從電力電子技術(shù)出發(fā)，設(shè)計(jì)微電源的控制系統(tǒng)[16-19]，這種單一的控制技術(shù)具有明顯的局限性，例如其控制范圍僅限于單個(gè)的元件，在微電網(wǎng)正常運(yùn)行或者波動(dòng)較小時(shí)，能很好的跟蹤系統(tǒng)變化，實(shí)現(xiàn)元件的穩(wěn)定運(yùn)行；但是在微電網(wǎng)波動(dòng)較大時(shí)，單個(gè)元件的自身調(diào)節(jié)能力已無(wú)法支持微電網(wǎng)的正常運(yùn)行。同時(shí)由于缺少通信設(shè)備，各元件只能各自為戰(zhàn)，無(wú)法有效調(diào)度所有元件協(xié)調(diào)動(dòng)作，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)閱蝹€(gè)元件的動(dòng)作而加劇微電網(wǎng)系統(tǒng)的波動(dòng)。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種全新的即插即用模型。它包含3個(gè)模塊的內(nèi)容：一是元件Agent的自我決策與控制模塊，二是元件間以及元件和微電網(wǎng)間的通信與協(xié)作模塊，三是元件的電力電子控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 元件即插即用模型圖

虛框內(nèi)的部分代表一個(gè)元件Agent所具有的基本功能單元。元件Agent將采集到的微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如電壓、頻率和負(fù)荷功率等以及微電網(wǎng)和其他元件Agent的響應(yīng)信息一起送入分析/處理單元，并經(jīng)決策/命令單元做出決策，最終發(fā)出命令或請(qǐng)求。控制命令及時(shí)作用于電力電子器件，利用元件的輸出參數(shù)如電壓、頻率等跟蹤微網(wǎng)變化，并保證各元件的輸出特性滿足要求，實(shí)現(xiàn)即插即用功能；同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)給其他元件Agent和微電網(wǎng)Agent，告知是否需要彼此協(xié)作。

2.2 電力電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以微型燃?xì)廨啓C(jī)為例設(shè)計(jì)它的并網(wǎng)控制系統(tǒng)。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)的端口電壓和頻率都不滿足并網(wǎng)要求 （這里選擇的微型燃?xì)廨啓C(jī)的出口電壓為0.325kV，頻率為1200Hz）因此需要通過(guò)整流、逆變裝置，使并網(wǎng)電壓有效值降至220V，頻率降至50Hz。整流、逆變器均為三相半橋結(jié)構(gòu)且采用雙PWM控制，圖3、圖4分別是整流器和逆變器的控制框圖。整流器直流側(cè)參考電壓為1kV，逆變器交流側(cè)三相交流電壓參考值幅值為0.311kV（有效值220V），頻率為50Hz。PWM信號(hào)g1～g6控制整流器的開(kāi)斷，p1～p6控制逆變器的開(kāi)斷。

圖3 微型燃?xì)廨啓C(jī)整流器控制框圖

圖4 微型燃?xì)廨啓C(jī)逆變器控制框圖

2.3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

以孤網(wǎng)情況下的微電網(wǎng)為例闡述各Agent的協(xié)調(diào)控制策略。此時(shí)，系統(tǒng)包括微電網(wǎng)Agent和元件Agent，其中元件Agent又包括微型燃?xì)廨啓C(jī)Agent，蓄電池Agent和負(fù)荷Agent。各Agent的功能如下：

1）微電網(wǎng)Agent綜合網(wǎng)絡(luò)電氣參數(shù)，采集元件Agent上傳信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、制訂相關(guān)控制策略，并下達(dá)給各元件Agent。

2）微型燃?xì)廨啓C(jī)Agent跟蹤系統(tǒng)及負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)整電力電子控制器件的參考數(shù)據(jù)，使輸出電壓、頻率以及功率滿足負(fù)荷要求，并與微網(wǎng)及其他元件Agent通信，獲取控制命令及協(xié)調(diào)信息。

3）蓄電池Agent跟蹤系統(tǒng)及負(fù)荷變化，同樣及時(shí)調(diào)整電力電子器件，控制接入系統(tǒng)輸出功率以維持系統(tǒng)電壓和穩(wěn)定，并與微電網(wǎng)及其他元件Agent通信。

4）元件Agent調(diào)節(jié)負(fù)荷功率，模擬實(shí)際情況下負(fù)荷的變化，與微電網(wǎng)及其他元件Agent通信。

具體協(xié)調(diào)控制策略如下：

1）在負(fù)荷功率未超過(guò)微型燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出上限時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)跟蹤負(fù)荷變化，并通知微電網(wǎng)Agent和蓄電池Agent。微電網(wǎng)Agent不作干預(yù)，而蓄電池則充電，充滿電后接入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

2）負(fù)荷Agent調(diào)節(jié)負(fù)荷功率，使負(fù)荷超過(guò)微型燃?xì)廨啓C(jī)的功率上限，但是功率差值不超過(guò)蓄電池的容量。此時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)滿功率運(yùn)行，蓄電池Agent控制接入開(kāi)關(guān)閉合，輸出功率彌補(bǔ)功率不足。微型燃?xì)廨啓C(jī)Agent和蓄電池Agent同時(shí)向微電網(wǎng)Agent發(fā)送信息，微電網(wǎng)Agent并不作干預(yù)。

3）繼續(xù)調(diào)節(jié)負(fù)荷，使負(fù)荷功率保持較長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率上限。此時(shí)，微電網(wǎng)Agent根據(jù)采集到的信息發(fā)出命令，通知各元件Agent。負(fù)荷Agent通過(guò)控制系統(tǒng)切除一部分負(fù)荷，使微電源功率和負(fù)荷功率回到平衡狀態(tài)。此時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)降低輸出功率，回到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，而蓄電池則再次充電。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)以上闡述，建立由微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池和負(fù)荷組成的微電網(wǎng)PSCAD模型，并通過(guò)仿真驗(yàn)證上述即插即用理論的正確性。

圖5～8是系統(tǒng)PSCAD仿真圖形。

圖5 逆變器出口電壓分析

圖6 逆變器出口電壓頻率分析

圖7 逆變器出口電壓諧波分析

圖8 負(fù)荷潮流圖

1）圖5是逆變器出口側(cè)的交流電壓，其幅值為0.304kV，電壓偏差為：

從1）、2）可以看出逆變器的輸出電壓能夠較好的跟蹤參考電壓，電壓和頻率計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值相符，電壓的偏差滿足要求。

2）圖7反應(yīng)了逆變器出口側(cè)交流電壓的諧波情況，基準(zhǔn)頻率為50Hz，經(jīng)過(guò)傅里葉變換器，出口側(cè)的交流電壓只含有基波分量，即只含有工頻電壓。因此微型燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過(guò)整流、逆變后，輸出的電壓沒(méi)有諧波，有利于提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3） 圖8中P1代表燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率，P2代表的是蓄電池的輸出功率。從圖中可以看到，在前5min內(nèi)P2為0，負(fù)荷沒(méi)有超過(guò)微型燃?xì)廨啓C(jī)的功率輸出上限，其所需功率全部由微型燃?xì)廨啓C(jī)提供，蓄電池接入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；在5s時(shí)負(fù)荷超出微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率上限，此時(shí)蓄電池接入開(kāi)關(guān)合上，負(fù)荷所需功率由二者共同提供，蓄電池放電，P2不為0。

綜上可知，采用基于MAS的即插即用控制技術(shù)，各元件能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化實(shí)現(xiàn)自主控制，同時(shí)各元件又能加強(qiáng)合作，共同維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

構(gòu)建了適用于微電網(wǎng)的MAS 3層控制體系，設(shè)計(jì)了基于電力電子技術(shù)和MAS的即插即用模型，制定了相應(yīng)的控制策略，仿真表明該控制策略既能夠調(diào)整微電源的輸出特性，使其滿足負(fù)荷需求和系統(tǒng)穩(wěn)定要求，實(shí)現(xiàn)即插即用，又可同時(shí)對(duì)多個(gè)元件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行得到優(yōu)化。

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Study on the Plug and Play Theory in Micro-grid Based on MAS

GUO Jia-huan，XIE Qing-hua，HUANG Wei
（Dept.of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

The Plug and Play theory becomes a focus in the micro- grid research. However, the research ongoingboth at home and abroad concentrates mainly on designing the electronic power control systems for a single micro- source with little attention paid to thecoordinated controlstrategies of multimicro- grid elements. This paper first introduces the advantages and disadvantages of the micro- grid, as well as the theoretic application foundation of the ‘Plug and Play’ in the micro- grid. A 3- tier control system is established which contains the power grid Agent, the micro- Grid Agent and component Agent, and elaborates the control system. A ‘PlugandPlay’ modelisalsosetupwhich isbased on combination ofthe power electronic technologyandMulti- Agent system（MAS） and finally the coordinated control strategy of the model is closely examined and studied.

plug and play theory；micro-grid；multi-agent system；‘plug and play’model；coordinated control

即插即用理論是微電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)即插即用理論的研究多側(cè)重于設(shè)計(jì)單個(gè)微源并網(wǎng)的電力電子控制系統(tǒng)，而很少研究多個(gè)微網(wǎng)元件之間的協(xié)調(diào)控制策略。首先介紹了微電網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及即插即用在微網(wǎng)中運(yùn)用的理論基礎(chǔ)，構(gòu)建并闡述了以電網(wǎng)Agent、微電網(wǎng)Agent和元件Agent組成的微電網(wǎng)3層控制體系，設(shè)計(jì)了基于MAS系統(tǒng)和電力電子控制技術(shù)的即插即用模型，并詳細(xì)分析了微電網(wǎng)元件協(xié)調(diào)控制策略。

即插即用理論；微電網(wǎng)；Multi-Agent系統(tǒng)；即插即用模型；協(xié)調(diào)控制

國(guó)家863項(xiàng)目（2008AA05Z216&2007AA05Z249）。

1674-3814（2010）01-0031-05

TM71；TM727.2；TM743

A

2009-09-15。

郭佳歡（1984—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性、微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與控制;

謝清華（1983—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性、微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與控制;

黃 偉（1962—），男，博士、教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性、配電系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)、微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制和保護(hù)研究等。

（編輯 董小兵）