劉增環(huán) 李 潔

(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

基于Multi-agent的微電網(wǎng)運(yùn)行與控制的研究

劉增環(huán) 李 潔

(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

為了提高微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種模式切換的平滑性，增加其運(yùn)行的可靠性，對(duì)基于Multi-agent系統(tǒng)理論的微電網(wǎng)控制模型進(jìn)行了深入的研究，提出了新的控制模型。該模型增加了孤島檢測(cè)agent，根據(jù)電壓和頻率的變化及時(shí)判斷孤島的出現(xiàn)，使各微源可以迅速選擇各自的控制方式，在實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)局部自治和保證微電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性的基礎(chǔ)上,提高了微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。試驗(yàn)仿真結(jié)果證明了新模型的可行性和有效性。

微電網(wǎng)控制模型 多智能體系統(tǒng) 孤島檢測(cè) 恒功率控制 恒頻恒壓控制 超級(jí)電容

0 引言

為了解決全球面臨的能源短缺危機(jī)和緩解環(huán)保壓力等問(wèn)題，微電網(wǎng)作為一種新的供電模式應(yīng)運(yùn)而生。微電網(wǎng)系統(tǒng)是一種新型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以脫離外部電網(wǎng)孤立運(yùn)行[1-2]。

目前對(duì)微電網(wǎng)控制策略和方式的研究有很多。文獻(xiàn)[3]～[5]采用了類(lèi)似大電網(wǎng)的傳統(tǒng)控制方法，其控制系統(tǒng)的反應(yīng)能力有限。文獻(xiàn)[6]～[7]將agent技術(shù)應(yīng)用到了微電網(wǎng)的控制中，建立了基于Multi-agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制模型，增加了系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力，有效改善了微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性影響的問(wèn)題。

本文對(duì)基于Multi-agent系統(tǒng)理論的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究，提出了新的模型結(jié)構(gòu)。仿真試驗(yàn)表明，該模型可以及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)孤島的出現(xiàn),并可以平滑地進(jìn)行微電網(wǎng)從并網(wǎng)到孤島狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使微電網(wǎng)控制模型更加完善和高效。

1 新型微電網(wǎng)控制模型

Multi-agent系統(tǒng)理論是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軟件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的新途徑，具有協(xié)調(diào)和綜合處理復(fù)雜問(wèn)題的能力。它是由多個(gè)agent組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中每個(gè)agent都具有自治性、交互性、協(xié)作性和學(xué)習(xí)能力等特性。將agent技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，使其在局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自治，并且只需上報(bào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，增加了控制系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力[8]。

基于Multi-agent系統(tǒng)中的分層控制理論，將微電網(wǎng)內(nèi)部分成不同的控制點(diǎn)并設(shè)置相應(yīng)的agent控制，將控制中心agent設(shè)置為頂層agent，其他為底層agent。分層后的微電網(wǎng)系統(tǒng)將集中控制和分散控制相結(jié)合，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

在外部大電網(wǎng)出現(xiàn)故障或受到干擾的情況下，微電網(wǎng)需要及時(shí)與大電網(wǎng)斷開(kāi)，轉(zhuǎn)為獨(dú)立運(yùn)行模式，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。加入孤島檢測(cè)單元可以增加微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的快速性，并有效改善供電的靈活性。

1.1 微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

基于Multi-agent的微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。微電網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層主要有：微源(DG)agent、負(fù)荷agent、儲(chǔ)能agent、孤島檢測(cè)agent等。

圖1 基于Multi-agent的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

其中，DG agent包含微源發(fā)電組件的實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、控制模塊和逆變器控制模塊，其目的是根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和微電網(wǎng)控制中心的指令完成電壓和頻率的調(diào)節(jié)。負(fù)荷agent單元完成微電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷的功率檢測(cè)。儲(chǔ)能 (super-capacitor,SC) agent單元負(fù)責(zé)儲(chǔ)能單元充放電的控制。孤島agent單元判斷孤島的發(fā)生并及時(shí)將信號(hào)上報(bào)。

微電網(wǎng)控制中心agent作為微電網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂層，負(fù)責(zé)接收底層agent發(fā)送和上報(bào)的信息，然后對(duì)信息進(jìn)行辨識(shí)并將任務(wù)信息下發(fā)給底層agent?？刂浦行腶gent和各個(gè)agent共同協(xié)作，完成微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制[6]。

1.2微電網(wǎng)控制模型

Multi-agent系統(tǒng)是由多個(gè)簡(jiǎn)單的agent組成的復(fù)雜系統(tǒng)，主要注重各個(gè)agent合作交流、共同協(xié)調(diào)解決問(wèn)題的能力。根據(jù)圖1的微網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)建立對(duì)應(yīng)的控制模型，如圖2所示[6]。

圖2 各agent內(nèi)部模塊

圖2中，ID為身份標(biāo)志，用于對(duì)不同agent身份的識(shí)別；Policy為微源控制方式標(biāo)志，包括PQ(恒功率控制)和V/f(恒頻恒壓控制)；Pref、Qref分別為PQ控制時(shí)有功設(shè)定值和無(wú)功設(shè)定值；PL、QL為負(fù)荷agent的有功功率和無(wú)功功率。

當(dāng)微電網(wǎng)所接負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷agent檢測(cè)到功率變化并向控制中心agent發(fā)送自己的身份編號(hào)?？刂浦行腶gent接收到負(fù)荷agent的身份編號(hào)，先進(jìn)行身份識(shí)別認(rèn)證，然后通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析模塊，最終由決策模塊生成Pref、Qref。將其值與微源的身份編號(hào)發(fā)送給各微源agent。各微源agent將控制中心發(fā)送的身份編號(hào)與自己的身份編號(hào)進(jìn)行比對(duì)，相同則執(zhí)行PQ控制，實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

當(dāng)孤島agent檢測(cè)模塊檢測(cè)出現(xiàn)孤島時(shí)，立即向控制中心agent發(fā)送孤島信號(hào)和自己的身份編號(hào)?？刂浦行腶gent通過(guò)接收到的身份編號(hào)進(jìn)行身份識(shí)別，確定出現(xiàn)孤島。由決策模塊選擇具有V/f控制的微源，再通過(guò)任務(wù)模塊將該微源agent的身份編號(hào)發(fā)出。各微源agent接收到控制agent中心內(nèi)的信號(hào)后與自己的身份編號(hào)進(jìn)行比對(duì)，相同則執(zhí)行切換，切換為V/f控制方式，不同則不改變控制方式。

2 新型模型中各模塊設(shè)計(jì)

2.1 孤島檢測(cè)agent設(shè)計(jì)

孤島檢測(cè)agent中主要是孤島檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，其模型如圖3所示。

圖3 孤島檢測(cè)agent模塊模型

圖3中，PL和QL為負(fù)荷所需求的有功、無(wú)功功率；P和Q為DG經(jīng)逆變器后向負(fù)載提供的有功功率、無(wú)功功率；ΔP、ΔQ為DG提供的功率與負(fù)載需求不匹配的有功功率、無(wú)功功率；UPCC為PCC處的相電壓；ω為公共連接點(diǎn)(PCC)處的角頻率。設(shè)U0為孤島后 PCC處相電壓，ω0為孤島后 PCC處角頻率。根據(jù)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)PCC處能量守恒和出現(xiàn)孤島的條件可得到[9]：

(1)

(2)

出現(xiàn)孤島后，由式(1)和式(2)可以看出：PCC處的電壓變化與有功功率的變化ΔP相關(guān)；頻率的變化與有功和無(wú)功的變化相關(guān)；且當(dāng)變化越大時(shí)，相應(yīng)的電壓和頻率的變化也會(huì)越大。這樣就可以根據(jù)測(cè)量的電壓或頻率的變化來(lái)檢測(cè)孤島的發(fā)生。然而當(dāng)電壓和頻率變化較小時(shí)，應(yīng)根據(jù)頻率變化Δf與負(fù)荷電壓變化ΔUL之比即Δf/ΔUL來(lái)判斷孤島的發(fā)生。

穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，PCC處的頻率和電壓值基本保持恒定。用DG的頻率與穩(wěn)定時(shí)的頻率之差的絕對(duì)值|f-f0|來(lái)判定系統(tǒng)是否出現(xiàn)擾動(dòng)。若|f-f0|≤λ，則認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定，此時(shí)Δf/ΔUL=0；若|f-f0}> λ，則認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)了擾動(dòng)(λ=0.5)。設(shè)一個(gè)孤島檢測(cè)閾值T(在這里T取2.5[10])，將Δf/ΔUL和T進(jìn)行比較來(lái)判斷擾動(dòng)類(lèi)型。若Δf/ΔUL>T，則系統(tǒng)出現(xiàn)了孤島；若Δf/ΔUL

2.2 微源agent設(shè)計(jì)

微源agent設(shè)計(jì)中主要是PQ控制方式和V/f控制方式模塊的設(shè)計(jì)。

2.2.1PQ控制模塊

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微源通常采用PQ控制，其控制目的是使微源輸出的有功功率、無(wú)功功率實(shí)時(shí)跟蹤其設(shè)定的參考信號(hào)。此時(shí)由大電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。PQ控制原理圖如圖4所示。

圖4 PQ控制原理圖

圖4中，Uabc為輸出電壓，iabc為饋線電流；Ud、Uq和id、iq為經(jīng)Park變換后的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的電壓和電流值；ω為大電網(wǎng)頻率；Pref、Qref和idref、iqref為功率和電流設(shè)定值。

逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率在dq0坐標(biāo)下表達(dá)式為：

(3)

(4)

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下，一般選取參考軸Uq=0，則有：

(5)

(6)

因此，可以根據(jù)設(shè)定的Pref、Qref算出參考電流idref、iqref的值，即：

(7)

(8)

由式(7)和式(8)可知，對(duì)參考功率的跟蹤問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為對(duì)參考電流的跟蹤，這樣就實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦[11]。具體控制過(guò)程是：由Pref和Qref計(jì)算得到dq軸參考電流idref和iqref，再使其與實(shí)際測(cè)量信號(hào)id和iq的差值通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)，同時(shí)考慮線路電感的耦合作用，最終得到dq軸參考電壓信號(hào)Udref和Uqref。將得到的電壓信號(hào)通過(guò)Park反變換轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動(dòng)SPWM控制的三相abc控制信號(hào)分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制。

2.2.2 V/f控制模塊

微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行狀態(tài)下，需要有微源采用V/f控制來(lái)提供強(qiáng)有力的電壓和頻率支撐，最終實(shí)現(xiàn)恒頻/恒壓控制，并滿足負(fù)荷功率的跟隨特性。V/f控制原理如圖5所示。

圖5 V/f控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5中，Uabc為輸出電壓，iabc為饋線電流；Ud、Uq和idref、iqref為經(jīng)Park變換后的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的電壓和電流值。

逆變器的V/f控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制[12]。電壓外環(huán)控制通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)，將參考電壓Udref、Uqref和電壓Ud、Uq作為系統(tǒng)輸入，保證負(fù)載電壓的穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)采用比例控制器P控制，其輸入為電壓外環(huán)的輸出，輸出數(shù)據(jù)通過(guò)dq逆變換和SPWM發(fā)生器最終得到逆變器控制信號(hào)。

對(duì)V/f雙環(huán)控制進(jìn)行分析驗(yàn)證，可以得出：電壓外環(huán)超調(diào)量較小，調(diào)整時(shí)間短，確保了輸出電壓的穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)控制對(duì)電流的跟蹤可達(dá)到無(wú)靜差，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

2.3 SC agent模塊

超級(jí)電容因其充放電迅速、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行安全、內(nèi)部狀態(tài)可測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作微電網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元，輔助微源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡和電壓的穩(wěn)定[7]。

SC agent模塊的主要作用是控制儲(chǔ)能單元的充放電。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié)功率的平衡，此時(shí)儲(chǔ)能處于充電狀態(tài)；出現(xiàn)孤島后，切換到放電狀態(tài)，彌補(bǔ)功率缺額，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。

2.4 微電網(wǎng)控制中心agent

微電網(wǎng)控制中心agent 是微電網(wǎng)控制的核心，主要任務(wù)是接收底層各個(gè)agent的信號(hào)，然后進(jìn)行分析、決策，最終生成任務(wù)將信號(hào)發(fā)出[8]。文中搭建的Multi-agent系統(tǒng)中的DG agent、負(fù)荷 agent 和SC agent，在運(yùn)行期間反饋各自的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠向控制中心agent提供修改和刪除的信息。同時(shí)，微電網(wǎng)控制中心agent可以根據(jù)系統(tǒng)中各單元的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)控制各微源的控制方式和超級(jí)電容的充放電，最終保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 參數(shù)設(shè)置與仿真分析

為了驗(yàn)證微電網(wǎng)控制新模型的可行性和有效性，根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab中進(jìn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)建模仿真。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中有兩個(gè)微源單元，即太陽(yáng)能光伏組件DG1和微型燃?xì)廨啓C(jī)DG2，還有一個(gè)儲(chǔ)能單元SC[9]。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)的設(shè)置

各微源和儲(chǔ)能單元的輸出功率變化、系統(tǒng)母線電壓和頻率變化的仿真結(jié)果圖分別如圖7～圖9所示。

如圖7所示，在1 s時(shí)刻檢測(cè)到孤島信號(hào)，經(jīng)過(guò)0.05 s微電網(wǎng)控制中心agent發(fā)出孤島運(yùn)行模式信號(hào)。DG1保持孤島前的功率輸出基本不變，DG2則改變?cè)瓉?lái)的PQ控制方式為V/f方式，并且振蕩較小，在達(dá)到穩(wěn)定前由超級(jí)電容SC放電來(lái)維持系統(tǒng)功率的平衡。當(dāng)t處于1.5～2.5 s，切除了負(fù)荷3，DG1保持原來(lái)的輸出不變，DG2輸出功率降低。當(dāng)t為3 s時(shí)，系統(tǒng)重新并網(wǎng)，DG1恢復(fù)原來(lái)的輸出有功功率，SC進(jìn)入充電狀態(tài)。

圖7 輸出功率變化曲線

圖8 母線電壓變化曲線

圖9 頻率變化曲線

如圖8和圖9所示，整個(gè)過(guò)程中電壓范圍為225～230 V，頻率基本保持50 Hz不變?？梢钥闯?母線電壓和頻率的波動(dòng)都在允許范圍內(nèi)，且在各個(gè)狀態(tài)運(yùn)行期間，母線電壓和功率都基本保持穩(wěn)定。

從結(jié)果圖(圖7～圖9)可以看出，加入孤島檢測(cè)模塊的新型微電網(wǎng)控制模型，保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)在不同模式下的平滑切換，增加了微電網(wǎng)系統(tǒng)控制的快速反應(yīng)能力，有效改善了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)基于Multi-agent系統(tǒng)的微電網(wǎng)控制模型進(jìn)一步分析研究，并進(jìn)行改進(jìn)補(bǔ)充，增加了孤島檢測(cè)agent。詳細(xì)設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)模型中各個(gè)主要agent模塊，并根據(jù)該模型構(gòu)建了具體的算例進(jìn)行建模仿真分析，驗(yàn)證了該新模型的可行性和有效性，為實(shí)際的復(fù)雜微電網(wǎng)系統(tǒng)控制的研究提供了依據(jù)。此外，對(duì)Multi-agent各agent之間的協(xié)作機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

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Research on the Micro-grid Operation and Control Based on Multi-agent

In order to improve the smoothness of the micro-grid during switching between grid-connected mode and island mode, and enhance the reliability of the operation, the micro-grid control model based on theory of multi-agent system is researched in-depth, and the new model is proposed. The island detection agent is added in new model, the appearance of the island can be judged timely in accordance with the variation of voltage and frequency and each micro source can quickly select their control mode. On the basis of implementing micro-grid local autonomy, and ensuring security and reliability of micro-grid operation, the high speed response capability of the micro-grid control system is increased. The results of experiment and simulation verify the feasibility and effectiveness of the new model.

Micro-grid control model Multi-agent system Island detection PQ control V/F control Super-capacitor

劉增環(huán)(1962-)，男，2005年畢業(yè)于燕山大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事電氣自動(dòng)化檢測(cè)與控制的研究。

TM743

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504004

修改稿收到日期： 2014-08-24。