郝雨辰, 江葉峰, 仇晨光, 雷 震, 耿 智, 張 浩, 陸 曉

(國網(wǎng)江蘇省電力公司調(diào)度控制中心, 江蘇 南京 210024)

基于多代理系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)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(wǎng)江蘇省電力公司調(diào)度控制中心, 江蘇 南京 210024)

基于直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)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(biāo)，針對系統(tǒng)中各單元隸屬于不同用戶的情況，利用多代理系統(tǒng)構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)，提出以各分布式電源自協(xié)調(diào)、自管理、自組網(wǎng)為策略實現(xiàn)的直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法。選擇直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的獨立子區(qū)域作為研究對象，設(shè)計不同供求關(guān)系下的系統(tǒng)穩(wěn)定控制策略，實現(xiàn)基于信息流的功率流的重新分配與優(yōu)化。仿真分析結(jié)果表明文中設(shè)計的基于多代理系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法，不僅能有效保持系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，而且能充分體現(xiàn)不同分布式電源的運行特點。

直流微電網(wǎng); 多代理系統(tǒng); 穩(wěn)定控制

0 引言

隨著能源危機(jī)的加劇、環(huán)境污染的蔓延，以新能源為載體的分布式發(fā)電得到了蓬勃發(fā)展，微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電的高級應(yīng)用形式，通過源荷協(xié)調(diào)技術(shù)、能量管理方案、并離網(wǎng)切換手段有效提高了用戶供電可靠性、能源利用環(huán)保性、系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性[1，2]。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)具有以下優(yōu)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?shù)葟?fù)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(zhuǎn)換造成的損失。

直流微電網(wǎng)研究的重點在于直流母線的電壓穩(wěn)定，文獻(xiàn)[8]指出為提高系統(tǒng)供電可靠性和分布式電源/負(fù)荷接入靈活性，直流微電網(wǎng)可采用多母線結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[9-11]針對直流微電網(wǎng)工作狀態(tài)多樣性設(shè)計了統(tǒng)一控制方法，實現(xiàn)不同運行模式的無縫切換；文獻(xiàn)[12-15]以直流微電網(wǎng)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(wěn)壓控制方法，甚至實現(xiàn)了負(fù)荷在分布式儲能中的均衡分配；文獻(xiàn)[16,17]著眼于微電網(wǎng)的層次化結(jié)構(gòu)，研究直流微電網(wǎng)分層穩(wěn)定控制方案。上述文獻(xiàn)多以單一直流微電網(wǎng)為研究對象，著力于改進(jìn)集中控制的能力，未從系統(tǒng)層面構(gòu)建包含多用戶、多需求、多目標(biāo)的協(xié)同控制體系。因此文中針對具有區(qū)域自治性的直流微電網(wǎng)，在闡述多代理系統(tǒng)適用性基礎(chǔ)上，設(shè)計基于多代理系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法，在保持母線電壓穩(wěn)定的同時，滿足區(qū)域內(nèi)各電源的運行目標(biāo)。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

典型的具有區(qū)域自治性的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中直流母線電壓額定值設(shè)為800 V，并經(jīng)靜態(tài)開關(guān)在公共連接點處與外部電網(wǎng)相連。

圖1 直流微電網(wǎng)分區(qū)域式結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Sub-regional structure model of DC microgrid

選擇具有輸出可控的質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)和固態(tài)氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)作為區(qū)域2，3的穩(wěn)控單元。光伏電池(photovoltaic, PV)具有與自然條件相關(guān)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(cè)相連，確保對區(qū)域1內(nèi)負(fù)荷的可靠供電。

2 直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法

根據(jù)圖1所示直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法，其核心思想在于，利用各區(qū)域內(nèi)微電源控制器(microsource controller, MC)與其他關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)MC的通信，根據(jù)協(xié)商結(jié)果控制區(qū)域間開關(guān)的通斷，以自組網(wǎng)的形式進(jìn)行發(fā)電功率的合理調(diào)度以維持區(qū)域子系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

由于直流微電網(wǎng)中不考慮無功功率的流動，直流母線電壓的變化是系統(tǒng)有功功率供求波動的外在體現(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[6]所述直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性可定義為當(dāng)系統(tǒng)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(qū)域子系統(tǒng)，均可以由直流母線電壓的狀態(tài)來制定相應(yīng)的穩(wěn)定控制方法，如圖2所示。

圖2 直流微電網(wǎng)中各區(qū)域子系統(tǒng)決策流程Fig.2 Decision process of sub-regional in DC microgrid

從圖2直流微電網(wǎng)各區(qū)域子系統(tǒng)決策流程可以看出，通過定時采樣直流母線電壓Udc，當(dāng)Udc大于額定值800 V時，表征區(qū)域內(nèi)微電源出力大于負(fù)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(wěn)定，如微電源出力已降至其輸出功率下限，并且當(dāng)區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)負(fù)荷減小造成，對于前者則主動斷開區(qū)域間開關(guān)并及時地通知對方MC，對于后者則查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(directory facilitator,DF)獲取能夠消納多余功率的其他區(qū)域內(nèi)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(qū)域間的開關(guān)。

如其他區(qū)域無法全額消納富余有功，說明此時該區(qū)域內(nèi)的微電源出力已超過整個直流微電網(wǎng)的消納能力，為了保證母線電壓的穩(wěn)定同時不影響與本區(qū)域相連的其他區(qū)域負(fù)荷的供電質(zhì)量，MC通過改變控制模式犧牲部分經(jīng)濟(jì)性以降低微電源出力，或者直接進(jìn)行切機(jī)操作。

當(dāng)Udc小于額定值800 V時，表征區(qū)域內(nèi)微電源出力無法滿足負(fù)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(wěn)定，如微電源出力已達(dá)到其輸出功率上限，并且區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)負(fù)荷增大造成，對于前者則主動斷開區(qū)域間的開關(guān)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(qū)域內(nèi)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(qū)域間的開關(guān)。

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

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

3 適用于直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制的多代理系統(tǒng)

3.1 多代理系統(tǒng)在直流微電網(wǎng)中的適用性

多代理系統(tǒng)是由多個相互聯(lián)系、相互作用的自主代理(Agent)組成的松散耦合分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Agent是具有不同能力和目標(biāo)的異構(gòu)單元，在沒有全局控制器的協(xié)調(diào)下，以通信的方式交互彼此掌握的局部信息，實現(xiàn)異步的、并發(fā)的計算過程。在直流微電網(wǎng)中的適用性體現(xiàn)在以下幾方面[17-19]：

(1) 邏輯結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性。直流微電網(wǎng)是由一定區(qū)域內(nèi)分散的微電源和負(fù)荷構(gòu)成的具有鮮明層次特點的小型電力系統(tǒng)，具有層內(nèi)自治、層間協(xié)作的運行特點，與多代理系統(tǒng)中分層分布式的Agent集合具有邏輯結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性。

(2) Agent的自治性。Agent具有根據(jù)自身運行特點和控制目標(biāo)，制定相應(yīng)策略并規(guī)劃自身行為的自主性。當(dāng)應(yīng)用于直流微電網(wǎng)中時，各Agent通過監(jiān)測系統(tǒng)運行信息，及時調(diào)節(jié)所屬單元的控制參數(shù)，以體現(xiàn)各自的運行特點和控制目標(biāo)。

(3) 多代理的協(xié)作性。Agent具備彼此通信，相互配合解決復(fù)雜問題的協(xié)作性，可用于直流微電網(wǎng)這種具有多控制參數(shù)、多參與單元、復(fù)雜任務(wù)目標(biāo)的應(yīng)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(guān)的所有必要信息，做出最準(zhǔn)確的判斷，Agent的協(xié)作性使其僅需交互少量信息即可實現(xiàn)單元間的合作關(guān)系。應(yīng)用于直流微電網(wǎng)中時，多代理系統(tǒng)雖采集了更多的信息，但網(wǎng)絡(luò)中實際傳遞的數(shù)據(jù)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(tǒng)的可靠性。

(5) 多代理的自適應(yīng)性。Agent具有感知外界條件變化調(diào)節(jié)自身行為的環(huán)境適應(yīng)性，以及通過本地控制或通信協(xié)作反作用于環(huán)境的能動性，應(yīng)用于直流微電網(wǎng)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(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊。

應(yīng)用于文中所述直流微電網(wǎng)分區(qū)域式穩(wěn)定控制策略實現(xiàn)的多代理系統(tǒng)，各區(qū)域內(nèi)的微電源、儲能、負(fù)荷控制器即視為一個Agent，各Agent通過采樣區(qū)域直流母線電壓信息并監(jiān)測自身運行狀態(tài)，以基于本地信息的自治與基于通信的協(xié)作方式維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)所屬業(yè)主的控制目標(biāo)。與傳統(tǒng)集中控制相比，充分發(fā)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(xiàn)各單元協(xié)作的能力，以自協(xié)調(diào)、自組網(wǎng)的方式強化整個直流微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

3.2 多代理系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)圖1所示直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建適用于圖2分區(qū)域式穩(wěn)定控制決策流程的多代理系統(tǒng)，其中包括區(qū)域各發(fā)用電單元對應(yīng)的Agent，以及系統(tǒng)級的DF Agent和完備的點對點通信網(wǎng)絡(luò)，DF Agent的作用在于給各MC Agent提供發(fā)布、更新和刪除各區(qū)域供電裕量和運行狀態(tài)的信息平臺，但不具備傳統(tǒng)集中控制的主動協(xié)調(diào)能力；點對點通信網(wǎng)絡(luò)為Agent間的通信交互提供了網(wǎng)絡(luò)支持。

Agent間的交互關(guān)系如圖3所示，各區(qū)域MC Agent根據(jù)LC Agent發(fā)送的負(fù)荷信息，并實時監(jiān)測直流母線電壓的變化，一旦發(fā)現(xiàn)電壓波動超過動作值時，即進(jìn)行與內(nèi)部儲能SC Agent的通信，或借助DF Agent開展與外部區(qū)域MC Agent的信息交互。圖3中Request、Query、合同網(wǎng)協(xié)議均屬于FIPA國際組織定義的適用于多代理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，利用inform，agree等標(biāo)準(zhǔn)化語句明確了各協(xié)議的實現(xiàn)過程，使文中Agent間的通信具有通用性。

圖3 各區(qū)域代理間交互關(guān)系Fig.3 Interaction among agents in different regions

4 仿真分析

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

表1 直流微電網(wǎng)主要單元參數(shù)信息Table 1 Parameters of DC microgrid components

4.1 PV出力大于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷需求

如圖4所示。初始狀態(tài)下采用最大功率跟蹤控制模式的PV出力大于區(qū)域1中負(fù)荷所需，其直流母線電壓上升，PV Agent即利用Query協(xié)議與SC Agent通信，得其同意后閉合兩者間開關(guān)，SC開始工作于充電穩(wěn)壓狀態(tài)，使得直流母線電壓回落并穩(wěn)定在額定值800 V，如圖4(a)所示。0.7 s時區(qū)域1負(fù)荷增大，對應(yīng)直流母線電壓稍有波動，SC充電功率也相應(yīng)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(guān)。由于PV輸出功率仍大于負(fù)荷所需，導(dǎo)致直流母線電壓繼續(xù)上升，由于SC不再具備充電裕量，由此PV Agent利用Request協(xié)議查詢DF Agent得到PEMFC Agent和SOFC Agent的通信方式，之后采用合同網(wǎng)通信協(xié)議與兩者進(jìn)行交互，并選定SOFC Agent作為合作對象，于1.4 s時閉合區(qū)域1,3間開關(guān)，從圖4(c)中可見1.4 s前區(qū)域3直流母線電壓穩(wěn)定在800 V，兩區(qū)域聯(lián)通后由于得到了區(qū)域1的功率輸入，區(qū)域3中SOFC的輸出功率具有明顯的下降，而兩區(qū)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(qū)域內(nèi)供大于求時分區(qū)域穩(wěn)定控制結(jié)果Fig.4 Regional stability control for supply exceeding load

4.2 PV出力小于區(qū)域內(nèi)負(fù)荷需求

如圖5所示。初始狀態(tài)下PV出力小于區(qū)域1中負(fù)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(guān)，SC開始工作于放電穩(wěn)壓狀態(tài)，隨著區(qū)域1內(nèi)負(fù)荷遞增，SC不斷增大輸出功率以維持母線電壓的穩(wěn)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(fù)荷突增，PV Agent向DF Agent發(fā)送服務(wù)查詢信息，假設(shè)只有SOFC Agent在DF Agent中注冊，PV Agent得其反饋后即向SOFC Agent發(fā)送請求信息，經(jīng)其同意后閉合兩區(qū)域間開關(guān)。此時SOFC輸出功率增大，且區(qū)域1，3直流母線電壓具有一致的波形，如圖5(c)所示。設(shè)定區(qū)域3內(nèi)部負(fù)荷4.5 s突增，導(dǎo)致母線電壓再次降低，PV Agent判定此波動不是區(qū)域1內(nèi)部負(fù)荷變化引起，因此不采取任何動作，但對SOFC Agent來說由于內(nèi)部負(fù)荷增大，其功率輸出達(dá)到上限，為保證對本區(qū)域負(fù)荷的可靠供電，SOFC Agent于5.2 s斷開與區(qū)域1間開關(guān)，并在DF Agent中注銷服務(wù)，此后PV Agent查詢DF Agent無果，只能選擇切負(fù)荷穩(wěn)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(qū)域內(nèi)供小于求時分區(qū)域穩(wěn)定控制結(jié)果Fig.5 Regional stability control for load exceeding supply

5 結(jié)論

隨著新能源項目的發(fā)展，勢必形成一定區(qū)域內(nèi)分屬于不同用戶的、以分布式電源為主導(dǎo)、自帶負(fù)荷的新型系統(tǒng)，各區(qū)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(wǎng)為研究對象，提出基于多代理系統(tǒng)的分區(qū)域式穩(wěn)定控制方法，通過各區(qū)域子系統(tǒng)的自我識別和自我管理，利用多代理系統(tǒng)提供的服務(wù)發(fā)布與搜索功能，可實現(xiàn)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(wǎng)，提高了系統(tǒng)的運行可靠性和靈活性，仿真結(jié)果驗證了所提策略的有效性，不僅能保持系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，而且能體現(xiàn)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(diào)度控制與新能源發(fā)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度控制；

張 浩(1985—)，男，江蘇靖江人，工程師，研究方向為電力調(diào)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(diào)度運行管理。