國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 趙龍 張珍珍 丁坤 周強(qiáng)

北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 萬慶祝 李俊濤

微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的方法主要有集中式控制和分布式控制，文獻(xiàn)[1]研究了基于一階離散一致性協(xié)議的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法，無需中央處理器，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小化；文獻(xiàn)[2]分析了儲(chǔ)能單元、柔性負(fù)荷參與下的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制效果；文獻(xiàn)[3]引入了分布式靜態(tài)參數(shù)估計(jì)方法，加快了基于一致性協(xié)議的經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)算速度；文獻(xiàn)[4-5]分別討論了結(jié)合下垂控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度的直流、交流微電網(wǎng)分布式控制策略。上述文獻(xiàn)所研究算法在微網(wǎng)內(nèi)任一單元控制量波動(dòng)時(shí)，需要所有智能體參與調(diào)節(jié)，由于可再生能源發(fā)電方式具有隨機(jī)性、間歇性，智能體將隨功率的波動(dòng)而頻繁調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患。

本文提出一種適用于多微網(wǎng)的分布式優(yōu)化調(diào)度算法。該方法無需中央處理器，僅需有限個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)間的信息交互。通過分組一致性迭代，既保證了各子微網(wǎng)運(yùn)行于符合各自需求的控制目標(biāo)，消除了全局跟隨調(diào)節(jié)效應(yīng)，又實(shí)現(xiàn)了降低多微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本的目的。

1 多微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度模型

針對多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，首先計(jì)算各子微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本，對所有子微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本求和，線路損耗可忽略不計(jì)，無功功率發(fā)電成本不在本文考慮范圍內(nèi)。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

多微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度需保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定條件下，并使系統(tǒng)總成本在運(yùn)行周期內(nèi)最小，即CMGx=min(ΣCx(PG,t)+ΣCx(PL,p)+ΣCx(PB,q))，式中Ctotal、CMGx分別為多微網(wǎng)系統(tǒng)、子微網(wǎng)x的最小運(yùn)行成本；Cx(PG,t)、Cx(PL,p)和Cx(PL,q)分別為子微網(wǎng)x中第t個(gè)可控微源、第p個(gè)可控負(fù)荷和第q個(gè)儲(chǔ)能單元的運(yùn)行成本。

1.2 成本算式與約束條件

1.2.1 各單元成本

1.2.2 約束條件

等式約束主要考慮區(qū)域切分或由多個(gè)子微網(wǎng)組成的多微網(wǎng)系統(tǒng)，其內(nèi)部各子系統(tǒng)的功率平衡。不等式約束主要以各運(yùn)行單元的輸出或吸收功率上下限為界限。等式約束條件：式中PRG,c為子微網(wǎng)x中第c個(gè)可再生能源發(fā)電單元輸出有功功率。

不等式約束條件：

2 基于分組一致性協(xié)議的多微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度

2.1 單微網(wǎng)分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法

基于多智能體系統(tǒng)的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法一般以微增率成本為控制量，結(jié)合一階離散一致性協(xié)議，給出計(jì)算方程：

式中λi[k]為可控單元i在第k次迭代時(shí)的微增率成本；ε為收斂系數(shù)，通過改變收斂系數(shù)的取值可以改變系統(tǒng)的收斂效果；PE、i[k]為本地功率誤差估計(jì)的第k次迭代值。

2.2 多微網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度算法

單微網(wǎng)分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法無需中央處理器，大大減小系統(tǒng)計(jì)算負(fù)擔(dān)，但系統(tǒng)內(nèi)部任何一個(gè)單元的功率需求變化都要求所有可控單元參與調(diào)節(jié)，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。本文所提分組一致性算法各子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的控制目標(biāo)，而不影響其他子系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，有利于解決單微網(wǎng)全局跟隨調(diào)節(jié)問題，因此本文引入分組一致性協(xié)議進(jìn)行多微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度。以微增率成本為控制變量，有式（1）：

式中λ(s)為子系統(tǒng)s的一致性平均值。

為獲取各子微網(wǎng)的微增率成本一致性平均值，需要設(shè)置一個(gè)可獲取所有單元控制量初值的中央處理器，這與分布式控制的思想存在矛盾。為此本文采用兩階段計(jì)算方式，首先通過單微網(wǎng)分布式調(diào)度算法求解各子微網(wǎng)的一致性平均值；其次考慮各子微網(wǎng)間智能體的交互影響，基于分組一致性協(xié)議進(jìn)行各可控單元的微增率成本運(yùn)算（圖1）。

圖1 基于分組一致性協(xié)議的多微網(wǎng)分布式優(yōu)化調(diào)度算法

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

本文基于IEEE14節(jié)點(diǎn)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建智能微電網(wǎng)，其中通信拓?fù)涞倪B接線路與電氣拓?fù)涞倪B接線路相同（圖2）。

圖2 微電網(wǎng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2(a)所示為基于IEEE14節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)所搭建的單微網(wǎng)通信拓?fù)?。?fù)荷L8所在的母線處，接入了采用最大功率輸出的可再生能源發(fā)電單元。圖2(b)和(c)分別為以IEEE14節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)框架的含兩個(gè)微電網(wǎng)和含三個(gè)微電網(wǎng)的多微網(wǎng)系統(tǒng)。本文假定圖2所示的系統(tǒng)隸屬于同一個(gè)利益集體，即多微網(wǎng)的控制目標(biāo)為在保障各子微網(wǎng)內(nèi)部供需平衡的前提下實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小化。圖2(b)、(c)中，為便于區(qū)分，分別采用A和C表示其內(nèi)部單元。圖2所示的單微網(wǎng)及多微網(wǎng)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)參數(shù)確定后，基于微增率準(zhǔn)則的經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法，在外界功率需求為零時(shí)，可控單元的最優(yōu)微增率存在且唯一；當(dāng)外界功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，各可控單元微增率將收斂至新的一致性平均值。

3.2 單微網(wǎng)運(yùn)行

表1 系統(tǒng)參數(shù)

以新能源發(fā)電單元為功率需求來源，仿真從微增率成本求解精度和迭代次數(shù)兩個(gè)角度，分析收斂系數(shù)的取值對系統(tǒng)收斂效果的作用。

圖3 收斂系數(shù)對收斂效果的影響

由圖3可知，功率需求為零時(shí)系統(tǒng)的一致性平均值為3.0668。收斂系數(shù)在[-10×10-3,0]區(qū)間上，收斂系數(shù)的增大，使得迭代次數(shù)先減小后增大，并且收斂系數(shù)取-8×10-3時(shí)迭代次數(shù)最少。當(dāng)收斂系數(shù)取值在[-10×10-3,-6×10-3]上時(shí)微增率收斂值偏離3.0668較遠(yuǎn)，而在[-6×10-3,0]區(qū)間上計(jì)算誤差小于0.001。綜合考慮收斂速度與計(jì)算誤差，本文取收斂系數(shù)ε=-2×10-3?？紤]新能源發(fā)電單元出力為零和出力增加至50kW兩種情況，單微網(wǎng)分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度算法仿真結(jié)果如圖4。

圖4(a)中，新能源發(fā)電單元出力為零時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)所有可控單元參與調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)一致性收斂。由圖4(c)和(d)可知，系統(tǒng)達(dá)到一致性時(shí)，本地功率誤差和系統(tǒng)功率不平衡度均降至0kW。當(dāng)新能源出力增加至50kW，原有功率平衡被打破，各可控單元在一致性協(xié)議的作用下重新進(jìn)行調(diào)節(jié)，并達(dá)到新的收斂值2.9084，此時(shí)各單元的本地功率誤差仍為0kW。

3.3 多微網(wǎng)運(yùn)行

針對圖2（b）進(jìn)行仿真如圖5?？芍β市枨鬄榱銜r(shí)，MG1和MG2實(shí)現(xiàn)一致性，收斂值分別為2.2877和3.9872，實(shí)現(xiàn)了多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

圖4 考慮新能源功率波動(dòng)的單微網(wǎng)一致性計(jì)算結(jié)果

圖5 MG1與MG2內(nèi)部各單元的微增率成本

3.4 運(yùn)行成本分析

圖6 多微網(wǎng)運(yùn)行成本

單微網(wǎng)和多微網(wǎng)系統(tǒng)在功率需求為零時(shí)的運(yùn)行成本結(jié)果如圖6，可知多微網(wǎng)運(yùn)行成本為10904.24$，單微網(wǎng)運(yùn)行成本為27528.42$，多微網(wǎng)運(yùn)行低于單微網(wǎng)運(yùn)行成本，隨著微網(wǎng)數(shù)量的增加多微網(wǎng)運(yùn)行成本進(jìn)一步下降，但成本下降幅度不高。