丁雨，于艾清，高純

(上海電力大學 電氣工程學院，上海 200082)

0 引言

直流微電網(wǎng)不存在頻率波動、無功功率損失等問題，但分布式電源和負荷的隨機性和波動性會引起直流母線電壓的波動，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-3]，因此直流母線電壓的穩(wěn)定性通常是功率平衡的重要指標。

直流微電網(wǎng)的控制方法主要包括集中式控制與分布式控制2種。集中式控制對通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求較高，且成本更高[4-5]。分布式控制適應(yīng)性更強，更能滿足分布式電源即插即用的要求。文獻[6]對儲能單元剩余容量下垂控制系數(shù)進行優(yōu)化，同時引入二次電壓控制。文獻[7]中使用電壓移位和斜率調(diào)整來消除偏差并提高均流精度。文獻[8]提出一種基于潮流分析的電壓靈敏度矩陣控制方法以優(yōu)化系統(tǒng)。

多智能體系統(tǒng)具有良好的啟發(fā)性和自主性，尤其適用于復(fù)雜的微網(wǎng)能量管理[9-10]。系統(tǒng)最首要的問題即系統(tǒng)的一致性，實現(xiàn)一致性可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)度[11]，這種控制僅需要獲得本地智能體及其鄰居的信息，網(wǎng)絡(luò)通信壓力小。文獻[12]通過有限時間收斂來控制系統(tǒng)虛擬阻抗值調(diào)整直流系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[13]利用基于有限時間一致性改進傳統(tǒng)下垂控制，但未包含對系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的考慮。文獻[14]針對主動配電網(wǎng)設(shè)置一致性算法節(jié)點權(quán)重系數(shù)以應(yīng)對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。文獻[15]對分布式發(fā)電單元設(shè)計了結(jié)合一致性算法的控制器，實現(xiàn)了功率分配和系統(tǒng)內(nèi)環(huán)流最小化。

本文基于多智能體一致性理論，設(shè)計在一致性算法迭代中加入了電壓穩(wěn)定函數(shù)的控制策略，能夠使直流母線電壓快速收斂到額定值。建立經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化模型，提出直流微電網(wǎng)的分布式能量管理算法。

1 發(fā)電成本模型

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)主要包括分布式發(fā)電單元、儲能單元和負荷單元。直流微網(wǎng)在獨立運行和并網(wǎng)運行模式下工作，如失去主網(wǎng)的支持，可再生能源的隨機性對直流母線電壓的影響更明顯[16]。本文主要研究獨立運行模式下直流微電網(wǎng)的分布式控制。

直流微電網(wǎng)通訊系統(tǒng)由各控制單元對應(yīng)的控制器（agent）組成，每個控制器僅需接收和采樣相應(yīng)的本地控制單元及其鄰居單元的指令和信息，在完成接收后，控制器會按照一定的規(guī)則對指令和信息進行處理并發(fā)送給自身相應(yīng)的控制單元，從而更新本地控制單元的信息，保證系統(tǒng)的正確運行[17]。

1.2 目標函數(shù)

2 控制算法

2.1 圖論

2.2 傳統(tǒng)一致性算法

2.3 改進一致性算法

2.4 算法流程

本文所采用的算法具體步驟：（1）根據(jù)供需平衡條件和容量限制，建立系統(tǒng)的總發(fā)電成本函數(shù)；（2）智能體控制器獲取本地信息及其鄰居智能體信息，并初始化；（3）采用改進的多智能體一致性算法對發(fā)電成本函數(shù)求解，同時穩(wěn)定直流母線電壓；（4）判斷是否進行下一時刻的算法迭代；（5）結(jié)束算法，得到最優(yōu)增量成本及最優(yōu)輸出功率值，直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定值。

3 仿真分析

3.1 算例參數(shù)

在Matlab/Simulink中搭建了小型獨立光儲微電網(wǎng)模型，仿真系統(tǒng)中包含2組光伏發(fā)電單元（PV）；2組自發(fā)電單元（DG）；2組儲能單元(ESS)；初始負荷包含300 kW直流負荷。各控制器拓撲連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流微電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)Fig. 1 DC microgrid simulation structure

各單元成本系數(shù)和控制參數(shù)，如表1所示[24]。

表1 成本參數(shù)Table 1 Cost parameter

3.2 算例分析

可控單元成本微增率和可控單元輸出功率分別如圖2及圖3所示。系統(tǒng)中所有可控儲能單元的成本微增率λ在5 s內(nèi)收斂到相同值，且最優(yōu)成本微增率 λ?=14.95元/kW；同時發(fā)電單元和儲能單元的最優(yōu)輸出功率分別為79.49 kW、82.34 kW、22.21 kW、19.60 kW，完成了該微網(wǎng)的最優(yōu)能量輸出目標。

圖2 可控單元成本微增率Fig. 2 Increment rate of controllable unit

圖3 可控單元輸出功率Fig. 3 Output power of the controllable unit

將圖1的通信拓撲改變?yōu)椋汗?jié)點1至節(jié)點3、節(jié)點2至節(jié)點1、節(jié)點3至節(jié)點2的單向通信，節(jié)點3至節(jié)點4的雙向通信。改變通信拓撲后的成本微增率如圖4所示，盡管通信水平相對下降，各可控單元成本微增率的收斂速度和收斂目標值依然保持不變，可以看出該控制相對減小了通信壓力。

圖4 改變通信拓撲后的成本微增率Fig. 4 Increment rate of changed communication topology

在20 s時減小40%的直流負荷，在35 s時增加50%的交流負荷，進行仿真，并與未改進的控制方法相比，改進的一致性算法能夠響應(yīng)并將電壓穩(wěn)定至額定值。

將本文中采取的分布式控制方法與傳統(tǒng)下垂方法[25]作對比，采用本文設(shè)計方法的系統(tǒng)運行成本為3 057 元/kW，相較于傳統(tǒng)下垂控制減少了23%，同時直流母線電壓波動如圖5所示。與下垂控制相比，該算法提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 直流母線電壓變化曲線Fig. 5 DC bus voltage curve

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種獨立光儲直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略，以可控單元運行成本最低為目標函數(shù)，加入了穩(wěn)定直流母線電壓的函數(shù)。通過仿真結(jié)果顯示該分布式能量協(xié)調(diào)策略在運行成本最低的基礎(chǔ)上能合理分配各單元輸出功率，同時能夠快速實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定及電網(wǎng)功率平衡的多目標控制。