柔性多端直流的智能分布調(diào)控

高 揚(yáng)，艾 芊，刁曉偉，高 波

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市綠色能源環(huán)保有限公司，上海 200433；3.國(guó)網(wǎng)株洲供電公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

風(fēng)速、光照等天氣條件的隨機(jī)性和難預(yù)測(cè)性，大幅增加了新能源的調(diào)度和并網(wǎng)控制難度。傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)因具有電壓等級(jí)高、響應(yīng)速度快、傳輸容量大、線損低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大容量等輸電場(chǎng)合［1-4］。相較于傳統(tǒng)的高壓直流輸電，柔性直流輸電更適用于常規(guī)的交流電網(wǎng)異步互聯(lián)以及遠(yuǎn)距離輸電，而且可以同時(shí)改善所聯(lián)交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量。柔性直流換流站具有有功、無功解耦控制的優(yōu)良特性，在交流系統(tǒng)故障時(shí)可以快速發(fā)出無功，幫助交流系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，且不增加交流電網(wǎng)的短路電流，不受交流系統(tǒng)短路容量限制，不存在換相失敗的問題。

然而，各換流站功率的合理分配及直流母線電壓控制的質(zhì)量卻直接影響多端直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性［5-7］。目前針對(duì)柔性多端電網(wǎng)的直流電壓控制可分為有無通信兩大類。帶通信的控制方式主要有主從控制方式，它需要上層控制器的協(xié)調(diào)；無通信的控制方式?jīng)]有上層控制器，主要有基于直流電壓偏差控制的多點(diǎn)直流電壓控制方式、帶電壓下降特性的控制方式等［8-9］，但是這些控制方式下直流電壓控制質(zhì)量差，且因?yàn)槿鄙偕蠈訁f(xié)調(diào)，無法保證系統(tǒng)在故障或大擾動(dòng)情況下的穩(wěn)定以及最優(yōu)控制。

近年來，多智能體技術(shù)日趨成熟，為柔性直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制提供了一種新的途徑。多智能體系統(tǒng)通常包括2個(gè)及以上的智能體，每個(gè)智能體都是典型的知識(shí)實(shí)體，具有自主性、社會(huì)能力、反應(yīng)性、目標(biāo)導(dǎo)向及主動(dòng)性等特點(diǎn)。智能體之間以及智能體與系統(tǒng)間通過交互、協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)群體妥協(xié)解。

基于以上分析，本文首先探討了柔性多端直流電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)研究了各端子的運(yùn)行控制策略；然后提出基于柔性多端直流智能調(diào)控的實(shí)現(xiàn)途徑，即在每個(gè)端子都設(shè)置一個(gè)智能體，從而構(gòu)成多智能體系統(tǒng)，分析了通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)多智能體協(xié)調(diào)控制的影響；最后，通過搭建一個(gè)典型的四端柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該控制策略的有效性和合理性。

1 柔性多端直流電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是一個(gè)典型的四端柔性直流電網(wǎng)。交流電網(wǎng)1采用定直流電壓控制，負(fù)責(zé)維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；交流電網(wǎng)2和4根據(jù)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度指令，采取定有功功率方式實(shí)現(xiàn)功率的合理分配［10-13］；交流電網(wǎng)3可以連接風(fēng)電場(chǎng)，匯集風(fēng)電功率。

圖1 典型的四端柔性直流電網(wǎng)Fig.1 Typical structure of four-terminal flexible DC power grid

2 柔性多端直流電網(wǎng)控制策略

柔性多端直流電網(wǎng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，如果系統(tǒng)中只存在1個(gè)主換流站，無法使系統(tǒng)達(dá)到功率平衡，會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)電網(wǎng)的頻率發(fā)生振蕩，使具有調(diào)節(jié)能力的換流站都參與系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，可減小與之相連的交流側(cè)電網(wǎng)頻率波動(dòng)。本文借鑒交流電網(wǎng)中調(diào)頻器的控制思路，采用改進(jìn)的定有功功率下垂控制策略，根據(jù)圖2所示的P-V特性關(guān)系曲線來提高換流站的功率調(diào)節(jié)能力，并實(shí)現(xiàn)定直流電壓控制［14-15］。

圖2 有功功率和直流母線電壓特性曲線Fig.2 Characteristic curve of active power and DC bus voltage

圖2中，k為P-V關(guān)系曲線的斜率；Edcref為換流站直流母線電壓的參考值；Pref為換流站有功功率的參考值。則換流站有功功率和直流母線電壓的特性關(guān)系表示如下：

當(dāng)直流系統(tǒng)中產(chǎn)生功率波動(dòng)ΔP時(shí)，第i個(gè)具有P-V下垂關(guān)系特性的換流站工作平衡點(diǎn)會(huì)由（Edcref，Pref）變?yōu)椋瑒t ΔPi=P*-Pref，直流母線的電壓變化如下：

則系統(tǒng)總的功率波動(dòng)ΔP為：

參與功率調(diào)節(jié)的換流站功率變化為：

可見，各直流換流站的功率調(diào)節(jié)能力由P-V關(guān)系曲線的斜率k的大小決定。ki越大，功率調(diào)節(jié)能力越弱；ki越小，則功率調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。通常情況下，換流站的容量和斜率ki的大小呈反比關(guān)系。

3 基于多智能體系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 多智能體系統(tǒng)

多智能體系統(tǒng)由若干個(gè)智能體組成，其中每個(gè)智能體都有自己的動(dòng)態(tài)控制器。在柔性多端直流電網(wǎng)中，每個(gè)智能體設(shè)置在不同的換流站處，有各自的控制目標(biāo)，可以獲取本地或者鄰近智能體的狀態(tài)信息?？紤]到智能體的通信延遲td，智能體i的直流電壓參考值可表示如下：

其中，nc為參與控制的智能體的數(shù)量；E0dcref，i為智能體 i的初始參考電壓值；αi、βj為常數(shù)，是智能體 i以及其他智能體對(duì)智能體i控制的影響因子。如果智能體之間沒有通信，則βj=0，表示受控對(duì)象只受本地智能體控制。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，式（5）能自動(dòng)更新?lián)Q流站直流參考電壓值。多智能體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多智能體系統(tǒng)通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Communication system structure of multi-agent system

多智能體之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制通常存在一定的通信延遲，該延遲會(huì)影響多智能體系統(tǒng)的控制效果?；谀慰固胤€(wěn)定性判據(jù)可知，如果最大通信延遲時(shí)間τmax不超過π／（2ηmax）時(shí)，則整個(gè)多智能體系統(tǒng)的分布式控制算法依然收斂，其中ηmax為拉普拉斯矩陣L的最大特征根，其值越大，則多智能體系統(tǒng)的通信延時(shí)容忍度就越?。?6］。

本文針對(duì)圖1所示柔性多端直流系統(tǒng)的物理架構(gòu)，設(shè)計(jì)了4種典型的多智能體通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)如表1所示。本文采用圖3（a）或（d）所示的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可減小多智能體系統(tǒng)分布式控制的通信延時(shí)時(shí)間。

表1 各通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)Table 1 Parameters of each communication system structure

圖3中實(shí)線連接表示2個(gè)智能體間可進(jìn)行通信，其余情況則表示無通信。其鄰接矩陣A和對(duì)角矩陣D可以分別求得：

進(jìn)而可求出拉普拉斯矩陣L為：

由式（7）可最終求得拉普拉斯矩陣L的特征值為：η1=0，η2=2，η3=η4=4。 則這種通信拓?fù)湎碌南到y(tǒng)通信延遲時(shí)間為：

3.2 多智能體智能分布調(diào)控策略

以四端柔性直流輸電系統(tǒng)為例，對(duì)多智能體的分布調(diào)控策略進(jìn)行說明，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)功率平衡時(shí)，各換流站智能體穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)，直流母線電壓的參考值為Edcref。根據(jù)功率調(diào)節(jié)能力的不同，將各換流站智能體進(jìn)行分類。假定換流站VSC3是第一類智能體，輸入功率為 P0+P1；換流站 VSC2、VSC4作定有功功率控制，是第二類智能體，有功功率參考值分別為Pref2=-k2P1和 Pref4=-k4P1；換流站 VSC1吸收功率為P0，作定直流電壓控制，是第三類智能體。當(dāng)換流站VSC3連接的風(fēng)電場(chǎng)輸入系統(tǒng)的功率變化為P0+P1+ΔP時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到功率波動(dòng)為ΔP，此時(shí)調(diào)整第二類換流站智能體VSC2和VSC4的功率，令Pref2=-k2P1-k2ΔP，Pref4=-k4P1-k4ΔP，補(bǔ)償系統(tǒng)功率不平衡。 而此時(shí)換流站VSC1智能體控制模式則保持不變，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)平穩(wěn)地過渡到B點(diǎn)，系統(tǒng)電壓Edcref保持不變，對(duì)換流站VSC1智能體而言，A點(diǎn)和B點(diǎn)重合。

圖4 多智能體智能分布調(diào)控原理示意圖Fig.4 Schematic control principle of intelligent distributed control for multi-agent system

斜率k2和k4的取值大小取決于與之相連的交流電網(wǎng)強(qiáng)弱，如果連接的是強(qiáng)交流電網(wǎng)，則ki取較大的值，最大可取到1。若換流站VSC2或VSC4智能體由于故障退出，ki則取為0，然后調(diào)整其余換流站的功率調(diào)節(jié)系數(shù)ki，直至換流站恢復(fù)正常值時(shí)再恢復(fù)相應(yīng)的ki值。若換流站智能體所連接的交流電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生改變，能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的ki值，增加或減少其功率補(bǔ)償?shù)拇笮　?/p>

圖5 多智能體的智能分布調(diào)控示意圖Fig.5 Schematic diagram of intelligent distributed controllers based on multi-agent system

根據(jù)上述多智能體智能分布調(diào)控策略，設(shè)計(jì)如圖5所示的控制框圖，既可實(shí)現(xiàn)定有功功率控制，又可維持系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定。圖中，Pref為定功率控制換流站智能體的有功功率參考值。邏輯判斷模塊中，若 Edc＞Edcref，則控制模式 Edc_mode=1，作定功率控制的換流站智能體VSC2和VSC4工作于OA段；若Edc＜EPmax，則只需單一的主換流站VSC1作定直流電壓控制，維持系統(tǒng)的功率平衡。若系統(tǒng)中負(fù)荷需求減小時(shí)，直流母線電壓上升，EPmax＜Edc＜Edmax，VSC1達(dá)到功率極限，作定功率控制的換流站VSC2和VSC4會(huì)共同承擔(dān)系統(tǒng)中功率波動(dòng)，工作于AB段。若系統(tǒng)中出現(xiàn)換流站故障時(shí)，直流母線電壓繼續(xù)上升，Edc>Edmax，則定有功功率控制的換流站VSC2和VSC4會(huì)立即變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂疲S持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)故障切除后，Edc＜EPmax時(shí)，定有功功率控制的換流站VSC2和VSC4會(huì)從定直流電壓控制工作模式中恢復(fù)為定功率控制，由VSC1作定直流電壓控制，直到系統(tǒng)電壓恢復(fù)。

4 仿真驗(yàn)證與分析

根據(jù)圖1所示四端柔性直流電網(wǎng)，利用PSCAD／EMTDC仿真軟件驗(yàn)證基于多智能體的智能分布調(diào)控策略。整個(gè)直流系統(tǒng)最初穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)為：VSC1采取定直流電壓控制，換流站VSC2、VSC4采取定功率控制，換流站VSC3跟蹤最大風(fēng)能。各換流站智能體參考電壓設(shè)置為Ed2，minEd3，max>Ed4，max，表示一旦發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)環(huán)境的變化VSC4智能體首先做出反應(yīng)，然后才是VSC2智能體和VSC3智能體。由于直流電網(wǎng)智能體的優(yōu)化調(diào)度策略并非本文的研究重點(diǎn)，故假設(shè)仿真中各參考指令值已經(jīng)過直流電網(wǎng)智能體的優(yōu)化，符合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及安全性的要求，設(shè)置VSC3風(fēng)電場(chǎng)容量為500 MW。

a.穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中換流站的功率調(diào)節(jié)能力，可知VSC3為第一類換流站，VSC2和VSC4為第二類換流站，Pref2=-300 MW，Pref4=-100 MW，VSC1為第三類換流站，Edcref=1.0 p.u.。t=5 s時(shí)風(fēng)速由10 m／s上升為13m／s，風(fēng)電場(chǎng)換流站VSC3發(fā)生功率波動(dòng)，換流站VSC1工作狀態(tài)保持不變，由VSC2和VSC4進(jìn)行功率調(diào)整，設(shè)定功率調(diào)節(jié)系數(shù)k2和k3均為0.5，滿足功率波動(dòng)。風(fēng)功率波動(dòng)情況下的智能分布調(diào)控效果如圖6所示（U為標(biāo)幺值）。

圖6 風(fēng)功率波動(dòng)情況下的智能分布調(diào)控效果Fig.6 Performance of intelligent distributed control for wind power fluctuations

b.若換流站 VSC1發(fā)生故障，此時(shí) VSC2、VSC3、VSC4處功率由直流電網(wǎng)向交流電網(wǎng)吸收有功功率，分別為-55 MW、-95 MW、-280 MW，維持系統(tǒng)的功率平衡和直流母線電壓穩(wěn)定。4.5 s時(shí)，VSC1智能體故障退出，則系統(tǒng)中有功過剩，直流母線電壓上升，VSC4智能體接收到直流電網(wǎng)電壓變化信號(hào)，迅速切換為定直流電壓控制的工作模式。由于換流站VSC4容量充足，此時(shí)，VSC4智能體向直流電網(wǎng)智能體上傳狀態(tài)信息，VSC4智能體在5 s時(shí)接收到直流電網(wǎng)智能體的調(diào)節(jié)信息，將換流站直流母線電壓重新調(diào)整為120 kV。此時(shí)的智能分布調(diào)控效果如圖7所示。

圖7 VSC1故障退出情況下的智能分布調(diào)控效果Fig.7 Performance of intelligent distributed control for excitation of VSC1

c.設(shè)多智能體系統(tǒng)在進(jìn)行分布式協(xié)調(diào)控制時(shí)，通信系統(tǒng)發(fā)生故障。如圖8所示，假設(shè)風(fēng)速在t=5 s時(shí)由8m／s上升為11m／s，而在t=11s時(shí)，又從11m／s降低為9 m／s；t=7 s時(shí)，發(fā)生通信系統(tǒng)故障，不能接收到t=11s時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)信號(hào)，則不能對(duì)VSC2和VSC3的P-V下垂曲線斜率參考值ki進(jìn)行修正，故只能由換流站VSC1承擔(dān)功率不平衡。在通信系統(tǒng)恢復(fù)正常前，類似于單一主站的主從控制，系統(tǒng)仍能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 通信系統(tǒng)故障情況下的智能分布調(diào)控效果Fig.8 Performance of intelligent distributed control for communication failure

5 結(jié)論

本文提出基于多智能體系統(tǒng)的柔性多端直流電網(wǎng)智能分布調(diào)控策略，該策略具有分布式計(jì)算的智能性、實(shí)時(shí)性、共享性等特點(diǎn)。在系統(tǒng)發(fā)生故障或者功率不平衡情況下，本地?fù)Q流站智能體既可以根據(jù)環(huán)境的突變自我判斷，快速更改為合適的控制方式，也可以接收來自上級(jí)電網(wǎng)智能體的協(xié)助請(qǐng)求，幫助相鄰智能體，維持系統(tǒng)的功率平衡和電壓穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，該策略能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的直流電壓質(zhì)量，削弱由于功率波動(dòng)引起的電壓主站端的功率振蕩現(xiàn)象，且在電壓主站故障退出運(yùn)行和通信故障情況下，系統(tǒng)依然能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

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