基于分布式控制的孤立微網(wǎng)優(yōu)化控制方法

劉維

摘要：孤立微網(wǎng)的經(jīng)濟運行越來越受到關注，針對目前孤立微網(wǎng)集中式控制中存在對通信網(wǎng)絡依賴度大，一旦中心控制器發(fā)生故障，系統(tǒng)很難堅持運行的問題，除此之外，在微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的同時還需要考慮合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系統(tǒng)的運行成本，提高綜合效益。本文提出一種能源轉換層變流器不依賴中心控制器自治運行，提供穩(wěn)定電壓，頻率支持;能源管理層優(yōu)化策略采用基于“無中心節(jié)點”的分布式控制，通過各分布式電源對等的信息交互，實現(xiàn)全局最優(yōu)控制的分布式功率均衡控制的運行方法。

關鍵詞：孤立微網(wǎng);分布式功率均衡;優(yōu)化控制

引言

隨著化石能源的枯竭和全球變暖等環(huán)境問題日益嚴峻，及分布式電源和主動負荷的大量出現(xiàn)，微電網(wǎng)中的發(fā)電功率及負荷擾動將表現(xiàn)出具有分布式、隨機性和間歇性等固有特點，其經(jīng)濟調(diào)度也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度方法一般采用集中式優(yōu)化方法來解決經(jīng)濟調(diào)度問題，其利用各分布式微源和中央控制器（MGCC）之間的通信實現(xiàn)信息交換，通過中央控制器統(tǒng)一下發(fā)調(diào)度指令，從而實現(xiàn)全網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化。然而這種控制方式存在對通信網(wǎng)絡依賴度大，一旦中心控制器發(fā)生故障，系統(tǒng)很難堅持運行的問題，除此之外，在微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的同時還需要考慮合理的功率分配，有效提高可再生能源的利用率，降低系統(tǒng)的運行成本，提高綜合效益。本文提出一種能源轉換層變流器不依賴中心控制器自治運行，提供穩(wěn)定電壓，頻率支持;能源管理層優(yōu)化策略采用基于“無中心節(jié)點”的分布式控制，通過各分布式電源對等的信息交互，實現(xiàn)全局最優(yōu)控制的運行方法。

1 基于多子站對等自治的分布式功率均衡控制策略

針對孤立微電網(wǎng)功率均衡優(yōu)化目標及分布式控制架構及功率控制方法，提出基于多子站對等自治的分布式功率均衡控制策略，系統(tǒng)總體框架圖如下。系統(tǒng)取消中心控制器概念，為每個下垂控制子站分配虛擬代理人，由代理人完成分布式信息交互及功率均衡和優(yōu)化控制策略。子站通過設備自身的下垂控制實現(xiàn)自治，保證微電網(wǎng)的電壓一次調(diào)節(jié)及功率就地平衡，同時多代理人之間通過信息共享完成上層系統(tǒng)的功率優(yōu)化分配及電壓二次調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)代理人在通訊組網(wǎng)完成后，代理人通過交互彼此信息。同時每個代理人按系統(tǒng)建模仿真給出控制策略集（代理協(xié)議）和調(diào)節(jié)控制策略參數(shù)，從而完成控制目標。由于取消了中心控制器的邏輯，通訊壓力大幅減小。若因為故障損失一個或多個代理人，假設剩余一次功率電壓能滿足系統(tǒng)運行，剩余的代理人仍可按照代理協(xié)議繼續(xù)完成系統(tǒng)功率和電壓控制。

1.1 全局電壓平均值獲取方式

由于孤立直流微電流之間功率流動導致各代理人采集的電源接點電壓也不同，為了在系統(tǒng)級電壓二次調(diào)節(jié)時的穩(wěn)定和優(yōu)化，各代理人之間必須獲得全網(wǎng)的平均電壓，同步調(diào)節(jié)平均電壓，才能不引起擾動滿足供電質(zhì)量。在初始條件下，各代理人僅知道自身的電壓值，且僅能具備彼此通信的代理人共享信息。為了進一步壓縮通信通道，需要合理設計全局電壓值轉移矩陣，實現(xiàn)全局平均電壓的實時共享。

具體方案，利用系統(tǒng)級通信對時在各代理人之間同步時鐘，按約定的時間間隔Ts刷新本地電壓值，本地電壓差由下式

式中，U*ave 為上一時刻全網(wǎng)平均額定電壓，U為該電源點輸出電壓。代理人i的本地電壓壓差計算完成后，將ΔU賦予電壓差狀態(tài)量ΔUi進入后續(xù)計算。

為了計算全網(wǎng)平均電壓差，根據(jù)收集的可通信其他代理人的信息獲得

式中dij為通信矩陣D元素，由通信組網(wǎng)連接結構決定，若代理人i和代理人j有通信鏈路dij=dji，反之為0?；贛AS的孤立微電網(wǎng)分布式協(xié)同功率優(yōu)化控制研究，提出的一種Metropolis方法，dij的值為：

Max（ni，nj）代表本代理人和相鄰代理人通過通信接點的較大值。Ni代表與節(jié)點i相連的相鄰集合，由于通信矩陣D≠0時滿足收斂性。ΔU[∞]最終收斂值為

同時采用下式作為收斂的判據(jù)，還可以適應通信組網(wǎng)的變化

M一般取值1-5，判據(jù)收斂后獲得全局電壓平均值

1.2 功率一致性控制

獲得全局電壓平均值后，在下一時鐘周期啟動功率一致性控制。功率一致性控制將全局電壓收斂值ΔU[∞]作為反饋值，與當前采樣功率一并參與計算得到調(diào)節(jié)輸出功率，從而實現(xiàn)功率和電壓的同步調(diào)節(jié)。具體方案如下

Step1 代理人i從本地控制器采集實時輸出功率Pi，當前電壓Ui，計算功率標幺值：

式中，Pib為代理人i對應的額定功率，Pi*為當前時刻的功率標幺值，n代表微電網(wǎng)中有n臺發(fā)電單元作為下垂控制。

第二步，將Pi信息發(fā)布到通信可達的相鄰代理人j。

式中dij含義相同，Pir為當前時刻代理人j的參考輸出頻率，kp為反饋比列調(diào)節(jié)系數(shù)。

第三步，各代理人按照本地信息修正下垂系數(shù)。

完成這三個步驟后，進入下一個時間周期的電壓采樣-全局電壓平均值，功率采樣和功率控制，直至各變流器輸出功率標幺值一致性收斂于P*。流程圖如下

綜上所述，本策略在“無中心控制器”的情況下，基于局部信息完成了功率的高精度均衡分配和電壓二次調(diào)節(jié)。

結語

本文針對孤立微電網(wǎng)功率優(yōu)化問題，借鑒分布式控制架構及多子站自治的分布式控制方法。從分布式控制架構及分布式功率優(yōu)化方法出發(fā)，討論了分布式信息交互方法、協(xié)同優(yōu)化控制策略，提出基于分布式功率優(yōu)化控制策略。該方法不需要中央控制器，利用等微增率原則，僅通過相鄰微源之間交換各自的微增率，就能實現(xiàn)微電網(wǎng)運行在電壓及功率最優(yōu)狀態(tài)，從而實現(xiàn)各個單元的優(yōu)化控制，有效地解決了集中式控制中存在的通信信息量大、通信成本高等問題。給孤立微電網(wǎng)的功率控制及二次優(yōu)化提出了一種思路。

參考文獻

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