基于改進一致性算法的獨立光儲直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定能量協(xié)調(diào)策略

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)絡的穩(wěn)定性要求較高，且成本更高[4-5]。分布式控制適應性更強，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)設置一致性算法節(jié)點權(quán)重系數(shù)以應對系統(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)由各控制單元對應的控制器（agent）組成，每個控制器僅需接收和采樣相應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。