能源互聯(lián)網(wǎng)中基于多智能體一致性算法的分布式協(xié)同控制

存在問題：傳統(tǒng)的集中式控制算法不再適用于大規(guī)模分布式電源接入下的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

近年來,隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和相關技術的發(fā)展,包括電能,熱能等多種形式的能源在能源主網(wǎng)和能源微網(wǎng)之間的雙向有效流動變得愈來愈重要。同時隨著分布式電源規(guī)模的逐漸增加,傳統(tǒng)形式下的集中控制算法由于其低可靠性和高成本等特點,不再適用于大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)接入下的能源互聯(lián)網(wǎng)。因此本文提出了能源互聯(lián)網(wǎng)典型結構及關鍵設備,并采用多智能體系統(tǒng)設計方法設計分布式控制架構,在此架構基礎上,設計分布式控制器實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中關鍵指標同步,保證功率合理分配,并使系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài),同時有效抑制系統(tǒng)環(huán)流,進而分別從物理和信息角度提高了系統(tǒng)可靠性。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)結構構建及多智能體控制系統(tǒng)框架

能源互聯(lián)網(wǎng)架構目前依然以電網(wǎng)為核心架構,基本架構及關鍵設備如圖1所示：

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)結構及關鍵設備

以電網(wǎng)為核心架構的能源互聯(lián)網(wǎng)的控制主要是以分級控制架構為基礎,一級控制為本地控制,實現(xiàn)各個設備的常規(guī)控制,保證正常情況下分布式發(fā)電單元功率的有效輸出;二級控制是網(wǎng)絡控制,實現(xiàn)各個設備之間的協(xié)調(diào)控制,核心是保證重要指標如電壓,相角等信息的同步,從而可以實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)處于熱備用狀態(tài);三級控制是用于實現(xiàn)主電網(wǎng)中能量與能源互聯(lián)網(wǎng)中能量的互相交換,實現(xiàn)能量高效的雙向流動。能源互聯(lián)網(wǎng)中的主要設備有能源路由器和能源交換機。能源路由器為三級控制的設備,主要用于協(xié)調(diào)主電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的電能,從而實現(xiàn)主電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的能源和信息雙向流動。能源交換機為二級控制器的主要設備,用于控制能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲能、變換器等相關設備實現(xiàn)分布式的網(wǎng)絡化協(xié)同控制,用于控制儲能設備的能源交換機主要是在整個系統(tǒng)能源缺失時,發(fā)揮作用,保持整個系統(tǒng)短時內(nèi)的穩(wěn)定運行,并與能源路由器進行信息交換實現(xiàn)功率補償;用于控制變換器的能源交換機主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡化的控制算法,實現(xiàn)多個分布式發(fā)電設備的分布協(xié)同控制。在系統(tǒng)設計過程,本文參考GAIA設計方法,定義系統(tǒng)中多智能體控制設備的結構。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式協(xié)調(diào)控制算法設計

本文通過分析系統(tǒng)中環(huán)流產(chǎn)生的原因,得出結論,若想有效的抑制系統(tǒng)中環(huán)流,必須要控制系統(tǒng)中輸出電壓幅值和相角同時一致。因此本文以相角-有功功率和電壓幅值-無功功率以及電壓電流雙閉環(huán)控制方法為基礎建立大信號模型,建模充分考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中電壓非線性特性,提出了帶有領導者的多智能體一致性算法的輸入-輸出反饋線性化控制方法,針對系統(tǒng)中功率的波動,分別對系統(tǒng)中輸出電壓相角和電壓幅值進行調(diào)整,實現(xiàn)實時跟蹤系統(tǒng)領導者狀態(tài)。系統(tǒng)領導者信息可以是人為設定的狀態(tài)也可以是主電網(wǎng)的信息,若領導者信息系統(tǒng)來自于主電網(wǎng),則能源互聯(lián)網(wǎng)可以實時跟蹤主電網(wǎng)信息,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的熱備用狀態(tài)。無論系統(tǒng)的領導者信息來自哪里,提出的控制算法都可以使系統(tǒng)狀態(tài)實現(xiàn)一致,從而可以有效抑制系統(tǒng)中環(huán)流,可以提高系統(tǒng)安全性。所采用的多智能體一致性算法為分布式控制算法,每個控制器只需要與自己相鄰的控制器通信即可實現(xiàn)有效的控制。因此所提出的算法分別從物理的角度和控制信息的角度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

4算例分析

為驗證提出的結構和控制算法的可靠性,本文搭建一個小型的系統(tǒng)進行仿真,包括四臺分布式發(fā)電單元和五項負載,仿真過程中充分考慮各種情況,包括負載突變,部分分布式電源失效等情況,通過與傳統(tǒng)控制算法對比驗證了所提出算法的有效性。仿真過程如下:仿真開始時,系統(tǒng)中接入五個負載,四個分布式電源同時運行,在0.4s時,DG-4切出,由DG-1,DG-2和DG-3進行供電,在0.7s時,Ld4和Ld5切出,因此由三個分布式電源30kW的有功功率負載進行供電。在對比仿真中,0.2s加入所提出的控制算法。圖3和圖5分別是傳統(tǒng)控制算法控制下的電壓相角及幅值控制效果,圖4和圖6分別是所提出控制算法控制下的控制效果?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)的控制算法不能夠保證系統(tǒng)輸出相關指標的一致,而本文提出的算法可以,進一步的由于可以有效的控制系統(tǒng)輸出電壓幅值和相角,因此提出的算法可以有效地抑制環(huán)流。

圖3 未加入多智能體控制的輸出電壓相角

圖4 加入多智能體控制輸出電壓相角

圖5 未加入多智能體輸出電壓標幺值

圖6 加入多智能體輸出電壓標幺值

5 總結與展望

針對于傳統(tǒng)的集中控制算法無法滿足大規(guī)模分布式發(fā)電單元接入的能源互聯(lián)網(wǎng)的控制要求,設計了典型的能源互聯(lián)網(wǎng)結構及關鍵設備,同時在分級控制架構下,提出基于多智能體一致性算法分布式協(xié)同控制策略應用于能源互聯(lián)網(wǎng)的控制中,主要解決了電壓幅值及相角無法一致,系統(tǒng)環(huán)流大以及集中式控制器可靠性差等問題,仿真結果驗證了所提出算法的有效性。在本文所提出的架構下,針對于能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),可以進一步加入熱電聯(lián)產(chǎn)等設備進行控制器設計,此外可以在算法上進一步擴展,解決如帶有通信延時,線路參數(shù)不平衡導致的無功功率分配效果不理想等問題。

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