竇春霞 李 娜 徐曉龍

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院 秦皇島 066004)

?

基于多智能體系統(tǒng)的微電網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略

竇春霞 李 娜 徐曉龍

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院 秦皇島 066004)

針對(duì)微電網(wǎng)在外界干擾情況下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題，提出了基于多智能體系統(tǒng)的微電網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略。多智能體系統(tǒng)構(gòu)建為兩層，在下層智能體中，各分布式發(fā)電單元的分散控制設(shè)計(jì)為雙環(huán)就地控制器，即由基于下垂特性的外環(huán)功率控制器和基于分?jǐn)?shù)階PID的內(nèi)環(huán)電壓電流控制器組成；在上層智能體中，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)為H∞魯棒控制器。構(gòu)建了微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)，當(dāng)微電網(wǎng)承受小干擾時(shí)，評(píng)估指標(biāo)在安全域內(nèi)，此時(shí)則僅依靠分散控制策略來(lái)維護(hù)系統(tǒng)的電壓；而當(dāng)有大干擾發(fā)生時(shí)，評(píng)估指標(biāo)超出安全域，此時(shí)則起動(dòng)協(xié)調(diào)控制，并與分散控制一起維護(hù)電壓穩(wěn)定。最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性。

微電網(wǎng) 多智能體系統(tǒng) 分散協(xié)調(diào)控制 H∞魯棒控制 電壓評(píng)估指標(biāo)

0 引言

隨著分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中的不斷滲透，由分布式電源(distributed generator，DG)、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷和控制裝置組成的微電網(wǎng)備受關(guān)注。作為一種新型高效的能源利用形式，微電網(wǎng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行[1，2]。在大電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式，維護(hù)微電網(wǎng)穩(wěn)定性的任務(wù)主要由大電網(wǎng)來(lái)承擔(dān)。大電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置靜態(tài)開關(guān)動(dòng)作，斷開微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的連接，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)微電網(wǎng)失去了大電網(wǎng)的支撐，需要由內(nèi)部的DG來(lái)維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，如何對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部的多種DG進(jìn)行有效控制以保證微電網(wǎng)在不同運(yùn)行模式下都能安全穩(wěn)定運(yùn)行成為微電網(wǎng)研究的一個(gè)難點(diǎn)[3，4]。

大多數(shù)DG及儲(chǔ)能裝置通過(guò)電力電子接口接入微電網(wǎng)，其控制策略主要由逆變器完成[5]。近年來(lái)，微電網(wǎng)逆變器控制技術(shù)的研究已取得很多成果，分散控制和集中控制是微電網(wǎng)控制方向的兩大主要方法。分散控制是針對(duì)采用即插即用分布式電源的微電網(wǎng)提出的控制方法，是一種無(wú)通信互連線的控制技術(shù)[6]。每個(gè)個(gè)體單元都由相應(yīng)的局部控制器獨(dú)立控制，需要本地信息，而不需要通信技術(shù)，該方法將系統(tǒng)的不平衡功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān)，具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。對(duì)簡(jiǎn)單的微電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)講，分散控制策略結(jié)合上層的能量管理系統(tǒng)能夠維護(hù)微電網(wǎng)穩(wěn)定。但隨著新能源發(fā)電的不斷滲透，微電網(wǎng)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜化，對(duì)于結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜的微電網(wǎng)系統(tǒng)，分散控制方法由于缺少單元系統(tǒng)之間的配合，在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量可能無(wú)法達(dá)到滿意的效果。而集中控制方法則根據(jù)系統(tǒng)全局信息，由中心控制器統(tǒng)一控制各單元系統(tǒng)，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，該方法非常有效。集中控制的缺點(diǎn)是需要可靠的通信互連線，增加設(shè)備需要相應(yīng)的通信通道支持，通信可靠性影響微電網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)于地域廣闊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微電網(wǎng)系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)建模的巨大維數(shù)和信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)滯問(wèn)題，集中控制有時(shí)實(shí)現(xiàn)比較困難，即便實(shí)現(xiàn)可能也難以獲得滿意的控制效果。分散控制與集中控制各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，需針對(duì)不同的系統(tǒng)考慮采用不同的控制方法[7]。除此之外，更需要構(gòu)建一種具有分散控制和集中控制的優(yōu)點(diǎn)，也能克服它們的缺點(diǎn)的控制方法?；谏鲜鏊枷?，本文提出研究基于多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System，MAS)的分散協(xié)調(diào)控制策略來(lái)維護(hù)大擾動(dòng)下微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。

為了解決微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題，研究構(gòu)建了基于MAS的分散協(xié)調(diào)控制策略。該MAS設(shè)計(jì)為兩層智能體，下層單元智能體執(zhí)行分散控制，即在下層智能體中，設(shè)計(jì)雙環(huán)分散控制器，包括基于下垂特性的外環(huán)功率控制器和基于分?jǐn)?shù)階PID的內(nèi)環(huán)電壓電流控制器。上層智能體執(zhí)行協(xié)調(diào)控制策略，即在上層智能體里，基于電壓實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，構(gòu)建電壓評(píng)估指標(biāo)，并采用H∞魯棒控制方法結(jié)合線性矩陣不等式技術(shù)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制器；當(dāng)上層智能體電壓評(píng)估指標(biāo)在安全域時(shí)，僅靠分散控制器維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，當(dāng)評(píng)估指標(biāo)超出安全閾值時(shí)，上層智能體起動(dòng)相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制器，此時(shí)協(xié)調(diào)控制器與分散控制器一起維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。該方法既能在大擾動(dòng)時(shí)維護(hù)全系統(tǒng)良好控制性能，又便于實(shí)現(xiàn)。最后，仿真驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

1 基于MAS的微電網(wǎng)控制框架

MAS是由多個(gè)智能體構(gòu)成的一種分布式自主系統(tǒng)，是人工智能系統(tǒng)的一個(gè)重要分支和新穎的課題發(fā)展方向[8，9]。MAS是通過(guò)各智能體的自主行為以及它們之間的通信、協(xié)調(diào)、調(diào)度及控制來(lái)表現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為特征。MAS在表達(dá)各種實(shí)際系統(tǒng)方面提供了統(tǒng)一的模型和框架，能很好地解決復(fù)雜系統(tǒng)的通信問(wèn)題，基于MAS的分散協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于MAS的分散協(xié)調(diào)控制策略Fig.1 The decentralized coordinated control based on MAS

在基于MAS的分散協(xié)調(diào)控制策略中，下層分散控制單元智能體包括DGs Agent(DA)、儲(chǔ)能Agent、負(fù)荷Agent。下層各單元智能體被設(shè)計(jì)成一個(gè)混合智能體，分為反應(yīng)層和協(xié)商層。其中反應(yīng)層包括感知、識(shí)別和動(dòng)作執(zhí)行模塊，既能感知外部環(huán)境也可作用于外部環(huán)境；協(xié)商層由數(shù)據(jù)庫(kù)、學(xué)習(xí)和評(píng)估模塊、本地決策模塊等組成。下層單元智能體的主要功能是執(zhí)行分散控制，根據(jù)系統(tǒng)目前的干擾情況和自身的約束條件，調(diào)節(jié)相應(yīng)DG單元的輸出電壓和功率，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

MAS系統(tǒng)擁有一個(gè)上層協(xié)調(diào)控制智能體(Coordinated Control Agent，CCA)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、電壓穩(wěn)定性評(píng)估模塊、決策模塊等模塊，主要根據(jù)系統(tǒng)的干擾情況判定是否起動(dòng)協(xié)調(diào)控制器。在該智能體中，電壓穩(wěn)定性評(píng)估模塊根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)測(cè)量系統(tǒng)電壓，對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。得到穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)后，通過(guò)決策模塊確定相應(yīng)的控制命令。該控制命令通過(guò)行為執(zhí)行模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)控制器，指導(dǎo)協(xié)調(diào)控制器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

在MAS中，單個(gè)智能體可能由于所掌握的信息不完整或能力、資源不夠的緣故，無(wú)法獨(dú)立完成某項(xiàng)任務(wù)，此時(shí)各智能體單元之間需進(jìn)行交互，在能力和資源上互相支持，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)。圖2描述了兩層智能體之間的交互過(guò)程。智能體之間的交互可分為直接交互和間接交互，由上層協(xié)調(diào)控制智能體到下層各單元智能體的交互通過(guò)直接作用實(shí)現(xiàn)。由下層各單元智能體到上層的協(xié)調(diào)控制智能體的交互行為是基于環(huán)境和交流間接實(shí)現(xiàn)。

圖2 分散控制智能體和協(xié)調(diào)控制智能體交互過(guò)程Fig.2 Process of interaction between DAs and CCA

2 分散控制器設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開關(guān)PCC連接到大電網(wǎng)，如圖3所示。PCC斷開，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，內(nèi)部各DG單元需要維持整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，滿足負(fù)荷功率需求。每個(gè)DG都是通過(guò)電力電子接口逆變器接入微電網(wǎng)，故多智能體系統(tǒng)的下層單元智能體分散控制器的設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)接口逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)[10，11]。

圖3 基于MAS的典型微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.3 Typical structure of MAS based micro-grid

在下層單元智能體中，雙環(huán)分散控制器包括基于下垂特性的外環(huán)功率控制器和基于分?jǐn)?shù)階PID的內(nèi)環(huán)電壓電流控制器，下面將詳細(xì)介紹該控制器的設(shè)計(jì)方法，圖4描述了分散控制器的基本結(jié)構(gòu)。

圖4 分散控制器基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The basic block diagram of decentralized controller

2.1 外環(huán)功率控制器設(shè)計(jì)

下垂控制方法使逆變器的輸出模擬高壓電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓與所輸出的有功功率和無(wú)功功率之間的下垂特性。在低壓配電系統(tǒng)中線路的電阻值大于電抗值，但可通過(guò)整體設(shè)計(jì)使逆變器的輸出阻抗呈感性，保證下垂特性成立[12，13]。

圖5 功率控制器的基本框圖Fig.5 The basic block diagram of power controller

結(jié)合圖5，可得到功率的差分方程

(1)

(2)

其中，根據(jù)下垂特性及給定的頻率和電壓幅值可得到下垂系數(shù)mp和nq

(3)

(4)

2.2 內(nèi)環(huán)電壓電流控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 內(nèi)環(huán)電壓電流控制器設(shè)計(jì)

圖6為采用分?jǐn)?shù)階PID控制器設(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)電壓電流控制器結(jié)構(gòu)圖。分?jǐn)?shù)階PID控制器(包含分?jǐn)?shù)階積分器和微分器)將傳統(tǒng)的PID控制器的階次推廣到分?jǐn)?shù)領(lǐng)域，它不但適合于分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)，也適用于某些整數(shù)階系統(tǒng)，除了包含傳統(tǒng)控制器的3個(gè)參數(shù)KP、KI、KD外，還增加了兩個(gè)可調(diào)參數(shù)λ和μ，即積分階數(shù)λ和微分階數(shù)μ。其中，λ主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，μ主要影響系統(tǒng)的超調(diào)，由于增加了兩個(gè)自由度，使得控制器的設(shè)計(jì)更加靈活，控制器性能更加優(yōu)越，因此能夠取得一些優(yōu)于整數(shù)階PID控制器的效果[14]。

電壓控制器相應(yīng)的狀態(tài)方程為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，Φd和Φq為分?jǐn)?shù)階PID控制器的輸出；ωb為參考角頻率。

電流控制器包含5個(gè)參數(shù)KPC、PIC、KDC、α和β，相應(yīng)的狀態(tài)方程為

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，Ψd和Ψq為分?jǐn)?shù)階PID控制器的輸出，其他參數(shù)如圖6所示。

圖6 內(nèi)環(huán)電壓電流控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the inner voltage and current controller

2.2.2 遺傳算法整定分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)

分?jǐn)?shù)階PID控制器是整數(shù)階PID控制器的一般形式，由于其積分、微分階次可在分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)任意取值，故其參數(shù)整定問(wèn)題倍受關(guān)注，因?yàn)楦鲄?shù)取值及參數(shù)組合將直接影響控制器控制性能。目前，PID參數(shù)的整定與優(yōu)化方法很多，如Z-N法、繼電型自整定法、最優(yōu)設(shè)計(jì)法及梯度法、單純形法。但各有其弊，前3種整定方法帶有經(jīng)驗(yàn)性且不是最優(yōu)解，后兩種極易陷入局部最優(yōu)點(diǎn)。而遺傳算法是一種尋求全局最優(yōu)且不需任何初始信息的高效優(yōu)化方法，故將遺傳算法應(yīng)用于分?jǐn)?shù)階PID參數(shù)尋優(yōu)[15，16]。

分?jǐn)?shù)階PID控制器的傳遞函數(shù)可表示為

(13)

時(shí)間域控制信號(hào)u(t)可寫成

u(t)=KPe(t)+KID-λe(t)+KDDμe(t)

(14)

1)確定參數(shù)變量和約束條件。分?jǐn)?shù)階PID控制器包含5個(gè)參數(shù)，可根據(jù)參數(shù)的物理意義和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定它們的取值范圍，在本文中KP:[0,1]，KI:[0,20]，KD:[0,100]，λ:[0,2]，μ:[0,2]。

2)確定目標(biāo)函數(shù)。為了獲得滿意的動(dòng)態(tài)過(guò)程特性，采用誤差絕對(duì)值時(shí)間積分性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)。為了防止控制能量過(guò)大，在目標(biāo)函數(shù)中加入控制輸入的平方項(xiàng)。參數(shù)選取的最優(yōu)指標(biāo)為

(15)

式中，e(t)為系統(tǒng)誤差；u(t)為控制器輸出；tu為上升時(shí)間；ρ1、ρ2、ρ3為權(quán)重系數(shù)。

3)確定編碼和編碼方法。采用二進(jìn)制編碼方法，遺傳操作方便，解碼處理后即可得到最優(yōu)解。解空間和遺傳空間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，完成運(yùn)算后按式(16)進(jìn)行解碼得到參數(shù)最優(yōu)值。

(16)

4)確定個(gè)體評(píng)價(jià)方法，即確定個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)為f=1/J。

5)確定遺傳算法的運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況選擇的運(yùn)行參數(shù)主要包括群體大小M，終止進(jìn)化代數(shù)G、交叉概率Pc及變異概率Pm。

6)通過(guò)Matlab編程仿真可得到每個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。

3 協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

3.1 電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)

在上層協(xié)調(diào)控制智能體中，需通過(guò)構(gòu)建評(píng)估電壓穩(wěn)定性的方法來(lái)決定是否起動(dòng)協(xié)調(diào)控制器，故在本節(jié)中，提出一種可靠的且適用于微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)。

i節(jié)點(diǎn)在j時(shí)刻電壓的移動(dòng)平均值為

(17)

(18)

則i節(jié)點(diǎn)在j時(shí)刻的電壓偏差表示為

(19)

由于電壓偏差可表示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程節(jié)點(diǎn)電壓的變化程度，則可定義第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在j時(shí)刻的電壓安全指標(biāo)為

(20)

(21)

則j時(shí)刻的電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)為

(22)

式中，Uth為略小于1的正數(shù)，取決于系統(tǒng)的負(fù)荷或無(wú)功補(bǔ)償?shù)忍匦浴?/p>

以下方法用來(lái)衡量系統(tǒng)電壓是否穩(wěn)定：

3.2 協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

在上層智能體中，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器采用H∞魯棒控制方法結(jié)合線性矩陣不等式技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，以兩臺(tái)DG構(gòu)成的微電網(wǎng)為例，但研究表明提出的控制策略可擴(kuò)展到多臺(tái)DG存在的微電網(wǎng)模型[17，18]。兩臺(tái)DG單一線路結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，應(yīng)用KVL和KCL，微電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程如下所示。

圖7 兩機(jī)微電網(wǎng)單一線路結(jié)構(gòu)Fig.7 A single line diagram of the two DGs micro-grid

此時(shí)微電網(wǎng)的狀態(tài)空間模型可概括表示為

(23)

式中，ui(t)=[Vo1dVo1qVo2dVo2q]T為輸入變量；xi(t)=[ic1dic1qiLdiLqic2dic2qVbdVbq]T為狀態(tài)變量；zi(t)=[VbdVbqic2dic2q]T為輸出變量。

系統(tǒng)矩陣A、B、C為

在實(shí)際電力系統(tǒng)中，考慮到參數(shù)不確定性和外界干擾，微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型(23)可總結(jié)為

(24)

設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器

ui(t)=K1xo(t)+K2xc(t)=Kxi(t)

(25)

式中，K=[K1K2]為狀態(tài)反饋增益矩陣；xi(t)=[xo(t)xc(t)]T為系統(tǒng)狀態(tài)變量。

假設(shè)：在式(24)中的攝動(dòng)矩陣ΔA、 ΔB是范數(shù)且有界的，且具有以下形式

[ΔAΔB]=HΣ(t)[EaEb]

(26)

式中，H、Ea、Eb為已知的常數(shù)矩陣，反映不確定參數(shù)的結(jié)構(gòu)信息；Σ(t)是一個(gè)滿足ΣT(t)Σ(t)≤I的不確定矩陣。

將式(25)、式(26)代入到式(24)，可得到

(27)

選取系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)為

(28)

式中，P為對(duì)稱正定的Lyapunov矩陣。

在不考慮初始條件情況下，系統(tǒng)H∞魯棒性能指標(biāo)

(29)

式中，γ>0為給定的常數(shù)；Tzw(s)為由w(t)到z(t)的傳遞函數(shù)。

定理1：對(duì)于給定的不確定系統(tǒng)(24)在狀態(tài)反饋控制器下保持閉環(huán)系統(tǒng)(27)漸近穩(wěn)定且滿足的魯棒控制性能(29)，當(dāng)且僅當(dāng)存在正定對(duì)陣矩陣P=PT>0滿足不等式

(30)

(31)

由于不等式(31)是嚴(yán)格成立的，故總是可選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)ε(0<ε<1)，使得

對(duì)于任意的tf>0，考慮

根據(jù)矩陣的Schur補(bǔ)性質(zhì)，利用零初始條件，即得

由此即可證明不等式(29)成立。在上述證明過(guò)程中，需要處理系統(tǒng)矩陣中包含的參數(shù)不確定性，為此，采用文獻(xiàn)[19]中引理4.1處理未知矩陣Σ(t)。

定理2：若狀態(tài)反饋控制ui(t)=Kxi(t)能使參數(shù)不確定系統(tǒng)(24)保持式(29)所要求的H∞魯棒控制性能，當(dāng)且僅當(dāng)存在一個(gè)常數(shù)ξ>0和對(duì)稱矩陣P=PT>0滿足下述不等式

(32)

式中，Φ=P(A+BK)+(A+BK)TP。

證明：記

根據(jù)

由文獻(xiàn)[19]中引理4.1可知，當(dāng)且僅當(dāng)存在常數(shù)ξ>0，對(duì)所有滿足ΣT(t)Σ(t)≤I的矩陣Σ(t)成立。不等式(30)可等價(jià)地寫為

進(jìn)一步應(yīng)用矩陣的Schur補(bǔ)性質(zhì)，上式等價(jià)為式(32)，定理3.2得證。

將求解不確定系統(tǒng)的魯棒控制器參數(shù)問(wèn)題歸結(jié)到線性不等式求最優(yōu)化的問(wèn)題上

minγ

s.t.1)式(32)

2)P=PT>0

其最優(yōu)解是一個(gè)具有線性矩陣不等式約束和線性目標(biāo)函數(shù)的凸優(yōu)化問(wèn)題，可應(yīng)用Matlab軟件中的LMI優(yōu)化工具箱，得到最優(yōu)的γ值，得到魯棒控制器的參數(shù)。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證提出的分散協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平臺(tái)上，根據(jù)圖7搭建了兩臺(tái)DG構(gòu)成的微電網(wǎng)運(yùn)行的仿真模擬結(jié)構(gòu)圖，仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示?；贛AS的微電網(wǎng)系統(tǒng)包含一個(gè)上層協(xié)調(diào)控制智能體，下層兩個(gè)分散控制單元智能體，電壓評(píng)估指標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)電壓，兩層控制智能體根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)給出相應(yīng)的控制命令以確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。DG的額定輸出為311V，系統(tǒng)中原始負(fù)荷為3 000W，300var。微電網(wǎng)始終工作在孤島運(yùn)行模態(tài)下，2臺(tái)DG以1∶1比率平均分配系統(tǒng)功率。為了有效驗(yàn)證提出的分散協(xié)調(diào)控制策略的有效性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行極端驗(yàn)證，在突加/突減90%負(fù)荷的情況下，驗(yàn)證單臺(tái)DG輸出的有功功率、無(wú)功功率、電流和電壓的變化情況。

表1 兩臺(tái)DG構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of two DGs in micro-grid system

4.1 突加90%負(fù)荷

微電網(wǎng)系統(tǒng)中原始負(fù)荷為3 000 W，300 var，在t=0.4 s，突加90%負(fù)荷，增加的有功功率為2 700 W，無(wú)功功率為270 var，此時(shí)系統(tǒng)中總負(fù)荷為5 700 W，570 var。2臺(tái)DG以1∶1比率平均分配系統(tǒng)功率。實(shí)驗(yàn)得出單臺(tái)DG輸出的有功功率、無(wú)功功率、電流和電壓的變化情況如圖8所示。

圖8 分散協(xié)調(diào)控制下微電網(wǎng)系統(tǒng)突加90%負(fù)荷實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 The experimental waveforms of micro-grid with 90% load increasing under decentralized coordinated control scheme

微電網(wǎng)在t=0 s時(shí)開始孤島穩(wěn)定運(yùn)行，DG輸出額定電壓穩(wěn)定在311 V，t=0.4 s突加90%負(fù)荷，突變瞬間，產(chǎn)生失電壓現(xiàn)象。上層智能體中的電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)測(cè)量到電壓波動(dòng)已超過(guò)安全閾，協(xié)調(diào)控制智能體起動(dòng)協(xié)調(diào)控制器，與分散控制器共同維護(hù)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的暫態(tài)后，單臺(tái)DG的輸出功率增加為2 850 W，285 var，輸出電流增大，根據(jù)下垂特性系統(tǒng)的電壓減少，最終穩(wěn)定在310.983 V，與額定電壓值吻合。

4.2 突減90%負(fù)荷

在原始負(fù)荷3 000 W，300 var基礎(chǔ)上，在t=0.4 s，突減90%負(fù)荷，即2 700 W，270 var，此時(shí)系統(tǒng)中總負(fù)荷為300 W，30 var，單臺(tái)DG的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

圖9 分散協(xié)調(diào)控制下微電網(wǎng)系統(tǒng)突減90%負(fù)荷實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 The experimental waveforms of micro-grid with 90% load decreasing under decentralized coordinated control scheme

微電網(wǎng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行，t=0.4 s突減90%負(fù)荷，突變瞬間，產(chǎn)生過(guò)電壓現(xiàn)象，上層智能體中的電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)測(cè)量到電壓波動(dòng)超出安全閾，協(xié)調(diào)控制器起動(dòng)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的暫態(tài)后，單臺(tái)DG輸出的功率減少為150 W，15 var，輸出電流減少，根據(jù)下垂特性系統(tǒng)的電壓增加，最終穩(wěn)定在311.037 V，與額定電壓值吻合。

從上述仿真結(jié)果可知微電網(wǎng)在孤島模式下設(shè)計(jì)的基于多智能體系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)控制器能夠使系統(tǒng)在嚴(yán)重負(fù)荷干擾情況下維護(hù)電壓穩(wěn)定且具有很好的魯棒性能，驗(yàn)證了該分散協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

5 結(jié)論

為了提高微電網(wǎng)大干擾情況下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了基于MAS的分散協(xié)調(diào)控制策略。針對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)研究構(gòu)建了基于MAS兩層控制方案。在下層單元智能體中，構(gòu)建雙環(huán)分散控制器，即下垂特性的外環(huán)功率控制器和分?jǐn)?shù)階PID電壓和電流控制器，并用遺傳算法優(yōu)化各控制器的參數(shù)；在上層智能體中，構(gòu)建了電壓穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了H∞魯棒協(xié)調(diào)控制器，由該評(píng)估指標(biāo)判定協(xié)調(diào)控制器是否處于啟動(dòng)模態(tài)，以確保微電網(wǎng)在大干擾下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。最后，仿真結(jié)果表明該控制策略在大擾動(dòng)下能夠維護(hù)微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

[1] 王成山，武震，李鵬.微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(2)：59-68. Wang Chengshan，Wu Zhen，Li Peng.Research on key technologies of microgrid[J].Transaction of China Electrotechnical Society，2014，29(2)：59-68.

[2] Basak P，Chowdhury S，Dey S H N，et al.A literature review on integration of distributed energy resources in the perspective of control，protection and stability of microgrid[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16(8)：5545-5556.

[3] Bidram A，Davoudi A.Hierarchical structure of microgrids control system[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(4)：1963-1976.

[4] 蘇玲，張建華，王利，等.微電網(wǎng)相關(guān)問(wèn)題及技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19)：235-239. Su Ling，Zhang Jianhua，Wang Li，et al.Study on some key problems and technique related to microgrid[J].Power System Protection and Control，2010，38(19)：235-239.

[5] 蔣冀，段善旭，陳仲偉.三相并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(2)：52-58. Jiang Ji，Duan Shanxu，Chen Zhongwei.Research on control strategy for Three-Phase double mode inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(2)：52-58.

[6] 郭佳歡，謝清華，黃偉.基于MAS的微電網(wǎng)即插即用理論研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(1)：31-35. Guo Jiahuan，Xie Qinghua，Huang Wei.Study on the plug and play theory in micro-grid based on MAS[J].Advances of Power System & Hydroelectric Engineering，2010，26(1)：31-35.

[7] 薛迎成，邰能靈，劉立群，等.微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下的協(xié)調(diào)控制策略[J].中國(guó)電力，2009，42(7)：36-40. Xue Yingcheng，Tai Nengling，Liu Liqun，et al.Cooperation control strategies for islanded microgrids[J].Electric Power，2009，42(7)：36-40.

[8] Dou Chunxia，Liu Bin，et al.Hierarchical management and control based on MAS for distribution grid via intelligent mode switching[J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2014，54：352-366.

[9] 章健，艾芊，王新剛.多代理系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(24)：80-82，87. Zhang Jian，Ai Qian，Wang Xingang.Application of multi-agent system in a microgrid[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32(24)：80-82，87.

[10]Pogaku N P M，Green T C.Modeling，analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007，22(2)：613-625.

[11]王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24(2)：100-107. Wang Chengshan，Xiao Chaoxia，Wang Shouxiang.Multiple feedback loop control scheme for inverters of the micro source in microgrids[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(2)：100-107.

[12]孫孝峰，呂慶秋.低壓微電網(wǎng)逆變器頻率電壓協(xié)調(diào)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(8)：77-84. Sun Xiaofeng，Lü Qingqiu.Improved PV control of grid-connected inverter in low voltage micro-grid[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(8)：77-84.

[13]鮑薇，胡學(xué)浩，李光輝，等.獨(dú)立型微電網(wǎng)中基于虛擬阻抗的改進(jìn)下垂控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(16)：7-13. Bao Wei，Hu Xuehao，Li Guanghui，et al.An improved droop control strategy based on virtual impedance in islanded micro-grid[J].Power System Protection and Control，2013，41(16)：7-13.

[14]Tehrani K A，Amirahmadi A，Rafiei S M R，et al.Design of Fractional order PID controller for Boost converter based on Multi-Objective optimization[C].14th International Power Electronics and Motion Control Conference，Ohrid，2010：179-185.

[15]Li Meng，Xue Dingyu，Wrubel J N.Design of an optimal fractional-order PID controller using multi-objective GA optimization[C].Chinese Control and Decision Conference，Guilin，2009：3849-3853.

[16]Liu Manyu，Dong Huaying，Liang Guishu.SVC voltage regulator based on fractional order PID[C].International Conference on Control Engineering and Communication Technology，Liaoning，2012：28-32.

[17]馬添翼，金新民，黃杏.含多變流器的微電網(wǎng)建模與穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(6)：12-17. Ma Tianyi，Jin Xinmin，Huang Xing.Modeling and stability analysis of microgrid with multiple converters[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(6)：12-17.

[18]李海平，唐巍.風(fēng)/光/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)的詳細(xì)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(18)：133-138. Li Haiping，Tang Wei.Detailed modeling and simulation of wind/PV/storage hybrid micro-grid[J].Power System Protection and Control，2012，40(18)：133-138.

[19]Dou Chunxia，Jia Xingbei，Bo Zhiqian，et al.Hybrid control for micro-grid based on hybrid system theory[C].IEEE Power and Energy Society General Meeting，San Diego，CA，2011：1-11.

Multi-Agent System Based Decentralized Coordinated Control Strategy for Micro-grids

DouChunxiaLiNaXuXiaolong

(Institute of Electrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China)

For the dynamic stability of the micro-grid in the case of the outside disturbance，this paper proposes a decentralized coordinated control strategy for the micro-grid based on the multi-agent system.The multi-agent system has two levels.In the lower level agents，the decentralized control of the distributed power generation unit is designed as a double loop controller，including an outer power controller based on the droop characteristic and the fractional order PID inner voltage and current controllers.In the upper level agents，the coordinated controller of the micro-grid system is designed as the H∞r(nóng)obust controller.The mode of the coordinated controller is determined by the voltage stability，so this paper proposes the voltage stability risk index.When the micro-grid suffers slight disturbances，the voltage stability risk index is in the safety threshold，and the decentralized control is used to maintain the voltage stability of the system alone.When a severe disturbance occurs，the voltage stability risk index is out of the safety threshold，and the coordinated control starts and operates together with the decentralized control to maintain the voltage stability of the system.Finally，simulation studies demonstrate the effectiveness of the control scheme.

Micro-grid，multi-agent system，decentralized coordinated control，H∞r(nóng)obust control，the voltage stability risk index

國(guó)家自然科學(xué)基金(51177142)和河北省自然科學(xué)基金(F2012203063)資助項(xiàng)目。

2014-12-10 改稿日期2015-01-20

TM464

竇春霞 女，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉纯刂萍夹g(shù)、電力大系統(tǒng)分布式控制、微電網(wǎng)智能控制等。(通信作者)

李 娜 女，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能量管理及控制。