魯 斌，劉雪艷

（華北電力大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，河北 保定 071003）

0 引言

在近幾年世界范圍內(nèi)接連幾次發(fā)生大面積停電事故和自然災(zāi)害以后，大電網(wǎng)的脆弱性充分地暴露出來(lái)，大電網(wǎng)成本高，運(yùn)行難度大，難以滿足用戶越來(lái)越高的安全性和可靠性要求［1］。

隨著能源瓶頸現(xiàn)象日益凸顯，微電網(wǎng)作為新型能源在中國(guó)發(fā)展，而對(duì)于多微電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制的研究具有極大的緊迫性［2］。微電網(wǎng)的無(wú)功和有功電壓出力的穩(wěn)定，將直接影響多微電網(wǎng)的母線電壓和頻率，進(jìn)而使系統(tǒng)穩(wěn)定。然而，隨著微電網(wǎng)技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，如何妥善管理微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源和儲(chǔ)能的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境效益的最大化成為重要的研究課題［3］。

由于微電網(wǎng)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)、分布式電源類型和控制方式的多樣性，微電網(wǎng)的能量管理和優(yōu)化運(yùn)行具有較高的復(fù)雜性［4-5］。同時(shí)，考慮微電網(wǎng)本身的多目標(biāo)屬性，傳統(tǒng)的以大型發(fā)電機(jī)為主的單目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法難以適應(yīng)復(fù)雜的微電網(wǎng)環(huán)境［6］。集中控制和分散控制相結(jié)合的方式將取代原有的統(tǒng)一調(diào)度方式，成為微電網(wǎng)控制的最佳手段之一。但目前在多微電網(wǎng)控制方面的研究還有待深入。

文獻(xiàn)［7］提出了將多代理系統(tǒng)MAS（Multi Agent System）應(yīng)用于孤島模式下電力系統(tǒng)的無(wú)功電壓的控制中，但現(xiàn)有研究還未涉及不同運(yùn)行狀態(tài)下多個(gè)微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制，這對(duì)于多微電網(wǎng)的正常運(yùn)行和本地負(fù)荷的可靠供電至關(guān)重要。文獻(xiàn)［8］對(duì)微電網(wǎng)接入主動(dòng)配電網(wǎng)后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制方案、運(yùn)行模式、綜合效益等問(wèn)題進(jìn)行了闡述，分析了應(yīng)用微電網(wǎng)技術(shù)為主動(dòng)配電網(wǎng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，但沒(méi)有闡述微電網(wǎng)應(yīng)用于主動(dòng)配電網(wǎng)的具體措施。文獻(xiàn)［9］驗(yàn)證其所提暫態(tài)電壓穩(wěn)定協(xié)同控制策略能有效增強(qiáng)微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，但是文章所提方法是否具有廣泛適用性仍有待考究。文獻(xiàn)［10］提出了多微電網(wǎng)分層孤島設(shè)計(jì)模式，但沒(méi)有對(duì)子微電網(wǎng)之間的具體協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行描述。

現(xiàn)階段元胞自動(dòng)機(jī)CA（Cellular Automata）模型多應(yīng)用于研究交通、農(nóng)村土地格局優(yōu)化、金融以及工業(yè)生產(chǎn)等，在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用尚在起步階段，而在微電網(wǎng)中的應(yīng)用則更少，CA因其自身的靈活性應(yīng)用于微電網(wǎng)中將具有一定的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［11］運(yùn)用多智能體和CA相結(jié)合來(lái)模擬城市用地?cái)U(kuò)張的方法，將影響和決定用地類型轉(zhuǎn)變的主體作為Agent引進(jìn)CA模型中，Agent在CA確定的城市發(fā)展概率的基礎(chǔ)上，決定元胞下一時(shí)刻的城市發(fā)展概率。文獻(xiàn)［12］提出了一種將Fisher判別方法和CA理論結(jié)合后應(yīng)用于微電網(wǎng)格局計(jì)算的方法，用來(lái)制定微電網(wǎng)元胞空間的總體演化規(guī)律。文獻(xiàn)［13］根據(jù)CA的基本理論及其在城市動(dòng)態(tài)演化模擬中的應(yīng)用，提出了新的電力負(fù)荷空間分布預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)［14］提出一種基于Fisher判別和離散選擇模型相結(jié)合自動(dòng)獲取地理CA轉(zhuǎn)換規(guī)則的方法，但沒(méi)有涉及元胞之間的具體作用。文獻(xiàn)［15］提出了一種基于MAS和CA的“自下而上”的微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制模型以及微電網(wǎng)自趨優(yōu)控制策略，但沒(méi)有涉及CA和MAS模型在多微電網(wǎng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)［16］提出了基于虛擬功率的下垂控制法，通過(guò)把實(shí)際有功功率和無(wú)功功率轉(zhuǎn)換成虛擬功率，對(duì)傳統(tǒng)下垂控制法進(jìn)行修正。但文獻(xiàn)［17］指出了其缺陷并提出了基于虛擬頻率-電壓的下垂控制法，然而這種方法要求并聯(lián)逆變器具有相同的轉(zhuǎn)換角，實(shí)現(xiàn)難度大。

本文考慮了微電網(wǎng)孤島模式下的無(wú)功電壓控制，創(chuàng)新性地提出了孤島模式下基于MAS和CA的多微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制策略，構(gòu)建了基于MAS和CA的微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該方法可以有效地調(diào)節(jié)微源的有功和無(wú)功出力情況以及系統(tǒng)的母線電壓和頻率，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 多微電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功電壓控制

1.1 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行無(wú)功電壓特點(diǎn)

孤島運(yùn)行時(shí)，由于缺少外部大電網(wǎng)的電壓和頻率的支撐，微電網(wǎng)的頻率控制具有一定的挑戰(zhàn)性。此時(shí)，微電網(wǎng)的負(fù)荷全部由分布式電源提供［1］。這就需要微電網(wǎng)自身保持其內(nèi)部電能的供求平衡，還需要保證電壓和頻率的相對(duì)穩(wěn)定，但是微電網(wǎng)自身的調(diào)節(jié)能力不一定滿足負(fù)荷的要求。若負(fù)荷波動(dòng)較大，則微電網(wǎng)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)，甚至?xí)霈F(xiàn)電壓崩潰的情況；若微電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力能夠滿足負(fù)荷變化的要求，但負(fù)荷變化特別是無(wú)功負(fù)荷的變化也可能會(huì)引起電壓較大的波動(dòng)。所以在孤島運(yùn)行模式下，要綜合考慮負(fù)荷變化以及微電網(wǎng)自身的調(diào)節(jié)能力［2］。當(dāng)多微電網(wǎng)中的某子微電網(wǎng)處于孤島模式，并難以實(shí)現(xiàn)本身電能的供需平衡時(shí)，其與其他的子微電網(wǎng)之間是否存在交互、如何維持母線電壓以及輸出頻率的穩(wěn)定，這在目前是十分有必要研究的。

為了解決這一問(wèn)題，本文構(gòu)建了基于MAS和CA的多微電網(wǎng)分布式分層協(xié)調(diào)控制模型，來(lái)跟蹤孤島模式下多微電網(wǎng)的無(wú)功電壓輸出、各子微電網(wǎng)的無(wú)功電壓輸出情況以及在某個(gè)子微電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)其他子微電網(wǎng)之間對(duì)于協(xié)調(diào)多微電網(wǎng)總體穩(wěn)定的處理情況。

1.2 微電網(wǎng)無(wú)功電壓的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于任意一個(gè)多微電網(wǎng)的子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的無(wú)功功率平衡方程為［7，18］：

其中，Bij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的互導(dǎo)納；Ui和Uj分別為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓；Fi為相鄰微電網(wǎng)注入節(jié)點(diǎn)i的無(wú)功電壓潮流，本文中不考慮多微電網(wǎng)子網(wǎng)之間的彼此影響，令Fi=0。

使用向量形式表示所有負(fù)載和發(fā)電機(jī)向量在該地區(qū)的利益，得到：

則方程（1）可以寫成：

其中，D為靈敏度矩陣，即潮流方程雅可比矩陣中與電壓、無(wú)功功率相關(guān)的部分，DGG為微電源饋線之間的互導(dǎo)納，DGL和DLG分別為微電源饋線和負(fù)荷饋線之間的互導(dǎo)納，DLL為負(fù)荷饋線之間的互導(dǎo)納。因此線性化系統(tǒng)模型可用如下靈敏度方程表示為（假定F=0）［14］：

其中，ΔUL為負(fù)荷電壓變化值；ΔUG為微電源電壓變化值；ΔQL為負(fù)荷無(wú)功功率變化值；ΔQG為微電源無(wú)功功率變化值。

若令則式（7）可簡(jiǎn)化為：

其中，CUΔUG為對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的影響；CQΔQL為無(wú)功擾動(dòng)引起的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化值。式（8）也是對(duì)負(fù)荷Agent計(jì)算電壓偏差值的表達(dá)式。

2 基于MAS和CA的雙層多微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制模型

2.1 MAS說(shuō)明與構(gòu)建

多個(gè)結(jié)構(gòu)和性能較為簡(jiǎn)單的Agent組成一個(gè)結(jié)構(gòu)較為松散的MAS［19］。在MAS中每個(gè)需要完成的任務(wù)對(duì)于一個(gè)Agent而言是透明的，每個(gè)Agent只擁有部分功能權(quán)限和信息資源，如果各個(gè)Agent之間無(wú)法進(jìn)行通信聯(lián)系來(lái)協(xié)調(diào)，將無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題，這就是群體共同解決問(wèn)題的流程，如果只是單個(gè)Agent來(lái)負(fù)責(zé)，無(wú)法解決如此繁復(fù)的任務(wù)。目前來(lái)看，MAS的解決方案正被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著MAS應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，MAS的智能化水平越來(lái)越高，解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力越來(lái)越強(qiáng)。

微電網(wǎng)為典型的分布式系統(tǒng)，MAS可以提高其分布式電源之間、分布式電源與負(fù)荷之間以及微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制。

MAS模型中的每一個(gè)Agent都可以代表一個(gè)實(shí)體或一種決策過(guò)程，并且Agent具有自治、通信、可協(xié)調(diào)等特點(diǎn)。MAS中的Agent之間相互影響，它們一方面根據(jù)運(yùn)行情況自主完成特定的調(diào)壓任務(wù)，另一方面可通過(guò)通信系統(tǒng)與同級(jí)Agent之間分享信息，接收上級(jí)Agent下達(dá)的調(diào)壓任務(wù)并反饋執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，達(dá)到維持微電網(wǎng)電壓水平的目的［12］。 本文中主要運(yùn)用 4種Agent：電網(wǎng) Agent（PCC Agent）、微電網(wǎng) Agent（microgrid Agent）、當(dāng)?shù)乜刂?Agent（LC Agent）、微源 Agent。

電網(wǎng)Agent的主要功能是提供大電網(wǎng)與微電網(wǎng)的接口，通過(guò)該接口可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和微電網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)的切換；同時(shí)大電網(wǎng)可以通過(guò)電網(wǎng)Agent向微電網(wǎng)下達(dá)命令。

微電網(wǎng)Agent的主要功能是對(duì)當(dāng)?shù)乜刂艫gent的監(jiān)控與管理。一方面，微電網(wǎng)Agent獲取來(lái)自各當(dāng)?shù)乜刂艫gent的信息，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和管理；另一方面，微電網(wǎng)Agent負(fù)責(zé)組織和管理當(dāng)?shù)乜刂艫gent，接收大電網(wǎng)的命令。

當(dāng)?shù)乜刂艫gent的主要功能是對(duì)當(dāng)?shù)氐奈⒃碅gent和負(fù)荷單元進(jìn)行管理。一方面，當(dāng)?shù)乜刂艫gent對(duì)微源Agent和負(fù)荷單元進(jìn)行管理，執(zhí)行控制策略；另一方面，它負(fù)責(zé)接收微電網(wǎng)Agent發(fā)來(lái)的命令及向其發(fā)送反饋信息。

微源Agent的主要功能是對(duì)當(dāng)?shù)氐奈⒃催M(jìn)行管理，存儲(chǔ)微源（光伏電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等）的相關(guān)信息（額定功率、分布式能源種類、可增發(fā)負(fù)荷等），并監(jiān)測(cè)微源的功率輸出情況和運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)換微源的控制方式等；與其他微源Agent進(jìn)行通信；接收上級(jí)當(dāng)?shù)乜刂艫gent的命令。

微電網(wǎng)中，各Agent之間的交互情況如圖1所示。

圖1 各Agent之間的交互情況Fig.1 Interaction among Agents

2.2 CA簡(jiǎn)介

CA是一種通過(guò)簡(jiǎn)單的局部運(yùn)算模擬空間上離散、時(shí)間上離散的復(fù)雜性現(xiàn)象的模型［7］。元胞以某種離散狀態(tài)分布于規(guī)則網(wǎng)格中的任意地方，并且以相同的規(guī)則進(jìn)行狀態(tài)更新，它們通過(guò)簡(jiǎn)單的相互作用來(lái)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。CA包括元胞及狀態(tài)、元胞空間、鄰居以及轉(zhuǎn)換規(guī)則，其模型如圖2所示［12］。

元胞是CA的基本元素，通常情況下元胞以0、1這2種狀態(tài)存放元胞狀態(tài)集，元胞空間是元胞所處的空間網(wǎng)格的集合。CA中的鄰居作用于當(dāng)前元胞狀態(tài)，使之在直接相鄰元胞范圍發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變。二維的CA鄰居有Moore型、馮諾依曼型以及擴(kuò)展Moore型，其中Moore型比較常見(jiàn)。本文CA模型中的鄰居采用 Moore 型，其定義為［12］：

圖2 CA模型Fig.2 Model of CA

其中，代表二維元胞空間；vi為鄰居元胞；（v0x，v0y）為中心元胞的坐標(biāo)；（vix，viy）為鄰居元胞的坐標(biāo)。

而CA的演化規(guī)則指元胞根據(jù)自己當(dāng)前的狀態(tài)及其鄰居的狀態(tài)來(lái)確定下一時(shí)刻狀態(tài)的函數(shù)。該函數(shù)考慮了這個(gè)元胞所有狀態(tài)和這些狀態(tài)的變換規(guī)律，構(gòu)造成一種簡(jiǎn)單、離散的局部變換模型。由此可定義 CA 模型如下［12］：

其中，f為CA演化規(guī)則；t為時(shí)間；為t時(shí)刻元胞i的狀態(tài)；為元胞鄰居狀態(tài)組合；為t+1時(shí)刻元胞i的狀態(tài)。

2.3 基于MAS和CA的雙層協(xié)調(diào)控制模型

本文中構(gòu)建了一種基于MAS和CA的雙層架構(gòu)模型結(jié)構(gòu)，然后用它來(lái)建立“由下而上”的多微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制模型。

上層模型通過(guò)微電網(wǎng)中的Agent之間的交互信息來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制功能；下層模型基于CA建模，用來(lái)監(jiān)測(cè)并描述微電網(wǎng)中微源和負(fù)荷的參數(shù)變化情況以及孤島模式下各子微電網(wǎng)之間的協(xié)作狀況。下層模型不斷地為上層模型提供制定優(yōu)化控制策略所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)上層模型提供的控制策略改變自己的行為；上層模型根據(jù)下層模型提供的數(shù)據(jù)通過(guò)交互操作來(lái)制定優(yōu)化控制策略，并指導(dǎo)下層模型的行為［15，20］。該雙層模型中 MAS 部分由圖2中涉及的4種Agent之間的交互組成，因此本文所構(gòu)建的基于MAS和CA模型的多微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)運(yùn)行雙層框圖如圖 3所示［14］。

3 基于MAS和CA的多微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制

常見(jiàn)的分布式電源有2類：微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池是一類功率可調(diào)的機(jī)組，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用P/Q控制，而在各子微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，采用U/f控制；風(fēng)電、光伏發(fā)電是間歇性的，受風(fēng)和光等因素的影響較大，采用P/Q控制。

在2.1節(jié)中提到微電網(wǎng)可以通過(guò)電網(wǎng)Agent實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的互連和斷開(kāi)狀態(tài)的切換，這樣只要通過(guò)監(jiān)測(cè)PCC處的電力參數(shù)即可確定微電網(wǎng)在下一時(shí)刻的連接狀態(tài)，從而確定微電網(wǎng)是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)觀測(cè)微電網(wǎng)的孤島電壓限值實(shí)現(xiàn)，微電網(wǎng)孤島電壓限值如表1所示［15］。

圖3 基于MAS和CA模型的雙層架構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of dual-layer model based on MAS and CA

表1 孤島電壓限值Table 1 Voltage limits of isolated microgrid

本文結(jié)合3.2.1節(jié)中所講述的CA的特性，將微源和負(fù)荷抽象成微電網(wǎng)中的元胞，它們的集合構(gòu)成了一個(gè)元胞空間；用元胞規(guī)則來(lái)模擬各元件的運(yùn)行情況；給每個(gè)元胞賦一定的初值，這樣就可以建立起用CA來(lái)模擬微源和負(fù)荷運(yùn)行的子微電網(wǎng)以及子微電網(wǎng)之間的運(yùn)行跟蹤模型。

根據(jù)元胞的頻率變化值Δf和電壓變化值Δu是否超過(guò)頻率和電壓控制范圍來(lái)判斷當(dāng)前元胞的狀態(tài)。元胞超過(guò)范圍就會(huì)出現(xiàn)故障，此時(shí)元胞狀態(tài)值置為“1”；若在控制范圍內(nèi)，則已經(jīng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)或元胞可以經(jīng)過(guò)微調(diào)恢復(fù)正常狀態(tài)，此時(shí)元胞狀態(tài)值置為“0”。我國(guó)采用的額定頻率為50 Hz，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)保持在（50±0.2）Hz的范圍之內(nèi)；用戶供電電壓的允許偏移量對(duì)于10 kV及以下電壓等級(jí)為±7%，微電網(wǎng)由380 V～10 kV供電電壓組成，本文模型假設(shè)按380 V供電，因而電壓允許偏差應(yīng)不超過(guò)20～25 V［21］。

孤島模式下，微源元胞輸出功率與負(fù)載吸收功率的能量守恒方程為［17-18］：

其中，ω′=ω+Δω 為孤島模式下公共連接點(diǎn)（PCC）處的角頻率；ω 為 PCC 處的角頻率；U′PCC=UPCC+ΔUPCC為孤島模式下PCC處的相電壓，UPCC為PCC處的相電壓；P為微源輸出的有功功率和無(wú)功功率；PL為負(fù)荷吸收的有功功率和無(wú)功功率；ΔP為多余的有功功率和無(wú)功功率。

當(dāng)多微電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，電網(wǎng)Agent、微電網(wǎng)Agent和微源Agent/負(fù)荷元胞都處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，電網(wǎng)Agent監(jiān)測(cè)大電網(wǎng)PCC處的相電壓，微電網(wǎng)Agent監(jiān)測(cè)大電網(wǎng)的母線電壓、各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓變化情況，而微源Agent監(jiān)測(cè)本地的頻率和線路電壓變化值。根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓是否越限可以判斷微電網(wǎng)是否進(jìn)入緊急情況。控制策略步驟如下［15］。

（1）當(dāng)電網(wǎng)Agent監(jiān)測(cè)到大電網(wǎng)PCC處的相電壓超出孤島電壓限值時(shí)，電網(wǎng)Agent將大電網(wǎng)的斷路器斷開(kāi)，此時(shí)多微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)。

（2）微源Agent/負(fù)荷元胞周期性地監(jiān)測(cè)本地電壓頻率和變化值，并將該值實(shí)時(shí)傳送給當(dāng)?shù)乜刂艫gent。

（3）當(dāng)?shù)乜刂艫gent判斷負(fù)荷元胞發(fā)送來(lái)的頻率和電壓變化值是否在故障范圍內(nèi)，若不在故障范圍內(nèi)，則當(dāng)?shù)乜刂艫gent繼續(xù)實(shí)時(shí)接收來(lái)自負(fù)荷元胞的反饋信息；若在故障范圍內(nèi)，則判斷通過(guò)調(diào)節(jié)電壓控制器是否可以消除電壓越限，如果可以，則命令電壓控制器來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓值，否則當(dāng)?shù)乜刂艫gent向微電網(wǎng)Agent發(fā)出調(diào)壓請(qǐng)求。

（4）微電網(wǎng)Agent收到調(diào)壓請(qǐng)求后命令相應(yīng)的微源Agent/負(fù)荷元胞調(diào)節(jié)電壓值來(lái)消除越界。

（5）微源Agent/負(fù)荷元胞判斷通過(guò)自身調(diào)節(jié)是否可以消除越界，若可以，則自行調(diào)節(jié)電壓值，否則立即向微電網(wǎng)Agent發(fā)出協(xié)助調(diào)壓請(qǐng)求。

（6）微電網(wǎng)Agent收到請(qǐng)求后，選擇需要協(xié)助調(diào)壓的微源Agent/負(fù)荷元胞，若能發(fā)現(xiàn)這種Agent，則繼續(xù)步驟（7），否則跳至步驟（9）。

（7）微源Agent/負(fù)荷元胞收到微電網(wǎng)Agent發(fā)出的調(diào)壓命令后，要判斷協(xié)助調(diào)壓是否會(huì)對(duì)自身電壓值造成干擾，若不會(huì)，則進(jìn)行協(xié)助調(diào)壓，否則拒絕執(zhí)行調(diào)壓。協(xié)助調(diào)壓的微源Agent/負(fù)荷元胞在完成任務(wù)后要向微電網(wǎng)Agent反饋信息。

（8）微電網(wǎng)Agent收到反饋信息后，判斷電壓越界是否消除，若消除，則將該信息發(fā)送給請(qǐng)求協(xié)助調(diào)壓的微源Agent/負(fù)荷元胞，跳至步驟（10），否則繼續(xù)步驟（9）。

（9）微電網(wǎng)Agent根據(jù)負(fù)荷元胞相對(duì)于微電網(wǎng)的重要程度來(lái)選擇需要切除的負(fù)荷，并命令相應(yīng)的當(dāng)?shù)乜刂艫gent斷開(kāi)連接；當(dāng)?shù)乜刂艫gent收到斷開(kāi)連接的命令后，將斷路器的連接狀態(tài)置為“0”（“0”代表斷開(kāi)狀態(tài)，“1”代表連接狀態(tài)），并向微電網(wǎng)Agent反饋信息，跳至步驟（8）。

（10）微源Agent/負(fù)荷元胞收到電壓越限消除的消息后，再次檢測(cè)電壓的狀態(tài)，若電壓恢復(fù)正常，則向協(xié)助調(diào)壓的微源Agent/負(fù)荷元胞發(fā)出確認(rèn)信息，否則跳至步驟（5）。

（11）此時(shí)大電網(wǎng)的故障消除，3 s后，微電網(wǎng)Agent向被切掉負(fù)荷的當(dāng)?shù)乜刂艫gent發(fā)送重新接入微電網(wǎng)的命令，其將斷路器的連接狀態(tài)置為“1”，重新接入微電網(wǎng)。

（12）大電網(wǎng)故障消除后，會(huì)向電網(wǎng)Agent發(fā)送故障已消除的信息。電網(wǎng)Agent會(huì)將各孤島模式下的子微電網(wǎng)重新接入大電網(wǎng)，恢復(fù)并網(wǎng)狀態(tài)。系統(tǒng)此時(shí)可能需要重新加以調(diào)節(jié)，跳至步驟（1）。

當(dāng)微電網(wǎng)的某子微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)自行切斷斷路器，以保證大電網(wǎng)母線及其他子微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。而此時(shí)大電網(wǎng)中的其他子微電網(wǎng)會(huì)承擔(dān)調(diào)節(jié)母線電壓及頻率的任務(wù)。若母線電壓無(wú)法穩(wěn)定，則必須切除不必要的負(fù)荷來(lái)維持電壓的穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)建模與仿真

4.1 系統(tǒng)仿真模型

本文研究的多微電網(wǎng)由3個(gè)可孤島運(yùn)行的子微電網(wǎng)構(gòu)成。當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，每個(gè)子微電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而孤島模式下子微電網(wǎng)是存在相互影響的。該仿真模型中包含著2.1節(jié)中所述的4 種類型的 Agent（電網(wǎng) Agent、微電網(wǎng) Agent、當(dāng)?shù)乜刂艫gent以及微源Agent）。其中子微電網(wǎng)A包括微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）和光伏電池組（PV）；子微電網(wǎng)B包括燃料電池（FC）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WD）；子微電網(wǎng)C包括光伏電池組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。用PSCAD構(gòu)建仿真模型如圖4所示（本仿真模型中暫不考慮導(dǎo)線電阻及其在傳輸過(guò)程中的損耗）。其中，DMS代表配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)；MV代表控制電壓；LV代表低電壓；MC表示人工控制；LC表示負(fù)荷中心。

根據(jù)分布式電源的參數(shù)范圍，本文模型中各微源元胞的參數(shù)如表 2 所示［1，22］。

圖4 多微電網(wǎng)仿真模型簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch of multi-microgrid simulation model

表2 微電源參數(shù)表Table 2 Parameters of micro-sources

4.2 算例仿真分析

根據(jù)2.2節(jié)中所述的微電網(wǎng)無(wú)功電壓數(shù)學(xué)模型，結(jié)合CA監(jiān)測(cè)的電壓和頻率的變化值，判斷系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，進(jìn)行孤島模式下多微電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制仿真實(shí)驗(yàn)。本文主要考慮光照、風(fēng)速以及某個(gè)子微電網(wǎng)故障對(duì)多微電網(wǎng)及子微電網(wǎng)之間的影響。仿真時(shí)開(kāi)關(guān)BRK0斷開(kāi)，各子微電網(wǎng)進(jìn)入了孤島模式。假定仿真時(shí)間為10 s。

4.2.1 光照強(qiáng)度改變對(duì)各微電網(wǎng)的影響

開(kāi)始時(shí)光照強(qiáng)度是600 W/m2，第3 s時(shí)增大至800 W/m2，第 6 s時(shí)光照強(qiáng)度恢復(fù)到 600 W /m2，仿真結(jié)果如圖 5— 7 所示。其中，QMT、QFC、QWD、QPV分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組輸出的無(wú)功功率；Ubus為母線電壓有效值（標(biāo)幺值）；fs為系統(tǒng)頻率。

由圖5可知，光伏電池在光照強(qiáng)度為600 W/m2時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出的無(wú)功功率上升為20 kvar，燃料電池輸出的無(wú)功功率上升為10 kvar，風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)功功率維持在0 kvar，光伏電池?zé)o功功率為0 kvar；第3 s時(shí)，光照強(qiáng)度由 600 W/m2增加至 800 W/m2，光伏電池?zé)o功出力穩(wěn)定在0 kvar，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池?zé)o功出力維持不變；第6 s時(shí)，光照強(qiáng)度回到600 W/m2，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的無(wú)功功率仍維持不變。

由圖5—7可知，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，子微電網(wǎng)A在微型燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)節(jié)下，其母線電壓基本維持不變；子微電網(wǎng)B在燃料電池的調(diào)節(jié)下，其母線電壓基本維持不變；子微電網(wǎng)C中的光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率輸出為0；系統(tǒng)頻率在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)有微小波動(dòng)，但是頻率改變值維持在（50±0.02）Hz內(nèi)，能夠滿足微電網(wǎng)運(yùn)行要求。

圖5 光照強(qiáng)度改變時(shí)各微源元胞輸出無(wú)功功率Fig.5 Output reactive powers of micro-source cellular when light intensity changes

圖6 光照強(qiáng)度改變時(shí)母線電壓有效值Fig.6 Effective value of bus voltage when light intensity changes

圖7 光照強(qiáng)度改變時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.7 System frequency when light intensity changes

由上述結(jié)論可知，無(wú)功功率和母線電壓在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)基本不變，系統(tǒng)頻率在允許的范圍內(nèi)有較小的波動(dòng)，各微源對(duì)無(wú)功電壓的控制取得了較好的效果。因此，子微電網(wǎng)A中的微型燃?xì)廨啓C(jī)不僅對(duì)自身電壓起調(diào)節(jié)作用，還對(duì)子微電網(wǎng)B和C起到了良好的調(diào)節(jié)作用，使得多微電網(wǎng)整體功率相對(duì)平穩(wěn)。

4.2.2 風(fēng)速變化對(duì)各子微電網(wǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)風(fēng)速，光照強(qiáng)度保持在800 W/m2，仿真時(shí)間為10 s，仿真結(jié)果如圖8—10所示。

由圖8—10可知，風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出增多，風(fēng)速減小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出減少，且其無(wú)功輸出在0 kvar上下波動(dòng)；微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出的無(wú)功功率在23 kvar上下波動(dòng)；燃料電池輸出的無(wú)功功率在15 kvar左右波動(dòng)；光伏電池?zé)o功輸出恒為0 kvar。多微電網(wǎng)母線電壓在1.0 p.u.左右波動(dòng)，系統(tǒng)頻率在50 Hz左右小范圍波動(dòng)，滿足系統(tǒng)最低要求。

由以上分析可知，孤網(wǎng)模式下，隨風(fēng)速的變化，為了維持多微電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功出力的平衡，子微電網(wǎng)A中微型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)調(diào)節(jié)子微電網(wǎng)B和子微電網(wǎng)C起到了良好的作用，多微電網(wǎng)中的各微源無(wú)功電壓在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，使母線電壓和系統(tǒng)頻率相對(duì)平衡。

圖8 風(fēng)速變化時(shí)各微源元胞輸出無(wú)功功率Fig.8 Output reactive powers of micro-source cellular when wind speed changes

圖9 風(fēng)速變化時(shí)母線電壓有效值Fig.9 Effective value of bus voltage when wind speed changes

圖10 風(fēng)速變化時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.10 System frequency when wind speed changes

4.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組（子微電網(wǎng)A）故障對(duì)多微電網(wǎng)的影響

開(kāi)始時(shí)，各子微電網(wǎng)在孤網(wǎng)模式下各自平穩(wěn)運(yùn)行，在第5 s時(shí)將子微電網(wǎng)A與母線連接的開(kāi)關(guān)BRK1斷開(kāi)，來(lái)模擬燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組故障，仿真時(shí)間10 s，仿真結(jié)果如圖11—13所示。

由圖11可知，在0～5 s內(nèi)，微型燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)波動(dòng)較大，且其無(wú)功輸出分別在20 kvar和0 kvar上下波動(dòng)；燃料電池和光伏電池組無(wú)功輸出平穩(wěn)，燃料電池輸出的無(wú)功功率在15 kvar左右波動(dòng)，光伏電池?zé)o功輸出恒為0 kvar。多微電網(wǎng)母線電壓在（1±0.005）p.u.左右波動(dòng)，系統(tǒng)頻率在（50±0.02）Hz左右小范圍波動(dòng)，滿足系統(tǒng)最低要求。

在第5 s時(shí)，將子微電網(wǎng)A與大電網(wǎng)母線相連的開(kāi)關(guān)BRK1斷開(kāi)，從圖11可知微型燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組的無(wú)功輸出功率恒不變，燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功輸出功率分別一直在15 kvar和0 kvar小范圍波動(dòng)。而從圖12、13可知母線電壓和系統(tǒng)頻率也恒不變。

由以上分析可知，在子微電網(wǎng)A中的微型燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組發(fā)生故障時(shí)，子微電網(wǎng)B中的燃料電池起到了良好的調(diào)節(jié)作用，使母線電壓和系統(tǒng)頻率十分平穩(wěn)。

圖11 燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組故障時(shí)各微源元胞輸出無(wú)功功率Fig.11 Output reactive powers of micro-source cellular when gas turbine and photovoltaic cells fail

圖12 燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組故障時(shí)母線電壓有效值Fig.12 Effective value of bus voltage when gas turbine and photovoltaic cells fail

圖13 燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組故障時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.13 System frequency when gas turbine and photovoltaic cells fail

4.2.4 燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)（子微電網(wǎng)B）故障對(duì)多微電網(wǎng)的影響

開(kāi)始時(shí)，各子微電網(wǎng)在孤網(wǎng)模式下各自平穩(wěn)運(yùn)行，在第5 s時(shí)將子微電網(wǎng)B與母線連接的開(kāi)關(guān)BRK2斷開(kāi)，來(lái)模擬燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障，仿真時(shí)間為10 s，仿真結(jié)果如圖14—16所示。

由圖14可知，在0～5 s，微型燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)波動(dòng)較大，且其無(wú)功輸出分別在20 kvar和0 kvar上下波動(dòng)。燃料電池和光伏電池組無(wú)功輸出平穩(wěn)，燃料電池輸出的無(wú)功功率在15 kvar左右波動(dòng)，光伏電池?zé)o功輸出恒為0kvar。多微電網(wǎng)母線電壓在（1±0.005）p.u.左右波動(dòng)，系統(tǒng)頻率在（50±0.02）Hz左右小范圍波動(dòng)，滿足系統(tǒng)最低要求。

在第5 s時(shí)，將子微電網(wǎng)B與大電網(wǎng)母線相連的開(kāi)關(guān)BRK2斷開(kāi)，從圖14可知燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功輸出功率恒不變，微型燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組的無(wú)功輸出功率分別一直在20 kvar和0 kvar左右波動(dòng)。而從圖15、16可知母線電壓和系統(tǒng)頻率也恒不變。

由以上分析可知，在微型燃?xì)廨啓C(jī)和光伏電池組發(fā)生故障時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)起到了良好的調(diào)節(jié)作用，各子微電網(wǎng)之間相互協(xié)調(diào)交互的效果明顯，使母線電壓和系統(tǒng)頻率十分平穩(wěn)。

圖14 燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障時(shí)各微源元胞輸出無(wú)功功率Fig.14 Output reactive powers of micro-source cellular when fuel cells and wind turbine fail

圖15 燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障時(shí)母線電壓有效值Fig.15 Effective value of bus voltage when fuel cells and wind turbine fail

圖16 燃料電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.16 System frequency when fuel cells and wind turbine fail

4.3 和其他無(wú)功電壓控制方法的比較

通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)以及分析可以得知，在孤島模式下使用MAS與CA的雙層多微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制模型可以很好地調(diào)節(jié)和控制微電網(wǎng)的母線電壓及微電源的無(wú)功輸出功率。上文提到，MAS和下垂控制法是目前電壓控制領(lǐng)域中比較常用的電力電子技術(shù)方法，而基于MAS和CA的無(wú)功電壓控制方法較之于其他微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

a.下垂控制法沒(méi)有考慮到系統(tǒng)電壓的恢復(fù)問(wèn)題，因此當(dāng)微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重干擾時(shí)，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量可能無(wú)法保證；單一的MAS控制雖然可以在一定程度上對(duì)微源元胞進(jìn)行調(diào)壓，但它不能檢測(cè)各個(gè)子微電網(wǎng)微源元胞的運(yùn)行狀態(tài)，不能及時(shí)地做出響應(yīng)；而本文提出的基于MAS和CA的電壓控制法不僅可以對(duì)微源元胞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以向MAS反映元胞的狀態(tài)，使其快速地給出解決方法，并且通過(guò)實(shí)現(xiàn)電壓控制策略可以達(dá)到恢復(fù)系統(tǒng)電壓的目的，即使在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，仍然能夠保證整個(gè)微電網(wǎng)電壓的質(zhì)量。

b.下垂控制法僅針對(duì)各分布式電源間的控制，MAS以及CA方法適用于微電網(wǎng)模型中的任何元器件，元件可靈活地加入微電網(wǎng)中，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

c.下垂控制法沒(méi)有考慮微源之間、負(fù)荷之間以及微源與負(fù)荷之間、微電網(wǎng)主控單元與微源和負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，調(diào)節(jié)電壓相對(duì)主觀；而MAS技術(shù)考慮到了這一點(diǎn)，提供了通信機(jī)制，可以令各元器件之間協(xié)調(diào)調(diào)壓；而本文加入的CA可以和MAS進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，使多微電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制方法更加有效，這在本文實(shí)驗(yàn)中已有所體現(xiàn)。文獻(xiàn)［23］將下垂控制法在微電網(wǎng)模型上進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果來(lái)看，雖然該方法也能夠達(dá)到調(diào)整無(wú)功輸出、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的目的，但相比本文提出的方法，下垂控制法在時(shí)間上不具有優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)［7］將MAS方法應(yīng)用于孤島模式下電力系統(tǒng)的無(wú)功電壓的控制中，從該文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，微電網(wǎng)從擾動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較本文提出的MAS和CA控制方法的電壓控制在時(shí)間上（見(jiàn)圖5）有所遜色。三者的微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制時(shí)間比較如表3所示。其中，t1為微電網(wǎng)從啟動(dòng)到狀態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間；t2為系統(tǒng)從并網(wǎng)模式切換到孤島模式后恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

表3 各種方法在時(shí)間上的比較Table 3 Comparison of time consumption among different control methods

5 結(jié)論

本文建立了基于MAS和CA的雙層多微電網(wǎng)孤島模式下無(wú)功電壓控制模型。該模型包括上下兩層結(jié)構(gòu)，上層模型通過(guò)系統(tǒng)中的各Agent之間的交互信息來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制功能；下層模型基于CA建模，用來(lái)描述微電網(wǎng)中微源和負(fù)荷的參數(shù)變化情況，為系統(tǒng)中Agent的決策提供所需信息。通過(guò)該模型提出了MAS和CA相結(jié)合的多微電網(wǎng)無(wú)功電壓的分布式協(xié)調(diào)控制策略，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了該策略對(duì)孤島模式下的多微電網(wǎng)的無(wú)功電壓輸出、系統(tǒng)頻率和母線電壓具有良好的控制效果。基于MAS和CA的多微電網(wǎng)無(wú)功電壓控制具有較高的靈活性和智能性，在微電網(wǎng)的控制方面中取得了一定的進(jìn)步。

本文對(duì)多微電網(wǎng)孤島模式下的無(wú)功電壓控制構(gòu)建了分布式控制模型，提出了分布式控制策略，但是并未考慮多微電網(wǎng)的有功功率變化以及多微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下的母線電壓以及系統(tǒng)頻率的控制，這些問(wèn)題需進(jìn)一步研究。

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