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双母线结构直流微电网的主要控制目标是稳定各级母线电压、维持整体系统的功率平衡,传统的阻性下垂控制不能很好地协调这2个控制目标。提出一种基于离散分组一致性算法的双母线直流微电网自适应下垂控制策略。所提策略基于Java Agent开发框架(JADE)平台多代理系统,通过网内以及网间的互通协议,在弱通信网络条件下根据分组一致性协议使各级母线实现区域功率自治。搭建由JADE、MacSimJX、Simulink组成的混合仿真平台,仿真验证了所提控制策略的有效性。
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第 38 卷 第 6 期
2018 年 6 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.6
Jun. 2018
❼
基于离散分组一致性算法的双母线孤岛
直流微电网自适应下垂控制
李晓晓
1
,王晓兰
1,2
(1. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院,甘肃 兰州 730050;
2. 甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃 兰州 730050)
摘要:双母线结构直流微电网的主要控制目标是稳定各级母线电压、维持整体系统的功率平衡,传统的阻性
下垂控制不能很好地协调这 2 个控制目标。 提出一种基于离散分组一致性算法的双母线直流微电网自适应
下垂控制策略。 所提策略基于 Java Agent 开发框架(JADE)平台多代理系统,通过网内以及网间的互通协议,
在弱通信网络条件下根据分组一致性协议使各级母线实现区域功率自治。 搭建由 JADE、MacSimJX、Simulink
组成的混合仿真平台,仿真验证了所提控制策略的有效性。
关键词:孤岛直流微电网;多代理系统;虚拟阻抗;下垂控制;离散分组一致性算法
中图分类号:TM 727 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2018.06.002
收稿日期:2017
-
04
-
03;修回日期:2018
-
04
-
11
基金项目:国家自然科学基金重点项目(50967001) ;甘肃省
自然科学基金资助项目(1107RJZA272);国家电网公司科研
项目(52272213029T)
Project supported by the Key Program of National Natural
Science Foundation of China( 50967001) , the Natural Science
Foundation of Gansu Province ( 1107RJZA272) and Research
Project of SGCC(52272213029T)
0 引言
现如今,微电网是电力行业中最具创新性的领
域之一。 未来微电网既可以作为配电网的能量平衡
单元,又可以作为独立电网为社区供电
[1]
。 而直流
微电网具有转换次数少、控制结构简单、不需要对电
压的相位和频率进行跟踪、不需要考虑传输过程中
的涡流损耗和无功补偿等优点,是以新能源发电为
主的微电网系统更为理想的解决方案。
直流母线电压是反映直流微电网系统内功率平
衡的唯一指标
[2]
,所以直流微电网控制的重要目标
就是通过整个系统的协调控制,使得系统输入、输出
功率达到平衡,从而维持直流母线电压的稳定。 文
献[3]提出的基于直流母线电压信号 DBS( DC Bus
Signal)的能量协调控制方法,只能实现基本的功率
和能量分配。 由于母线电压随运行点变化而变化、
线路阻抗未知或分布不均,DBS 控制方法并不能达
到很好的功率分配效果
[4]
。 而点对多点的集中式通
信控制又对通信网络实时性具有严苛的要求,并且
其结构并不适用于微源、负载较分散的直流微电网
系统。 所以,基于稀疏通信网络、点对点的分布式多
代理 MA(Multi Agent) 一致性协调控制受到越来越
多的关注
[5]
。 Olfati⁃Saber 在 2004 年首先系统地提
出了多智能体网络一致性问题的理论框架,并给出
了基于一致性控制协议的基本形式
[6]
。 随后 Ren
等
[7]
在其基础上,研究了具有固定拓扑与切换拓扑
的有向加权网络一致性问题,并分析指出当系统拓
扑中包含有向生成树时,系统能够达到一致。 与文
献[6] 相比,该结论具有较弱的保守性。 随后大量
研究与分析表明,一致性算法的性能与网络拓扑结
构的连通性密切相关。 文献[5,8⁃10] 将通信网络的
连通性与微电网中控制增益以及算法边界权值做了
相关性研究。 其中,文献[5] 分析了传统无通信控
制的局限性,提出了基于离散一致性的自适应下垂
控制策略,以全网平均电压差为一致性优化目标,实
现了高精度负荷分配以及电压调节;文献[8⁃9]研究
了一致性算法在共享公共连接点(PCC)连接的直流
微电网簇中的应用,包括一致性算法在每个微电网
单元的平均输出电流以及核心总线电压获取上的实
现;文献[10]通过获取节点总注入功率与参与优化
控制终端总数的全局信息,计算本地换流站满足特
定目标函数的功率和电压参考值,实现全局的自律
分散控制。
以上关于直流微电网一致性的研究均基于单母
线结构,其优化控制目标具有唯一性。 对于孤岛模
式下区域直流微电网供电系统而言,双层式母线结
构对单母线结构进行了高低压分层设计,提高了低
压设备供电的安全性及兼容性
[11]
,较单母线结构更
加实用。 文献[12] 提出了一种针对双母线直流微
电网的协调控制策略,根据双母线各自的电压信号,
制定针对各个微源以及双母线之间能量变换器的协
调控制策略和能量管理方案,但由于其依赖于母线
电压信号来判断系统工作状态,并不能做到高精度
的功率分配。
Yu 等首先研究了分布式多智能体的分组一致
性问题
[13]
,得到了保证系统实现分组一致的若干条
件判据,并通过对比实验说明了多智能体系统中各
❽ 电 力 自 动 化 设 备
第 38 卷
个子系统间的信息交互能够加快各个子系统的一致
性收敛速度;同时文献[14] 研究了基于离散时间的
多智能体分组一致性问题,这对多母线结构的直流
微电网一致性控制研究具有积极的意义。 本文在此
基础之上提出一种基于双母线直流微电网的分组一
致性控制策略,与传统单母线结构一致性控制策略
相比,其 增强 了系 统 的兼 容 性及 功率 分 配 优 化 的
能力。
1 系统构成
分布式控制的直流微电网系统充分利用了“ 分
布”的特征,很大程度上依赖于本地控制,可靠性更
高
[11]
。 直流微电网可以通过并网变换器与大电网
连接,运行于并网模式,由大电网充当松弛终端,平
衡系统功率;也可以运行于不依赖大电网的孤岛模
式,由分布式电源、负载依情况成为松弛终端,维持
系统功率平衡。 为了简化分析,本文仅考虑其孤岛
运行时的双母线协调控制,即系统分别由高 / 低压母
线下的交流微源、直流微源、负载构成,结构见图 1。
图 1 双母线直流微电网结构
Fig.1 Structure of DC microgrid with two buses
图 1 中,箭头所示为能量流动方向。 高、低压母
线分别实现区域自治,控制算法给定各区域运行参
数的参考值,根据各个设备终端运行模式的不同,动
态转换目标松弛终端,并且只有当某一区域能量匮
缺而另一区域能量盈余时,位于中间的能量交换设
备才运行工作,以确保系统整体经济、有效地运行。
交流 微 源 采 用 直 驱 永 磁 风 力 发 电 机 组 DD⁃
PMSG ( Direct⁃Drive Permanent Magnet Synchronous
Generator),通过电压型脉宽调制( PWM) 变流器并
入直流母线。 正常情况下变流器工作于最大功率点
跟踪 MPPT(Maximum Power Point Tracking)模式,但
在特定负载情况下,需要限功率运行。 直流微源采
用蓄电池储能 BES(Battery Energy Storage),通过双
向 DC / DC 变换器并入直流母线,其具有功率平衡的
重要作用,为整个微电网系统提供电压和频率支撑,
特定情况下,需要脱网以实现自我保护。
2 双母线直流微电网的分层控制
2.1 无连线阻性下垂控制存在的问题
双母线 6 节点直流微电网的戴维南等效模型如
图 2 所示。 传统阻性下垂控制方程如下
[5]
:
U
oi
=
U
ref
-
R
di
I
oi
i
=
1,2,…,n
node
(1)
其中,U
oi
为变流器输出电压;U
ref
为输出电压的参考
值;I
oi
为输出电流;R
di
为阻性下垂控制系数;n
node
为
节点总数。 中间能量变换器考虑为理想能量传输部
件,由式(1) 可知,若要实现双母线区域功率自治,
即要使变流器输出功率按自身额定功率成比例分
配,各节点输出电压、电流应满足如下关系:
I
oi
I
oj
=
Z
linej
+
R
dj
Z
linei
+
R
di
=
n
i
-
j
i≠j (2)
其中,n
i
-
j
为变流器 i、 j 的额定功率比;Z
linei
、Z
linej
分
别为变流器 i、 j 对应端口与 PCC 之间的等效线路阻
抗。 图 2 中 Z
lineX
为高、低压母线间等效线路阻抗。
可见当线路阻抗情况复杂时,固定的阻性下垂控制
系数并不能恒满足式(2),同时当微源输出功率增
大时,其输出电压有可能会超出±5%的母线电压变
化量限制。
图 2 双母线直流微电网等效模型
Fig.2 Equivalent model of DC microgrid with two buses
2.2 双母线协调的分层控制
传统阻性下垂控制在电压调节和负荷比例分配
之间存在内在矛盾,故需要对控制参数进行二次调
节,也就是直流微电网的分层控制。
本文将双母线协调分层控制分为设备级控制和
系统级控制 2 层,如图 3 所示。 图中,i
hi
、i
li
和 v
DChi
、
v
DCli
分别为高、低压母线变流器端口电流和电压采
样值;ΔU
hi
、ΔU
li
分别为高、低压母线对应变流器输
出电压状态变量与子网平均值之差。 为了避免网内
节点之间出现环流以及微源能够自适应负载功率输
出,二次调节的主要目标是对每个微源的输出电压、
电流进行实时监测,并依据微源自身的负载能力对
其出力进行调节;同时高、低压直流母线互为热备用
微源,在能力有余的前提下对彼此缺额的功率进行
及时的补充。
在对电压进行调节时,应该将网内微源同步调
节至高、低压子网平均电压,如式(3)所示。
ΔU
=
U
ref
-
1
n
s
∑
n
s
i
=
1
U
oi
(3)
其中,n
s
为子网对应的节点总数。
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