江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司 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網系統(tǒng)

近年來,隨著能源互聯網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和能源微網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)接入下的能源互聯網。因此本文提出了能源互聯網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能源互聯網中關鍵指標同步,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、能源互聯網結構構建及多智能體控制系統(tǒng)框架

能源互聯網架構目前依然以電網為核心架構,基本架構及關鍵設備如圖1所示：

圖1 能源互聯網結構及關鍵設備

以電網為核心架構的能源互聯網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;二級控制是網絡控制,實現各個設備之間的協(xié)調控制,核心是保證重要指標如電壓,相角等信息的同步,從而可以實現能源互聯網處于熱備用狀態(tài);三級控制是用于實現主電網中能量與能源互聯網中能量的互相交換,實現能量高效的雙向流動。能源互聯網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)調主電網與微電網之間的電能,從而實現主電網和微電網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,用于控制能源互聯網中的儲能、變換器等相關設備實現分布式的網絡化協(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)短時內的穩(wěn)定運行,并與能源路由器進行信息交換實現功率補償;用于控制變換器的能源交換機主要用于實現網絡化的控制算法,實現多個分布式發(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、能源互聯網中分布式協(xié)調控制算法設計

本文通過分析系統(tǒng)中環(huán)流產生的原因,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網中電壓非線性特性,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整,實現實時跟蹤系統(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)也可以是主電網的信息,若領導者信息系統(tǒng)來自于主電網,則能源互聯網可以實時跟蹤主電網信息,從而實現系統(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。可以看出傳統(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網的控制要求,設計了典型的能源互聯網結構及關鍵設備,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網的控制中,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,針對于能源互聯網系統(tǒng),可以進一步加入熱電聯產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,線路參數不平衡導致的無功功率分配效果不理想等問題。

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