基于MAS的低压微电网中虚拟电源的分布式协调控制方法与流程
本发明涉及智能电网控制领域，尤其是一种基于mas的低压微电网中虚拟电源的分布式协调控制方法。
背景技术：
为有效解决各类微源大规模并网状态下所引发的诸多问题，在分布式发电技术领域产生了微电网。微电网一般由微源、储能单元、负荷及其控制体系构成，能有效地整合如光伏发电、风力发电等可再生能源，一般有两种运行模式：孤岛模式和并网模式，在大电网受到外界扰动等情况下由并网模式进入孤岛模式，由微源独立为负荷供电。对于运行在孤岛模式下的微电网，下垂控制作为最常用的控制方法之一，以三相异步电机的下垂特性为原理，其控制目标是根据微源的功率输出来调节微源的电压输出，进而实现微源的即插即用功能及点对点控制，相对于其它的控制方法而言，下垂控制对分布式发电间的通信要求并无太大依赖，在功率平衡及电压稳定等方面，表现得更为高效和可靠。
当微电网中多个微源为负荷出力时，为保证稳定运行，有必要协调各微源的功率输出，一般依据各自容量比有比例地分摊负荷的功率需求，这就要求各微源的输出电压必须相同，但由于各微源到负荷的距离不同，即传输线长度不同，进而使各线路阻抗不匹配，导致各自的输出电压不同，所以传统的下垂控制往往不能在微源间进行精确地功率分配。对于功率均分偏差问题，分层控制法作为最常见的方法之一，在低层采用传统的下垂控制，在上层通过微源间的信息交互采用协调性控制算法，往往对通信有一定的要求，一旦微源间的通信失败，分层控制与传统下垂控制相比便无优势可言。除此之外，在低压微电网中，呈阻性的线路阻抗也会造成功率耦合现象，一般会采用虚拟阻抗、坐标变换等解耦措施，但效果很是一般。出于上述原因，因此急需一种能精确改善无功功率均分的控制方法，来确保低压微电网的稳定运行。
技术实现要素：
本发明的目的是针对传统p-f下垂控制中的无功功率均分偏差问题，提出一种基于mas的低压微电网中虚拟电源的分布式协调控制方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法为：建立两层控制体系：一次控制和二次控制。一次控制基于虚拟阻抗和虚拟电源的配合使用，通过选择合适的虚拟阻抗值来改进线路阻抗特性，使微源间的各虚拟电源输出电压大体上相同，一定程度上改善微源无功均分；二次控制基于一致性协议，通过微电网的稀疏通信网络进行微源间各虚拟电源电压信息的交互，最终能协调各虚拟电源电压达到严格一致。微源间的交互作用是基于建立的多代理系统(mas)，底层各微源作为一级代理来执行一次控制，上层协调部分作为二级代理来执行二次控制。通过确定虚拟电源电压评估指标(vvei)来协调一次控制和二次控制间的运行。
所述方法的具体内容如下：
步骤1，设计基于mas的微电网分层协调控制结构；
步骤2，基于虚拟阻抗和虚拟电源设计一次控制；
步骤3，设计vvei；
步骤4，基于一致性控制算法设计二次控制。
进一步的，步骤1中，确定基于mas的微电网分层协调控制结构，以单个微源为单位建立多代理体系，并确定每个代理之间的交互方式，具体如下：
(1.1)首先确定基于mas的微电网分布式协调结构；
微电网作为典型的分布式系统，mas可用来增强微源之间或微源与负荷间的协调性。在分布式协调控制中，分为两级代理，一级分布式代理包括微源和负荷单元，每个一级代理都包含反应层和协商层，其中反应层包括信念、识别与意图模块，能在紧急情况下快速动作，协商层包括信念、欲望与意图模块，在优化微源运行性能方面有较好的表现。每个一级代理都用于各微源自身的一次控制，为局部性的控制。
二级协调代理主要用于实现协调各微源的二次控制，有较高水平的协商层。二级代理的启动取决于虚拟电源电压评估模块，通过评估实际电压的偏差大小，在决策模块中决定二次控制是否启动。二次控制将通过在稀疏通信网络中交换的每个微源的信息作为自身输入，将其输出作为控制指令，并通过动作模块反馈到一次控制中，最终实现整体虚拟电源的电压调节。
(1.2)确定各级代理间的交互模式；
一级代理与二级代理间的交互模式为主从模式，同级代理间的交互模式为对等模式。一级代理在主从模式下必须执行二级代理的指令，同级代理在对等模式下平等地交互彼此信息。同一微电网中可包含多个不同类型的微源，每个微源作为一级代理通过线路阻抗连接负荷，所有微源一级代理交互其虚拟电源的电压信息，同时负荷也可作为一级代理，通过稀疏通信网络上传其功率需求信息。每个一级微源代理都有与之对应的二级代理，通过在二级代理对一级代理间交互的虚拟电源电压信息进行处理，最终输出指令作用于对应的一级代理。
进一步的，步骤2中，考虑低压微电网的阻性线路阻抗，在一次控制采用虚拟阻抗和虚拟电源，通过虚拟阻抗来改善线路阻抗特性，使虚拟电源的输出电压一致，进而使微源间的无功均分变得精准，本发明将一次控制作为虚拟电源电压的一次调节，具体如下：
(2.1)确定虚拟电源的下垂特性参数及控制公式；
由于虚拟电源在实际微电网中是不存在的，所以计算其功率输出有一定难度，而其输出电压可以通过微源的输出电压和虚拟阻抗的压降计算得到，所以可根据微源的功率输出来控制虚拟电源的输出电压及频率，为消线路电阻的影响，取虚拟电阻的值为rξ＝-rl(rl为线路电阻)，虚拟电源的下垂公式如下
其中mξ,nξ分别为有功，无功下垂系数：
其中，p*/q*为微源的有功/无功基准值，pmax/qmax为微源的最大有功/无功容量，
(2.2)确定决定虚拟电源输出电压的虚拟阻抗值；
一般所有的虚拟电源都具有相同的运行频率，以满足全网的频率一致，所以有功均分精度较高，而虚拟电源的电压决定着无功均分的精度，所以影响虚拟电源的输出电压的参数计算如下：
其中e*为微源的电压基准值，xξ为虚拟感抗值，xl为线路感抗，
微电网中不匹配的线路阻抗会导致微源的输出电压偏差，进而导致无功均分偏差。在虚拟负电阻抵消线路电阻的情况下(rξ＝-rl)，线路阻抗由线路感抗和虚拟感抗构成，因此虚拟感抗的取值决定着虚拟电源的电压是否一致，为使任意两个虚拟电源的电压一致(如第m个与第n个)，根据式(2)，(4)，(5)，(6)可得虚拟感抗取值应为：
(xlm+xξm)/(xln+xξn)＝nξm/nξn，(7)
根据式(7)获取虚拟感抗值，能使虚拟电源电压大致上相同，能一定程度上改善无功均分(qm/qn≈nξn/nξm).
进一步的，步骤3中，通过评估在一次控制合成的虚拟电源电压，结合微源的实际无功输出及理想值，进而确定vvei，以此作为二次控制启动与否的依据，具体如下：
(3.1)结合虚拟电源电压和微源的无功输出确定vvei；
每个微源的实际的无功输出(设为qi)可在其下垂控制器计算得到，其理论值设为
其中ql为所有负荷的无功需求，n为微源的总个数，ki为第i个微源的无功分享系数，很容易发现
这说明微源的总无功输出等于所有负荷的无功需求。
假设相对于理想无功输出值，当微源的实际无功输出的偏差值大于微源最大无功容量的c％时，即
说明控制偏差较大，应需采取措施来缩小无功偏差。
c％的大小设定受条件(所有微源的无功输出需在[
即当虚拟电源的输出电压满足式(11)时，说明一次控制的偏差较大，此时需要启动二次控制来消除上述偏差。
进一步的，步骤4中，将一致性算法中的一致性协议下作为二次控制的协调控制方法，当虚拟电源电压满足vvei时，启动二次控制来实现虚拟电源电压的二次调节，一旦稀疏网络通信网络发生故障，一次控制也具备调节的能力，具体如下：
(4.1)确定稀疏通信网络的拓补结构；
将二次控制所需的稀疏通信网络建立为有向图模型gd(vg,eg,ag)，其中vg＝{v1,v2,...,vn}表示n个微源的二级代理的非空集合，
(4.2)确定基于一致性协议的虚拟电源电压二次控制；
基于有向图模型gd(vg,eg,ag)，如果有向图中相邻节点的虚拟电源电压偏差作为每个微源代理的控制输入，则可实现虚拟电源电压的整体一致。在一致性协议下，第i个虚拟电源电压的动态方程为
其中xi＝[vξdivξqi]t表示状态变量，ui表示第i个微源二级代理的控制输入：
其中aij邻接矩阵的元素，c表示正耦合增益，k＞0表示一个常数。
对于包含n个微源的微电网，其整体状态变量可表示为x＝[x1,x2,...,xn]t，二级控制器的输入向量设为u＝[u1,u2,...,un]t，可表示为
u＝ck·lx，(14)
其中l表示有向图的拉普拉斯矩阵。
如果该有向图有生成树，那么可以实现整体的一致性控制，同时要求所对应的拉普拉斯矩阵的所有特征值中除了一个零特征值外都应具有正实部。设λi表示l的一个特征值，则式(14)的动态稳定性等价于式(15)的动态稳定性。
式(15)的稳定需使特征值的实部为负，并满足
第i个虚拟电源的实际输出电压幅值为
因此，在上述条件下，各虚拟电源输出电压整体一致作为控制目标方可实现，同时也能确保精确的无功均分。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、一次控制作为控制目标(虚拟电源电压)的一次调节，提出虚拟电源来代替传统的微源，通过确定虚拟阻抗的大小来实现虚拟电源电压的同步控制。
2、二次控制基于一致性协议来协调实际的虚拟电源电压，由于虚拟电源在微电网中不是真实存在的，其实际输出电压可通过微源的实际电压和虚拟压降合成。
3、提出vvei来协调一次控制和二次控制的工作运行，并根据各微源的无功输出确定vvei的大小，若任意一个虚拟电源的实际电压达到vvei，二次控制将立即启动，否则继续执行一次控制。
4、一次控制和二次控制都具备调节虚拟电源电压的能力，这为虚拟电源电压的同步控制提供了双重保障。
附图说明
图1为微电网的分布式协调控制整体框架图；
图2为基于mas的分层协调控制结构图；
图3为基于mas的微电网分层协调控制结构图；
图4为一次控制的等效电路图；
图5为一次控制与二次控制的控制器设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明所述方法为：建立两层控制体系：一次控制和二次控制。一次控制基于虚拟阻抗和虚拟电源的配合使用，通过选择合适的虚拟阻抗值来改进线路阻抗特性，使微源间的各虚拟电源输出电压大体上相同，一定程度上改善微源无功均分；二次控制基于一致性协议，通过微电网的稀疏通信网络进行微源间各虚拟电源电压信息的交互，最终能协调各虚拟电源电压达到严格一致。微源间的交互作用是基于建立的多代理系统(mas)，底层各微源作为一级代理来执行一次控制，上层协调部分作为二级代理来执行二次控制。通过确定虚拟电源电压评估指标(vvei)来协调一次控制和二次控制间的运行。
具体内容如下：
步骤1，设计基于mas的微电网分层协调控制结构；
根据图1所示的微电网的分布式协调控制整体框架，并结合图2所示的基于mas的分层协调控制结构，最终确定如图3所示的基于mas的微电网分层协调控制结构，以每个微源为单位建立多代理体系，并确定每个代理之间的交互方式，具体如下：
(1.1)首先确定基于mas的微电网分布式协调结构
微电网作为典型的分布式系统，mas可用来增强微源之间或微源与负荷间的协调性。如图2及图3所示，在基于mas的微电网分层协调控制中，分为两级代理，一级分布式代理包括各种类型的微源(如风电、光伏发电、微型燃气轮机和蓄电池等)和负荷单元，每个一级代理都包含反应层和协商层，其中反应层能在紧急情况下快速动作，协商层在优化微源运行性能方面有较好的表现。每个一级代理都用于各微源自身的一次控制，本发明中包括下垂控制器、虚拟控制器和电压/电流控制器，在扰动状态下用于实现底层的虚拟电源电压和微源功率输出的精度控制。
二级协调代理主要用于实现上层协调各微源的二次控制，有较高水平的协商层。如图2所示，二级代理的启动取决于虚拟电源电压评估模块，通过评估实际电压的偏差大小，在决策模块中决定二次控制是否启动。如图1所示，二次控制将通过在稀疏通信网络中交换的每个微源的信息作为自身输入，将其输出作为控制指令，并通过动作模块反馈到一次控制中，最终实现整体的虚拟电源的电压调节。
(1.2)确定各级代理间的交互模式；
一级代理与二级代理间的交互模式为主从模式，同级代理间的交互模式为对等模式。一级代理在主从模式下必须执行二级代理的指令，同级代理在对等模式下平等地交互彼此信息。如图3所示，同一微电网中可包含多个不同类型的微源，每个微源作为一级代理通过线路阻抗连接负荷，所有微源一级代理交互其虚拟电源的电压信息，同时负荷也可作为一级代理，通过稀疏通信网络上传其功率需求信息。每个一级微源代理都有与之对应的二级代理，通过在二级代理对一级代理间交互的虚拟电源电压信息进行处理，最终输出指令作用于对应的一级代理。
步骤2，基于虚拟阻抗和虚拟电源设计一次控制；
如图4所示，低压微电网的线路阻抗主要呈阻性，在一次控制采用虚拟阻抗和虚拟电源，通过虚拟阻抗来改善线路阻抗特性，使虚拟电源的输出电压大体上一致，进而一定程度上改善微源间的无功均分，本发明将一次控制作为虚拟电源电压的一次调节，具体如下：
(2.1)确定虚拟电源的下垂特性参数及控制公式
如图4所示，由于虚拟电源在实际微电网中是不存在的，所以计算其功率输出有一定难度，而其输出电压可以通过微源的输出电压和虚拟阻抗的压降计算得到，根据图4所示的戴维宁等效电路可根据微源的功率输出来控制虚拟电源的输出电压及频率，为消线路电阻的影响，取虚拟电阻的值为rξ＝-rl(rl为线路电阻)，虚拟电源的下垂公式如下
其中mξ,nξ分别为有功，无功下垂系数：
其中，p*/q*为微源的有功/无功基准值，pmax/qmax为微源的最大有功/无功容量，
(2.2)确定决定虚拟电源输出电压的虚拟阻抗值；
一般所有的虚拟电源都具有相同的运行频率，以满足全网的频率一致，所以有功均分精度较高，而虚拟电源的电压决定着无功均分的精度。根据图4(b)可得虚拟电源电压的基准值及其最小可运行电压计算如下：
其中e*为微源的电压基准值，xξ为虚拟感抗值，xl为线路感抗，
微电网中不匹配的线路阻抗会导致微源的输出电压偏差，进而导致无功均分偏差。在虚拟负电阻抵消线路电阻的情况下(rξ＝-rl)，线路阻抗由线路感抗和虚拟感抗构成，因此虚拟感抗的取值决定着虚拟电源的电压是否一致，为使任意两个虚拟电源的电压一致(如第m个与第n个)，根据式(2)，(4)，(5)，(6)可得虚拟感抗取值应为：
(xlm+xξm)/(xln+xξn)＝nξm/nξn，(7)
根据式(7)获取虚拟感抗值，能使虚拟电源电压大致上相同，能一定程度上改善无功均分(qm/qn≈nξn/nξm)，虚拟阻抗的具体实现见图5中的虚拟控制器。
步骤3，设计vvei；
通过评估在一次控制合成的虚拟电源电压，结合微源的实际无功输出及理想值，进而确定vvei，如图5所示，在切换控制器中以vvei为依据来决定二次控制启动与否，具体如下：
(3.1)结合虚拟电源电压和微源的无功输出确定vvei；
每个微源的实际的无功输出(设为qi)可在其下垂控制器计算得到，其理论值设为
其中ql为所有负荷的无功需求，n为微源总的个数，ki为第i个微源的无功分享系数，很容易发现
这说明微源的总无功输出等于所有负荷的无功需求。
假设相对于理想无功输出值，当微源的实际无功输出的偏差值大于微源最大无功容量的c％时，即
说明控制偏差较大，应需采取措施来缩小无功偏差。
c％的大小设定受条件(所有微源的无功输出需在[
即当虚拟电源的输出电压满足式(11)时，说明一次控制的偏差较大，此时需要启动二次控制来消除上述偏差。
步骤4，基于一致性控制算法设计二次控制；
如图5中的二次控制器所示，将一致性算法中的一致性协议下作为二次控制的协调控制方法，当虚拟电源电压满足vvei时，启动二次控制来实现虚拟电源电压的二次调节，一旦稀疏网络通信网络发生故障，一次控制也具备调节的能力，具体如下：
(4.1)确定稀疏通信网络的拓补结构；
将图5中的稀疏通信网络建立为有向图模型gd(vg,eg,ag)，其中vg＝{v1,v2,...,vn}表示n个微源的二级代理的非空集合，
(4.2)确定基于一致性协议的虚拟电源电压二次控制；
基于有向图模型gd(vg,eg,ag)，如果有向图中相邻节点的虚拟电源电压偏差作为每个微源代理的控制输入，则可实现虚拟电源电压的整体一致。在一致性协议下，第i个虚拟电源电压的动态方程为
其中xi＝[vξdivξqi]t表示状态变量，ui表示第i个微源二级代理的控制输入：
其中aij邻接矩阵的元素，c表示正耦合增益，k＞0表示一个常数。
对于包含n个微源的微电网，其整体状态变量可表示为x＝[x1,x2,...,xn]t，二级控制器的输入向量设为u＝[u1,u2,...,un]t，可表示为
u＝ck·lx，(14)
其中l表示有向图的拉普拉斯矩阵，将上述3式作为二次控制的控制方程，如图5中二次控制器所示。
如果该有向图有生成树，那么可以实现整体一致性控制，同时要求所对应的拉普拉斯矩阵的所有特征值中除了一个零特征值外都应具有正实部。设λi表示l的一个特征值，则式(14)的动态稳定性等价于式(15)的动态稳定性。
式(15)的稳定需使特征值的实部为负，并满足
第i个虚拟电源的实际输出电压幅值为
因此，在上述条件下，各虚拟电源输出电压整体一致作为控制目标方可实现，同时也能确保精确的无功均分。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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