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襄董
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1 基于 Multi 鄄 agent 的微电网运行与控制的研究摇刘增环, 等基于 Multi 鄄 agent 的微电网运行与控制的研究 Research on the Micro 鄄 grid Operation and Control Based on Multi 鄄 agent 刘增环摇李摇洁 ( 河北工程大学信息与电气工程学院, 河北邯郸摇 05608) 摘摇要 : 为了提高微电网并网和孤岛两种模式切换的平滑性, 增加其运行的可靠性, 对基于 Multi 鄄 agent 系统理论的微电网控制模型进行了深入的研究, 提出了新的控制模型该模型增加了孤岛检测 agent, 根据电压和频率的变化及时判断孤岛的出现, 使各微源可以迅速选择各自的控制方式, 在实现微电网局部自治和保证微电网运行的安全性和可靠性的基础上, 提高了微电网控制系统的快速反应能力试验仿真结果证明了新模型的可行性和有效性关键词 : 微电网控制模型摇多智能体系统摇孤岛检测摇恒功率控制摇恒频恒压控制摇超级电容中图分类号 : TM74 摇摇摇摇文献标志码 : A 摇摇摇摇 DOI: / j. cnki. issn Abstract: In order to improve the smoothness of the micro 鄄 grid during switching between grid 鄄 connected mode and island mode, and enhance the reliability of the operation, the micro 鄄 grid control model based on theory of multi 鄄 agent system is researched in 鄄 depth, and the new model is proposed. The island detection agent is added in new model, the appearance of the island can be judged timely in accordance with the variation of voltage and frequency and each micro source can quickly select their control mode. On the basis of implementing micro 鄄 grid local autonomy, and ensuring security and reliability of micro 鄄 grid operation, the high speed response capability of the micro 鄄 grid control system is increased. The results of experiment and simulation verify the feasibility and effectiveness of the new model. Keywords: Micro 鄄 grid control model 摇 Multi 鄄 agent system 摇 Island detection 摇 PQ control 摇 V / F control 摇 Super 鄄 capacitor 0 摇引言为了解决全球面临的能源短缺危机和缓解环保压力等问题, 微电网作为一种新的供电模式应运而生微电网系统是一种新型的电网结构, 它既可以与外部电网并网运行, 也可以脱离外部电网孤立运行 [1-] 目前对微电网控制策略和方式的研究有很多文献 [] ~ [5] 采用了类似大电网的传统控制方法, 其控制系统的反应能力有限文献 [6] ~ [7] 将 agent 技术应用到了微电网的控制中, 建立了基于 Multi 鄄 agent 系统的微电网控制模型, 增加了系统的快速反应能力, 有效改善了微电网对电网调度稳定运行和可靠性影响的问题本文对基于 Multi 鄄 agent 系统理论的微电网控制系统模型进行了进一步的分析研究, 提出了新的模型结构仿真试验表明, 该模型可以及时检测系统孤岛的出现, 并可以平滑地进行微电网从并网到孤岛状态的转换, 使微电网控制模型更加完善和高效修改稿收到日期 : 第一作者刘增环 (196-), 男,005 年毕业于燕山大学测试计量技术及仪器专业, 获硕士学位, 教授 ; 主要从事电气自动化检测与控制的研究自动化仪表第 6 卷第 4 期摇 015 年 4 月 1 摇新型微电网控制模型 Multi 鄄 agent 系统理论是实现复杂软件系统和控制系统的新途径, 具有协调和综合处理复杂问题的能力它是由多个 agent 组成的复杂系统, 其中每个 agent 都具有自治性交互性协作性和学习能力等特性将 agent 技术应用到微电网控制系统中, 使其在局部范围内实现自治, 并且只需上报监控数据, 增加了控制系统的快速反应能力 [8] 基于 Multi 鄄 agent 系统中的分层控制理论, 将微电网内部分成不同的控制点并设置相应的 agent 控制, 将控制中心 agent 设置为顶层 agent, 其他为底层 agent 分层后的微电网系统将集中控制和分散控制相结合, 更容易实现系统的控制在外部大电网出现故障或受到干扰的情况下, 微电网需要及时与大电网断开, 转为独立运行模式, 保证电网系统的安全加入孤岛检测单元可以增加微电网系统运行模式转换的快速性, 并有效改善供电的灵活性 1. 1 摇微电网控制结构基于 Multi 鄄 agent 的微电网分层控制结构框图如图 1 所示微电网控制系统结构的底层主要有 : 微源 (DG)agent 负荷 agent 储能 agent 孤岛检测 agent 等 1

2 当微电网所接负荷发生变化时,负荷 agent 检测到功率变化并向控制中心 agent 发送自己的身份编号控制中心 agent 接收到负荷 agent 的身份编号,先进行身份识别认证,然后通过监测和分析模块,最终由决策模块生成 P ref Q ref 将其值与微源的身份编号发送给图 1摇基于 Multi鄄agent 的微电网控制结构 Fig. 1摇 Micro鄄grid control structure based on Multi鄄agent 其中,DG agent 包含微源发电组件的实时检测模块控制模块和逆变器控制模块,其目的是根据实时检测的微电网系统的运行状态信号和微电网控制中心的指令完成电压和频率的调节负荷 agent 单元完成微电网系统当前负荷的功率检测储能 ( super鄄 capacitor,sc) agent 单元负责储能单元充放电的控制孤岛 agent 单元判断孤岛的发生并及时将信号上报微电网控制中心 agent 作为微电网控制系统结构各微源 agent 各微源 agent 将控制中心发送的身份编号与自己的身份编号进行比对,相同则执行 PQ 控制, 实现恒功率控制当孤岛 agent 检测模块检测出现孤岛时,立即向控制中心 agent 发送孤岛信号和自己的身份编号控制中心 agent 通过接收到的身份编号进行身份识别,确定出现孤岛由决策模块选择具有 V / f 控制的微源,再通过任务模块将该微源 agent 的身份编号发出各微源 agent 接收到控制 agent 中心内的信号后与自己的身份编号进行比对,相同则执行切换,切换为 V / f 控制方式,不同则不改变控制方式的顶层,负责接收底层 agent 发送和上报的信息,然后摇新型模型中各模块设计制中心 agent 和各个 agent 共同协作,完成微电网系统. 1摇孤岛检测 agent 设计 1. 微电网控制模型模型如图所示对信息进行辨识并将任务信息下发给底层 agent 控的控制 [6] Multi鄄agent 系统是由多个简单的 agent 组成的复孤岛检测 agent 中主要是孤岛检测模块的设计,其杂系统,主要注重各个 agent 合作交流共同协调解决问题的能力根据图 1 的微网分层控制结构建立对应的控制模型,如图所示 [6] 图摇孤岛检测 agent 模块模型 Fig. 摇 The model of the island detection agent module 图中,P L 和 QL 为负荷所需求的有功无功功率;P 和 Q 为 DG 经逆变器后向负载提供的有功功率无功功率;驻P 驻Q 为 DG 提供的功率与负载需求不匹配的有功功率无功功率;UPCC 为 PCC 处的相电压;棕为公共连接点(PCC)处的角频率设 U0 为孤岛后 PCC 处相电压, 棕0 为孤岛后 PCC 处角频率根据微电网在并网运行时 PCC 处能量守恒和出现孤岛的条件可得到[9] : 驻U PCC = U0 -U PCC = 图摇各 agent 内部模块 Fig. 摇 The internal module of each agent 图中,ID 为身份标志,用于对不同 agent 身份的识别;Policy 为微源控制方式标志,包括 PQ( 恒功率控 UPCC +驻PR / -U PCC [ ( 棕+驻棕) L ] -1 -( 棕+驻棕) C = { 驻Q+UPCC [ ( 棕L) -1 -棕C ] } (UPCC +驻PR) (1) () 出现孤岛后,由式(1) 和式() 可以看出:PCC 处制) 和 V / f( 恒频恒压控制) ;P ref Q ref 分别为 PQ 控制时的电压变化与有功功率的变化驻P 相关;频率的变化功率和无功功率压和频率的变化也会越大这样就可以根据测量的电有功设定值和无功设定值;P L Q L 为负荷 agent 的有功 14 与有功和无功的变化相关;且当变化越大时,相应的电 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol郾 6 No郾 4 April 015

3 压或频率的变化来检测孤岛的发生然而当电压和频率变化较小时,应根据频率变化驻f 与负荷电压变化驻U L 之比即驻f / 驻U L 来判断孤岛的发生因此,可以根据设定的 P ref Q ref 算出参考电流 i dref i qref 的值,即: i dref = 稳定状态时,PCC 处的频率和电压值基本保持恒定用 DG 的频率与稳定时的频率之差的绝对值 f-f 0 来判定系统是否出现扰动若 f-f 0 臆姿,则认为系统稳定,此时驻f / 驻UL = 0;若 f-f 0 } > 姿,则认为系统出现了扰动(姿 = 0. 5) 设一个孤岛检测阈值 T ( 在这里 T 取. 5 [10] ),将驻f / 驻UL 和 T 进行比较来判断扰动类型若驻f / 驻UL >T,则系统出现了孤岛;若驻f / 驻UL <T,则系统出现了其他扰动. 摇微源 agent 设计微源 agent 设计中主要是 PQ 控制方式和 V / f 控制方式模块的设计 i qref = P /U ref d Q /U ref d (7) (8) 由式(7) 和式(8) 可知,对参考功率的跟踪问题可以转化为对参考电流的跟踪,这样就实现了有功功率和无功功率的解耦 [11] 具体控制过程是:由 P ref 和 Q ref 计算得到 dq 轴参考电流 i dref 和 i qref,再使其与实际测量信号 i d 和 i q 的差值通过 PI 控制器调节,同时考虑线路电感的耦合作用,最终得到 dq 轴参考电压信号 U dref 和 U qref 将得到的电压信号通过 Park 反变换转换为用于驱动 SPWM 控制的三相 abc 控制信号分量,实现对逆变器的控制.. 1摇 PQ 控制模块.. 摇 V / f 控制模块控制目的是使微源输出的有功功率无功功率实时跟控制来提供强有力的电压和频率支撑,最终实现恒频 / 微电网在并网运行时,微源通常采用 PQ 控制,其踪其设定的参考信号此时由大电网提供电压和频率的支撑 PQ 控制原理图如图 4 所示图 5摇 V / f 控制结构框图 Fig. 5摇 Block diagram of V / f control structure Fig. 4摇 Schematic diagram of PQ control 图 4 中,U abc 为输出电压,i abc 为馈线电流;U d U q 和 i d i q 为经 Park 变换后的旋转坐标轴下的电压和电流值;棕为大电网频率;P ref Q ref 和 i dref i qref 为功率和电流设定值逆变器输出的有功功率和无功功率在 dq0 坐标下表达式为: Q= ( U d i d -U q i q ) () (4) 在旋转坐标轴下,一般选取参考轴 U q = 0,则有: P= Q= U i d d U i d d 自动化仪表第 6 卷第 4 期摇 015 年 4 月恒压控制,并满足负荷功率的跟随特性 V / f 控制原理如图 5 所示图 4摇 PQ 控制原理图 P = ( U d i d +U q i q ) 微电网在孤岛运行状态下,需要有微源采用 V / f (5) (6) 图 5 中,U abc 为输出电压,i abc 为馈线电流;U d U q 和 i dref i qref 为经 Park 变换后的旋转坐标轴下的电压和电流值逆变器的 V / f 控制采用电压外环电流内环的双环控制 [1] 电压外环控制通过 PI 控制器实现,将参考电压 U dref U qref 和电压 U d U q 作为系统输入,保证负载电压的稳定电流内环采用比例控制器 P 控制,其输入为电压外环的输出,输出数据通过 dq 逆变换和 SPWM 发生器最终得到逆变器控制信号对 V / f 双环控制进行分析验证,可以得出:电压外环超调量较小,调整时间短,确保了输出电压的稳定; 电流内环控制对电流的跟踪可达到无静差,具有良好的动态性能. 摇 SC agent 模块超级电容因其充放电迅速使用寿命长运行安全内部状态可测等优点被广泛用作微电网系统中的储能 15

4 单元,辅助微源实现系统功率平衡和电压的稳定[7] 前由超级电容 SC 放电来维持系统功率的平衡当 t 处电当微电网并网运行时,由大电网来调节功率的平 DG 输出功率降低当 t 为 s 时,系统重新并网,DG1 SC agent 模块的主要作用是控制储能单元的充放衡,此时储能处于充电状态;出现孤岛后,切换到放电于 1. 5 ~. 5 s,切除了负荷,dg1 保持原来的输出不变, 恢复原来的输出有功功率,SC 进入充电状态状态,弥补功率缺额,维持微电网系统的功率平衡. 4摇微电网控制中心 agent 微电网控制中心 agent 是微电网控制的核心,主要任务是接收底层各个 agent 的信号,然后进行分析决策,最终生成任务将信号发出[8] 文中搭建的 Multi鄄agent 系统中的 DG agent 负荷 agent 和 SC agent,在运行期间反馈各自的运行状态,并能够向控制中心 agent 提供修改和删除的信息同时,微电网控制中心 agent 可以根据系统中各单元的运行状态来控制各微源的控制方式和超级电容的充放电,最终保证微电网系统的稳定运行摇参数设置与仿真分析为了验证微电网控制新模型的可行性和有效性, 根据微电网系统结构,在 Matlab 中进行微电网系统建模仿真微电网系统结构如图 6 所示图 6摇微网系统结构 Fig. 6摇 Architecture of micro鄄grid system 系统中有两个微源单元,即太阳能光伏组件 DG1 图 7摇输出功率变化曲线 Fig. 7摇 Variation curves of output power 和微型燃气轮机 DG,还有一个储能单元 SC [9] 具体参数设置如表 1 所示表 1摇参数的设置 Tab. 1摇 Parameters settings 摇模块名称各模块试验主要参数设置摇 DG1 摇摇 P ref = 0 kw Q ref = 15 kv 摇 V/ f 摇摇 U dref = 80 V U qref = 0 摇 DG 摇负荷摇孤岛检测图 8摇母线电压变化曲线摇摇 P ref = 40 kw Q ref = 5 kv Fig. 8摇 Various curve of bus voltage 摇摇 P1 = 0 kw P = 5 kw P = 15 kw 摇摇 T =. 5 [10] 各微源和储能单元的输出功率变化系统母线电压和频率变化的仿真结果图分别如图 7 ~ 图 9 所示如图 7 所示,在 1 s 时刻检测到孤岛信号, 经过 s微电网控制中心 agent 发出孤岛运行模式信号 DG1 保持孤岛前的功率输出基本不变,DG 则改变原来的 PQ 控制方式为 V / f 方式,并且振荡较小,在达到稳定 16 图 9摇频率变化曲线 Fig. 9摇 Variation curve of frequency PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol郾 6 No郾 4 April 015

5 基于 Multi 鄄 agent 的微电网运行与控制的研究摇刘增环, 等如图 8 和图 9 所示, 整个过程中电压范围为 5 ~ 0 V, 频率基本保持 50 Hz 不变可以看出, 母线电压和频率的波动都在允许范围内, 且在各个状态运行期间, 母线电压和功率都基本保持稳定从结果图 ( 图 7 ~ 图 9) 可以看出, 加入孤岛检测模块的新型微电网控制模型, 保证了微电网系统在不同模式下的平滑切换, 增加了微电网系统控制的快速反应能力, 有效改善了系统运行的可靠性和稳定性 4 摇结束语对基于 Multi 鄄 agent 系统的微电网控制模型进一步分析研究, 并进行改进补充, 增加了孤岛检测 agent 详细设计了微电网模型中各个主要 agent 模块, 并根据该模型构建了具体的算例进行建模仿真分析, 验证了该新模型的可行性和有效性, 为实际的复杂微电网系统控制的研究提供了依据此外, 对 Multi 鄄 agent 各 agent 之间的协作机制还有待于进一步研究参考文献 [1] 肖宏飞, 刘士容, 郑凌蔚, 等. 微型电网技术研究初探 [ J]. 电力系统保护与控制,009,7(8): [] 张项安, 张新昌, 唐云龙, 等. 微电网孤岛运行的自适应主从控制技术研究 [J]. 电力系统保护与控制,014,4(): [] 杨琦, 马世英, 李胜, 等. 微型电网运行及控制设计 [ J]. 电工技术学报,011,6(S1):67-7. [4] 黄杏, 金新民. 微网用分布式电源变流器下垂特性控制策略 [J]. 电工技术学报,01,7(8): [5] 李海平, 唐巍. 风 / 光 / 储混合微电网的详细建模与仿真 [ J]. 电力系统保护与控制,01,40(18): [6] 王文俊, 黄伟, 孙云玲, 等. 基于 Multi 鄄 agent 的微网控制模型研究 [J]. 现代电力,01,9(5):6-11. [7] 李桃, 郝雨辰. 基于多代理系统的微网孤岛状态下燃料电池的建模与控制 [C] 椅华东六省市电机工程 ( 电力 ) 学会, 第十九届输配电研讨会论文集,011:6. [8] 王汝传, 徐小龙, 黄海平. 智能 Agent 及其在信息网络中的应用 [M]. 北京 : 北京邮电大学出版社,005. [9] 谷月. 基于 Agent 技术的微网控制系统研究 [ D]. 天津 : 天津理工大学,01. [10] 张兴, 曹仁贤. 太阳能光伏并网发电及其逆变器控制 [ M]. 北京 : 机械工业出版社,010. [11] 韩培洁, 张惠娟, 李贺宝, 等. 微电网控制策略分析研究 [ J]. 电网与清洁能源,01,8(10):5-0. [1] 冒波波. 微电网运行与控制的建模与仿真 [ D]. 成都 : 西南交通大学,01. ( 上接第 1 页 ) 由上图可以看出, 两次寻优的超调量分别为 5. 6% 和 6. 6% 同 100% 工况下一样,75% 工况也达到了稳态无静差的要求因此, 本软件也适用于 600 MW 超临界机组的其他负荷工况, 结果比较令人满意由此可知, 本软件在调节 PID 参数领域具有一定的适应性如此看来, 使用该参数寻优程序对超临界机组主汽温调节器参数的寻优, 相比于传统 PID 寻优方法, 整个过程效率和精确度提高了而且在点击开始仿真爷按钮后, 用户无需任何其他操作, 不仅快捷和方便, 且能得到使系统快速稳定运行的最优参数, 为系统发挥其最佳性能提供支持 4 摇结束语采用改进型单纯形法和 Matlab 相结合的寻优方法, 确定了一个实际系统的最优参数本文给出了 600 MW 超临界机组在 100% 工况下的目标函数根据文中所述方法, 进行了针对主汽温调节器参数调节过程的仿真试验, 并讨论其中的方法和步骤随后在 600 MW 超临界机组其他工况下也进行了试验, 适应性良好将基于 Matlab 的参数寻优方法运用到热工的串级过热气温控制系统中, 同样能够得到使系统满足设计要求的运行参数本文介绍了一种基于 Matlab 的过热汽温调节器参数寻优方法这种方法原理简单, 改变了传统方法依靠大量的经验和人工计算为主的做法, 简化了仿真过程, 令最终结果更加准确参考文献 [1] 王振兴.600 WM 超临界锅炉汽温特性分析 [J]. 科技视界,01(11): [] 段力学. PID 参数整定方法分类与概述 [ J]. 现代计算机 ( 专业版 ),01(7):-6. [] 刘晓谦, 王勇, 穆顺勇. 基于单纯形法的 PID 控制器参数优化设计 [J]. 计算机仿真,004,1(11): [4] 边立秀. 热工自动控制系统 [M]. 北京 : 中国电力出社,001. [5] 王文兰, 苏晨. 控制系统参数寻优软件在电厂热工控制教学中的应用 [C] 椅 01 年全国自动化教育学术年会论文集,01. [6] 蒋珉. 控制系统计算机仿真 [M]. 北京 : 电子工业出社,006. [7] 赵永艳, 王文兰. MATLAB 在电力系统自动控制领域中的应用 [J]. 重庆科技学院学报 : 自然科学版,009,11(5): [8] 宋晓燕, 马德库, 冬健峰. 锅炉过热蒸汽温度的自动调节 [ J]. 自动化技术与应用,000,19():4-6. [9] 王亚顺, 欧丽君. 超临界直流锅炉对象特性及控制策略的研究 [J]. 水利电力机械,007,9(1):40-4. 自动化仪表第 6 卷第 4 期摇 015 年 4 月 17

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