一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法.pdf

1、10申请公布号CN104218681A43申请公布日20141217CN104218681A21申请号201410508535X22申请日20140928H02J13/0020060171申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号72发明人柳伟薛帅顾伟陈明74专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所普通合伙32249代理人杨晓玲54发明名称一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法57摘要本发明公开了一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，包括步骤10）获取微电网的总功率缺额当孤岛模式的微电网发生功率缺失故障时，多代理系统监测到整个微电网的功率扰动，得到微电网的总功率缺额；步

2、骤20）实现总功率缺额的共享；步骤30）测算本地切负荷的成本和边际成本；步骤40）测算每个负荷的减载量采用平均一致算法进行切负荷的分散式成本优化，得到每个负荷的减载量；步骤50）进行切负荷操作，实现孤岛微电网的分散式最优减载，使微电网频率恢复到额定值。该控制方法是一种完全的分散式控制方法，实现全局信息的分散式共享，并考虑成本和边际成本，进行精确切负荷量的减载，进行精确的切负荷成本优化。51INTCL权利要求书2页说明书7页附图5页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图5页10申请公布号CN104218681ACN104218681A1/2页21一种用于降低

3、孤岛微电网切负荷成本的控制方法，其特征在于，该控制方法包括下述步骤步骤10获取微电网的总功率缺额微电网采用多代理系统，多代理系统包括两层第一层为用于实现分散式的全局信息的采集与共享的信息共享层；第二层为用于实现分布式发电单元和负荷的控制的本地控制层；多代理系统中共有N个代理；各代理通过第一层获取全局信息，通过第二层直接实现分布式发电单元和负荷的控制；当孤岛模式的微电网发生功率缺失故障时，多代理系统监测到整个微电网的功率扰动，得到微电网的总功率缺额；步骤20实现总功率缺额的共享在第一层中，基于平均一致算法进行分散式全局信息分享，实现总功率缺额在多代理系统中的共享；步骤30测算本地切负荷的成本和边

4、际成本在第二层中，每个代理依据式5测算出本地切负荷的成本，同时，依据式6测算出本地切负荷的边际成本CII,PLSIK1PLSI2K2PLSIK2PLSII式5CMCII,PLSI2K1PLSIK2K2I式6式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本函数；K1是函数中二次项系数；K2是函数中一次项系数；PLSI表示第I个代理的切负荷量，I表示切负荷意愿的变量；步骤40测算每个负荷的减载量采用平均一致算法进行切负荷的分散式成本优化，得到每个负荷的减载量；步骤50进行切负荷操作根据步骤40得到的每个负荷的减载量，进行切负荷操作，实现孤岛微电网的分散式最优减载，使

5、微电网频率恢复到额定值。2按照权利要求1所述的用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，其特征在于，所述的步骤20包括以下过程利用式1迭代计算出每个代理的功率缺额，直至所有代理的功率缺额相等时，完成总功率缺额在多代理系统中的共享其中，WIJ满足式2和式3式3权利要求书CN104218681A2/2页3式4式中，表示代理I在K1次迭代时共享的信息，表示代理I在K次迭代时共享的信息，为代理J在K次迭代时共享的信息，PI表示多代理系统中的代理I的状态变量；I1、2、N,J1、2、N,K为离散时间指数；PK1表示K1次迭代时的信息共享矩阵，PK为K次迭代时的信息共享矩阵，W为校正矩阵，如式4所示；WIJ

6、是W矩阵的第I，J个元素，当代理I和J有通信线路连接时，WIJ不等于0，否则WIJ0；NI为代理I相邻的代理的合集，NI为与代理I相邻的代理数目；NJ为与代理J相邻的代理数目；是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，01；T表示时间；W1J表示W矩阵的第1，J个元素，W1I表示W矩阵的第1，I个元素，W1N表示W矩阵的第1，N个元素，WI1表示W矩阵的第I，1个元素，WIN表示W矩阵的第I，N个元素，WN1表示W矩阵的第N，1个元素，WNI表示W矩阵的第N，I个元素，WNJ表示W矩阵的第N，J个元素。3按照权利要求1所述的用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，其特征在于，当微电网的拓扑结构发生

7、变化时，利用式2和式3对WIJ进行更新。4按照权利要求1所述的用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，其特征在于，所述的步骤40中，切负荷的分散式成本优化目标为式7所示，平均一致算法中的约束条件如式8所示，平均一致算法中的迭代计算如式9所示，式7式8式9式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CTOT表示微电网切负荷的总成本，I表示切负荷意愿的变量，PLSI表示第I个代理的切负荷量，PLS是微电网的切除的负荷总量，PG表示微电网的总发电量，PL表示微电网的总负荷量，PLI,MAX表示微电网中负荷的最大切除量；CMCIK1为代理I在第K1次迭代时，切负荷的边际成本；CMCIK为代理I在第K次迭

8、代时，切负荷的边际成本；W为校正矩阵；CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本；CMC,C为边际成本的平均值；当所有负荷的边际成本渐近收敛于一个共同的值CMC,IACA时，CMC1CMC2CMCICMC,IACA，得到每个负荷的减载量。权利要求书CN104218681A1/7页4一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法技术领域0001本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法。背景技术0002随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量

9、传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。0003微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。0004未来的电力系统中将会有更多的包括并网模式和孤岛模式的微电网。由于分布式可再生发电单

10、元的随机性和不确定性以及微电网的低惯量，孤岛模式的微电网更可能发生扰动。因此，发电和负荷的突变对孤岛模式的微电网的频率稳定提出了挑战。目前，有许多研究关注自适应的智能的减载策略，以避免由切负荷不当引起的系统不稳定。基于多代理的切负荷方法被引进以获得自适应的减载，其控制方式包括集中式和分散式协同控制。然而，集中式控制需要一个中央控制器，需要处理大量的数据，容易发生故障。而且，考虑到间歇性的可再生能源的不确定性，发电的波动可能导致意外的结构变化，这就进一步加大了集中控制的负担。此外，主从式分散式控制方法，由于使用了领导者或者虚拟领导者来采集处理信息，类似的故障或攻击可能发生在领导者上，对系统性能和

11、可靠性造成了影响。由于分布式可再生发电单元的随机性和不确定性以及微电网的低惯量，孤岛模式的微电网更可能发生扰动。因此，发电和负荷的突变对孤岛模式的微电网的频率稳定提出了挑战。0005一种完全的分散式控制方法应包含以下优点，抗不确定干扰和获得完整的分散式数据更新的能力，可以实现高效的信息共享，最终实现更快的决策和操作。发明内容0006技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，该控制方法是一种完全的的分散式控制方法，实现全局信息的分散式共享，并考虑成本和边际成本，进行精确切负荷量的减载，能够满足分布式单元即插即用操作的需求。0007技术方案为解决上述技术问题

12、，本发明采取的用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，该方法包括下述步骤说明书CN104218681A2/7页50008一种用于降低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，该控制方法包括下述步骤0009步骤10获取微电网的总功率缺额微电网采用多代理系统，多代理系统包括两层第一层为用于实现分散式的全局信息的采集与共享的信息共享层；第二层为用于实现分布式发电单元和负荷的控制的本地控制层；多代理系统中共有N个代理；各代理通过第一层获取全局信息，通过第二层直接实现分布式发电单元和负荷的控制；当孤岛模式的微电网发生功率缺失故障时，多代理系统监测到整个微电网的功率扰动，得到微电网的总功率缺额；0010步骤20实现

13、总功率缺额的共享在第一层中，基于平均一致算法进行分散式全局信息分享，实现总功率缺额在多代理系统中的共享；0011步骤30测算本地切负荷的成本和边际成本在第二层中，每个代理依据式5测算出本地切负荷的成本，同时，依据式6测算出本地切负荷的边际成本0012CII,PLSIK1PLSI2K2PLSIK2PLSII式50013CMCII,PLSI2K1PLSIK2K2I式60014式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本函数；K1是函数中二次项系数；K2是函数中一次项系数；PLSI表示第I个代理的切负荷量，I表示切负荷意愿的变量；0015步骤40测算每个负荷的减载

14、量采用平均一致算法进行切负荷的分散式成本优化，得到每个负荷的减载量；0016步骤50进行切负荷操作根据步骤40得到的每个负荷的减载量，进行切负荷操作，实现孤岛微电网的分散式最优减载，使微电网频率恢复到额定值。0017进一步，所述的步骤20包括以下过程利用式1迭代计算出每个代理的功率缺额，直至所有代理的功率缺额相等时，完成总功率缺额在多代理系统中的共享0018式10019其中，WIJ满足式2和式30020式20021式3说明书CN104218681A3/7页60022式40023式中，PIK1表示代理I在K1次迭代时共享的信息，PIK表示代理I在K次迭代时共享的信息，PJK为代理J在K次迭代时共

15、享的信息，PI表示多代理系统中的代理I的状态变量；I1、2、N,J1、2、N,K为离散时间指数；PK1表示K1次迭代时的信息共享矩阵，PK为K次迭代时的信息共享矩阵，W为校正矩阵，如式4所示；WIJ是W矩阵的第I，J个元素，当代理I和J有通信线路连接时，WIJ不等于0，否则WIJ0；NI为代理I相邻的代理的合集，NI为与代理I相邻的代理数目；NJ为与代理J相邻的代理数目；是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，01；T表示时间；W1J表示W矩阵的第1，J个元素，W1I表示W矩阵的第1，I个元素，W1N表示W矩阵的第1，N个元素，WI1表示W矩阵的第I，1个元素，WIN表示W矩阵的第I，N个元素，

16、WN1表示W矩阵的第N，1个元素，WNI表示W矩阵的第N，I个元素，WNJ表示W矩阵的第N，J个元素。0024进一步，当微电网的拓扑结构发生变化时，利用式2和式3对WIJ进行更新。0025进一步，所述的步骤40中，切负荷的分散式成本优化目标为式7所示，平均一致算法中的约束条件如式8所示，平均一致算法中的迭代计算如式9所示，0026式70027式80028式90029式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CTOT表示微电网切负荷的总成本，I表示切负荷意愿的变量，PLSI表示第I个代理的切负荷量，PLS是微电网的切除的负荷总量，PG表示微电网的总发电量，PL表示微电网的总负荷量，PLI,MAX

17、表示微电网中负荷的最大切除量；CMCIK1为代理I在第K1次迭代时，切负荷的边际成本；CMCIK为代理I在第K次迭代时，切负荷的边际成本；W为校正矩阵；CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本；CMC,C为边际成本的平均值；当所有负荷的边际成本渐近收敛于一个共同的值CMC,IACA时，CMC1CMC2CMCICMC,IACA，得到每个负荷的减载量。0030有益效果与现有技术相比，本发明具有以下有益效果本发明的控制方法是一种完全的分散式控制方法。本发明基于多代理系统的双层平均一致算法，能够实现孤岛微电网分散式成本最优的切负荷，可以实现高效的分散式全局信息共享，并考虑成本和边际说明书CN104218

18、681A4/7页7成本，进行精确切负荷的成本优化，具有良好的自适应性，可以满足分布式单元即插即用的需求。本发明的孤岛微电网分散式成本优化的切负荷控制方法，通过本地代理监测微电网的功率扰动，在孤岛模式的微电网出现功率短缺时，监测到系统的总功率缺额，从具有通信约束的多代理系统中获取全局信息。在第一层中，使用基于平均一致算法进行分散式信息共享，当结果达到平均一致时，完成全局信息在多代理系统之间的共享。该算法能够进行自适应权重更新，能够适应通信拓扑的变化，实现全局信息的快速高效共享。在第二层中，每个代理根据成本和边际成本函数测算相应的本地切负荷的成本和边际成本。使用平均一致算法的同步处理进行切负荷的分

19、散式成本优化，当所有负荷代理的边际成本收敛于一个相同的值时，得到最优的切负荷结果。根据得到的最优结果进行切负荷操作，从而实现微电网的分散式最优减载。附图说明0031图1是本发明的流程框图。0032图2是本发明实施例中微电网仿真系统的结构示意图。0033图3是本发明实施例中孤岛微电网发生过载事故中，收敛因子为07时的全局信息共享线条图。0034图4是本发明实施例中孤岛微电网发生过载事故中，收敛因子为08时的全局信息共享线条图。0035图5是本发明实施例中孤岛微电网发生过载事故中，收敛因子为09时的全局信息共享线条图。0036图6是本发明实施例中孤岛微电网发生过载事故中，收敛因子为099时的全局信

20、息共享线条图。0037图7是本发明实施例孤岛微电网发生过载事故中，分散式成本优化的线条图。0038图8是图7中D部的放大图。0039图9是本发明实施例中孤岛微电网发生过载事故中，各分布式发电单元和主电网输出的有功功率曲线图。0040图10是本发明实施例孤岛微电网发生过载事故中，微电网的频率曲线图。0041图11是本发明实施例孤岛微电网发生过载事故中，微电网的电压曲线图。具体实施方式0042为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。0043如图1所示，本发明的一种用于降

21、低孤岛微电网切负荷成本的控制方法，包括下述步骤0044步骤10微电网采用多代理系统，多代理系统包括两层第一层为用于实现分散式的全局信息的采集与共享的信息共享层；第二层为用于实现分布式发电单元和负荷的控制的本地控制层；多代理系统中共有N个代理；各代理通过第一层获取全局信息，通过第二层直接实现分布式发电单元和负荷的控制；当孤岛模式的微电网发生功率缺失故障时，多说明书CN104218681A5/7页8代理系统监测到整个微电网的功率扰动，得到微电网的总功率缺额。0045步骤20在第一层中，基于平均一致算法进行分散式全局信息分享，实现总功率缺额在多代理系统中的共享。0046该步骤具体包括以下过程利用式1

22、迭代计算出每个代理的功率缺额，直至所有代理的功率缺额相等时，完成总功率缺额在多代理系统中的共享0047式10048其中，WIJ满足式2和式30049式20050式30051式40052式中，表示代理I在K1次迭代时共享的信息，表示代理I在K次迭代时共享的信息，为代理J在K次迭代时共享的信息，PI表示多代理系统中的代理I的状态变量；I1、2、N,J1、2、N,K为离散时间指数；PK1表示K1次迭代时的信息共享矩阵，PK为K次迭代时的信息共享矩阵，W为校正矩阵，如式4所示；WIJ是W矩阵的第I，J个元素，当代理I和J有通信线路连接时，WIJ不等于0，否则WIJ0；NI为代理I相邻的代理的合集，NI

23、为与代理I相邻的代理数目；NJ为与代理J相邻的代理数目；是影响平均一致算法收敛速度的收敛因子，01；T表示时间；W1J表示W矩阵的第1，J个元素，W1I表示W矩阵的第1，I个元素，W1N表示W矩阵的第1，N个元素，WI1表示W矩阵的第I，1个元素，WIN表示W矩阵的第I，N个元素，WN1表示W矩阵的第N，1个元素，WNI表示W矩阵的第N，I个元素，WNJ表示W矩阵的第N，J个元素。当微电网的拓扑结构发生变化时，利用式2和式3对WIJ进行更新。为了得到稳定的算法，校正矩阵和影响平均一致算法收敛速度的收敛因子需要进行合适的设置。比较收敛因子的不同设置值，以提高收敛速度，使得该平均一致算法达到一致所

24、需的迭代次数最少，获得全局信息的通信延时最小。0053步骤30在第二层中，每个代理依据式5测算出本地切负荷的成本，同时，依据说明书CN104218681A6/7页9式6测算出本地切负荷的边际成本0054CII,PLSIK1PLSI2K2PLSIK2PLSII式50055CMCII,PLSI2K1PLSIK2K2I式60056式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本函数；K1是函数中二次项系数；K2是函数中一次项系数；PLSI表示第I个代理的切负荷量，I表示切负荷意愿的变量。0057步骤40采用平均一致算法进行切负荷的分散式成本优化，得到每个负荷的减载量。

25、在该步骤中，切负荷的分散式成本优化目标为式7所示，平均一致算法中的约束条件如式8所示，平均一致算法中的迭代计算如式9所示，0058式70059式80060式90061式中，CI表示第I个代理切负荷的成本函数，CTOT表示微电网切负荷的总成本，I表示切负荷意愿的变量，PLSI表示第I个代理的切负荷量，PLS是微电网的切除的负荷总量，PG表示微电网的总发电量，PL表示微电网的总负荷量，PLI,MAX表示微电网中负荷的最大切除量；CMCIK1为代理I在第K1次迭代时，切负荷的边际成本；CMCIK为代理I在第K次迭代时，切负荷的边际成本；W为校正矩阵；CMCI表示第I个代理切负荷的边际成本；CMC,C

26、为边际成本的平均值；当所有负荷的边际成本渐近收敛于一个共同的值CMC,IACA时，CMC1CMC2CMCICMC,IACA，得到每个负荷的减载量。0062步骤50根据步骤40得到的每个负荷的减载量，进行切负荷操作，实现孤岛微电网的分散式最优减载，使微电网频率恢复到额定值。0063本发明的控制方法能够实现孤岛微电网分散式成本最优的切负荷，可以实现高效的分散式全局信息共享，并考虑成本和边际成本，进行精确的切负荷成本优化，具有良好的自适应性，可以满足分布式单元即插即用的需求。0064下面例举一个实施例。0065如图2所示，本实施例采用的仿真微电网系统的通信拓扑图。该仿真微电网由微型燃气轮机简称MT、

27、风力发电机组简称WT、光伏系统简称PV、小水电简称MH及5个负荷单元LOADLOAD1、LOAD2、LOAD3、LOAD4、LOAD5组成，各分布式单元由电力电子元件接入038KV低压配电网。系统有5个分布式代理AGENT，分别用A1，A2，A3，A4，A5表示。一个代理只能与其在通信拓扑上直接相邻的代理进行通信。基于电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真英文简称PSCAD/EMTDC平台搭建仿真微电网模型，在矩阵实验室英文简称MATLAB中模拟多代理系统，建立多智能体系统第一层的全局信息共说明书CN104218681A7/7页10享和微电网分散式成本优化的切负荷算法程序，利用FORTRA

28、N语言编译接口程序将MATLAB中的算法与电力系统计算机辅助设计英文简称PSCAD模型联合运行，从而利用联合仿真技术实现本发明的控制方法的仿真验证。0066针对孤岛模式的微电网发生过载的情况进行了仿真，验证本发明方法的控制效果，即分散式全局信息共享、切负荷的分散式成本优化和孤岛微电网的分散式最优切负荷。仿真开始时，微电网运行在并网模式，所有分布式电源运行于PQ对应中文为恒功率控制控制模式下。2秒时，微电网与主网断开独立运行，微型燃气轮机从PQ控制变为V/F对应中文为恒压/恒频控制控制，以维持微电网的功率平衡。5秒时，孤岛微电网发生过载事故，导致此时功率的供需不平衡，频率开始波动。当系统频率低于

29、495HZ时，实施本发明的切负荷控制方法。仿真结果如图3至图11所示。0067如图3至图6所示，在收敛因子的不同设定值下，多代理系统完成基于平均一致算法的全局信息共享，各代理共享信息收敛于一个共同值，约为25千瓦。当收敛因子的设定值为08时，达到一致所需的迭代次数最少，约为13次，获得全局信息的通信延时最小。通过第一层中获取的全局信息，在第二层中可以实现完全分散的无领导者的分散式切负荷成本优化。0068如图7所示，在第二层中实现分散式成本优化，本地的分布式代理测算出各负荷减载的成本和边际成本。图7中，横坐标表示迭代次数；纵坐标表示需要切除的总负荷量，单位千瓦。从图7和图8可以看出，在基于平均一

30、致算法的分散式成本优化同步处理后，所有负荷的边际成本渐近收敛于一个共同的值，得到每个代理的减载量。0069图9中，PMT表示微型燃气轮机的有功功率输出曲线。2S时，系统由并网运行转为孤岛运行，微型燃气轮机由PQ控制转为V/F控制，弥补系统的少量功率缺额，输出功率略有增加。5S时，孤岛微电网发生过载事故，微型燃气轮机增发功率。实施本发明的切负荷控制方法后，输出功率降为原输出功率，并维持稳定运行。PMH表示小水电的有功功率输出曲线。小水电运行于PQ控制模式下，维持稳定的功率输出。PPV表示光伏的有功功率输出曲线。光伏运行于PQ控制模式下，维持稳定的功率输出。PWT表示风力发电机组的有功功率输出曲线

31、。风力发电机组运行于PQ控制模式下，维持稳定的功率输出。PMAIN表示主电网的有功功率输出曲线。2S时，系统由并网运行转为孤岛运行，主电网向微电网输出功率变为0。图10微电网频率曲线。2S时，系统由并网运行准尉孤岛运行，系统频率略有下降，仍处于正常范围内。5S时，孤岛微电网发生过载故障，系统频率急剧下降。当系统频率低于495HZ时，实施本发明的切负荷控制方法，系统频率迅速恢复至额定值。图11为微电网电压曲线，微电网电压一直稳定地维持在额定值。0070从图9图11可以看出5秒时，孤岛微电网发生过载事故，导致此时功率的供需不平衡，孤岛微电网发生功率缺失故障，微电网出现功率缺额，频率向下偏移。当系统

32、频率低于495HZ时，根据分散式成本优化的结果，进行切负荷。可以看出，在实施分散式成本最优的切负荷后，孤岛微电网的频率恢复到额定值。本发明提出的方法有很好地控制效果。0071本发明所提出一种孤岛微电网分散式成本优化的切负荷控制方法，基于多代理系统的双层平均一致算法，能够实现孤岛微电网分散式成本最优的切负荷，可以实现高效的分散式全局信息共享，并考虑成本和边际成本，进行精确切负荷成本优化，具有良好的自适应性。说明书CN104218681A101/5页11图1说明书附图CN104218681A112/5页12图2图3说明书附图CN104218681A123/5页13图4图5说明书附图CN104218681A134/5页14图6图7图8说明书附图CN104218681A145/5页15图9图10图11说明书附图CN104218681A15