基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法研究

郝雨辰, 江叶峰, 仇晨光, 雷 震, 耿 智, 张 浩, 陆 晓

(国网江苏省电力公司调度控制中心, 江苏 南京 210024)

基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法研究

郝雨辰, 江叶峰, 仇晨光, 雷 震, 耿 智, 张 浩, 陆 晓

(国网江苏省电力公司调度控制中心, 江苏 南京 210024)

基于直流微电网的结构属性和分布式电源的运行特点，以直流母线电压的恒定作为控制目标，针对系统中各单元隶属于不同用户的情况，利用多代理系统构建信息网络，提出以各分布式电源自协调、自管理、自组网为策略实现的直流微电网分区域式稳定控制方法。选择直流微电网系统中的独立子区域作为研究对象，设计不同供求关系下的系统稳定控制策略，实现基于信息流的功率流的重新分配与优化。仿真分析结果表明文中设计的基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法，不仅能有效保持系统的运行稳定性，而且能充分体现不同分布式电源的运行特点。

直流微电网; 多代理系统; 稳定控制

0 引言

随着能源危机的加剧、环境污染的蔓延，以新能源为载体的分布式发电得到了蓬勃发展，微电网作为分布式发电的高级应用形式，通过源荷协调技术、能量管理方案、并离网切换手段有效提高了用户供电可靠性、能源利用环保性、系统运行经济性[1，2]。与交流微电网相比，直流微电网具有以下优点[3-7]：便于直流电源的接入；仅需考虑直流母线电压的恒定、无需考虑同步操作、无功补偿等复杂控制；能有效减少电力电子装置的大量使用从而降低能量转换造成的损失。

直流微电网研究的重点在于直流母线的电压稳定，文献[8]指出为提高系统供电可靠性和分布式电源/负荷接入灵活性，直流微电网可采用多母线结构；文献[9-11]针对直流微电网工作状态多样性设计了统一控制方法，实现不同运行模式的无缝切换；文献[12-15]以直流微电网中的储能单元作为研究对象，提出基于母线电压偏差反馈的多种稳压控制方法，甚至实现了负荷在分布式储能中的均衡分配；文献[16,17]着眼于微电网的层次化结构，研究直流微电网分层稳定控制方案。上述文献多以单一直流微电网为研究对象，着力于改进集中控制的能力，未从系统层面构建包含多用户、多需求、多目标的协同控制体系。因此文中针对具有区域自治性的直流微电网，在阐述多代理系统适用性基础上，设计基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法，在保持母线电压稳定的同时，满足区域内各电源的运行目标。

1 直流微电网结构模型

典型的具有区域自治性的直流微电网结构如图1所示，其中直流母线电压额定值设为800 V，并经静态开关在公共连接点处与外部电网相连。

图1 直流微电网分区域式结构模型Fig.1 Sub-regional structure model of DC microgrid

选择具有输出可控的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)和固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)作为区域2，3的稳控单元。光伏电池(photovoltaic, PV)具有与自然条件相关的不可控性，因此将超级电容(super capacitor, SC)与PV出口Boost电路高压侧相连，确保对区域1内负荷的可靠供电。

2 直流微电网分区域式稳定控制方法

根据图1所示直流微电网的结构，设计相应的分区域式稳定控制方法，其核心思想在于，利用各区域内微电源控制器(microsource controller, MC)与其他关联区域内MC的通信，根据协商结果控制区域间开关的通断，以自组网的形式进行发电功率的合理调度以维持区域子系统的电压稳定。

由于直流微电网中不考虑无功功率的流动，直流母线电压的变化是系统有功功率供求波动的外在体现。根据文献[6]所述直流微电网的稳定性可定义为当系统受到干扰时，直流母线电压波动不超过额定值的5%。因此，对于图1中的各区域子系统，均可以由直流母线电压的状态来制定相应的稳定控制方法，如图2所示。

图2 直流微电网中各区域子系统决策流程Fig.2 Decision process of sub-regional in DC microgrid

从图2直流微电网各区域子系统决策流程可以看出，通过定时采样直流母线电压Udc，当Udc大于额定值800 V时，表征区域内微电源出力大于负荷所需，此时MC通过减小微电源出力以控制直流母线电压稳定，如微电源出力已降至其输出功率下限，并且当区域内储能装置不具备充电条件或者因最大充电电流的限制，无法全部及时消纳区域内的富余有功时，MC则判断母线电压的上升是对外功率支持引起还是本区域内负荷减小造成，对于前者则主动断开区域间开关并及时地通知对方MC，对于后者则查询系统数据库(directory facilitator,DF)获取能够消纳多余功率的其他区域内的MC通信地址，以拍卖的方式询问其报价以出售这部分多余的功率，并选择价高者作为合作对象，闭合两区域间的开关。

如其他区域无法全额消纳富余有功，说明此时该区域内的微电源出力已超过整个直流微电网的消纳能力，为了保证母线电压的稳定同时不影响与本区域相连的其他区域负荷的供电质量，MC通过改变控制模式牺牲部分经济性以降低微电源出力，或者直接进行切机操作。

当Udc小于额定值800 V时，表征区域内微电源出力无法满足负荷所需，此时MC通过增大微电源出力以控制直流母线电压稳定，如微电源出力已达到其输出功率上限，并且区域内储能装置不具备放电条件或者因最大放电电流的限制，无法及时弥补区域内功率缺额时，MC则判断母线电压的下降是由对外功率支持引起还是本区域内负荷增大造成，对于前者则主动断开区域间的开关并及时通知对方MC，对于后者则查询DF获取能提供功率支持的其他区域内的MC通信地址，以竞价的方式询问其报价，并选择报价低者作为合作对象，闭合两区域间的开关。

如整个直流微电网中已无可利用的外部区域电源，说明此时该区域内的负荷需求已超过整个直流微电网的供电能力，为了保证母线电压的稳定同时不影响与本区域相连的其他区域负荷的供电质量，MC与区域内负荷控制器(load controller, LC)通信请求进行切负荷操作。

由于直流微电网各区域微电源属于不同业主，有各自的运行特点与独立的控制目标，各MC出于利益最大化的追求，在其他MC寻求协作过程中均会积极响应。但另一方面出于对本区域运行可靠性的考虑，各MC不仅会拒绝其他区域MC的协助请求，而且在已连接的运行过程中，会出于对本区域负荷的优先供电考虑而主动断开与其他区域的连接关系，因此，MC需及时查询DF寻找新的合作关系，或直接采用切机切负荷的电压恢复手段。

3 适用于直流微电网分区域式稳定控制的多代理系统

3.1 多代理系统在直流微电网中的适用性

多代理系统是由多个相互联系、相互作用的自主代理(Agent)组成的松散耦合分布式网络系统，Agent是具有不同能力和目标的异构单元，在没有全局控制器的协调下，以通信的方式交互彼此掌握的局部信息，实现异步的、并发的计算过程。在直流微电网中的适用性体现在以下几方面[17-19]：

(1) 逻辑结构的统一性。直流微电网是由一定区域内分散的微电源和负荷构成的具有鲜明层次特点的小型电力系统，具有层内自治、层间协作的运行特点，与多代理系统中分层分布式的Agent集合具有逻辑结构上的统一性。

(2) Agent的自治性。Agent具有根据自身运行特点和控制目标，制定相应策略并规划自身行为的自主性。当应用于直流微电网中时，各Agent通过监测系统运行信息，及时调节所属单元的控制参数，以体现各自的运行特点和控制目标。

(3) 多代理的协作性。Agent具备彼此通信，相互配合解决复杂问题的协作性，可用于直流微电网这种具有多控制参数、多参与单元、复杂任务目标的应用场合。

(4) 多代理的可靠性。Agent的自治性使其可以采集与所属单元运行相关的所有必要信息，做出最准确的判断，Agent的协作性使其仅需交互少量信息即可实现单元间的合作关系。应用于直流微电网中时，多代理系统虽采集了更多的信息，但网络中实际传递的数据量反而减少了，由此不仅能满足各单元的运行要求，而且有效提高了系统的可靠性。

(5) 多代理的自适应性。Agent具有感知外界条件变化调节自身行为的环境适应性，以及通过本地控制或通信协作反作用于环境的能动性，应用于直流微电网中时，能有效减轻分布式微电源接入与退出过程中对直流微电网稳定性的冲击。

应用于文中所述直流微电网分区域式稳定控制策略实现的多代理系统，各区域内的微电源、储能、负荷控制器即视为一个Agent，各Agent通过采样区域直流母线电压信息并监测自身运行状态，以基于本地信息的自治与基于通信的协作方式维持系统的稳定运行，实现所属业主的控制目标。与传统集中控制相比，充分发挥各Agent的自治性，弱化中央控制器的性能；与分布式控制相比，体现各单元协作的能力，以自协调、自组网的方式强化整个直流微电网的运行稳定性。

3.2 多代理系统构建

根据图1所示直流微电网结构模型，构建适用于图2分区域式稳定控制决策流程的多代理系统，其中包括区域各发用电单元对应的Agent，以及系统级的DF Agent和完备的点对点通信网络，DF Agent的作用在于给各MC Agent提供发布、更新和删除各区域供电裕量和运行状态的信息平台，但不具备传统集中控制的主动协调能力；点对点通信网络为Agent间的通信交互提供了网络支持。

Agent间的交互关系如图3所示，各区域MC Agent根据LC Agent发送的负荷信息，并实时监测直流母线电压的变化，一旦发现电压波动超过动作值时，即进行与内部储能SC Agent的通信，或借助DF Agent开展与外部区域MC Agent的信息交互。图3中Request、Query、合同网协议均属于FIPA国际组织定义的适用于多代理系统的标准通信协议，利用inform，agree等标准化语句明确了各协议的实现过程，使文中Agent间的通信具有通用性。

图3 各区域代理间交互关系Fig.3 Interaction among agents in different regions

4 仿真分析

图1所示直流微电网系统中，区域2，3内的燃料电池具有输出功率可控性，区域1内PV的不可控性和SC的充放电制约性，使得两者构成的复合供电系统具有复杂的运行特点。因此，以区域1为研究对象，采用表1所示参数。其中为了避免SC频繁启停，设定SC的动作值为20 V，满足文献[6]所述电压波动小于±5%额定值的稳定要求，下面的仿真结果证明了文中所述基于多代理系统的直流微电网分区域式稳定控制方法的有效性。

表1 直流微电网主要单元参数信息Table 1 Parameters of DC microgrid components

4.1 PV出力大于区域内负荷需求

如图4所示。初始状态下采用最大功率跟踪控制模式的PV出力大于区域1中负荷所需，其直流母线电压上升，PV Agent即利用Query协议与SC Agent通信，得其同意后闭合两者间开关，SC开始工作于充电稳压状态，使得直流母线电压回落并稳定在额定值800 V，如图4(a)所示。0.7 s时区域1负荷增大，对应直流母线电压稍有波动，SC充电功率也相应减小，如图4(b)所示。直至1.23 s时SC充电饱和，SC Agent即通知PV Agent并断开两者间开关。由于PV输出功率仍大于负荷所需，导致直流母线电压继续上升，由于SC不再具备充电裕量，由此PV Agent利用Request协议查询DF Agent得到PEMFC Agent和SOFC Agent的通信方式，之后采用合同网通信协议与两者进行交互，并选定SOFC Agent作为合作对象，于1.4 s时闭合区域1,3间开关，从图4(c)中可见1.4 s前区域3直流母线电压稳定在800 V，两区域联通后由于得到了区域1的功率输入，区域3中SOFC的输出功率具有明显的下降，而两区域母线电压具有一致性。上述过程中Agent间的信息交互如图4(d)所示。

图4 区域内供大于求时分区域稳定控制结果Fig.4 Regional stability control for supply exceeding load

4.2 PV出力小于区域内负荷需求

如图5所示。初始状态下PV出力小于区域1中负荷所需，其直流母线电压下降，PV Agent即与SC Agent通信，得其同意后闭合两者间开关，SC开始工作于放电稳压状态，随着区域1内负荷递增，SC不断增大输出功率以维持母线电压的稳定，此过程中SC端电压不断下降，如图5(b)所示。直至2 s时由于负荷突增，PV Agent向DF Agent发送服务查询信息，假设只有SOFC Agent在DF Agent中注册，PV Agent得其反馈后即向SOFC Agent发送请求信息，经其同意后闭合两区域间开关。此时SOFC输出功率增大，且区域1，3直流母线电压具有一致的波形，如图5(c)所示。设定区域3内部负荷4.5 s突增，导致母线电压再次降低，PV Agent判定此波动不是区域1内部负荷变化引起，因此不采取任何动作，但对SOFC Agent来说由于内部负荷增大，其功率输出达到上限，为保证对本区域负荷的可靠供电，SOFC Agent于5.2 s断开与区域1间开关，并在DF Agent中注销服务，此后PV Agent查询DF Agent无果，只能选择切负荷稳压手段，如图5(a)所示，上述过程中Agent间的信息交互如图5(d)所示。

图5 区域内供小于求时分区域稳定控制结果Fig.5 Regional stability control for load exceeding supply

5 结论

随着新能源项目的发展，势必形成一定区域内分属于不同用户的、以分布式电源为主导、自带负荷的新型系统，各区域间既相互依存又相互竞争，文中针对这种新情况，以直流微电网为研究对象，提出基于多代理系统的分区域式稳定控制方法，通过各区域子系统的自我识别和自我管理，利用多代理系统提供的服务发布与搜索功能，可实现不依赖于集中控制器的底层单元间的自通信、自决策和自组网，提高了系统的运行可靠性和灵活性，仿真结果验证了所提策略的有效性，不仅能保持系统的运行稳定，而且能体现不同电源的运行特点。

[1] 杨新法,苏 剑, 吕志鹏,等. 微电网技术综述[J]. 中国电机工程学报,2014,34(1):57-70. YANG Xinfa,SU Jian,LYU Zhipeng,et al.Overview on microgrid technology[J]. Proceedings of the CSEE,2014,34(1):57-70.

[2] 马艺玮,杨 苹,王月武,等. 微电网典型特征及关键技术[J]. 电力系统自动化,2015,39(8):168-175. MA Yiwei,YANG Ping,WANG Yuewu,et al.Typical characteristics and key technologies of microgrid [J]. Automation of Electric Power System,2015,39(8):168-175.

[3] JUSTO J J,MWASILU F,LEE J,et al.AC-microgrids versus DC-microgrid with distributed energy resources: a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013(24):387-405.

[4] KAKIGANO H,MIURA Y,ISE T.Low-voltage bipolar-type DC microgrid for super high quality distribution[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,25(12):3066-3075.

[5] SALOMONSSON D,SODER L,SANNINO A.An adaptive control system for a DC microgrid for data centers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2008,44(6):1910-1917.

[6] 施 婕,郑漳华,艾 芊. 直流微电网建模与稳定性分析[J]. 电力自动化设备,2010,30(2):86-90. SHI Jie,ZHENG Zhanghua,AI Qian.Modeling of DC microgrid and stability analysis[J]. Electric Power Automation Equipment,2010,30(2):86-90.

[7] 江道灼,郑 欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化,2012,36(8):98-104. JIANG Daozhuo,ZHENG Huan.Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power System,2012,36(8):98-104.

[8] 李霞林,郭 力,王成山,等. 直流微电网关键技术研究综述[J]. 中国电机工程学报,2016,36(1):2-17. LI Xialin,GUO Li,WANG Chengshan,et al.Key technologies of DC microgrid: an overview [J]. Proceedings of the CSEE,2016,36(1):2-17.

[9] 张 学,裴 玮,邓 卫,等. 多源/多负荷直流微电网的能量管理和协调控制方法[J]. 中国电机工程学报,2014,34(31):5553-5562. ZHANG Xue,PEI Wei,DENG Wei,et al.Energy management and coordinated control method for multi-source/multi-load DC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE,2014,34(31):5553-5562.

[10] 王盼宝,王 卫,孟尼娜,等. 直流微电网离网与并网运行统一控制策略[J]. 中国电机工程学报,2015,35(17):4388-4396. WANG Panbao,WANG Wei,MENG Nina,et al. Unified control strategy of islanding and grid-connected operations for DC microgrid [J]. Proceedings of the CSEE,2015,35(17):4388-4396.

[11] SHE X,LUKIC S,HUANG A Q.DC zonal microgrid architecture and control[C]∥36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society.Glendale,USA:2010:2988-2993.

[12] 文 波,秦文萍,韩肖清,等. 基于电压下垂法的直流微电网混合储能系统控制策略[J]. 电网技术,2015,39(4):892-898. WEN Bo,QIN Wenping,HAN Xiaoqing,et al. Control strategy of hybrid energy storage systems in DC microgrid based on voltage droop method[J]. Power System Technology,2015,39(4):892-898.

[13] MENDIS N,MUTTAQI K M,PERERA S.Management of battery-supercapacitor hybrid energy storage and synchronous condenser for isolated operation of PMSG based variable-speed wind turbine generating systems[J]. IEEE Transaction on Smart Grid,2014,5(2):944-953.

[14] 陆晓楠,孙 凯,黄立培,等. 直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法[J]. 中国电机工程学报,2013,33(16):37-46. LU Xiaonan,SUN Kai,HUANG Lipei,et al.Dynamic load power sharing method with elimination of bus voltage deviation for energy storage systems in DC microgrids[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(16):37-46.

[15] 秦文萍,柳雪松,韩肖清,等. 直流微电网储能系统自动充放电改进控制策略[J]. 电网技术,2014,38(7):1827-1834. QIN Wenping,LIU Xuesong,HAN Xiaoqing.An improved control strategy of automatic charging/discharging of energy storage system in DC microgrid[J]. Power System Technology,2014,38(7):1827-1834.

[16] 支 娜,张 辉. 直流微电网改进分级控制策略研究[J]. 高电压技术,2016,42 (4):1316-1325. ZHI Na,ZHANG Hui. Improved hierarchical control strategy for DC microgrid[J]. High Voltage Engineering,2016,42(4):1316-1325.

[17] 郝雨辰,吴在军,窦晓波,等. 多代理系统在直流微网稳定控制中的应用[J]. 中国电机工程学报,2012,32(25):27-35. HAO Yuchen,WU Zaijun,DOU Xiaobo,et al. Application of multi-agent systems to the DC microgrid stability control[J]. Proceedings of the CSEE,2012,32(25):27-35.

[18] DIMEAS A L, HATZIARGYRIOU N D. A MAS architecture for microgrids control[C]∥13th International Conference on Intelligent Systems Application to Power Systems.Washington DC,USA:2005:402-406.

[19] DIMEAS A L,HATZIARGYRIOU N D. Agent based Control for Microgrids[C]∥Power Engineering Society General Meeting.Tampa,USA:2007:1-5.

(编辑徐林菊)

Research on Sub-regional Stability Control of DC Microgrid Based on Multi-agent System

HAO Yuchen, JIANG Yefeng, QIU Chenguang, LEI Zhen, GENG Zhi, ZHANG Hao, LU Xiao

(State Grid Jiangsu Electric Power Dispatching and Control Center, Nanjing 210024, China)

Based on the structural attributes of DC microgrid and diverse micro-sources’ features, the constant DC bus voltage is considered as the control target. For the situation that each unit belongs to different users, the multi-agent system is used to construct the information network, and a DC microgrid regional stability control method based on distributed power self-coordination, self-management and self-organizing network is proposed. The independent sub-region in the DC microgrid system is chosen as the research object, and the system stability control method under different supply and demand is designed to realize the redistribution and optimization of the power supply based on the interactive information. The simulation results demonstrate that the proposed method can be used to maintain the stability of the system, and it can fully reflect the running characteristics of different distributed power supply.

DC microgrid; multi-agent system; stability control

郝雨辰

2017-04-07；

2017-05-21

TM711

：A

：2096-3203(2017)05-0015-06

郝雨辰(1985—)，男，江苏南京人，博士，研究方向为电力调度控制与新能源发电(E-mail：hao_yuchen@126.com)；

江叶峰(1976—)，男，江苏宜兴人，高级工程师，研究方向为电力调度运行管理；

仇晨光(1977—)，男，江苏盐城人，高级工程师，研究方向为电力调度运行管理；

雷 震(1979—)，男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为新能源调度运行管理;

耿 智(1982—)，男，江苏扬中人，高级工程师，研究方向为电力调度控制；

张 浩(1985—)，男，江苏靖江人，工程师，研究方向为电力调度控制；

陆 晓(1968—)，男，江苏苏州人，高级工程师，研究方向为电力调度运行管理。