基于多智能体系统的微电网分散协调控制策略

For the dynamic stability of the microgrid in the case of the outside disturbance， this paper
proposes a decentralized coordinated control strategy for the microgrid based on the multiagent system. The multiagent system has two levels. In the lower level agents， the decentralized control of the distributed power generation unit is designed as a double loop controller， including an outer power controller based on the droop characteristic and the fractional order PID inner voltage and current controllers. In the upper level agents， the coordinated controller of the microgrid system is designed as the H ∞ robust controller. The mode of the coordinated controller is determined by the voltage stability， so this paper proposes the voltage stability risk index. When the microgrid suffers slight disturbances，the voltage stability risk index is in the safety threshold ， and the decentralized control is used to maintain the voltage stability of the system alone. When a severe disturbance occurs，the voltage stability risk index is out of the safety threshold ， and the coordinated control starts and operates together with the decentralized control to maintain the voltage stability of the system. Finally， simulation studies demonstrate the effectiveness of the control scheme. Keywords： Microgrid， multiagent system， decentralized coordinated control ， H ∞ robust control ， the voltage stability risk index
MultiAgent System Based Decentralized Coordinated Control Strategy for Microgrids
Dou Chunxia （ Institute of Electrical Engineering Abstract Li Na Xu Xiaolong Qinhuangdao 066004 China） Yanshan University
第 30 卷第 7 期
窦春霞等
基于多智能体系统的微电网分散协调控制策略
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能体中，电压稳定性评估模块根据系统的运行状态及 时测量系统电压，对系统电压进行稳定性评估 。 得到 稳定性评估指标后，通过决策模块确定相应的控制命 令 。该控制 命 令 通 过 行 为 执 行 模 块 发 送 到 协 调 控 制 器，指导协调控制器执行相应的动作 。 在 MAS 中，单个智能体可能由于所掌握的信息不 完整或能力、资源不够的缘故，无法独立完成某项任 务，此时各智能体单元之间需进行交互，在能力和资 源上互相支持，最终实现系统的目标 。 图 2 描述了两 层智能体之间的交互过程 。 智能体之间的交互可分为 直接交互和间接交互，由上层协调控制智能体到下层 各单元智能体的交互通过直接作用实现 。 由下层各单 元智能体到上层的协调控制智能体的交互行为是基于 环境和交流间接实现 。
针对微电网在外界干扰情况下的动态稳定性问题 ， 提出了基于多智能体系统的微电网分散
协调控制策略 。多智能体系统构建为两层 ， 在下层智能体中 ， 各分布式发电单元的分散控制设计为双 环就地控制器 ，即由基于下垂特性的外环功率控制器和基于分数阶 PID 的内环电压电流控制器组成 ； 在上层智能体中 ，微电网协调控制设计为 H ∞ 鲁棒控制器 。构建了微电网电压稳定性评估指标 ， 当微电 网承受小干扰时 ，评估指标在安全域内 ， 此时则仅依靠分散控制策略来维护系统的电压 ； 而当有大干 扰发生时 ，评估指标超出安全域 ， 此时则起动协调控制 ， 并与分散控制一起维护电压稳定 。 最后， 仿 真结果验证了控制策略的有效性 。 关键词 ： 微电网 多智能体系统 分散协调控制 H ∞ 鲁棒控制 电压评估指标 中图分类号 ： TM464
。每
个个体单元都由相应的局部控制器独立控制，需要本 地信息，而不需要通信技术，该方法将系统的不平衡 功率动态分配给各机组承担，具有简单 、 可靠 、 易于 实现的特点。对简单的微电网系统来讲，分散控制策 略结合上层的能量管理系统能够维护微电网稳定 。 但 随着新能源发电的不断渗透，微电网系统越来越复杂 化，对于结构组成复杂的微电网系统，分散控制方法 由于缺少单元系统之间的配合，在微电网遭受严重扰 动时，系统的电压质量可能无法达到满意的效果 。 而 集中控制方法则根据系统全局信息，由中心控制器统 一控制各单元系统，对于结构简单的系统，该方法非 常有效 。集中控制的缺点是需要可靠的通信互连线， 增加设备需要相应的通信通道支持，通信可靠性影响 微电网运行。对于地域广阔 、 结构复杂的微电网系统 而言，由于系统建模的巨大维数和信号传输的时滞问 题，集中控制有时实现比较困难，即便实现可能也难 以获得满意的控制效果 。 分散控制与集中控制各自具 有优缺点，需针对不同的系统考虑采用不同的控制方 法
［3 ， 4 ］
时，仅靠分散控制器维护系统稳定，当评估指标超出 安全阈值时，上层智能体起动相应的协调控制器，此 时协调控制器与分散控制器一起维护系统稳定 。 该方 法既能在大扰动时维护全系统良好控制性能，又便于 实现 。最后，仿真验证了该控制方法的有效性 。
。
［5 ］
大多数 DG 及储能装置通过电力电子接口接入微 电网，其控制策略主要由逆变器完成 。 近年来，微 电网逆变器控制技术的研究已取得很多成果，分散控 制和集中控制是微电网控制方向的两大主要方法 。 分 散控制是针对采用即插即用分布式电源的微电网提出 的控制方法，是一种无通信互连线的控制技术
［6 ］
1
基于 MAS 的微电网控制框架
MAS 是由多个智能体构成的一种分布式自主 系
统，是人工智能系统的一个重要分支和新颖的课题发 展方向
［8 ， 9 ］
。MAS 是通过各智能体的自主行为以及它
们之间 的 通 信 、 协 调、 调 度 及 控 制 来 表 现 系 统 的 结 构、功能和行为特征 。MAS 在表达各种实际系统方面 提供了统一的模型和框架，能很好地解决复杂系统的 通 信 问 题，基 于 MAS 的 分 散 协 调 控 制 结 构 如 图 1 所示 。
Fig. 3 图3 基于 MAS 的典型微电网系统
Typical structure of MAS based microgrid
图4 Fig. 4
分散控制器基本结构图
The basic block diagram of decentralized controller
电阻值大于电抗值，但可通过整体设计使逆变器的输 出阻抗呈感性，保证下垂特性成立
0
引言
随着分布式发电在电力系统中的不断渗透，由分
布式电源 （ distributed generator， DG ） 、 储能装置 、 负 荷和控制装置组成的微电网备受关注 。 作为一种新型 高效的能源利用形式，微电网既可以并网运行，也可 以孤岛运行
［1 ， 2 ］
。在大电网正常运行状态下，微电网
国家自然科学基金 （51177142 ） 和河北省自然科学基金 （ F2012203063 ） 资助项目。 1210 改稿日期 20150120 收稿日期 2014-
中控制的优点，也能克服它们的缺点的控制方法 。 基 于 上 述 思 想， 本 文 提 出 研 究 基 于 多 智 能 体 系 统 （ MultiAgent System，MAS） 的分散协调控制策略来维 护大扰动下微电网的电压稳定 。 为了解决微电网动态稳定性问题，研究构建了基 于 MAS 的分散协调控制策略 。 该 MAS 设计为两层智 能体，下层单元智能体执行分散控制，即在下层智能 体中，设计双环分散控制器，包括基于下垂特性的外 环功率控制器和基于分数阶 PID 的内环电压电流控制 器 。上层智能体执行协调控制策略，即在上层智能体 里，基于电压实时动态信息，构建电压评估指标，并 采用 H ∞ 鲁棒控制方法结合线性矩阵不等式技术设计 协调控制 器； 当 上 层 智 能 体 电 压 评 估 指 标 在 安 全 域
2015 年 4 月 第 30 卷 第 7 期
电 工 技 术 学 报
TＲANSACTIONS OF CH INA ELECTＲOTECH NICAL SOCIETY
Hale Waihona Puke Baidu
Vol. 30 Apr．
No. 7 2015
基于多智能体系统的微电网分散协调控制策略
窦春霞 李 娜 徐晓龙
秦皇岛 066004 ） （ 燕山大学电气工程学院 摘要
工作在并网模式，维护微电网稳定性的任务主要由大 电网来承担 。大电网出现故障后，电力系统的继电保
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电 工 技 术 学 报
2015 年 4 月
护装置静态开关动作，断开微电网与大电网的连接， 微电网进入孤岛运行状态，此时微电网失去了大电网 的支撑，需要由内部的 DG 来维护系统的稳定运行 。 因此，如何对微电网内部的多种 DG 进行有效控制以 保证微电网在不同运行模式下都能安全稳定运行成为 微电网研究的一个难点
图2 Fig. 2 分散控制智能体和协调控制智能体交互过程 Process of interaction between DAs and CCA
［7 ］
图1 Fig. 1
基于 MAS 的分散协调控制策略
The decentralized coordinated control based on MAS
。除此之外，更需要构建一种具有分散控制和集
在基于 MAS 的分散协调控制策略中，下层分散控 制单元智能体包括 DGs Agent （ DA ） 、 储能 Agent 、 负 荷 Agent 。下层各单元智能体被设计成一个混合智能 体，分为反应层和协商层 。 其中反应层包括感知 、 识 别和动作执行模块，既能感知外部环境也可作用于外 部环境； 协商层由数据库 、 学习和评估模块 、 本地决 策模块等组成 。下层单元智能体的主要功能是执行分 散控制，根 据 系 统 目 前 的 干 扰 情 况 和 自 身 的 约 束 条 件，调节相应 DG 单元的输出电压和功率，确保微电 网系统电压稳定 。 MAS 系 统 拥 有 一 个 上 层 协 调 控 制 智 能 体 （ Coordinated Control Agent ，CCA） ，包括数据库 、知识 库、电压稳定性评估模块 、 决策模块等模块，主要根 据系统的干扰情况判定是否起动协调控制器 。 在该智