基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法与流程

本发明属于能源互联网背景下微电网控制领域，尤其涉及一种基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法。

背景技术：

近年来，直流分布式发电如光伏、燃料电池和储能在分布式能源中的占有比例不断提升；此外，直流负荷也呈上升趋势，例如电动汽车充电桩的扩建暗示着电动汽车这一直流负荷将广泛地接入电网。也正由于直流电源和负荷的不断增长趋势激发了人们对直流微电网的研究兴趣。直流微电网具有以下特点：(i)功率传输与分配更加高效，因为直流微电网没有无功功率传输；(ii)相比于交流微电网，直流微电网能更加高效地为直流负荷供电，因为交流微电网为直流负荷供电需要“交流到直流”和“直流到直流”两次逆变器转换；而直流微电网只需要“直流到直流”的一次转换，因此提高了效率。

对微电网的控制而言，普遍采纳的的是分层控制方案：即三层控制负责执行分布式发电的优化调度，实现对分布式发电的最佳功率分派；二层控制为了维护电网电压，基于全微电网的实时动态信息，实时确定和下发给各分布式发电参考电压值；按照参考电压或功率，一层执行就地分散动态调节；其中，三层和二层控制属于基于通信网络的集中控制，而一层主控是典型的分散控制。对应这个分层集中式控制方案，任何的网络故障都会导致所对应的单元信息传输失败，势必影响其他单元的正常运行，甚至导致部分单元系统过载和系统级的不稳定等连锁故障。

为了克服上述问题，分布式协调控制引起了关注，若分布式协调控制方案被引入到微电网的二次和主控中，对提高系统的可靠性、拓展性和减小通讯压力等均有明显作用。无论如何，直流微电网分布式协调控制必须实现两个控制目标，即全网电压一致调节和负荷比例分享。全网电压调节意味着全微电网所有分布式发电单元的母线电压需要按照上层设定的参考电压进行一致性调节；负荷比例分享即为按照各分布式发电额定容量比例分享负荷，进而有效避免各分布式发电之间的环流和过载。然而，传统的分布式下垂控制电压调节和负荷分享的能力较差，原因之一是低压线路阻抗产生较大的电压跌落，原因之二是不同的分布式发电额定电压的不一致导致了较差的负荷分享。目前上述问题的可行解是基于全网任何两点都联通的网络系统构建集中控制。然而该方案即便改进了控制性能，但降低了控制的可靠性，因为任何线路故障都会捣毁整个系统的控制功能。

为了克服集中式和传统分布式控制的缺点，本发明提出了基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法，即提高了控制的可靠性，也大幅度提升了全网电压调节和负荷比例分享的能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法，其依托信息网络系统来决策和执行电压一致性控制和负荷比例分享。该发明所提出的分布式协调控制充分考虑了信息系统的网络拓扑切换性和传输时滞的不确定性，实现信息物理系统融合环境下的动态稳定性控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法，具体包含如下步骤：

步骤1，构建两级多智能分布式协调控制架构；

步骤2，设计分布式协调二次控制策略；

步骤3，设计改进的外环下垂控制器；

步骤4，设计内环电压/电流控制器。

作为本发明基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法的进一步优选方案，所述步骤1具体包含如下步骤：

步骤1.1，将每个分布式发电逆变器控制单元都分别与一个一级单元控制智能体连接；

步骤1.2，将每个一级单元控制智能体与一个二级分布式协调控制智能体连接；

作为本发明基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法的进一步优选方案，步骤2所述的设计分布式协调二次控制策略具体包含如下两个策略：

2.1，电压一致性控制策略：

其中，ujv(t)为电压一致性控制策略，j∈{1,2,…,n}；kj,σ(t)为电压控制增益；vref为全网电压一致性调节的参考电压，vj(t)为第j个逆变器单元系统的母线电压，vk(t)为第k个逆变器单元系统的母线电压；j∈{1,2,…,n}，vj(t)＝0,ift＜0；

2.2，负荷电流比例分享控制策略：

其中，ujc(t)为负荷电流比例分享控制策略，j∈{1,2,…,n}；为控制增益，ijpu(t)为第j逆变器单元电流，ikpu(t)为第k逆变器单元电流；为网络连接矩阵系数。

作为本发明基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法的进一步优选方案，在步骤3中，所述外环下垂控制器具体如下：

其中，dj为下垂控制器增益；ujref为额定电压，也为内环控制器的参考电压；ijratedijpu为第j逆变器单元额定电流和标幺电流的乘积；kj为电压转移控制器增益；k∈ωj,ωj为与第j分布式协调智能体相邻的二级智能体集合，总数为mj。

作为本发明基于多智能体的直流微电网网络化分布式协调控制方法的进一步优选方案，在步骤4中，所述内环电压/电流控制器具体如下：

其中，gj∈r^1×2是控制器增益，xj(t)＝[δuj(t),δitj(t)]^t为状态变量；为控制输入。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、通过每个分布式发电逆变器控制单元，提出构建了基于二级多智能分布式协调控制方案，仅利用相邻二级分布式协调多智能体之间的交互信息，有效执行电压一致性和负荷比例分享控制，即保证了控制方案的可靠性，也大幅度提升了全网电压调节和负荷比例分享的能力；

2、该多智能体控制架构很容易根据分布式发电单元的“即插即用”运行来增添、撤销或修改单元功能智能体，此外也可以根据信息系统的拓扑变化，灵活重组二级分布式协调控制智能体的交互方式，因此该方案具有很强的拓展性和兼容性；

3、在设计二次控制策略时，充分考虑了信息网络传输时滞的时变性以及控制执行器的饱和性，提出了计及网络时滞时变性和执行器饱和性的网络化电压一致性和负荷比例分享一致性的控制策略；

4、在设计改进下垂控制器时，提出了基于逆变器的下垂特性、利用电压、负荷电流二次控制策略来设计相应的电压补偿机制，有效消除线路阻抗以及分布式发电额定电压不匹配对电压调节和负荷比例分享的影响。

附图说明

图1是基于多智能体的两级分布式协调控制框架；

图2是第j个分布式发电逆变器控制单元的分布式协调控制方案；

图3是第j个分布式发电逆变器控制单元的电路结构图；

图4是第j个分布式发电逆变器控制单元的分布式协调控制策略执行框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了实现上述目标，本发明研究以下内容：

构建两级多智能分布式协调控制架构：每个分布式发电逆变器控制单元连接一个一级单元控制智能体，决定和和执行就地分散控制即主控；而每个一级智能体又连接一个二级分布式协调控制智能体，主要负责全网电压一致性调节和负荷比例分享即二次控制；此外，二级智能体通过信息网络系统只与其相邻的二级多智能交互信息。

设计分布式协调二次控制策略：(1)为了按照上层给定的参考电压值对全网电压进行一致性调节，在每个二级分布式协调控制智能体里设计电压调节器，来执行电压牵制的一致性控制策略。(2)为了实现所有分布式逆变器控制单元的负荷比例分享，在每个二级分布式协调控制智能体里也设计电流调节器，来执行负荷电流比例分享的控制策略。此外在设计电压、电流一致性控制策略时，仅使用了相邻二级分布式协调控制智能体的状态信息，因此减少了网络传输压力；同时充分考虑了信息系统网络拓扑的变化、传输时滞时变性以及逆变器控制执行器的饱和性，实现了信息物理系统融合下的二次控制。

设计改进的外环下垂控制器：在每个单元控制智能体里，改进的外环下垂控制器设计如下：1)利用来自该单元二级智能体的电压一致性控制策略，在该单元系统逆变器下垂特性中，合成一个内环电压控制参考值的校正项；2)利用来自该单元二级智能体的负荷电流比例分享控制策略，在单元系统逆变器下垂特性中合成一个电压移位提升项，进一步细调内环电压控制参考值；3)利用该单元二级智能体的电流比例分享控制策略，以及与该单元相邻的所有元二级智能体的电流比例分享控制策略，基于该单元系统逆变器下垂特性，合成一个内环电流控制器的参考值。上述基于二次控制策略设计的改进的外环下垂控制器，通过网络化分布式协调作用，有效消除了因线路阻抗而产生的电压跌落以及因分布式发电额定电压不一致而导致较差的负荷分享，大大提升了分布式下垂控制的电压调节和负荷分享的能力。

设计内环电压/电流控制器：在每个单元控制智能体里，代替了传统的pi控制，内环电压/电流控制器被设计为h∞鲁棒控制器，进而提高了分布式发电单元对不确定因素的鲁棒性。

具体实施方式

构建两级多智能分布式协调控制架构的实施方案：以直流微电网物理系统为研究对象，以信息系统为支撑，构建两级多智能体控制架构如图1所示，旨在一级单元控制智能体一次主控的基础上，二级分布式多智能体在协同交互模式下，实现全网电压一致性和负荷比例分享的二次控制。两级多智能体的结构与功能如下：(1)每个分布式发电逆变器控制单元连接一个一级单元控制智能体，确定和和执行就地分散控制即主控；该单元控制智能体被设计为具有反应层和审议层的混合型bdi智能体，反应层包含“感知、识别和执行”模块，能对运行环境的变化快速做出反应，因此保证单元系统对环境变化的自适应性；审议层包含“信念，愿望和意图”功能模块，能够将分布式发电单元状态处理为知识信息，并以此来智能地决策和执行单元系统就地分散动态控制。(2)每个一级智能体又连接一个二级分布式协调控制智能体，通过信息网络系统只与其相邻的二级多智能交互信息，主要负责全网电压一致性调节和负荷比例分享即二次控制；其结构设计为由“信念，愿望和意图”功能模块组成的bdi智能体，其“信念”模块过滤和筛选来自信息系统的标准化知识信息，基于“信念”的有用标准化知识信息，根据二级智能体电压一致性调节和负荷比例分享的控制的“愿望”，在“意图”模块智能地决策和执行二次控制。

本发明构建的多智能体控制架构，纵向智能体之间为“主从”交互方式，即二级智能体向一级智能体发送分布式协调一致性控制策略，一级智能体接收该策略，并基于逆变器单元下垂特性合成改进的外环下垂控制器，之后再把参考电压和参考电流送给内环电压/电流控制器，进而执行分布式协调二次控制和分散就地控制；而横向同级多智能体之间为“非主从”交互方式，即它们具有平等的交互权利。

设计分布式协调二次控制策略的实施方案：对应图1所示的两级多智能体的控制架构，以第j个分布式发电逆变器控制单元作为研究例子，设计分布式协调控制方案为图2所示。本发明二次控制的目的是基于信息网络系统实现电压一致性调节和负荷的比例分享，故以下分别给出电压一致性和负荷电流比例分享控制策略的设计方法。

(1)电压一致性控制策略

在信息物理系统深度融合背景下，考虑信息系统网络拓扑结构的变化，把信息网络的切换信号定义为分段联系函数σ(t)，所以具有切换拓扑的信息网络则描述为ψσ(t)，且每个切换前后对应的网络具有连通性。此外，考虑到信息系统传输时滞的时变性，定义0≤τ(t)≤τ,0≤t≤∞,其中τ为上限值，因此需要用可获得的ujv(t-τ(t))来代替ujv(t)。基于拓扑切换和传输时滞不确定性的信息网络系统，本发明提出基于牵制的电压一致性控制策略。

电压一致性控制下第j个逆变器单元系统的母线电压动态特性被描述为

其中，vj(t)为第j个逆变器单元系统的母线电压(标幺值)；ηδujv(t)为受制于执行器饱和性的一致性控制策略。对应正的标量δ，执行器的饱和性ηδ:r→r.被描述为

其中

基于牵制的电压一致性控制策略设计为

其中，j∈{1,2,…,n}；vj(t)＝0,ift＜0；kj,σ(t)电压控制增益；vref全网电压一致性调节的参考电压。

第j个逆变器单元母线电压与参考电压之间的差值为：则全网电压动态可描述为：

其中，πσ(t)＝kσ(t)γ(t)(lσ(t)+fσ(t))；

kσ(t)＝diag[k1,σ(t),k2,σ(t),…,kn,σ(t)]；γ(t)＝diag[γ1(t),γ2(t),…,γn(t)]；fσ(t)＝diag[f1,σ(t),f2,σ(t),…,fn,σ(t)]。

定理1：针对全网电压动态调节动态(5)，基于电压一致性控制策略(4)，假如存在矩阵y∈r^n×n和对称正定矩阵p,q,x,z∈r^n×n满足

和

其中，φ11＝2pπσ(t)+τx+y+y^t+q,φ12＝φ21＝pπσ(t)-y,则可得到电压一致性调节limt→∞vj(t)≡0，其中j∈{1,2,…,n}。

根据定理1，当信息系统网络拓扑确定，通过合理选择kσ(t)使传输时滞能够满足上限τ的要求，进而kσ(t)被确定。

(2)负荷电流比例分享控制策略

由于二次控制是为了同时保证电压一致性调节和负荷电流比例分享，因此在设计电流比例分享时，仍然基于与电压一致性调节同样的网络拓扑，只是具有不同的网络权重关联矩阵，此时信息网络描述为：且

基于电流比例分享控制策略的第j逆变器单元电流动态描述为

其中ijpu(t)为第j逆变器单元电流；ηηujc(t)电流比例分享控制策略。

考虑网络传输时滞不确定性，电流比例分享控制策略为

其中，j∈{1,2,…,n}；为控制增益。

对于电流比例分享，定理1仍然满足，只是在线性矩阵不等式中，其中，根据定理1选取合适的控制增益来满足传输时滞上限τ的要求。

设计改进的外环下垂控制器的实施方案：本发明一级主控是由外环改进下垂控制器和内环电压/电流控制器组成，外环控制器为内环提供电压和电流参考值，下面给出外环改进的下垂控制器的设计方法。

在分布式发电之间不相等的额定电压和线路负荷分布会导致电流严重脱离比例分享值。尽管这个问题可以通过增大下垂特性增益来解决，然而较大的下垂增益带来了很大的电压跌落。因此本发明提出利用二级一致性控制策略构建改进的下垂控制器

其中，dj下垂控制器增益；ujref额定电压，也为内环控制器的参考电压；kj为电压转移控制器增益；k∈ωj,ωj为与第j分布式协调智能体相邻的二级智能体集合，总数为mj。

与传统的下垂特性比较，改进的下垂控制器(9)具有一个电压提升项也称之为电压转移控制器，该控制器由所有相邻二级智能体传送的其逆变器单元电流标幺值以及第j个逆变器额定电流来构成。转移控制器增益kj基于下面准则来确定.

(1)电压转移控制器应该尽可能逼近djijratedijpu，以确保电压降落被完全补偿，进而使运行电压靠近或等于其额定值。

(2)所有的分布式发电逆变器下垂特性的电压提升值应该相等，以确保电压转移不影响电流分享，即

(3)转移控制器增益应该比下垂增益小，即

kj≤djj∈{1,2,…,n}(11)

基于设计的电压转移控制器，当负荷增加时，可以适当提升电压值，使运行电压接近或等于其额定值。

根据改进的下垂控制器，内环参考电压的设定值为

代方程(1)and(7)到eq.(12),则内环参考电压值确定为

内环电流参考值为

方程(13)和(14)显示：在本发明提出的基于两级智能体的控制中，一级单元控制智能体需要依托二级所有相邻的智能体发送来的一致性控制策略，构建改进的下垂控制器，进而实现下垂特性的有效补偿，在此基础上提供给内环控制器的参考值；内环控制器根据外环下垂控制器提供的电压、电流参考值，再进行有效动态调节。该过程说明逆变器单元的电压和电流是按照相邻多智能体的交互信息来进行实时调节的，故称之为分布式协调控制。

设计内环电压/电流控制器的实施方案：以下给出内环电压/电流控制器设计方法。

为了不失一般性，假设第j个分布式发电与相邻的m-1个分布式发电通过传输线(rjk＞0，ljk＞0,k∈ω{1,2，,...m},k≠j)相连接。第j个分布式发电逆变器单元电路结构图如图3所示，其通过一个lc滤波器给连接在pcc点的内部负荷供电。

第j个分布式发电逆变器单元的动态方程如下

其中，方程所有的参数和变量已标注在图3中；并定义：δuj＝uj-ujref；δitj＝itj-ijref。

由于ijk为第j和第k个直流母线之间的电流，即dijk/dt＝-dikj/dt＝0，则

ijk＝-ikj＝(uk-uj)/rjk(16)

由于全网的电压一致性依靠二次控制来保证，这将使得δij很小，因此方程(15)中的δij可以处理为电流扰动，则第j个分布式发电逆变器单元的动态方程可描述为

其中，xj(t)＝[δuj(t),δitj(t)]^t为状态变量；为控制输入；ωj(t)＝δij扰动向量；矩阵系数如下：

电压/电流控制器设计为

其中，gj∈r^1×2是控制器增益。

在控制器(19)下的第j个分布式发电逆变器单元的动态方程为

其中

为了鲁棒控制的目的，这里给出h∞控制指标为

其中，tf为控制终止时间；qj＝qj^t＞0和pj＝pj^t＞0为权重矩阵；ρj鲁棒性能指标。

定理2：第j个分布式发电逆变器控制单元(20)对任何扰动具有(21)所描述的鲁棒稳定性能，只是存在pj＝pj^t＞0满足下列线性矩阵不等式

上述定理2的控制器设计问题可转化为lmi凸优化问题：

subjecttopj＝pj^t＞0and(22).(23)

通过求解(23)的凸优化问题，则可得到内环控制器参数。

基于两级智能体的第j个分布式发电逆变器控制单元的分布式协调控制策略执行框图如图4所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明较佳实施方案而已，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。