微電網運行與控制3

1、2014-2015學年 第一學期2/8/20221第一章第一章 微電網概述微電網概述第二章第二章 微電網組成元件微電網組成元件第三章第三章 微電網基本控制方法微電網基本控制方法第四章第四章 微電網多代理優(yōu)化控制方法微電網多代理優(yōu)化控制方法第五章第五章 微電網保護微電網保護2/8/202223.1 3.1 微電網的運行狀態(tài)微電網的運行狀態(tài)3.2 3.2 微電網控制方式微電網控制方式2/8/20223p 并網運行狀態(tài)并網運行狀態(tài)p 離網運行狀態(tài)離網運行狀態(tài)p 并網并網離網狀態(tài)離網狀態(tài)p 離網離網并網狀態(tài)并網狀態(tài)p 故障故障/檢修狀態(tài)檢修狀態(tài)p 大電網直供負荷狀態(tài)大電網直供負荷狀態(tài)2/8/20224

2、過渡狀態(tài)非正常狀態(tài)正常狀態(tài)2/8/20225 并網狀態(tài)運行于聯(lián)網模式時，母線電壓頻率和負載由大電網母線電壓頻率和負載由大電網支撐。微網一般被要求控制為一個“好公民”或者“模范公民”。作為“好公民”時，微網在與配電網連接時需滿足配電網的接口要求，同時不參與主電網的操作。此時，微網應能實現減少電能短缺、提高當地電壓質量和不造成電能質量的惡化等目標。作為“模范公民”時，要求微網能為大電網提供一些輔助操作，例如：參與大電網的電壓和頻率調節(jié)參與大電網的電壓和頻率調節(jié)，參與維持整個電網穩(wěn)定運行，提高故障承受能力等等2/8/20226 離網狀態(tài) 運行于孤島模式時，微網必須能維持自己的電壓和頻率自己的電壓和頻

3、率。在傳統(tǒng)電網中，頻率能通過大型發(fā)電廠內擁有大慣性的發(fā)電機來維持，電壓通過調節(jié)無功功率來維持。在微網中，由于采用大量電力電子設備作為接口，其系統(tǒng)慣性小或無慣性、過載能力差、以及采用可再生能源發(fā)電的分布式電源輸出電能的間歇性和負載功率的多變性增加了微網頻率和電壓控制的難度。而且配電網線路阻抗呈阻性配電網線路阻抗呈阻性，使電壓不僅與無功功率有關也與有功功率有關，控制電壓需要通過控制有功和無功功率有功和無功功率兩個方面來完成。2/8/20227 切換狀態(tài) 微網運行在兩種模式之間切換的暫態(tài)時，維持微網穩(wěn)定維持微網穩(wěn)定是其最主要的問題是其最主要的問題。 如果微網在聯(lián)網運行時吸收或輸出功率到電網，當微網突

4、然從聯(lián)網模式切換到孤島模式時，微網產生的電能和負微網產生的電能和負荷需求之間的不平衡將會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定荷需求之間的不平衡將會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，此時設計合理微網結構和采用恰當的控制方法是非常重要的。 當微網從孤島模式重連到大電網，如何與電網同步電網同步是其主要問題。目前，儲能裝置對缺少慣性的微網是維持其暫態(tài)能量平衡的必要元件。2/8/202283.1 3.1 微電網的運行狀態(tài)微電網的運行狀態(tài)3.2 3.2 微電網控制方式微電網控制方式2/8/20229（一）主從控制（一）主從控制1、以分布式電源作為主控制器、以分布式電源作為主控制器2、以中心控制器作為主控制器、以中心控制器作為主控制器（二）（二）

5、 對等控制對等控制1、分層協(xié)調控制、分層協(xié)調控制2、自治協(xié)調控制、自治協(xié)調控制2/8/202210主從控制就是微網的控制系統(tǒng)中存在某一個控制器為主控制某一個控制器為主控制器，其余為從控制器器，其余為從控制器，主從控制器之間一般需要通信聯(lián)系，且從控制器服從主控制器。l 以分布式電源作為主控制器l 以中心控制器作為主控制器2/8/202211 以分布式電源作為主控制器微網底層分布式電源的控制是一種主從控制結構。由于這種主從控制存在于分布式電源層，所以其通信聯(lián)系是強聯(lián)系通信聯(lián)系是強聯(lián)系，一旦通信失敗，微網將無法正常工作。2/8/202212p 主單元分布式控制策略聯(lián)網運行時微網中所有分布式電源采用P

6、Q控制控制，即微網不參與系統(tǒng)頻率調節(jié)，只輸出指定的有功和無功功率；在孤島運行時主單元采用采用 V/f 控制控制維持系統(tǒng)的電壓和頻率恒定。 p 恒功率控制控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率。2/8/202213有功功率控制器調整頻率下垂特性曲線使分布式電源輸出的有功功率始終維持在參考有功功率控制器調整頻率下垂特性曲線使分布式電源輸出的有功功率始終維持在參考值附近；無功功率控制器則調整電壓下垂特性曲線使無功功率也維持在相應值附近；無功功率控制器則調整電壓下垂特性曲線使無功功率也維持在相應的參考值附近。的參考值附近。 V/f 控制控制2/8/202214V/f控制原理基本思

7、想：輸出電壓的幅值和頻率一直維持不變基本思想：輸出電壓的幅值和頻率一直維持不變分布式電源輸出的有功功率從 P1變化到 P3，無功功率從 Q1變化到 Q3，其輸出的頻率始終為 50Hz，電壓幅值為額定值。p 恒功率控制恒功率控制2/8/202215 V/f 控制方法控制方法12/8/202216分布式電源不管系統(tǒng)負荷功率如何變化，其端口輸出的電壓和頻率一直維持恒定p 當負荷需求量小于發(fā)電量時，主單元吸收剩余電能；p 負荷需求量大于發(fā)電量時，主單元則提供更多電能；2/8/202217主單元相當于無窮大母線；在動態(tài)過程中，由于這種方法使用鎖相環(huán)（PLL）檢測系統(tǒng)頻率作為逆變器頻率的參考輸入，所以采用

8、這種控制方法電壓的幅值在動態(tài)程中變化更小。p 恒功率控制恒功率控制當系統(tǒng)頻率為 50Hz、分布式電源的端口電壓為額定值，分布式電源運行在 B 點，輸出的有功功率和無功功率分為 Pref、Qref；當系統(tǒng)的頻率增加，且分布式電源的端口電壓幅值增大，此時分布式電源運行點將由 B點向 A 點移動，輸出的有功和無功依然為 Pref、Qref；當系統(tǒng)的頻率減小，且分布式電源的端口電壓幅值減小，分布式電源運行點將由 B 點向 C 點移動，輸出的有功和無功依然為 Pref、Qref；2/8/202218p 該控制方法需要系統(tǒng)中有維持電壓和頻率的分布該控制方法需要系統(tǒng)中有維持電壓和頻率的分布式電源或電網式電源

9、或電網p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 上層管理系統(tǒng)管理底層多個分布式電源和各類負荷的一種控制方法，所以底層分布式電源與上層管理系統(tǒng)之間亦需要通信聯(lián)系。但是這種通信聯(lián)系是弱聯(lián)系，即使短時間通信失敗，微網仍能正常運行。2/8/202219p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 2/8/202220 上層中心控制器上層中心控制器根據分布式電源原動根據分布式電源原動機的輸出功率和微網機的輸出功率和微網內的負荷需求變化調內的負荷需求變化調節(jié)底層分布式電源控節(jié)底層分布式電源控制器的穩(wěn)態(tài)設置點和制器的穩(wěn)態(tài)設置點和切聯(lián)負荷。切聯(lián)負荷。 微網內供需平衡微網內供需平衡動

10、態(tài)調節(jié)依靠底層分動態(tài)調節(jié)依靠底層分布式電源控制器來完布式電源控制器來完成。底層的分布式電成。底層的分布式電源控制器可以采用主源控制器可以采用主從控制也可采用對等從控制也可采用對等控制控制。 p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 2/8/202221p 日本微網展示項目分層控制日本微網展示項目分層控制中心控制器首先對發(fā)電單元的發(fā)電量和負荷需求量進行預測，然后制定相應實時運行計劃，控制分布式電源、負荷和儲能裝置的起停，同時控制微網內的電壓和頻率并為系統(tǒng)提供相關保護功能。p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 2/8/202222p 歐盟多微網項目三層控制方法歐

11、盟多微網項目三層控制方法l 最上層為中壓配電網監(jiān)控中心l 中間層是單個微網的中心控制器（MGCC ,micro grid central controller）l 分布式電源和負荷的當地控制器（LC）p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 2/8/202223p 歐盟多微網項目三層控制方法歐盟多微網項目三層控制方法l 中壓配電網監(jiān)控中心配電網絡操作人員（DNO）和市場管理人員（MO）可在此層完成相應的調度管理。主要負責根據市場和調度要求來管理和調度系統(tǒng)中的多個微網l 中壓配電網監(jiān)控中MGCC）微網中心控制器負責最大化微網價值的實現和優(yōu)化微網操作，它的功能主包括：1）根據市場電

12、價、配電網絡操作人員的要求及負荷預測并優(yōu)化微網中分布式電源的發(fā)電量；2）通過改變分布式電源有功功率和無功功率的輸出設置點和切聯(lián)負荷實現二次頻率調整。p 以中心控制器作為主控制單元以中心控制器作為主控制單元 2/8/202224p 歐盟多微網項目三層控制方法歐盟多微網項目三層控制方法l 分布式電源和負荷的當地控制器（LC）負責分布式電源的正常運行，而負荷控制器則按照中心控制器的指令斷開或重聯(lián)負荷，需要具備自治控制能力自治控制能力分層控制方案的軟件采用多多agent技術技術實現2.1 主從控制l 以分布式電源作為主控制器l 以中心控制器作為主控制器2.2 對等控制l 分層協(xié)調控制l 自治協(xié)調控制2

13、/8/202225定義：定義： 每個分布式電源有相等的地位，沒有一個單元像主控制單元或中心儲能單元那樣對微網有著特別重要的作用。同時這種控制方法能讓微網具有“即插即用”的功能。 “即插即用”：能量平衡的條件下，微網中的任何一個分布式電源在接入或斷開時，不需要改變微網中其它單元的設置2/8/202226p 要求分布式電源采用本地變量進行控制，不同分布式電要求分布式電源采用本地變量進行控制，不同分布式電源之間沒有通信聯(lián)系源之間沒有通信聯(lián)系。p 離網運行時，離網運行時，DG采用相同的控制方法，母線電壓幅值采用相同的控制方法，母線電壓幅值和頻率由所有分布式電源和當地負荷控制共同決定和頻率由所有分布式電

14、源和當地負荷控制共同決定逆變器接口控制策略：逆變器接口控制策略：p 下垂控制下垂控制 f-P,V-Q下垂控制下垂控制 P-f,Q-V下垂控制下垂控制p 虛擬發(fā)電機控制虛擬發(fā)電機控制2/8/2022272/8/202228 它利用分布式電源輸出有功功率和頻率呈線性關系而無功功率和電壓幅值成線性關系的原理而進行控制。分布式電源輸出有功和無功功率分別增加時，分布式電源的運行點由A點向B點移動。該控制方法由于其具有不需要分布式電源之間通信聯(lián)系就能實施其控制的潛力p下垂控制下垂控制2/8/202229p下垂控制下垂控制 2/8/202230p下垂控制下垂控制頻率-有功下垂電壓-無功下垂有功-頻率下垂無功

15、-電壓下垂2/8/202231p下垂控制下垂控制對于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其輸出為分布式電源參考有功和無功功率，所以必須增加內環(huán)控制器才可能控制其接口逆變器。p頻率頻率-有功有功 電壓電壓-無功無功 控制實現控制實現2/8/202232p下垂控制下垂控制對于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其輸出為分布式電源參考有功和無功功率，所以必須增加內環(huán)控制器才可能控制其接口逆變器。p有功有功-頻率頻率 無功無功-電壓控制實現電壓控制實現2/8/202233對于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其輸出為分布式電源參考有功和無功功率，所以必須增加內環(huán)控制器才可能控制其接口逆變器。p有功有

16、功-頻率頻率 無功無功-電壓控制實現電壓控制實現p 虛擬同步發(fā)電機控制 控制目標：逆變器接口模擬同步發(fā)電機特性，提高分微電網的系統(tǒng)慣性，從而提高微電網的控制穩(wěn)定性。2/8/202234p 虛擬同步發(fā)電機控制2/8/202235虛擬同步發(fā)電控制思想p 虛擬同步發(fā)電機控制2/8/202236虛擬同步發(fā)電機控制策略2/8/202237p下垂控制下垂控制p兩種下垂控制對比兩種下垂控制對比 對于逆變器接口的分布式電源來說，它們不是傳統(tǒng)的發(fā)電機，沒有轉子運動方程，而微網在孤島運行時必須控制系統(tǒng)的頻率和電壓。如果采用 f-P 和 V-Q 下垂控制必須設計內環(huán)控制器，通過內環(huán)控制器模擬轉子運動方程來實現其控制

17、，因此該控制方法依賴于內環(huán)控制器的設計 f-P 和 V-Q 控制方法需要足夠精確的頻率測量裝置確?？刂撇呗缘膶嵤?f-P 和 V-Q 控制方法可能在系統(tǒng)孤島模式運行并且空載時引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，因為這時網絡阻抗將變得無窮大，小的電流變化將導致大的電壓變化。而 P-f 和 Q-V 下垂控制可以應用單環(huán)控制器直接控制其分布式電源接口逆變器，控制器設計簡單。 P-f 和 Q-V 下垂控制方法時，多個分布式電源將同時參與系統(tǒng)的頻率調節(jié)P-f 和和Q-V下垂控制是目前微電源逆變器的主流控制方法下垂控制是目前微電源逆變器的主流控制方法主從控制策略和對等控制策略對比：p 以一個分布式電源為主控制單元主從控制：底

18、層分布式電源之間需要強的通信聯(lián)系，增加成本，降低可靠性，并且由于采用這種控制方法，整個系統(tǒng)對主單元有很強的依賴性，主控制單元控制失效和通信失敗，整個微網就會癱瘓p 以中心控制器為主控制單元的主從控制策略，由于其通信聯(lián)系不是強聯(lián)系，中心控制器能起到管理微網的作用，隨著微網概念的發(fā)展，這種分層控制系統(tǒng)是一個很好的選擇p 對等控制：分布式電源之間不需要通信聯(lián)系就能實現功率共享，不同分布式電源之間地位相等，控制具有冗余性2/8/2022382014-2015學年 第一學期2/8/202239第一章第一章 微電網概述微電網概述第二章第二章 微電網組成元件微電網組成元件第三章第三章 微電網基本控制方法微電

19、網基本控制方法第四章第四章 微電網多代理優(yōu)化控制方法微電網多代理優(yōu)化控制方法第五章第五章 微電網保護微電網保護2/8/202240 4.1 agent 基本理論 4.2 多agent技術在微電網中的應用2/8/202241 Agent 概念首先是由麻省理工學院的著名計算機學家和人工智能學科創(chuàng)始人之一的minsky提出來的。 Agent 是駐留于環(huán)境中的實體,既可以是硬件也可以是軟件 弱定義：具有自主性、社會性、反應性和能動性等基本特性 強定義：除了上述基本特性之外,還具有理性、信念、通信能力等人類特冇的一些特性2/8/202242（1 1）自主性；）自主性；（2 2）交互性；）交互性；（3 3

20、）反應性；）反應性；（4）社會性；）社會性；（5）環(huán)境協(xié)調性）環(huán)境協(xié)調性；2/8/202243pAgent 特征特征2/8/202244pAgent 體系結構體系結構單單Agent的工作過程的工作過程2/8/202245單單Agent的工作過程的工作過程pAgent 體系結構體系結構 多代理系統(tǒng)多代理系統(tǒng)MAS(MULTI-Agent-system)包含了多個包含了多個Agent,是由具有不同信息或不同利益的多個是由具有不同信息或不同利益的多個自治實體組成的網絡系統(tǒng)，是一個松散耦合的的分布式交自治實體組成的網絡系統(tǒng)，是一個松散耦合的的分布式交互系統(tǒng)。互系統(tǒng)。 2/8/202246 多代理系統(tǒng)多

21、代理系統(tǒng)MAS(MULTI-Agent-system)特點：特點：p Agent 都具有自治性和主動性都具有自治性和主動性p 系統(tǒng)內部的交互性和系統(tǒng)整體的封裝性系統(tǒng)內部的交互性和系統(tǒng)整體的封裝性p 每個代理之間只進行少量的信息交流每個代理之間只進行少量的信息交流p 每個代理針對不同的目標有不同的運行方式每個代理針對不同的目標有不同的運行方式 2/8/2022471+12 多代理系統(tǒng)多代理系統(tǒng)MAS(MULTI-Agent-system)結構：結構：p 集中式結構集中式結構p 分布式結構分布式結構p 混合式結構混合式結構 2/8/2022482/8/202249MAS集中式結構集中式結構2/8/

22、202250MAS分布式結構分布式結構2/8/202251MAS混合結構混合結構 MAS 中的關鍵問題：中的關鍵問題：(1)通信機制通信機制直接通信；廣播通信、公共黑板系統(tǒng)直接通信；廣播通信、公共黑板系統(tǒng)公共黑板系統(tǒng)公共黑板系統(tǒng)? ?(2)協(xié)調機制協(xié)調機制協(xié)調多個協(xié)調多個Agent 共同完成某個任務共同完成某個任務存在合作，競爭，沖突，跟從等多種情況存在合作，競爭，沖突，跟從等多種情況(3)自治機制自治機制Agent能夠對環(huán)境的做出相應的反應能夠對環(huán)境的做出相應的反應2/8/2022522/8/202253歐盟的三層微電網控制結構歐盟的三層微電網控制結構l最上層為中壓配電網監(jiān)控中心最上層為中壓

23、配電網監(jiān)控中心l中間層是單個微網的中心控制器中間層是單個微網的中心控制器（MGCC ,micro grid central controller）l分布式電源和負荷的當地控制器（分布式電源和負荷的當地控制器（LC）2/8/202254與之相對應與之相對應微電網存在三種類型的微電網存在三種類型的agent1、元件級、元件級agent分布式電源控制，發(fā)電控制，儲能元件的控制，和部分負荷控制2、微電網的整體運行、微電網的整體運行agent主要針對微電網內部的調度控制3、配電網監(jiān)控層代理、配電網監(jiān)控層代理l 根據大電網和微電網運行情況，制定調度計劃l 根據大電網和微電網運行情況，發(fā)布并網電價2/8/202255IEEE 9 節(jié)點節(jié)點micro grid 系統(tǒng)從系統(tǒng)從2/8/202256元件元件Agent 結構模型結構模型2/8/202257以光伏發(fā)電元件Agent為例:自治控制1、母線電壓大于額定值2、母線電壓恢復額定值3、光伏發(fā)電故障4、通信協(xié)商上