CN108365627A - 一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于柔性协调因子的风储孤网***协调控制方法，属于电网运行与控制技术领域。其特点是包括以下步骤：①获取风储孤网供电***的运行参数；②建立风储孤网供电***的协调控制机制；通过直接和间接作用实现上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为；③计算风储孤网供电***功率平衡的柔性协调因子；④上层协调控制智能体将柔性协调因子分配到下层储能单元分散控制智能体；⑤储能逆变器实施功率控制。本发明采用的基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，能够实现风储孤网***中各单元的协调控制，并保证了风储孤网***输出电压和频率的稳定，为风储孤网***的稳定运行提供技术依据和实用方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种风储孤网供电***的协调控制方法，特别涉及一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，属于电网运行与控制技术领域。
背景技术
在分布式能源发电中，风力发电是技术最成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目。然而，受大电网接纳能力的限制，风电大规模接入电网过程中存在的“并网难”和“弃风”等问题成为制约风电发展的重大难题。针对上述风电并网难题，国内外专家提出风储联合发电技术。随着储能装置成本的降低和技术的成熟，风储孤网发电技术作为风储联合发电技术的一种有效形式，能够为新能源分散和小规模应用提供较为灵活的运行方式，而逐步受到研究人员的广泛重视。
风储孤网***稳定运行的核心技术在于风机出力、风机及储能逆变器、储能充/放电转换三者间的协调控制策略。受自然环境及气候变化的影响，风电输出功率具有波动性、间歇性特点，由于没有大电网的支撑，风电孤立运行过程中，***功率和频率容易出现较大范围波动，难以满足负荷的需求。在风储孤网***中，储能单元的接入能够为解决由风电功率波动与负荷扰动所引起的***内功率波动和频率稳定性等问题提供了一种有效的方式。
目前国内外对风储***联合运行的研究主要集中在并网位置、运行成本、稳定运行及不同故障特性的控制策略等方面，而对风储孤网***的研究相对较少。一些文献对风储等孤立微电网的运行方式和规划配置进行研究，提出了孤立微电网的配置方案和典型网络拓扑结构；一些文献把传统电网的控制方式应用到孤立微电网中，提出孤立微电网的主从控制方法和对等控制策略；还有一些研究机构，建立了孤立微电网的实验***，从物理模拟和计算机仿真等多个角度，验证了风储孤网供电***的可行性，但限于控制方法和控制策略，有待于进一步改进，以提高实用化水平。风储孤立供电***稳定运行的核心问题在于：失去大电网支撑后，在各种外界扰动条件下，***要靠自身的调节能力，恢复稳定运行状态。传统的控制方式中，功率的调节依赖于大电网，微电网本身对外界条件的变化不敏感，调节能力有限。在上述控制方式下，风储***的运行比较脆弱，在恶劣的条件下存在运行失败的可能，应用具有较大局限性，不利于风储***的商业化运行，实用性差。
解决问题的关键是如何跟踪和响应交流***对功率平衡的需求，进行协调控制。该控制的复杂性在于，一方面，控制策略要适应多种运行工况的变动，如储能状态、风机出力变化、***负荷变化等等，运行工况不同，要求储能控制提供的功率特性也不同，而且其特性还与风储***的运行状态有关。另一方面，如何对风储孤网中的各运行单元进行协调和智能决策，采取何种控制模式建立协调控制机制，实施柔性控制，也是实现风储孤网***稳定运行的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于柔性协调因子的风储孤网***的协调控制方法。本发明采用的这种协调控制方法，综合考虑了风储孤网***中的各种功率平衡需求和运行约束，能够更有效和可靠的进行风储孤网***的协调控制，为风储孤网***的稳定协调运行提供技术依据和实用方法。
本发明提出的这种风储孤网***柔性自启动方法的基本思想是：基于多智能技术，建立风储孤网***的协调控制机制；综合考虑各种功率平衡需求，建立满足***运行约束的柔性协调因子控制方案；基于上述控制方法，来提高风储孤网供电***的可靠性和实用性。
本发明采用的技术方案是：
在风电机组和储能装置组成的孤立供电***中，在线动态的计算孤网***的平衡功率,并根据***的运行条件,采用柔性协调因子对各运行单元的功率控制参数进行动态调整，从而实现风储孤网***的协调控制和稳定运行。其特点是包括以下步骤：
步骤1)获取风储孤网供电***的运行参数；
步骤2)建立风储孤网供电***的协调控制机制；
(1)建立风储孤网供电***上层协调控制智能体；
(2)建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体；
(3)上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为通过直接作用实现；
(4)下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间的交互行为通过间接作用实现；
步骤3)计算风储孤网供电***功率平衡的柔性协调因子；
(1)上层协调控制智能体对风储孤网***下层单元智能体的有功功率进行采样；
(2)上层协调控制智能体计算平衡功率偏差；
(3)判断平衡功率偏差是否大于功率协调控制阀值，若平衡功率偏差大于功率协调控制阀值，进行步骤(4)；否则转到步骤(1)；
(4)把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子；
步骤4)上层协调控制智能体将柔性协调因子分配到下层储能单元分散控制智能体；
步骤5)储能逆变器实施功率控制。
风储孤网供电***是指由风电机组和储能***组成的独立的交流供电***。
获取风储孤网***的运行参数是指风电机组输出的有功功率、无功功率、储能***的荷电状态、风储孤网***的负荷功率、交流母线电压、频率等电网计算和控制所需要的参数。
建立风储孤网供电***的协调控制机制是指在风储孤网***中，采用基于多智能体的控制技术，进行风电功率、储能功率和负荷功率间的协调控制；
建立风储孤网供电***上层协调控制智能体是指建立风储孤网***的智能集中控制模块，实现与下层单元分散控制智能体进行通信和数据采集功能，并根据***历史和当前运行状态，进行分析和决策，并把协调控制指令发布给下层单元分散控制智能体；
建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体是指在风力发电机组、储能单元和负荷中增加独立的智能控制模块，实现各分散单元的数据采集、功率控制、与上层协调控制智能体的通信等功能；
上层协调控制智能体计算功率平衡偏差是指按如下公式进行功率平衡偏差计算：
ΔP＝KLPLOAD-KWPW-PB-KFΔF
其中：ΔP表示***协调有功功率平衡和维持***频率的过程中所需要的平衡功率差值；PLOAD为风储孤网供电***中的有功负荷功率；PW为风储孤网供电***中的风电机组有功功率；KL为负荷功率调节参数，其值由上层协调控制智能体根据***历史数据和当前运行状态，进行分析和预测得出；KW为风功率调节参数，其值由上层协调控制智能体根据***历史数据和当前运行状态，进行分析和预测得出；PB为风储孤网供电***中储能单元充放电功率和；ΔF为***频率偏差；KF为风储孤网供电***的单位调节功率。
把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子是指按如下约束进行功率分配：
其中：ΔP表示***协调有功功率平衡和维持***频率的过程中所需要的平衡功率差值；ΔPi为风储孤网***中第i个储能单元功率调节量，即分配功率的柔性协调因子；PBi为第i个储能单元的瞬时功率；PBi max为第i个储能单元的瞬时充电或放电功率极限值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，能够提高该***运行的可靠性。传统的控制方法，仅由储能***实施恒频和恒压控制，不能对外界条件变化的反应不敏感，各控制单元间缺乏协调，造成运行过程中不匹配功率较大，暂态冲击也较大。本发明通过协调控制和柔性控制因子，来减小不平衡功率的冲击，提高了***运行的可靠性。
2.本方法易于实施。本方法是在原有风储孤网控制环节基础上，建立协调控指机制和逻辑，柔性控制因子的计算简洁有效，最大化的利用原有控制***的参数和数据，从控制上易于实施。
3.本方法便于商业化开发。随着风储孤网***应用的增多，该***的控制策略的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景。
附图说明
图1是风储孤网***示意图；
图2是多智能体控制意图；
图3是基于柔性协调因子的风储孤网***协调控制指令流程图示意图；
图4是基于柔性协调因子的风储孤网***的交流母线侧负载有功功率仿真曲线图。
图5是基于柔性协调因子的风储孤网***的***交流侧频率仿真曲线图。
图6是基于柔性协调因子的风储孤网***的交流负载侧输出三相电流仿真曲线图。
图7是基于柔性协调因子的风储孤网***的的交流负载侧输出三相电压仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实验对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1-7所示，一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1)获取风储孤网供电***的运行参数；
步骤2)建立风储孤网供电***的协调控制机制；
(1)建立风储孤网供电***上层协调控制智能体；
(2)建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体；
(3)上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为通过直接作用实现；
(4)下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间的交互行为通过间接作用实现；
步骤3)计算风储孤网供电***功率平衡的柔性协调因子；
(1)上层协调控制智能体对风储孤网***下层单元智能体的有功功率进行采样；
(2)上层协调控制智能体计算平衡功率偏差；
(3)判断平衡功率偏差是否大于功率协调控制阀值，若平衡功率偏差大于功率协调控制阀值，进行步骤(4)；否则转到步骤(1)；
(4)把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子；
步骤4)上层协调控制智能体将柔性协调因子分配到下层储能单元分散控制智能体；
步骤5)储能逆变器实施功率控制；
风储孤网供电***是指由风电机组和储能***组成的独立的交流供电***。
获取风储孤网***的运行参数是指风电机组输出的有功功率、无功功率、储能***的荷电状态、风储孤网***的负荷功率、交流母线电压、频率等电网计算和控制所需要的参数。
建立风储孤网供电***的协调控制机制是指在风储孤网***中，采用基于多智能体的控制技术，进行风电功率、储能功率和负荷功率间的协调控制；
建立风储孤网供电***上层协调控制智能体是指建立风储孤网***的智能集中控制模块，实现与下层单元分散控制智能体进行通信和数据采集功能，并根据***历史和当前运行状态，进行分析和决策，并把协调控制指令发布给下层单元分散控制智能体；
建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体是指在风力发电机组、储能单元和负荷中增加独立的智能控制模块，实现各分散单元的数据采集、功率控制、与上层协调控制智能体的通信等功能。
上层协调控制智能体计算功率平衡偏差是指按如下公式进行功率平衡偏差计算：
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把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子是指按如下约束进行功率分配：
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图1是风储孤网***示意图，风储孤网***的***构成主要包括：风力发电***、储能单元和负载等。
独立风储微电网***主要由风力发电机、整流与逆变控制***、储能***及交流负荷组成；储能***作为能量转换装置连接在交流母线上，既可以存储风电机组发出的多余电量、平抑***功率波动和改善电能质量，又可以在极端气候条件下向负荷供电，维持***电压和频率的稳定，保证风储孤网***的供电质量以满足负荷的用电要求。然而，受风力资源随机性、波动性以及风电机组本身特性的影响，单一独立风储微电网***运行可靠性差。针对此种情况，可以将多个风电机组或者风电机组与其它可再生能源结合用于独立微电网***中，以解决单一独立微电网***运行可靠性差的问题。
风储孤网***的结构示意图如图1所示。风储孤网***主要由风力发电***、储能单元和负载组成。与双馈风力发电机组相比，直驱永磁风力发电机组因省去电刷、滑环和齿轮箱，从而大大减少***的维护费用，提高***的可靠性，在本文中风电机组采用直驱永磁风力发电机组。
在风储孤网***中，直驱永磁风力发电***主要由风力机、直驱永磁风力发电机、机侧整流器、网侧逆变器和滤波装置组成；储能单元主要由蓄电池、DC/DC双向变流器、储能逆变器和滤波装置组成，直驱永磁风力发电机与储能单元共同经过交流母线向负载供电。
风储孤网***工作过程如下：风力机从自然风中捕获最大机械功率，并将产生的机械功率通过主轴传送给发电机组，发电机组发出的电经过背靠背变流器控制电路和滤波装置向负载供电；而储能单元通过采集交流母线侧电压和电流信号来控制储能逆变器的各桥臂的通断以达到抑制因风速的突变而导致的风电输出功率的波动，同时，储能单元还可以作为备用电源，当风电出力过大时，储能单元可以吸收风电发出的多余功率；当风电出力过小时，储能单元可以输送存储的功率向负载供电。
图2是多智能体控制意图；“多智能体”，一般专指多智能体***(或多智能体技术。多智能体***是分布式人工智能的一个重要分支，是20世纪末至21世纪初国际上人工智能的前沿学科。研究的目的在于解决大型、复杂的现实问题，而解决这类问题已超出了单个智能体的能力。多智能体***是多个智能体组成的集合，它的目标是将大而复杂的***建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的***。多智能体的研究涉及智能体的知识、目标、技能、规划以及如何使智能体采取协调行动解决问题等。主要研究智能体之间的交互通信、协调合作、冲突消解等方面，强调多个智能体之间的紧密群体合作，而非个体能力的自治和发挥，主要说明如何分析、设计和集成多个智能体构成相互协作的***。
多智能体技术是通过各智能体的自主行为以及各单元智能体之间的协调、控制和调度等来实现***的功能的行为特征。作为人工智能***的一个重要分支，多智能体技术因能够很好的解决控制***的协调控制以及通信问题而成为未来的重点研究方向。基于多智能体技术的诸多优点，将其应用于风储孤网***的协调控制中不仅可以解决传统协调算法存在的通信滞后问题，还可以分层实现风储孤网***的协调控制。
基于多智能体技术的风储孤网***协调控制可以通过两层智能体实现：上层协调控制智能体、下层单元分散控制智能体。在风储孤网***中，下层单元智能体分散控制是通过设计风力发电***和储能单元的逆变器接口及负荷端口来实现的，下层单元智能体分散控制主要是实现风储孤网***中风力发电***和储能单元各单元功率及电压输出控制、***功率采样以及交流母线电压采样。上层协调控制智能体通过对任意时刻风储孤网***下层单元智能体的有功功率采样值及电压采样值进行相关计算，通过决策模块及协调控制指令模块发布动作执行命令，并通过通讯通道将指令发送至下层单元分散控制智能体。在风储孤网***中，上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间存在交互行为，且上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为是通过直接作用实现的，下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间的交互行为是通过间接作用实现。上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体交互过程。在基于柔性协调因子的风储孤网供电***中，下层单元分散控制智能体能实现下层单元与外部环境的感知与交互，也可以实现风储孤网***中各单元智能体的控制，从而保证了风储孤网***输出电压和频率的稳定。与此同时，上层协调控制智能体能够实现对下层单元分散控制智能体中各单元运行及扰动情况下的有功功率差额进行判断，并控制指令模块发布动作执行命令，当下层单元分散控制智能体接收到上层协调控制智能体的动作执行命令后，对储能***进进行充放电控制，从而实现风储孤网***的协调运行；
图3是基于柔性协调因子的风储孤网***协调控制指令流程图示意图；
基于多智能体技术的风储孤网***的原理及交互应答过程后，如何实现基于多智能体技术的风储孤网***协调控制指令的设计是保证风储孤网***协调运行的关键。在风储孤网***中有功功率协调控制指令的生成主要由上层协调控制智能体的有功平衡功率差额计算模块、决策模块及协调控制指令等模块决定，基于多智能体技术的风储孤网***协调控制指令生成过程如下：上层协调控制智能体通过对任意时刻风储孤网***下层单元智能体的有功功率采样值进行做差及判断，并通过决策模块及协调控制指令模块给出双向DC/DC变流器充/放电的触发信号控制指令；在下层单元分散控制智能体接收到上层协调控制智能体的动作执行命令后，通过协商层及反应层控制储能***的充放电。具体步骤如下：
(1)获取风储孤网供电***的运行参数；
(2)建立风储孤网供电***的协调控制机制；
(3)计算风储孤网供电***功率平衡的柔性协调因子；
1)上层协调控制智能体对风储孤网***下层单元智能体的有功功率进行采样；
2)上层协调控制智能体计算平衡功率偏差；
3)判断平衡功率偏差是否大于功率协调控制阀值，若平衡功率偏差大于功率协调控制阀值，进行步骤4)；否则转到步骤1)；
4)把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子；
(4)上层协调控制智能体将柔性协调因子分配到下层储能单元分散控制智能体；
(5)储能逆变器实施功率控制；
根据图1中的***框图搭建以风电机组、储能单元和负载为主要***构成的风储孤网模型，其中风力发电***采用直驱永磁风力发电机组，因可以省去电刷、滑轮和齿轮箱等，能够大大减少***的维护费用和提高***的可靠性。
基于柔性协调因子的风储孤网***中的风力发电***主要采用的是背靠背变流器的控制策略，风力发电***背靠背变流器主要包括发电机侧整流器及网侧逆变器，机侧整流器与网侧逆变器之间通过直流侧电容连接。发电机侧整流器的主要作用是实现发电机有功功率的控制，为减小发电机的功率损耗；网侧逆变器的主要作用是实现网侧功率因数调整或无功功率控制，提供稳定的直流电压控制，网侧逆变器采用电压外环和电流内环的PQ控制策略。
基于柔性协调因子的风储孤网***中储能单元是根据储能逆变器和双向DC/DC变流器协同工作实现储能单元有功功率的协调控制和维持交流母线侧电压和频率的稳定。其中双向DC/DC变流器采用电压外环和电流内环的控制策略，储能逆变器采用下垂控制模式。其中储能单元Agent设计在储能逆变器接口，以实现储能单元功率和电压的输出控制、***功率采样及电压采样。
根据上述的控制策略和模型选择表述，在Matlab/Simulink平台中进行***仿真模型的搭建。基本参数设定为：额定风速12m/s，风机输出额定有功功率为25kW，交流母线侧的负载初始有功功率为40kW，无功功率为0kVar，蓄电池荷电状态的初始值为80％，仿真时间为2s。
在仿真过程中，前1s内稳定运行，1s时刻将交流侧的负载有功功率减少为30KW，1.5s后交流母线侧负载恢复到初始有功功率40KW。在1s之前，***处于稳定运行状态。在1s时，交流母线侧负荷减少到30KW，在负荷突变的瞬间，频率波动幅度减小，交流负载侧的输出电流也随之减小，交流负载侧输出的三相电压在1s负荷减少的一瞬间有轻微振荡，但因模型搭建无功功率参数为0，且在基于柔性协调因子的风储孤网供电***中多智能体交互原理体系安全稳定，输出的三相电压恢复稳定运行状态。1.5s后，交流母线侧负载恢复到初始有功功率40KW，交流母线侧的频率波动幅度与1s前稳定运行状态一致，交流负载侧输出三相电流恢复到原来数值。故可得出结论，本专利基于柔性协调因子的风储孤网供电***的协调控制方法的有效性。
Claims (8)
1.一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，是指在风电机组和储能装置组成的孤立供电***中，在线动态的计算孤网***的平衡功率,并根据***的运行条件,采用柔性协调因子对各运行单元的功率控制参数进行动态调整，从而实现风储孤网***的协调控制和稳定运行；其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)获取风储孤网供电***的运行参数；
步骤2)建立风储孤网供电***的协调控制机制；
(1)建立风储孤网供电***上层协调控制智能体；
(2)建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体；
(3)上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为通过直接作用实现；
(4)下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间的交互行为通过间接作用实现；
步骤3)计算风储孤网供电***功率平衡的柔性协调因子；
(1)上层协调控制智能体对风储孤网***下层单元智能体的有功功率进行采样；
(2)上层协调控制智能体计算平衡功率偏差；
(3)判断平衡功率偏差是否大于功率协调控制阀值，若平衡功率偏差大于功率协调控制阀值，进行步骤(4)；否则转到步骤(1)；
(4)把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子；
步骤4)上层协调控制智能体将柔性协调因子分配到下层储能单元分散控制智能体；
步骤5)储能逆变器实施功率控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：步骤1)中风储孤网供电***是指由风电机组和储能***组成的独立的交流供电***。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：步骤1)获取风储孤网***的运行参数是指风电机组输出的有功功率、无功功率、储能***的荷电状态、风储孤网***的负荷功率、交流母线电压、频率等电网计算和控制所需要的参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：步骤2)中建立风储孤网供电***的协调控制机制是指在风储孤网***中，采用基于多智能体的控制技术，进行风电功率、储能功率和负荷功率间的协调控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：步骤2)建立风储孤网供电***上层协调控制智能体是指建立风储孤网***的智能集中控制模块，实现与下层单元分散控制智能体进行通信和数据采集功能，并根据***历史和当前运行状态，进行分析和决策，并把协调控制指令发布给下层单元分散控制智能体。
6.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：建立风储孤网供电***下层单元分散控制智能体是指在风力发电机组、储能单元和负荷中增加独立的智能控制模块，实现各分散单元的数据采集、功率控制、与上层协调控制智能体的通信等功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***协调控制方法，其特征在于：上层协调控制智能体计算功率平衡偏差是指按如下公式进行功率平衡偏差计算：
ΔP＝KLPLOAD-KWPW-PB-KFΔF
其中：ΔP表示***协调有功功率平衡和维持***频率的过程中所需要的平衡功率差值；PLOAD为风储孤网供电***中的有功负荷功率；PW为风储孤网供电***中的风电机组有功功率；KL为负荷功率调节参数，其值由上层协调控制智能体根据***历史数据和当前运行状态，进行分析和预测得出；KW为风功率调节参数，其值由上层协调控制智能体根据***历史数据和当前运行状态，进行分析和预测得出；PB为风储孤网供电***中储能单元充放电功率和；ΔF为***频率偏差；KF为风储孤网供电***的单位调节功率。
8.根据权利要求1所述的一种基于柔性协调因子的风储孤网供电***的协调控制方法，其特征在于：把平衡功率偏差分配到各储能单元，得到柔性协调因子是指按如下约束进行功率分配：
其中：ΔP表示***协调有功功率平衡和维持***频率的过程中所需要的平衡功率差值；ΔPi为风储孤网***中第i个储能单元功率调节量，即分配功率的柔性协调因子；PBi为第i个储能单元的瞬时功率；PBi max为第i个储能单元的瞬时充电或放电功率极限值。
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