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Multi+Agent系统在微电网协调控制中的应用研究
上海交通大学 硕士学位论文 Multi Agent系统在微电网协调控制中的应用研究 姓名：章健 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：艾芊
上海交通大学硕士学位论文摘要Multi Agent 系统在微电网协调控制中的应用研究摘 要微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统， 它可同时提供 电能和热能；其内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并 提供必需的控制；其相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可 同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。 微电网包含了以下主 要特征：1) 包含光伏、燃料电池等分布式电源。2）配备能量管理系 统，通过对大量电力电子器件的控制，解决潮流、保护等问题。3） 要求既可与大电网联网运行,又可在电网故障或需要时与主网断开单 独运行，同时要对各种分布式电源进行有效控制。由于其拥有的对可 再生能源的利用、相对较小的网损、少量的环境污染、灵活高效的能 源调度等优点，使得微电网成为一种极具优势的电网形式。 但是，其分布式特性、海量的控制数据以及灵活多变的控制方式 让以往由调度中心统一判断、调度的集中式控制方式难以实现灵活、 有效的调度。因此，通过将控制权分散到各微电网元件，由各元件根 据微电网的调度自行改变运行状态的分布式协调控制方式将有效地 解决这些问题。由此，以分布式控制为基础的系统――多代理系统 （MAS）被提出来。 MAS 在微电网的运行操作中有很大的优势。其优点为：1） 能 在不受干扰的情况下自行控制元件运行并可通过知识系统和外界环第I页上海交通大学硕士学位论文摘要境的情况,进行推理和规划,解决自身领域内的各类问题;2）可与其他 实体通信并协调合作解决复杂问题；3）针对每个微电网元件每个 Agent 都可以制定不同的控制策略， 从而让每个元件的控制达到最优。 因此，MAS 拥有的自主性、交互性、高效性等优点，将更好的 适应电力市场向分布化和层次化发展的需求。根据这些特点，本文提 出了以上级电网 Agent、微电网 Agent、元件 Agent 组成的三层多代 理控制系统，并对如何实现多代理控制和及其协调策略进行了讨论。 由于微电网中各微型电源有不同的特性， 因此本文还针对不同的 电源建立了相对应的模型，并对其并网特性进行了具体的讨论。最后 针对这些元件提出其各自的 Agent 控制功能。 在此基础上，本文提出了 MAS 在微电网中具体的结构体系。并 且，在保证微电网元件安全运行，满足电压稳定、功率平衡等约束条 件的情况下， 建立了以微电网发电效率最大化为目标的 Agent 控制模 型，并对其中各 Agent 的具体功能及其协调策略进行了讨论。随后， 通过在具体算例中对各 Agent 协调调度及运行情况的分析，验证了 MAS 可以通过对各 Agent 之间的协调控制达到能量的灵活调度并保 持微电网的高效、稳定运行。 在电力市场方面，由于在经济上的巨大潜力，微电网将成为未来 电力市场的重要组成部分。然而，随着微电网的加入，新的变化和问 题使得传统的竞价机制更加难以适应电力市场分散决策的需求。因 此，为增加电力市场的高效性、可靠性，本文提出了由上级电力市场 Agent、 微电网及发电公司 Agent 和元件级 Agent 组成的 MAS 电力市第II页上海交通大学硕士学位论文摘要场竞价体系。进而提出了基于这个体系的微电网利润最大化目标，并 针对此目标， 分别提出微电网及发电公司 Agent 利润最大化竞价策略 与微电网内部成本优化策略,并讨论了各 Agent 的具体功能。最后针 对每个策略分别用一个算例验证了其有效性。 在和上级电网并网时， 由于微电网中的电源和储能装置能够灵活 地进行功率控制，微电网将对上级配电网的电能质量等问题提供支 撑：参与配电网电压控制、参与谐波抑制、减少网损等。因此，本文 对微电网在技术和硬件两方面对上级电网的支撑进行了具体的论述。 并用一个算例对微电网在经济和系统稳定方面对上级电网的支撑进 行了验证。 最后，文章总结了研究成果并提出了微电网未来的发展方向。关键词：电力系统，多代理，微型电网，分布式电源，协调控制第III页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTRESEARCH ON THE APPLICATION OF MULTI AGENT SYSTEM IN MICROGRIDS COORDINATION CONTROLABSTRACTConsisting of loads and micro sources, Microgrid, operates as a single controllable system that provides both power and heat to its local area safely and efficiently. Its internal energy resources are transmitted by high technology power electronic devices, which require considerable operational control capabilities. Microgrid has three main characteristics: Firstly, it contains various clean and efficient energy resources, and reduces the air pollution as well as promotes the economic growth. Secondly, energy management system is introduced in Microgrid to regulate power flow and provide considerable control of it. Thirdly, Microgrid can not only be operated efficiently in its own distribution network, but also be capable of islanding operation when it is required or there are some faults in upstream network. Due to its excellent potentials, such as low network loss, less carbon emission, flexible and efficient operation, Microgrid is expected to play a significant role in future electricity supply.第 IV 页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTHowever, with its distributed characteristics and considerable control capabilities over the network operation, Microgrid can hardly be controlled under traditional control systems which are designed to handle large production units operating under central control scheme. Thus, if we can change the control mechanisms from centralized type to distributed type, the problem can be solved effectively. Therefore, based on distributed control strategy, a Multi Agent System (MAS) is presented. MAS, which contains several agents, appears to be a very useful tool for operation and control of power systems. It has several characteristics: Firstly, the agent, the essential element in MAS, has a high level of autonomy that means each agent has the capability of control over its unit operation independently by its actions. Secondly, complex coordination control issues can be solved effectively by exchanging information with agents. Thirdly, each agent in MAS has a certain behavior and tends to satisfy certain objectives by using its services, that means MAS can provides optimal control strategies with corresponding unit. Therefore, based on these merits, a Multi Agent-based control framework, including main grid agents, Microgrid agents and component level agents, is originally presented in the paper. And then the issues of how to realize the Agent control and how to improve the coordination control strategies are disscused. Since each micro-generator has different characteristics, its第V 页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTcorresponding model, including generating characteristics and paralleling characteristics, is established. Based on these models, the corresponding Agent control of each generator is introduced. Thereafter, an agent control model aiming at maximum efficiency of Microgrd is introduced, under the premise of Microgrd’s voltage stability and power balance. Accordingly, the special functions and control strategies of each agent are discussed in details. Finally, a simulation example of a particular Microgrid is performed to demonstrate the effectiveness of MAS. Refer to energy markets, Microgrid, with its great potential, is becoming an important part of future electricity markets. However, traditional bidding modes, after Microgrid participating in energy markets, becoming more difficult to adapt to the requirement of distributed bidding. Thus, in order to improve the efficiency and reliability level of electricity markets, Multi Agent-based optimization bidding strategies are presented. Then, a Multi Agent bidding System is established, including main grid market agents, middle level agents (include generation company agents and MGS agents) and component level agents. Thereafter, aiming at maximum profit of Microgrid, profit maximization mode among middle lever agents and cost minimization mode among component level agents are presented. Accordingly, special functions and bidding strategies of each agent are discussed in details. Finally, two different simulation第VI页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTexamples are performed to demonstrate the effectiveness of strategies. Thanks to its capability of flexible energy control, Microgrid, may give some supports to improve main grid power quality when it connecting to upstream grid. For example, to participate in distribution network voltage stability control, to participate in harmonic suppression, to reduce the network loss, and so on. Therefore, the specific supports in technique and hardware aspects were presented. At last, a simulation example is performed to demonstrate that the stability and economy of main grid can be improved by adding Microgrid. At the end of this dissertation, main results of the research are summarized and the further studies are prospected.KEY WORDS: power systems, multi agent, Microgrids, distributed generation, coordination control第VII 页上海交通大学硕士论文上海交通大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：章健日期： 2009 年 2 月 13 日上海交通大学硕士论文上海交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“√”） 年解密后适用本授权书。学位论文作者签名：章健指导教师签名： 艾芊日期：2009 年 2 月 13 日日期：2009 年 2 月 13 日上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论第一章 绪论1.1 项目研究意义目前，电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统，通 过复杂的功率潮流等各种控制器可对其连续调节，并对大多数干扰具有鲁棒性。 但是近年来随着电网规模的不断扩大, 超大规模电力系统的弊端也日益凸现, 成 本高、运行难度大、难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供 电需求[1-2]。降低电力生产和供应成本、实现资源的优化配置、在电力工业中引 进竞争机制，使得分布式发电技术成为电力系统中一个新的研究热点。 分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低 于 50MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行或者同时满足 这两个方面的要求。由于地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，全球 范围内正在进行电力市场化改革。降低电力生产和供应成本、实现资源的优化配 置、在电力工业中引进竞争机制，使得分布式发电技术成为电力系统中一个新的 研究热点。 的主要特点是电力的生产和使用在同一地点或限制在局部区域内， DG 并且可以经济、高效、可靠地发电。与传统的高压远距离输电系统的大型电厂、 电站相比，DG 的主要优点是：投资少、建设快、运行费用低、可靠性高。DG 可以有效配置在负荷区，增加电网的稳定性、降低系统网损、改善电网电压和负 荷功率因数、延缓系统的更新速度、增加电网可靠性和经济性[3]。 分布式电源尽管优点突出, 但本身存在诸多问题, 例如, 分布式电源单机接 入成本高、控制困难等。另外, 分布式电源相对大电网来说是一个不可控源。因 此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源, 以期减小其对大电网的 冲击；同时对分布式能源的入网标准做了规定，当电力系统发生故障时, 分布式 电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大 电网与分布式电源间的矛盾, 充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值 和效益, 在本世纪初, 学者们提出了微电网的概念。 微电网从系统观点看问题, 将发电机、 负荷、 储能装置及控制装置等结合, 形 成一个单一可控的单元, 同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电第 1 页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论源, 亦即含有电力电子界面的小型机组, 包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电 池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧, 具有低成本、低 电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行, 也可在电网故障或需要时 与主网断开单独运行[4]。微电网还可以作为一个可定制的电源, 以满足用户多样 化的需求。例如：增强局部供电可靠性、降低馈电损耗、支持当地电压、通过利 用废热提高效率、提供电压下陷的校正或作为不可中断电源。在接入问题上, 微 电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共连接点, 而不针对各个具体的微 电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题, 充分发挥了分布式电源 的各项优势, 还为用户带来了其他多方面的效益[2]。 目前，微电网研究的热点之一是可再生能源的控制和其带来的经济效益。这 些能源中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术；风力发电、光伏发电、 太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。对于使用燃料的分布式 发电技术，燃料电池和微型燃气轮机是大家比较关注的焦点。由于靠近用户，因 此提高了服务的可靠性和电能质量。随着技术的发展，微电网将成为未来电网的 发展趋势。1.2 微电网的基本原理1.2.1 微电网的基本概念目前， 国际上对微型电网的定义各不相同[5-9]。美国电气可靠性技术解决方 案联合会（ CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)给出 的定义为：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能 和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的 控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电 能质量和供电安全等的要求。 欧盟微电网项目（European Commission Project Microgrids）给出的定义是： 利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、 电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。 美国威斯康辛麦迪逊分校 （University of Wisconsin-Madison） R. H. Lasseter 的第2页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论给出的概念是：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提 供电能和热能。这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作；微电网可被 看作在电网中一个可控的单元， 它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的 需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求：增加本地可靠性，降低馈 线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或者 提供不间断电源。 图 1-1 为微电网基本结构图：图 1-1 微电网基本结构图[4] Fig.1-1 The basic structure of Microgris1.微电网中包含了光伏，小型燃气轮机和蓄电池等微电源形式的电源 2.微电网配备了能量管理系统，通过数据采集并连接到能量管理系统，可解 决电压控制、潮流控制、保护控制等一系列问题 3.在微电网中有各种不同类型的负荷，需要用不同的策略进行供电－如某些 当地的负荷可以直接进行供电 4.微电网可以通过主隔离器与主电网实行并网运行，并改善主网的电能质量第3页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论1.2.2 微电网的优点根据微电网自身的特点，以及微电网结合分布式电源的特点，微电网主要有 以下几个优点： 1. 微电网将原本分布的电源相互协调起来，加强了本地供电可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或 者提供不间断电源 2. 由于微电网采用的是当地的电力资源，可以提高发电效率，并减少由于长距离输电带来的损耗 3. 由于微电网大多数使用可再生能源－包括风能、太阳能等，因此可以减少二氧化碳的排放从而减少对环境的污染 4. 在微电网和主干网并联运行时，可以让微电网主要承担多余的峰荷，而主网只需带基本负荷即可，提高了电网的用电效率 5. 6. 为大量的分布式发电系统提供协调控制，保证配电网的有效性和安全 微电网可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要，这种聚集区可以是重要的办公区和厂区， 或者传统电力系统的供电成本太高的远郊的居民区等。 因此， 相对传统的输配电网，微电网的结构比较灵活。1.3 Multi Agent 的基本原理1.3.1 Multi Agent 的基本概念 微电网与上级电网的交互是一个分散式的控制系统。涉及到状态的预测，信 息的传递，指令的计算和执行等，为了提高分布式电源之间、电网之间的协调控 制，这就需要 Multi Agent 系统的支撑。Multi Agent 系统处理模式是近年来在社 会各领域研究的一热点，它具有很好的自主性和启发性，其目的是将大的复杂系 。在此模式下，以 统划分成小的彼此相互通信及协调的、易于管理的系统[10-11]。 往需要整个系统集中完成的任务，可以通过几个子系统来完成。不同子系统之间 既相对独立又有相互联系，相互之间只有信息的交流，通过协同合作的方式进行 工作。第4页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论1.3.2 Multi Agent 的在微电网运行中的优点相对于传统的协调控制，Multi Agent 有以下几方面优势： 1. 多代理技术的优势可以满足电力系统分布化的趋势，达到分布电源合理 利用的目的 2. 通过多代理系统的应用达到对微电网和上级电网之间、微电网与微电网 之间的协调控制 3. 通过多代理系统的应用达到对电网电能质量的优化 4. 通过多代理系统的应用加强微电网对上级电网的支撑能力改善电网的可 靠性1.4 国内外研究现状1.4.1 微电网现今发展负荷的持续增长、电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶颈 以及用户对电能质量的高标准要求, 已成为世界各国电力工业所面临的严峻挑 战。微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点, 使其在解决上述 问题方面表现出极大潜能, 是许多国家未来若干年电力发展战略的重点之一。目 前, 一些国家己经积极开展微电网研究,立足于本国电力系统的实际问题与国家 的可持续发展能源目标, 提出了各自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技 术领域, 微电网在各国的发展呈现不同特色。 （1）美国的微电网相关研究[12-13] 美国最早提出了微电网的概念, 并且是众多微电网概念中最权威的一个。美 国提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于小型微电源与负荷构 成,并引人了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国微电网实现智 能、 灵活控制的重要支撑, 美国微电网正是基于此形成了“ 即插即用” 与“ 对等” 的控制思想和设计理念。 美国对其微电网的主要思想及关键问题进行了描述和总 结, 系统地概括了美国微电网的定义、结构、控制、保护及效益分析等一系列问 题。目前, 美国微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功 检验。由美国北部电力系统承建的微电网 MAD REVER 是美国第 1 个微电网示第 5 页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论范工程, 学者们希望通过该工程进一步加深对微电网的理解, 检验微电网的建模 和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等, 并初步形成关于微电网的管理政 策和法规等, 为将来的微电网工程建立框架。从美国电网现代化角度来看, 提高 重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智 能化将是美国微电网的发展重点。 微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与 控制, 为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思 路。 （2）日本的微电网相关研究[14] 日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景, 也展开了微电网 研究, 但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化 电力需求。对于微电网的定义, 日本三菱公司将微电网从规模上分为三类：大规 模、中规模、小规模。应用的燃料为石油，煤（大规模） 、可再生能源（小规模） 。 基于该框架, 目前日本已在其国内建立了多个微电网工程。 日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统（FRIENDS－flexible reliability and intelligent electrical energy delivery system）其主要思想是在配电网 中加入一些灵活交流输电系统装置, 利用控制器快速、灵活的控制性能, 实现对 配电网能源结构的优化, 并满足用户的多种电能质量需求。目前, 日本已将该系 统作为其微电网的重要实现形式之一, 文献还将该思想与热电联供设计理念相 结合, 以期更好地实现环境友好和能源高效利用。 （3）欧洲的微电网研究 欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中 供电与分布式发电的高效紧密结合, 并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场, 共 同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电 网的重要组成[4]。目前, 欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及 通信等理论, 并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集 中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等, 为分布式电 源与可再生能源的大规模接人以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。第6页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论1.4.2 微电网的经济性分析对微电网中分布式电源的利用，将会给电网的长期投资带来潜在的效益，减 少损失，增加电能质量，同时可以通过对分布式电源的控制提高对电网潮流的处 理。这将会产生以下几方面的经济优势： （1）微电网电源的经济优势 由于微电网发电属于地区性发电，因此可以通过热电联供（CHP）提高微电 网发电的利用率，也同时可以满足一些用户需要同时供热和供电的需求[15]。通 过 CHP 可以使电能的利用效率达到 90％左右 （普通发电厂为 30％-65％） 因此， 。 微电网的地区性将会使其在发电利用效率方面比主网有更多的优势。 （2）微型电源在配电网中的经济优势 不同微型电源对配电网的影响，诸如：CHP、为电网提供电压保证和潮流传 输，通过对微型电源的调度可以提高对配电网的传输质量。同时，当微电网与配 电网并网时可以为低压电网提供有功补偿，提高配电网的电能质量。 由于分布式发电技术的逐步完善， 微电网的高效率可以为当地用户提供足够 的电能，减少了配电网由于长距离传输而带来的网损[16-17]。并且，微电网可以为 配电网维持电压稳定提供帮助，从而减少配电网由于电压下降而引起的网损。同 时，微电网的灵活调度可以为配电网提供适当的电能，这样保证了配电网的电能 质量又让电网减少由于过度发电而引起的损耗。 这样在一些偏远地区使用微电网 将会大大减少由电网传输而带来的网损。 有研究表明偏远地区使用微电网可以使 电网损耗减少 50％左右。 （3）对于孤岛运行的优势 虽然孤岛运行需要更多的自动化设备和控制， 但是对于一个非公用且电能需 求高的网络（如：医院、酒店、工厂等）来说，微电源将会持续为其提供高质量 的电能。配电网在低压电网的安全性是比较低的，并且在低压和中压电网的干扰 也十分强烈，这样就不能满足高需求用户的用电需要。即使现在的科学技术可以 保证低压电网的可靠性，但是低压电网的供电质量仍旧是个难题。通过微电网的 孤岛运行就可以避免低压电网带来的干扰提高低压用电的质量和可靠性。 在长期 的运行看来孤岛的运行方式将会使用户减少由于电能质量不合要求引起的不必 要的损失，这将使对用电质量要求较高的用户受益。第 7 页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论1.5 微电网的应用前景1.5.1 微电网经济性方面（1）经济方面 微电网的经济性是微电网吸引电力系统的关键所在。 从电力系统来说微电网 可以为电力系统提供电能支撑、提高电能质量、减少网损等。从用户来看,其效 益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质方 面。多样化的电能供给也是微电网为用户带来的另一效益。有些文献提出了较为 具体的利用微电网提供多种电能质量, 改善系统可靠性、安全性与可用性水平的 基本思想。按用户对电力供给的不同需求,负荷被分类和细化。根据这个模型可 以达到不错的经济效益。 （2）管理和市场方面 灵活协调微电网内部的能量交换与管理, 建立高效、公正、安全的市场机制, 重新定位供电方、电网及用户三者的角色与责任, 加紧制定相应的管理政策和法 规等是当前及今后一段时期的努力方向。 1.5.2 在中国微电网发展的前景 中国尚未提出明确的微电网概念, 但微电网的特点适应中国电力发展的需 求与方向, 在中国有着广阔的发展前景, 具体体现在微电网是中国发展可再生能 源的有效形式。充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、解 决农村用能及边远地区用电等均具有重要意义。目前，微电网在分布式电源上已 经有了长足的发展，尤其是在风力发电和光伏发电上[18-23]。 我国的风力发电事业在上世纪 80 年代开始发展，初期大多是安装在边远地 区供农牧民使用并独立运行的百瓦级机组。近几年来，国外风力机组逐渐引入我 国，多台风力机组安装在风力资源丰富的地区组成风电场，接入地区电网进行供 电。从 1998 年的 12.9MW 到 2007 年的 6050MW，可以看出国内的风力发电有 了巨大的发展。图 1-2 为风电装机总容量趋势图。第8页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论00装机容量/MW605000 8 01 04 07时间/年 467.2 565.6 215.5 265.8 343.1 400.3 762.9图 1-2 中国风电装机总容量趋势图 Fig.1-2 The trend chart of installed wind power capacity同样，经过十多年的努力，我国光伏发电技术也有了很大的发展，光伏电池 技术不断进步，在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生 产，其效率与发达国家相比虽然还有很大差距，但差距在不断缩小，光伏电池转 换效率不断提高。产业化方面，2000 年以后，我国光伏产业进入快速发展期， 预计到 2015 年光伏发电的总装机容量将达到 500MW 的程度。 图 1-3 为光伏发电 98 年以来总容量装机的发展趋势图。第9页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论120 102 100 80 62 60 48 40 16 19 23.5 38 30 13.3累计装机容量/MW80200 00 03 06 2007时间/年图 1-3 中国光伏发电装机总容量趋势图 Fig.1-3 The trend chart of installed photovoltaic generation capacity虽然中国可再生能源的发展潜力十分巨大，但是单个可再生电源容量小、功 率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统 安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。若能将分布式能源发电技术、储能及 电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网, 则可再生能源将充分发挥其 重要潜力。例如, 对于中国电力输送困难的偏远地区, 充分利用当地风能、太阳 能等新能源, 设计合理的微电网结构, 实现微电网供电, 将是发挥中国资源优 势、加快电力建设的重要举措。 同样，微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作 用。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电 网。设计合适的电路结构和控制, 为这些负荷提供优质、可靠的电能将成为中国 电网的发展的必由之路。1.6 本文的主要工作本文有以下几个主要的目标。 1. 如何利用 Multi Agent 去协调微电网中的电源、负荷，如何协调微电网与 主网。如何进一步提高微电网的调度。 2.考虑在微电网发电超过其网内负荷消耗时，如何参与电力市场的竞价，使第10页上海交通大学硕士学位论文第一章 绪论其能够达到利润最大化。 3.在基于 MAS 的框架下，微电网如何对上级电力系统形成有效的支撑。 因此，针对上面的几个目标，本文的主要工作可以归纳为以下几方面： 1.微电网的确定和建模 2. Multi Agent System 在微电网中的建立 3.基于 Multi Agent System 的电网协调控制的实现 4.基于 Multi Agent System 的微电网最大经济效益的实现 5.初级探讨微电网在并网运行时对上级电网的支撑能力 具体步骤如下： 第一步：首先，对于 Multi Agent 和微电网技术进行深入的研究，理解其内 涵与外延。同时对其优势、应用场合进行准确把握。然后，考察分析微电网技术 目前存在的问题，并结合微电网的特点详细研究基于 Multi Agent 控制技术在微 网中应用的必要性。最后，考察与分析目前这一领域的研究和存在的问题，并提 出白己的研究方向。 第二步：研究微电网系统的一般模型，并对其做出比较系统的总结。再分析 并结合多代理技术，全面系统的提出在微电网领域基于 Multi Agent 控制技术的 一般设计方法。 第三步： 设计用于微电网的仿真模型， 并结合多代理技术深入研究基于 Multi Agent System 的微电网与上级电网之间的协调控制的实现 第四步：通过基于 Multi Agent System 的框架，用具体仿真讨论微电网在保 证自身负荷消耗的情况下，参与电力市场竞争的实现方法。 第五步： 通过实际的仿真初步探讨微电网在与上级电网并网时对上级电网的 支撑作用。 第六步：对本课题进行总结。肯定取得的成果的同时，指出课题的不足以及 今后继续研究的方向。第11页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用第二章 Multi Agent 在微电网中的应用2.1 引言由于近年来电力网络开始拥有越来越多的分布式发电和日趋复杂的电力传 输系统[24]，这些变化将使传统的控制系统不再适应电力系统的发展。 这些改变主要表现在以下几个方面： 1. 可再生能源的在电网中的重要性越来越高； 2. 分布式电源和储能元件的增多； 3. 越来越多的小型发电机和单一用户将会成为电力市场的驱动力量之一； 4. 对电能质量的更高要求，即：更加优质的不间断供电和提高电网的自我 恢复能力； 虽然我们还没有充分认识这点，但实际上，分布式控制已经作为传统的集中 式控制的一种自然演变而开始被广泛运用。 本文主要的焦点主要集中在未来可能的电网形式DD微电网。 微电网包括了 很多复杂的电力设备，如果可以有效的控制这些电力设备在微电网中的运行，微 电网将会更加完善。在这样一种趋势下,势必要以更加有效的能量管理系 统DMAS 来保证电力系统的有效性、可靠性。因此，本章将针对这些特性具体 讨论 MAS 的基本原理、各种 Agent 具体功能、硬件配置等。从而通过对这些的 讨论建立一个基于 MAS 的微电网框架模型。2.2 Multi Agent 的基本原理2.2.1 分布式控制的必要性1） 电力系统是分阶层的[25-26] 这就是说电力系统包含了很多子系统。 例如： 传统的电力系统包括发电设备、 输电网络、配电网络。而输电网络又包括了输电线和变压器。因此，多样的子系 统就创造了信息的分层化。例如：高层次的可以管理电力的市场调度，而低层次第12页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用的只能管理配电网络的中各电力设备的运行。 分层的信息传输将会使电力系统的 调度更加具体灵活。 2）电力系统的复杂性的在逐年增长 在一个电力系统中，随着每年新的输电线、设备、负荷的投入，电力系统原 来的运行特性逐渐被改变。这将会给统一调度的管理系统带来很多困难，而分布 式管理就可以较好的解决这个问题。 3）分布式管理可以使子系统在电力系统互联网络中更加容易区分[27]。 利用分布式管理，可以比较容易的定义什么是输电系统，什么是配电系统。 因此，分布式管理应该实现以下几个功能： A 把主要的问题分解成一系列的小问题 B 可以进行相关信息的提取 C 可以管理这些信息2.2.2 Multi Agent 在微电网中的提出微电网的控制同样也是一个分布式管理的控制系统。 由于在微电网中不同微 型电源的拥有者可能有着不同的供电目的，它们各自的控制要求也是不相同的[28-29]。例如：一台要求能够不间断的供电的燃气轮机和一台为了达到自身利润的最大化而采用分时供电的燃气轮机的控制方案是不相同的。另外，在一个小范围 内有可能会出现多个微型电网，而它们之间的相互协调也需要大量的控制。 因此，为了提高分布式电源之间、电网之间的协调控制，本文将传统集中方 式的紧急控制变为分布式控制，提出了一种基于 Multi Agent 系统的分布式协调 控制。即多智能主体系统(MAS， Multi Agent System)，其目的是将大的复杂系 统划分成小的、彼此相互通信及协调的、易于管理的系统，它具有很好的自主性 和启发性。在此模式下，以往需要整个系统集中完成的任务，可以通过几个子系 统来完成。 不同子系统之间既相对独立又有相互联系， 相互之间只有信息的交流， 通过协同合作的方式进行工作[30-31]。随着 Multi Agent 技术的不断发展，其应用 范围逐渐扩大， 应用规模也不断增长。 电力系统的控制逐步由集中式转向分布式, 而不断增长的电力系统规模和不断进步的计算机技术对控制中心的要求也越来 越高。在这样一种趋势下，势必要以 MAS 系统来代替原有的集中式控制系统。第13页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用2.2.3 Multi Agent 的优点与传统的集中式能量管理相比较，多代理技术可以更好的解决问题： 1）多代理可以比集中式控制包含更多的信息[32] 如：当运用集中式控制燃气轮机热电联供的时候，集中式控制只会包含单元 具体的功率信息，但是它不会包含诸如这台发电机的温度，运行效率这方面的信 息，而这些重要的信息将会影响整个燃气轮机单元的运作。对于集中式控制来说 这些信息都是恒定量， 否则把这些信息集中处理的时候就会由于数学模型过于庞 大而不能让集中式处理在有效的时间内做出正确的判断。 虽然多代理系统在相互 传输信息的时候可能包含了更加少的内容， 但是在每个在最底层的代理中包含了 大量的所负责单元的信息， 对这些单个元件的处理将不会延长上级代理所做出的 判断，这将有助于整个系统更好的运行。 2）可以在最优化方法上和决策过程上提高效率 由于在集中式控制的时候， 大量的电力元件和监控设施都由一个控制单元处 理，各种优秀繁杂的计算方法将不会运用在集中控制中，这是因为电力系统的庞 大数据将迫使集中式处理的判断必须是简单易行的。 若为了保证电力系统运行的 可靠性，弥补由于简单判断所造成的缺陷，集中式处理将需要接受更多的信息， 这样就会减弱判断处理的实效性。 而多代理系统由于大量数据被分别放在各级代 理中处理， 这样就可以保证在一个代理中不会出现由于数据量过于庞大而处理延 时的问题。同样，由于每个代理处理数据量的减小，复杂有效的计算模型可以被 运用于最优化处理，这样就会进一步加强代理对决策控制的精确性。 3）对微电网有着很大的好处 由于每个代理都是相互独立的，当一个代理加入到微电网的时候，其他代理 就会根据所设定的逻辑关系迅速的调整控制策略。因此，在多代理系统中同一时 刻所运行的代理数就不会有限制，例如：当一个微电源代理关闭的时候，其他多 代理就会协调合作，重新组织以处理这个代理推出后所带来的能量缺口。 2.2.4 Multi Agent System 的特征及其结构分类 2.2.4.1 Multi Agent System 的特征[33-36] Multi Agent 系统由一组在逻辑上或者物理上分步的许多 Agent 组成，它们第 14 页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用通过协作共同完成共同的任务。一般认为 Multi Agent 系统将会有以下特性。 1） 每个 Agent 都具有自治性和主动性，拥有一部分解决问题的能力，能 根据自身的能力独立解决问题域中的子问题。Agent 之间的依赖性和耦合度低， 增强了整个系统的鲁棒性。例如：一个控制光伏发电元件的代理，它可以决定控 制光伏的发电量，电源的并网与断网，而不被其他代理所干扰。另外，当 Multi Agent system 中一个代理出现故障时，可以选择其他代理继续供电，而不需要停 止整个微电网的运行，增加了微电网的持续供电能力。 2） 系统内部的交互性和系统整体的封装性， Multi Agent 系统的成员 Agent 通过通信进行交互，彼此协商和协调来完成系统的整体功能，能提高大规模复杂 系统问题的求解能力和求解的效率。即代理之间可以通过信号的传输，来交流各 个代理所管辖的元件的运行情况。例如：各代理通过它们之间的信息交流来处理 微电网的稳定和优化问题。 3）每个代理之间只进行少量的信息交流。在单个代理中它只需要知道自己 所控制的电力设备的运行情况和少量能够保证自己安全稳定运行的必要信息， 而 不需要其他代理控制下的运行设备的全部控制信息。 这样就可以保证每个代理都 可以有足够的资源以及时处理自身代理的控制运行。同样，Multi Agent 技术可 以减少单个代理的数据处理量。 由于单个代理只需要知道在自己电缆上的电压水 平，自身的运行状况，或者从周围代理手中得到一些相关的信息即可，而不必从 所有代理手中知道全部的信息。这样就会减少每个代理的数据处理量，提高微电 网的处理能力。 4）每个代理针对不同的目标有不同的运行方式。即：代理所要达到的目标 决定了这个代理所要进行的运行方式。例如：一个控制燃料电池的代理为了达到 不间断供电目标时的运行方式和另一个为了达到利润最大化的燃料电池代理的 运行方式是不同的。由于各个电源的不同目标，微电网中不同的单元在协调运行 和相互竞争中保持高度的自治性。但是微电网本身最好可以集中控制，因此， Multi Agent 技术更好的符合了微电网要求整体规划与分布式控制的特点。 2.2.4.2MAS 的结构分类 Agent 体系结构是研究如何用软件或硬件的方式实现 Agent。一般来说， Multi Agent 系统的结构体系是指各 Agent 之间的通信和控制模式，体系结构的第15页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用选取影响到整个系统的性能。从运行控制的角度来看，Multi Agent 系统的体系 结构可分为三种：集中式、分布式和混合式[37-38]。 1) 集中式结构 将系统分成多个组，每个组采取集中式管理，即每一组 Agent 提供一个具 有全局知识的控制 Agent，通过它来实现 Multi Agent 合作的局部控制，并由一 个消息传递 Agent 来承担消息传递任务。集中式能保持系统内部信息一致性， 系统的管理、控制和调度较为容易。缺点是：随着各 Agent 复杂性和动态性的 增加，控制的瓶颈问题也愈加突出，管理 Agent 的崩溃将导致区域或系统崩溃。 2) 分布式结构 各 Agent 组之间和组内各 Agent 之间均为分布式结构，各 Agent 组或 Agent 无主次之分，处于平等地位。Agent 是否被激活以及激活后做什么动作取 决于系统状况、周围环境、自身状况。此结构中可以存在多个中介服务机构，为 Agent 成员寻求协作伙伴时提供服务。这种结构的优点是：增加了灵活性、稳定 性， 控制的瓶颈问题也能得到缓解， 但仍有不足之处： 因每个 Agent 组或 Agent 的运作受限于局部和不完整的信息（如局部目标、局部规划） ，很难实现全局一 致的行为。 3) 混合式结构 一般是由集中式和分布式两类结构组成，它包含一个或多个管理服务机构， 这种机构只对部分成员 Agent 并以某种方式进行统一管理， 参与解决 Agent 之 间的任务划分和分配、共享资源的分配和管理、冲突的协调等。其它成员之间是 平等的，它们的所有行为由自身做出决策。此种结构平衡了集中式和分布式两种 结构的优点和不足，适应分布式 MAS 复杂、开放的特性，因此是目前 Multi Agent 系统普遍采用的系统结构。2.3 微电网中 Multi Agent 的分层控制1. 元件级别的代理包括直接的分布式能源的控制、发电控制、储能元件的 控制和一些负荷的控制。 在这里： 微电网中每一个代理都分别控制着的一个单元， 例如燃气轮机、可控负荷等。每一个代理都应该有以下几个功能：如电力设备的 启停控制、所代理电力设备的信息存储、各个代理信息相互传输等。同时，这层第16页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用代理对外界有抗干扰能力，即它能够对外界微小的变化做出相应的调整，而这一 过程不需要上级代理的干涉。例如：当有一片云彩飘过的时候，太阳能电源的发 电量就会受到波动， 这时对应这个电源的代理就会发出相应的控制以保证电能输 出的稳定。并且这一层还包括了对某个单元的所有必需的控制和决策。例如：当 一个燃气轮机决定要进行关闭处理时， 这层代理就可以通过对燃气轮机单元的控 制关闭燃气轮机的运行，而不受其他同层代理的干扰。但是是否关闭这个燃气轮 机必须由本单元代理和上级代理进行协商处理，以保证微电网的安全稳定运行。 2. 微电网的整体运行代理－主要针对微电网内部的调度运行。这里采用的 是微电网的集中控制（Microgrid Central Controller－MGCC）[39-40]。这个层面主 要用于优化微电网的运行或者仅仅作为一种简单的地区负荷调度。 其目的是令微 电网的控制更加的灵活并减少在微电网中的各种损耗。 在这一层的代理主要负责 多于一个代理的控制，即对它所管理的几个代理进行协调控制。即当微电网所在 的配电网出现电力不足时，要求微电网并网进行电力支撑，这时这层代理就开始 发出命令对微电网中机组进行调节， 发出命令后由第一层代理进行具体的调节动 作。 3. 配电网的运行－它主要针对中压网和低压网的运行。其中包括了很多不 同的微型电网（即微电网之间的控制调度）[41]。这是最高一层代理，主要完成 以下几个主要功能： 1. 有对电网作出重大决策的决策权 2. 要能够对大量数据进行处理 3. 所作出的决定不能造成一系列的影响，即必须能够联系其他同层代理并 根据情况进行调节。 具体表格如下表 2-1 所示：表 2-1 微电网 Multi Agent System 分层表 Table 2-1 Control levels of the MAS 层次 1 2 3 代理个数 1 一些 一些/全部 范例 对单个微电源的控制、决策 对整个微电网中各电源、负荷的协调控制 对整个电力网络的协调控制第17页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用2.4 Multi Agent 的硬件配置在提出具体分层的基础上本文对 Multi Agent 的硬件配置做出了具体讨论。2.4.1 Multi Agent 通信语言或协议一般采用 KQML (Knowledge Query and Manipulation Language )作为微电网 Agent 之间的通讯语言。 KQML 定义了一种 Multi Agent 之间传递信息的标准语 法以及一些“动作表达式”，其中既包括消息格式又包括消息操作协议，规定了消 息格式和消息传送系统， Multi Agent 系统通信和协作提供了一种通用框架[42]。 为2.4.2 通讯机制采用消息通信是实现灵活复杂的协调策略的基础，是 Agent 共享信息、决策 全局性行为以及组织整个多 Agent 系统的保证。 通信使得多 Agent 可以交换信息， 并在此基础上协调动作和互相合作。 在分布式电网的多 Agent 系统中采用以下两种通信相结合的方式： 2.4.2.1 联邦系统通讯与广播通讯相结合（直接的信息传输） 首先，各代理之间的交互是通过联邦体来实现的，代理可以动态地加入联邦 体，接受联邦体提供的服务。这些服务包括:接受代理加入联邦体并进行登记； 记录加入联邦体的代理能力和任务；为加入联邦体的代理提供通信服务；对代理 提出的请求提供响应；在联邦体之间提供知识转换与消息路由等等[43]。 其次， 利用广播进行消息传输， 广播机制可以把消息发给每个代理或一个组。 一般情况下，发送者要指定唯一的地址，唯有符合该条件的代理才能够读取这个 消息。为了支持协作策略，通信协议必须明确规定通信过程、消息格式和选择通 信语言，另外一点是交换的知识，全部有关的代理必须知道通信语言的语义。因 而，消息的语义内容是分布式问题求解的核心问题。 由于两个代理间消息是直接交换的，执行中没有缓冲，如果不发送给它，该 代理就不能读取。因此，为了保证其他代理系统可以获得相应的数据，本课题还 将采用黑板系统进行补充。 2.4.2.2 黑板系统（间接的信息传输）第18页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用通过一个共享的被称为黑板（blackboard）的数据仓库通信，所有必要的信 息都可以张贴在黑板上供所有的 Agent 检索[44]。 在本课题中黑板系统主要用于共 享存储模式。黑板是一个 Agent 写入消息、公布结果并获取信息的全局数据库或 知识库。它按照所研究的 Agent 问题划分为几个层次，工作于相同层次的 Agent 能够访问相应的黑板层以及邻近的层次。通过这种方法，各个 Agent 系统都可以 获得足够的数据以保证自身 Agent 的控制和与其他 Agent 的协同控制。 如果系统中的代理过多，那么黑板中的数据会成指数增加，为了优化处理， 黑板可以为各个代理提供不同的区域。2.4.3 多代理协调平台一个软件实体作为代理的最基本特征是自主性以及与周围环境主动相互作 用的能力[31]。一个多代理系统由许多相互独立的代理组成，它们之间相互联系 相互作用，同时与其所处的外部环境也相互作用。因此对一个多代理系统的来说 我们不仅要了解每个代理内部行为， 还需要从全局的角度来分析多代理系统的环 境、它们之间的相互作用机制，协调规则等因素。而这些行为特征是单一的代理 所不能表述和体现的， 因此研究多代理的协调和控制问题对于更好地发挥多代理 系统的优势和规范多代理系统的有序运作具有非常重要的意义。 在多代理系统中，需要协调的是代理之间的相互关系。协调模型就是要提供 一个对代理之间的相互作用进行表达的形式化框架。一般来说，协调模型要处理 代理间的创建与删除，它们的通信活动，在多代理系统空间中的分布与移动，代 理行为随时间的同步与分布等。 因此，多代理协调平台的体系结构如图 2-1 所示，它采用对象/协调服务器/ 数据处理器结构，由多个协调对象、一个协调服务器和一个数据处理器组成。数 据处理器存储每次协调的信息（例如，发起者、发起时间、接收者、内容等)， 可以选择比较成熟的多用户的关系数据库(如：Oracle，SQL Server 等)，协调服 务器用于监听客户机的请求、目标的寻址定位、向目标发送消息、建立与数据库 服务器的连接。第19页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用图 2-1 多代理协调平台的体系结构示意图 Fig.2-1 Coordination control platform of MAS2.5 Multi Agent 在微电网中各电源间的协调作用Multi Agent 在微电网中的运行原理如图 2-2 所示：微电网A 代理控制微电网元件 运行 控制 状况 低级代理 运行 控制 状况 策略 运行 状况 运行 状况 微电网B代理控制 控制 策略 运行 状况 信息处 理系统 预估策略 高级代理 控制 运行 策略 状况 运行 状况 微电网C代理控制 控制 策略 运行 状况 运行 状况初始化控制 策略 外部（上级电网） 运行 状况微电网N代理控制图2-2 Multi Agent协调控制原理图 Fig.2-2 The principle of MAS coordination control第 20 页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用初始化：主要用来定义各个代理的基本行为准则，例如，在一个电池组的代 理中可以定义，当自身电能少于 20％时电池组停止供电，或者当电网电压下降 2.5％以下且电池组电能大于 20％时开始与微电网连接并为微电网提供电能。 微电网元件：主要是微电网中需要代理的各种元器件，包括风能发电厂、太 阳能发电厂、超级电容器、可控负荷等 低级代理：主要是第一层代理，主要任务是为各个微电网中的元件提供独立 的控制。 高级代理：为第二层控制，主要用于微电网的整体控制，即对各代理进行协 调控制以达到目标最优化。 预估环节：主要是用于提供预估模型，对微电网的内部情况和外部情况进行 综合分析，提出控制策略为各代理控制提供参考。 信息处理：为上级电网与微电网之间提供一个信息通讯平台，把上级电网的 信息整理并转换为电网代理所能运用的标准格式后提供给预测环节。 外部：在微电网看来主要是指配电网 具体运行如下： 初始化单元把各个代理运行时所必须的约束条件和基本准则分配到各代理 中。 低级代理对应各微电网中的元件， 即各微电网控制元件把自身的运行情况传 输到低级代理中，低级代理为各元件提供必要的控制。 低级代理把所控制的元件的运行状况提供给高级代理， 同时高级代理对低级 代理提供控制策略并交由低级代理自行改变各元件的运行状态。 各个微电网（如：微电网 A－微电网 N）的高级代理首先把各自微电网的运 行状况提供给外部电网， 由外部电网进行初步的数据处理后通过信息处理系统统 一格式传给预估环节。与此同时，各个微电网高级代理也把各自电网的运行状态 提交给预估环节， 预估环节通过模型预测后把每个微电网的控制策略提交给相对 应的高级代理。在高级代理改变微电网运行状态后，外部电网与高级代理再一次 把运行状态提交给预估环节以进行进一步的调整。 通过不断的协调控制，Multi Agent 将会使微电网在满足对上级电网提供适 当电能的同时，保证了自身电网的安全、可靠、经济运行。第21页上海交通大学硕士学位论文第二章 Multi Agent 在微电网中的应用2.6 小结1）本章首先对 Multi Agent 的基本原理进行了阐述，并重点讨论了分布式控 制的必要性、 以及 Multi Agent 在微电网中应用的优势， 并讨论 MAS 的具体特征 及结构分类。 2）其次提出了基于 MAS 在微电网中的分层结构，并详细介绍了各层 Agent 在微电网中的具体功能。 3）在上述条件下介绍了在微电网中 MAS 应该具有的硬件配置平台。 4）最后对 Multi Agent 在微电网各元件间的协调作用进行了讨论。从而对 MAS 在微电网中的应用有了一个整体的框架。第22页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性3.1 引言微电网中包含了各种分布式电源，像风力发电、光伏发电、燃气轮机、燃料 电池等，而每一种电源都有自己的特性，这就需要对不同的电源建立相对应的模 型，并讨论它们的并网方式以及对微电网的影响。3.2 风力电源3.2.1 风电的基本模型微电网 风机 电容组图3-1 风力发电基本结构 Fig.3-1 The basic frame of wind power升压变风力发电的基本模型如图 3-1 所示， 由于风力发电主要是由风机驱动。 因此， 要了解风力电源对微电网的影响，首先应该了解风能的特性。风速模型的建立比 较复杂，根据不同的研究目的应该建立不同的风速模型。一般来说，用于风力发 电对电网影响分析的风速模型需要进行一些简化。将风速分为两部分，即起决定 性作用的平均风速和叠加在平均风速上的各种扰动部分。 因此风速模型可以表示 成一系列频率在 0.1－10Hz 的谐波分量总和。V (t ) = v0 (1 + ∑ Ak sin(wk t )) + vg (t )k(3-1)v 0 －平均风速Ak －k 次谐波幅值（m/s）wk －k 次谐波频率（rad/s）第23页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性vg (t ) －阵风风速（m/s）,vg (t ) =2Vg max 1+ e? 4 sin( wg t ?1)（3-2）其中： Vg max 阵风幅值，可达到 10m/sω g 阵风的频率， ω g = 2π / Tg 根据风速的自然特性将风速的扰动部分分为渐变风、阵风和噪声风三种，它们共同叠加在平均风速上作为流过叶片的风 速。 风能的特性： 风能的大小和风功率的大小与风速 v(m/s)、 空气密度 l ( kg / m 3 ) 和风轮扫掠 面积 S（ m2）有关，可由下式求得:Pw = 1 * l * s * v3 2(3-3)可以看出，风功率与风速的 3 次方成正比:这是风能利用非常理想的特性即 风速提高 1 倍，风功率可以提高 7 倍。 风力发电的几种运行状态[45]：图3-2 风力发电输出特性曲线 Fig.3-2 The characteristic out put of wind power第 24 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性在理想情况下风力机组的输出特性如图 3-2 所示，共包括四种运行状态 第一， V (t ) & Vstart 时， 当 风速小于机组的切入风速， 不足以吹动风轮叶片转动； 风轮处于静止状态，机组的功率输出为 0。 第二，当 Vstart & V (t ) & Vn 时，即风速处于切入风速和额定风速之间，机组运行 在部分负荷状态。在理想情况下，机组的功率输出应该尽可能多地捕获风能，实 现风功率的最大转换。 第三，当 Vn & V (t ) & Voff 时，即风速处于额定风速与切出风速之间，考虑到风力 机组容量的限制，输出的功率应保持在额定值，机组运行在额定负荷状态。 第四，当 Voff& V (t ) 时，即风速超过切出风速值时，出于保护机组的目的将使整个机组停止运行，当风速降低到一定程度以后再重新接入电网。 其中： V 为来流风速； V start 为风机启动速度，一般在 2～3m/s； Vn 风机额定 风速，一般在 15m/s； Voff 为风机停止速度，一般在 25m/s 左右 3.2.2 风机对微电网的影响 1）当风力发电场接入电网后，风电场的有功注入与无功消耗会对电网的电 压稳定性、静态稳定性以及动态稳定性产生各方面的影响。随着风力机组容量的 不断增大，异步机 QV 的特性引起电网接入点的节点电压稳定裕度下降，影响电 压稳定性。在电容器投入并完成无功补偿要求之前，也会引起电压较大的变化[46-47]。 2）由于风力发电所发出的电能与风速的大小有直接的关系，当风速出现变化时风力发电发出的电能将会产生很大的波动， 从而使微电网的供电总量出现阶 段性的增大或者减小，这将会影响微电网的电压波形。尤其当风速大范围波动脱 离正常运行风速范围时，风力发电机则进入往返启停切换状态，对电网造成很大 的干扰。 3）其他影响 大量风力机组接入电网中还会引起一些其他方面的问题。 可能引起大量的网 损， 引起电压闪变， 同时会产生大量谐波和间谐波。 当风机系统从电网中切除时，第25 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性用于无功补偿的并联电容器组会引起异步电机的自激磁其他一些无功补偿装置 也有可能引起异步机的自激磁，还有对短路电流的影响等。3.3 光伏电源3.3.1 光伏发电的简单模型微电网中光伏发电也是很重要的环节。光伏发电系统，即将太阳能电池输出 的直流电通过功率变换给负载供电或者并入电网输出功率。 白天发电的盈余送电 网，晚间用户从电网取电。它有可靠、耐用、维护费用低、无需燃料费用、减少 噪声污染、灵活方便、安全、供电自主等优点。目前应用的太阳电池是一种半导 体器件(如单晶硅、多晶硅)，受到太阳光照时能产生光伏效应，将太阳光能转变 成直流电能。 光伏电池的模型可以看作一个由电流源、 一个非线性阻抗和负荷电阻所组成 的系统，它的简化模型如图 3-3 所示[48]。此模型是在假设以下条件得出的：(1) 电池内部串联电阻很小，忽略不计；(2)内部并联电阻很大，同样忽略。 Io +IphIjVo图 3-3 光伏发电等效电路图 Fig.3-3 The equivalent circuit diagram of photovoltaic generation利用基尔霍夫定律，光伏发电的负荷电流可以表示为：I0 = Iph? I j [expqV o ? 1] mKt(3-4)式中，Io－太阳能电池的输出电流 Vo－太阳能电池输出电压 Iph－光生电流第26 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性Ij－二极管反相饱和电流 q－电子的电荷量(1.6×10-19C) m－二极管特性因子 k－玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K) t－太阳能电池温度(K) 由此数学关系式可以知道， 日照强度和电池温度等都可以改变太阳能板的电 压、电流与功率，可见太阳能电池在瞬息万变的环境下工作，日照与温度时刻发 生着变化，因此其输出功率也随着日照与温度发生变化，这将对并网时的功率控 制产生一定影响。3.3.2 光伏并网发电的基本原理3.3.2.1 光伏发电的系统原理图如图 3-4 所示：图 3-4 光伏发电结构图 Fig.3-4 The frame of photovoltaic generation如图所示，光伏发电系统由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池组、逆变器、 隔离装置和交直流负荷组成。当隔离装置将系统从微电网中断开的时候，光伏发 电系统变成独立运行状态， 此时光伏阵列将接收来的太阳辐射能量直接转换成电 能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中， 在日照不足时， 储存在蓄电池中的电能将会通过冲放电装置将电能反送给系统维 持光伏系统的正常运行。 当隔离装置将光伏发电与微电网并网时，系统变成并网运行状态，当系统电 网和光伏并网容量总和大于装置的容量时，系统通过蓄电池组进行协调，即把一 部分光伏阵列的能量给蓄电池充电， 暂时存储在蓄电池组中， 当装置容量冗余时， 再以并网发电送出。当蓄电池容量到达设定的充电容量时，系统将停止对蓄电池第27 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性组充电。 当网路突然中断补偿时，应急供电的电能应选择蓄电池组做应急供电电源， 当蓄电池组的电压接近蓄电池组的过放电电压时，系统给出报警。 对光伏阵列而言，在给定日照情况下，光伏阵列短路时，此时电流为短路电 流。当光伏阵列电压上升时，输出功率从零开始增加当电压达到一定数值时，功 率可达到最大输出电压继续增大时，功率开始减小并最终减小为零。光伏阵列输 出功率最大的点称为最大功率点该点所对应的电压称为最大功率点。 由于太阳光 照强度和工作温度不同，最大功率点是也是飘忽不定的，因此光伏发电对电网的 输送也不是恒定的，这就对微电网的统一功率协调产生了比较大的难度。 3.3.2.2 光伏发电的最大功率跟踪 在太阳能发电应用领域中尽可能地提高太阳能电池板的输出功率一直是研 究的热点。太阳能电池输出特性为非线性，而且受光照强度和环境温度影响。在 任何时刻都存在一个最大功率输出的工作点， 而且随着光照强度和温度的变化而 变化。为了能够让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，就需要 实时控制太阳能电池的工作点以获得最大的功率输出， 这就需要光伏 Agent 的控 制[49-50]。 先对太阳能电池的输出电压 V 和电流 I 进行连续的采样， 并将每次采样的一 组电压电流数据相乘折合成功率值 P，然后减掉上一次采样得到的功率值， 即为功率差分值。当功率达到最大值时满足式?V ?I ?P ?VI =0 +I =V = ?V ?V ?V ?V(3-5)令?I = V * ?I，?V = ? I * ?V， 则当?V = ?I时， 即可近似认为达到最大功率点。如果V ?I ?V +I &0 ?V ?V(3-6)说明太阳能电池阵列输出功率为电压增加方向； 如果V ?I ?V +I &0 ?V ?V(3-7)说明太阳能电池阵列输出功率为电压减少的方向。 通过这些判断，利用光伏 Agent 控制，可以让光伏元件达到所需要的输出效第28 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性果。3.4 微型燃气轮机3.4.1 燃气轮机基本原理微型燃气轮机是一种新发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为 25-300kw，由燃气轮机、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成， 以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料具有重量轻、污染小、噪音低、寿命长和 运行成本低等优点，排烟温度多在 200 摄氏度以上，适合于分布式能源的冷热电 联供系统。其基本技术特征是采用径流式叶轮机械 （向心式涡轮机和离心式压 气机） ，在转子上两者叶轮为背靠背结构，采用高效板式回热器，大多数机组还 采用空气轴承，不需要润滑油系统，结构简单[51]。满负荷运行时效率达到 30%， 实行热电联产，效率可以提高到 75%。微型燃气轮机具有是体积小、质量轻、发 电效率高、污染小、运行维护简单等特点。它是目前最成熟、最具有商业竞争力 的分布式电源之一。 与风力发电和光伏发电系统不同，微型燃气轮机的功率输出可以加以调节。 通常情况下，微型燃气轮机的功率输出与其中的燃料量有关，燃料越充足，输出 功率越大。这种分布式发电机组的特性和集中式发电机组相似，可以统一调度， 但是在热电联产的情况下，微型燃气轮机的各种输出必须满足热量的需要，并且 它的功率变化有一定的限制，如下式：? p & ? p lim(3-8)式中， ?p 是功率的变化量， ? p lim 是功率变化量的限制燃气轮机的最大变 化量。3.4.2 燃气轮机冷热联供燃气轮机主要在热电联产热力循环有更大的优势[52]，为了增加燃料利用效 率， 如图 3-5 所示， 由燃烧天然气所产生的能量经过能量变换供给微型燃气轮机， 燃气轮机一部分为微电网提供电能， 同时所产生的余热分别提供给供热系统和制第29 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性冷系统，当供热和制冷系统需要更大的能量时，系统可以直接通过燃烧天然气来 为冷热系统提供能量， 这样不但提高了燃料的利用效率同时保证了供电的连续性 （不会因为供热和制冷需求能量过多而导致整个系统的崩溃） 。 天然气 燃烧 微型燃气 轮机组 余热尾气 供热系统 供电 供热吸收式 制冷机图 3-5 冷热电联供原理图制冷Fig.3-5 Combined cold, heat and power operation3.4.3 燃气轮机并网发电由于微型燃气轮机的转速很高,而且交流发电机具有很高的频率,因此不能被 直接连接到交流电网上,中间需要一个直流环节,通过三相 AC/DC 整流器和 DC/AC 逆变器将高频电力输入到配电网中[53]。图 3-6 简明地描述了电力电子设 备在微型气轮发电机系统能量变换中的应用。 交流发电机发出的电能经过整流器 整流后被送到直流电容上,然后经过直流-交流逆变器产生与微电网系统同频率同 相位的交流电。图 3-6 燃气轮机并网发电示意图 Fig.3-6 The frame of grid connect gas turbin由于微型燃气轮机的功率输出与其中的燃料量有关， 当微电网出现电量不足第30 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性或者过量时，燃气轮机可以在一定范围内作为一种调节电能的手段。3.5 燃料电池燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转 化为电能的发电装置。 从理论上讲， 燃料电池可将燃料能量的 90%转化为可利用 的电和热。而且，燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃 料电池可在其半额定功率下运行。它与光伏发电都是直接给电网供电。其单体输 出电压随电流增大而下降，在一定电流范围内电极极化压降变化不大[54]。另外， 单体输出电压随燃气利用率增大而下降， 这是因为燃料气的总量输入保持在不变 的情况下，燃气利用率与氢气输入量成反比，与电池电流密度成正比。这样，燃 气利用率的增加会使实际参加反应的氢气量减少(电池电流密度不变)，从而导致 电池的输出电压降低。 在输入气体如氢气和氧气保持不变的情况下， 燃料电池电压和电流密度二者 之间具有很好的线性关系， 因此我们可以把燃料电池稳态运行时看作是一个独立 电压源和内部欧姆电阻的模型。 因此燃料电池在并网时可以等值为一个电压源与 一个电阻。 由于燃料电池发出电能的多少有很大的可调节性， 因此燃料电池也可以作为 一种对微电网电能的一种调节手段。3.6 蓄电池3.6.1 蓄电池的必要性微电网系统应该可以进行孤岛运行和与配电网并网运行。在孤岛运行的时 候，由于微型燃气轮机、燃料电池低速响应，快速的负荷变动将会给微电网产生 很大的问题。这些电源的输出变动时间保持在 10－200 秒之间，但是这对于大多 数负荷来说，这显然太慢了。因此对于一个微电网来说，我们必须加入一个大型 储能元件以保证电能之间的快速平衡。当微电网处于并网运行状态的时候，储能 元件就可以不起作用。第31 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性3.6.2 蓄电池的特性1）充电特性 U C A 0 B D ET图 3-7 蓄电池充电曲线[55]Fig.3-7 Charging curve of storage battery从图 3-7 可以看出， 充电初期电池的端电压上升很快， 如图中曲线 OA 段。 这是因为充电开始时， 电池两极转化的化学物质浓度快速增高又来不及向极板外 扩散，电池的电动势迅速升高，所以端电压亦急剧上升。充电中期，如曲线 AB 段，由于电解液的相互扩散趋于平衡，所以端电压比较缓慢地上升。这样，随着 充电的进行，增加至曲线的 B 点时，活性物质已经大部分被转化，如果继续充 电，则电流使水大量分解，开始析出气体。由于部分气体吸附在极板表面来不及 释出，增加了内阻并且造成正极电极电位升高，因此电池端电压又迅速上升，如 曲线中 BC 段。 当充电达到 CD 段时， 活性物质已经全部还原为充足电时的状态， 水的分解也渐接近饱和，电解液剧烈沸腾，而电压则稳定在 C 点左右，所以充 电至 D 点即应该结束。以后无论怎样延长充电时间，端电压也不再升高，只是 消耗电能进行水的电解。如果在 D 点停止充电，端电压迅速降低至与 B 点相同 的电压。随后，端电压缓慢地下降，最后稳定，如曲线中虚线部分 DE 段。 同时由于充电末期电流大小会使充电终止电压发生变化， 所以不能通过硬性 规定一个固定的终止电压值来判断蓄电池是否完全充电， 而是要根据充电电压的 上升率和终止电压值等情况综合判断，才能得出正确的结论。 2）放电特性第32 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性图 3-8 蓄电池放电曲线Fig.3-8 Discharge curve of storage battery充足电的蓄电池以恒流方式进行连续放电，其电压变化的特性曲线如图所 示。放电开始时，极板微孔中电解液的浓度迅速下降而主体电解液不能及时给予 补充，导致电池的端电压急速降低，如图 3-8 中曲线 OA 段。随着活性物质表面 电解液浓度与主体电解液浓度之间的差别不断扩大，在放电中期，两者取得动态 平衡，所以活性物质表面和微孔内的电解液浓度比较稳定，电池的端电压也比较 稳定。但是，由于放电过程中活性物质表面和微孔内的电解液浓度也缓慢下降， 从而电池的端电压呈缓慢降低的趋势，如曲线 AB 段。到放电末期，主体电解液 的浓度逐步降低，增加了电解液的电阻，最后导致电池的电压迅速下降，如图中 曲线 BC 段。到 C 点时放电便结束。此时如果停止放电，则蓄电池的电源立即回 升， 随着活性物质微孔内浓度很低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩 散， 最后端电压将稳定在 E 点， 如曲线的虚线部分 CE 所示。 此时如果继续放电， 将使电池的端电压急剧下降，如曲线的虚线部分 CD 所示。 若继续放电到 D 点，部分或个部丧失其容量，这就是所谓“过放电”现象。 而且从图中还可以看出，CD 段放电量也很少。因此，为了保证电池的使用寿命， 一般在 C 点就停止放电。3.7 微电网中负荷的分类为了能让微电网能够保持灵活性和可靠性，微电网中的负荷也进行了分类，第33 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性分别为重要负荷、可中断负荷。 （1）重要负荷 这类负荷要求有持续供电并保持优质的电能质量包括：医院负荷、精密电子期间的生产厂家和高级酒店负荷等。 （2）可中断负荷 断停电。 这类负荷对电能质量的要求相对较低，在必要时可以中3.8 各元件 Agent 的具体功能在上面具体讨论了微电网中各元件的具体功能，在 MAS 中，每个元件又相 对应不同的 Agent， 每个 Agent 都有数据处理和通讯功能， 可将处理后的数据 （如： 运行参数、协调策略等）与对应的 Agent 相互通讯，从而进行协调调度。同时各 Agent 还分别具有各自不同的功能。3.8.1 风力发电 Agent1）并网 Agent 由于风力发电可以直接与微电网进行连接，风机并网时应该对电机的转速、 相角、对微电网和电机的影响、与微电网协调的问题等进行综合处理。 2）抗干扰 Agent 风力发电中由于风速的不稳定造成了风力发电谐波很多，在风力发电 Agent 中应该有滤波以及对电能质量改善控制的部分，以保证电能质量的优质输出。 3）与风速相关的风轮叶片控制 Agent 风力发电中，风速与叶片控制的环节属于重要的一环，此 Agent 需要能够根 据风速的大小调节叶片的角度，并设置极限风速调节。例如：当 Voff & V (风) 时 （即风速超过极限速度） 风轮叶片应该调节其角度以保证风机的安全稳定运行。 ， 4）无功补偿 Agent 风力迅速变动产生电力传输的不稳定， 需要通过对风力发电的无功补偿设施 的监控与控制，达到风力发电稳定的要求。第34 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性3.8.2 光伏 Agent1）太阳能 MPPT 功能 太阳能电池输出特性为非线性，并且随光照强度和温度的变化而变化。为了 能够让其充分发挥光电转换能力，光伏 Agent 必须拥有最大功率点跟踪功能。 2）电池板参数检测、保护功能 对电池板的基本参数进行监控， 当以上参数超出安全的限定范围时， Agent 此 启动保护措施，如：启动低压限制模式（LV）以保证光伏系统安全运行。 3）并网控制功能 光伏输出为直流，Agent 需通过对逆变器的有效控制进行输入/输出电能。3.8.3 燃气轮机 Agent1） 燃气轮机冷热电联供 Agent 此 Agent 为燃气轮机 Agent 的重要部分， 由燃烧天然气所产生的能量经过能 量变换供给微型燃气轮机。燃气轮机一部分为微电网提供电能，同时所产生的余 热分别提供给供热系统和制冷系统，当供热和制冷系统需要更大的能量时，系统 直接通过燃烧天然气来为冷热系统提供能量。 2）功率变化限制 Agent 由于在热电联供的情况下，微型燃气轮机的各种输出必须满足热量的需要， 并且它的功率变化有一定的限制， 功率变化限制 Agent 将保证燃气轮机的冷热电 联供保持在限定范围内。 3） 整流/逆变控制 Agent 由于燃气轮机的转速问题，燃气轮机的输出电流不能直接被利用在微电网 中， Agent 将负责对燃气轮机并网环节中的 AC/DC 整流器和 DC/AC 逆变器装 此 置的有效控制将高频电力输入到微电网中。3.8.4 燃料电池 Agent1）氢氧含量监控及输入控制功能 负责监控电池系统的氢氧含量情况， 并根据氢氧含量及电池发电情况调节氢第35 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性氧输入，从而达到调节电能的目的。如：减少燃料输入，进行低位运行模式。 2）电流密度监控调节功能 在输入气体如氢气和氧气保持不变的情况下， 燃料电池电压和电流密度二者 之间具有很好的线性关系.通过对燃料电池电流密度的有效监控、控制，可以使 燃料电池的发电情况保持在可控的范围内。 3）燃料电池并网控制功能 同样输出直流电，需要逆变器并网控制。3.8.5 蓄电池 Agent1)监控功能 蓄电池的状态的有效监控可以让蓄电池的能量在超出限定范围之前得到有 效的控制。包括对蓄电池电压、电流、储能的监控。 2)启停/限定功能 当蓄电池达到限定值时，即停止或开启蓄电池的输入/输出（如：极限充放 电模式） ，以保持其可靠运行。3.8.6 负荷 Agent对用电负荷进行分类、监控负荷数据、切除/并网负荷，同时保持与微电网 Agent 的相互通讯。3.9 小结通过对微电网各主要元件的讨论，总结如下： 1）各微型元件并网方式表 3-1 各微型电源并网方式 Table 3-1 Distributed generation capabilities and system interfaces发电形式 风能 光伏 微型燃汽轮机 并网方式 直接并网DC/AC 逆变并网 AC/DC－DC/AC第36 页上海交通大学硕士学位论文第三章 微电网中各微型电源模型及并网特性燃料电池 蓄电池DC/AC 逆变并网与光伏联合并网2）各电源在并网时的输出功率特性表 3-2 分布式电源输出特性表Table 3-2 The output characterics of distributed generators发电形式 风能 光伏 微型燃汽轮机 燃料电池 输出特性 受风速影响比较大对并网时会产生较大的输出功率波动 受温度的影响较大但在一段时间内可以保持稳定的输出功率 由燃烧天然气的能量转化，在一定范围内输出功率可通过燃烧天然气的多少进行调节 可在半额定功率下运行，输出功率可调节范围大3）元件 Agent 功能总体构架 通过上面讨论， 可以把单个元件 Agent 归类为如图 3-9 所示元件功能 Agent， 应用 Agent 代表了各元件不同的内部控制，同时每个元件都包含了并网、数据处 理、数据传输以及数据储存 Agent。数据储存 Agent 与用户 Agent 保持联系以保 证用户可以通过用户查询的途径获得有效的数据。 并网 Agent 控制相对应的并网 设施，与微电网保持通断联系。数据传输 Agent 与微电网 Agent 保持通讯，向微 电网 Agent 提供本元件的信息并接收微电网的调度数据。图 3-9 元件 Agent 功能分布图 Fig.3-9 The function of Agent第37 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用4.1 引言随着微型电源的大量涌现，学者们不仅对分布式发电、分布式能源进行了研 究，还对如何把各种微型电源整合到统一到电网上面的问题进行了探讨。针对拥 有分布式特性、海量控制数据的微电网系统，传统的集中式控制已实现灵活有效 调度。为保持其灵活、可靠运行，本章提出了一个基于 MAS 的微电网具体控制 框架。在保证微电网元件安全运行，满足电压稳定、功率平衡等约束条件的情况 下，本章建立了以微电网发电效率最大化为目标的 Agent 控制模型，并对其中各 Agent 的具体功能及其协调策略进行了讨论。通过在具体算例中对各 Agent 协调 调度及运行情况的分析，验证了 MAS 在微电网中应用的高效性。4.2 基于 MAS 的微电网控制框架本文采用混合式微电网控制体系结构――由集中式和分布式两类结构组成， 它包含一个或多个服务器 Agent。一个服务器 Agent（微电网 Agent）只对部分成 员代理以某种方式进行统一管理，参与解决代理之间的任务划分和分配、共享资 源的分配和管理、冲突的协调等。同层之间的 Agent 是相互平等的，它们的所有 行为由自身做出决策。 同时同层之间相互联系的 Agent 还保持一定量的数据通讯 以更好的保证各自决策的合理性。 此种结构平衡了集中式和分布式两种结构的优 点和不足，适应分布式 MA S 复杂、开放的特性。具体如图 4-1 所示：通讯 上级电网Agent 实时监控 通讯 请求/响应 A元件Agent 请求/响应 通讯 请求/响应 B元件Agent 通讯 实时监控 B微电网Agent 请求/响应 N元件Agent 其他上级电网Agent 实时监控 通讯 N微电网AgentA微电网Agent第38 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用图 4-1 基于多代理系统的微电网控制结构示意图Fig.4-1 The organization of the Microgrids control based on MAS4.3 微电网的仿真模型4.3.1 模型的基本框架示意图如图 4-2 所示，本文利用 IEEE9 节点模型作为微电网的基本框架。分 别加入了光伏发电机及燃料电池等。具体如图 4-1 所示：图 4-2 MAS 应用仿真图 Fig. 4-2 Diagram of MAS application in the Microgrid4.3.2 光伏发电转换模式由于太阳光照射是变化无常的，同时太阳能电池发电有着非线性 V－I 曲线 特性， 因此光伏发电系统必须保持最大功率跟踪模式以保证太阳能电池板和微电 网的用电效率保持最佳的状态，同时将多余的电能传输给蓄电池。但为了保持蓄 电池的安全稳定运行，在设计中必须保持蓄电池的电压在一定的安全范围内，即 蓄电池必须有电压/电流极限的限制[56]。因此，光伏发电 Agent 需要有三种状态 的运行模式,如图 4-3 所示。1.最大功率跟踪模式－保持光伏发电的效率最大化。 2.电压/电流限制模式－保证蓄电池和光伏发电以及电网的安全稳定运行。3.开断第39 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用模式－当光伏发电出现故障或者光伏发电启停时，断开或连接微电网。图4-3 光伏发电Agent的控制模式转换原理 Fig. 4-3 The control strategy for PV Agent1.Vb&Vref (母线电压大于一定的参考值) 2. Vb&Vref(母线电压大于一定的参考值) 3、4 当光伏出现故障的时候，或光伏启停需要4.3.3 控制目标及约束条件4.3.3.1 控制目标 在保持稳定的情况下，本文以其可再生能源发电效率最大化为控制目标： 即max ∑ PG ,i(4-1)式中： PG ,i 为微电网第 i 个可再生能源发电元件发电量。 4.3.3.2 约束条件 为确保微电网稳定运行，其约束条件为： 1)电压限制V min ≤ V ( t ) i ≤ V max式中， V ( t ) i 为 t 时刻各节点电压， Vmax 、 Vmin 分别为 1.05，0.95。 2）功率平衡∑ PG,i = D + L(4-2)(4-3)式中，D、L 分别为负荷需求和网络损耗。 3）蓄电池储能限制第40 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用0 ≤ P(t ) s ≤ Ps ,max式中， P(t ) s 为 t 时刻蓄电池储存量， Ps , max = 4.0 4）蓄电池电流限制(4-4)?I (t ) s ≤ ?I max式中， ?I (t ) s 为 t 时刻蓄电池电流变化量， ?I max = 1.25 。(4-5)5）光伏发电限制P (t ) P ≤ P (t ) P ,mppt(4-6)式中， P(t ) P 为 t 时刻光伏发电量， P(t ) P , mppt 为最大功率点跟踪（MaximumPower Point Tracking Mode－MPPT）时发电量。 （所有参数都为标么值）4.3.4 Agent 协调控制策略协调策略如图 4-4 所示。具体步骤如下：1） 初始化，并将光伏 Agent 模式定为 MPPT 模式。 2） 各 Agent 通过数据处理得出结果后，再判断各自元件（光伏、燃料电池等）的状态。3） 判断结果：A.光伏升压、燃料电池非低位运行。则光伏 Agent 继续以 MPPT 模式运行，同时通讯燃料电池 Agent 减少供电。B.光伏升压、燃料电池低位运行。则微电网 Agent 通讯蓄电池 Agent 充电。C.欠压则通讯蓄电池 Agent 放 电，燃料电池 Agent 增加供电，并继续判断光伏供电是否结束，“是”－结束光伏 发电，由燃料电池继续供电，“否”－返回 1。 则蓄电池 Agent 继续判断蓄电池充电时是否超越限制， 是” “ 4） 若情况为 B， －微电网 Agent 收到蓄电池 Agent 请求后通知光伏 Agent 直接改变为 VL 模式，“否”－到第 5 步。 5） 判断蓄电池是否充满，“否”则继续保持光伏 Agent 功率点最大跟踪模式并重新回到第 1 步，如果“是”则改变光伏 Agent 的模式为 VL 模式，直到仅靠光 伏发电不能维持电压稳定时回到第 1 步。第41 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用图 4-4 MAS 协调策略流程图Fig. 4-4 Calculation flow chart of MAS4.4 仿真分析4.4.1 仿真所需数据本课题以 9：05-21：00 时间段为蓝本，讨论各种 Agent 在微电网中的具体 运行。图 4-5 为仿真所需要的曲线图。4.4.1.1 负荷曲线第42 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用图 4-5 光伏发电 MPPT 和负荷曲线 Fig.4-5 The curve of load and MPPT in Microgrid4.4.2 仿真结果分析1） 仿真数据分析通过对微电网中光伏发电的仿真计算，可以得出如图 4-6 的数据图。图 4-6 仿真结果图 Fig. 4-6 Diagram of simulation results9：05-9：55 由于太阳能发电较少，燃料电池承担大部分供电电能。此时的第43 页上海交通大学硕士学位论文第四章 Multi Agent 在微电网协调控制中的应用光伏发电量由于远远小于微电网中负荷的消耗，因此微电网 Agent 将通讯光伏Agent 将光伏发电定为最大功率点跟踪模式以保证光伏发电的最大利用效率。 9：55-10：55 太阳能输出的电能急速上升，并超过微电网负荷消耗。此时，微电网 Agent 将通讯蓄电池 Agent 进行充电以储存多余电能。同时，由于太阳能 电池单独供电已经能够满足微电网电能的需求，燃料电池 Agent 将根据上级Agent 的命令逐渐减少发电，并最终减少到只提供微电网中网络损耗的程度（不直接停止供电是当需要燃料电池重新供电时，燃料电池可以快速响应，同时作为 备用电源防止出现的意外情况） 。10：55-12：45 光伏输出继续上升。虽然在这段时间内蓄电池仍然在充电，但是由于蓄电池短时极限充放电的限制， 蓄电池 Agent 将限制充电电流的继续增 大并通讯各 Agent}