一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法

摘要

本发明公开了一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，该方法首先建立多微网优化协调运行控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系；然后利用双层有向图表示各代理之间的通信网络；最后根据双层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略：下层控制利用一致性算法通过信息迭代修正下垂控制参数，实现分布式电源输出电压、频率的二次控制以及功率均分；上层控制用以调节网间功率互济，使多微网系统在不同情况下的运行更加合理。本发明不仅综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互问题，还通过对多微网运行工况的划分，满足了各子微网运行的独立性和个性化需求。

权利要求

1.一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其特征在于，所述多微网包MG含M个微电网MG，第k个子微网MGk包含mk个分布式电源DG，k∈N ={1, ... , M}；第k个子微网MGk中的第i个分布式电源DG表示为DGk,i， ；多微网中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代理系统实现；所述控制方法包括以下步骤：步骤1、建立多微网优化协调控制架构，将多微网与双层有向图建立对应关系；

步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络；

步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略；

所述的步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点PCC实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节： (1)

(2)

式中，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、为下垂控制的频率、电压参考值； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、为分布式电源DGk,i的输出有功功率、输出无功功率；

所述的步骤2具体包括：

下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG对应，称为DG代理，利用下层有向图 表示各DG代理之间的通信拓扑，其中非空节点集 表示DG代理集合，与分布式电源DGk,i对应的DG代理称为DGk,i代理； 表示边集； 为邻接矩阵，ak,ij表示DGk,i代理与DGk,j代理之间通信权重；若 ，表示DGk,j代理向DGk,i代理传递信息，则ak,ij> 0，否则ak,ij=0；此外ak,ii=0；DGk,i代理采集分布式电源DGk,i的运行状态信息，将该信息与DGk,j代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DGk,i下垂控制的设定值指令；

上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图up

表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V ={v1, v2, …, vM}对应PCC代理集合，与第k个子微网MGk的PCC节点PCCk对应的PCC代理称为PCCk代理；

表示边集； 为邻接矩阵， 表示PCCk代理与PCCs代理之间通信权重；若 ，表示PCCs代理向PCCk代理传递信息，则 ，否则 ；PCCk代理接收来自下层有向图 中所有DG代理采集到的状态信息，并将该信息与PCCs代理进行交互；

步骤3中，根据下层有向图表示的通信网络设计基于下层有向图 的下层控制，控制目标为： (3)

(4)

(5)

(6)

式中：wn、Un为频率、电压额定值，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、 为DGk,i的输出有功功率、输出无功功率；

所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：

1) 频率控制器和有功控制器

基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导： (7)

令频率控制辅助变量 ；有功控制辅助变量 ；

MGk中各分布式电源DG代理按照 表示的通信网络进行信息交互，利用自身以及相邻代理的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示： (8)

(9)

式中， 为MGk的频率控制增益；当分布式电源DGk,i代理有额定信号输入时，gk,i=1，否则gk,i=0； 为MGk的有功控制增益；

综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)‑式(9)可修正下垂控制频率参考值： (10)

2) 电压观测器

电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值： (11)

式中， 为分布式电源DGk,i利用电压观测器获取的输出电压观测值；

3) 电压控制器和无功控制器

基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导： (12)

令电压控制辅助变量 ；无功控制辅助变量 ；

基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示： (13)

(14)

式中， 为MGk的电压控制增益； 为MGk的无功控制增益；

综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)‑式(14)可修正下垂控制电压参考值： (15)；

up

步骤3中，根据上层有向图表示的通信网络设计基于上层有向图G 的上层控制，PCC代理接收来自DG代理的状态信息，将多微网划分为两种运行工况：

1）工况1：各子微网独立运行

工况1的判定条件为：

(16)

式中， 为MGk中的负荷功率； 为DGk,i的有功最大容量；

工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；

2) 工况2：子微网间功率互济

工况2的判定条件为：

(17)

工况2下，多微网内存在某个子微网MGl内的分布式电源DG都按照最大容量输出，还是无up法满足负荷需求，与子微网MGl的PCC节点PCCl对应的PCCl代理与上层有向图G 中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网进入功率互济模式：首先PCCk代理获取MGk的初始剩余可用容量信息，MGk的剩余可用容量定义为： (18)

式中， 为MGk的初始剩余有功容量；

lack

然后计算MGl的缺额功率P 的数值为：(19)

lack

为了简化分析，假设上述缺额功率P 由多微网中除MGl之外的所有其他子微网供电，即MGl的缺额功率由MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)提供，MGk提供的功率Pk,PCC为： (20)

最后，根据功率平衡有：

(21)

上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)按自身剩余可用容量承担MGl的缺额功率，即： (22)。

2.根据权利要求1所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其特up征在于，所述上层控制基于目标(22)，根据上层有向图G 表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：(23)

PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：(24)

在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应使满足： (25)

因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DGk,i的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；

(26)

式中，

(27)。

说明书

一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多微网优化协调控制领域，尤其涉及一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法。

背景技术

[0002] 在碳中和背景下的电力清洁低碳化将加快推动传统电力系统积极向以可再生能源为主体的新型电力系统发展，利用这些可再生能源以及本地化石燃料进行发电供能的技术称为分布式发电，所述分布式发电技术目前得到广泛应用，新型电力系统中会有大量分布式电源DG接入。传统电力系统依靠集中式电能调度架构对电能进行管理，由于分布式发电在地理位置上呈现分散特征，所以大规模分布式电源(Distributed Generation, DG)接入会使配电网从辐射状结构转变为多电源结构，改变配电网中的潮流分布，所以导致传统的集中式电能调度架构不再适用于新型电力系统。微电网(Microgrid, MG)作为DG与配电网之间的枢纽，是推动电力系统转型、实现可再生能源高效利用的重要方式；在这样的背景下需要微电网MG将这些分布式电源DG进行就地整合，形成一个自治系统，发挥分布式电源DG的最高效能；同时，一定区域内多个临近的微电网可互联形成多微网系统。在互联运行模式下，临近的微电网可以协同运行并且相互支撑，大大提升了系统可再生能源的消纳水平和相互间的供电可靠性。然而与单个微电网相比，多微网系统的结构更加复杂，微电网间存在更多的功率、信息交互，如何综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间灵活、合理的功率交互仍是亟待解决的关键问题。

[0003] 近年来，有相关研究将集中式方法和分散式方法应用于多微网的运行控制中。集中式控制虽然能够实现整个系统的全局可观，但过于依赖中央控制器，单点故障会降低系统的可靠性；分散式控制虽然可靠性高，但仅仅依赖局部信息无法实现全局优化。分布式控制能够解决集中式与分散式控制的不足，由于其仅依靠局部信息交互即可实现分布式电源DG间的协调运行，在微电网领域中逐渐得到广泛应用。在多微网的分布式控制研究中，文献[何红玉, 范丽, 韩蓓, 等.基于一致性协议的多微网协调控制[J]. 电网技术, 2017, 41(4): 1269‑1276]设计双层一致性算法，即微电网间基于一致性算法实现功率分配，DG之间基于一致性算法实现调频调压，维持多微网电压、频率稳定；文献[于国星, 宋蕙慧, 侯睿, 等. 柔性直流互联孤岛微网群的分布式频率协同控制[J].电力系统自动化, 2020, 44(20): 103‑111.]使微电网间的换流器参与到分布式信息交互中，网内DG只需跟踪换流器即可恢复频率；文献[LAI Jingang, LU Xiaoqing, YU Xinghuo, et al. Cluster‑Oriented distributed cooperative control for multiple AC microgrids[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15(11): 5906‑5918.]将多微网系统映射为网间和网内双层稀疏通信网络，网间控制实现多微网的功率分配并向每个微电网提供电压、频率参考值，网内控制负责调节各DG的输出电压和频率；文献[GONG Pingping, LU Ziguang, LIN Jingyu, et al. Distributed secondary control based on cluster consensus of inhibitory coupling with power limit for isolated multi‑microgrid[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2019, 13(18): 4114−4122.]及文献[LIU Wei, GU Wei, XU Yinliang, et al. General distributed secondary control for multi‑microgrids with both PQ‑controlled and droop‑controlled distributed generators [J]. IET Generation, Transmission and Distribution, 2017, 11(3): 707‑718.]提出分组一致性控制策略，该策略能够达到多目标一致状态，实现不同微电网内的功率分配。但是，在现有的这些多微网分布式控制策略中，当系统内某个节点功率变化时，在一致性协议的作用下，所有节点都会参与调节，这会增加控制器的计算任务，并且无法顾及子微网的独立性以及个性化需求。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，综合考虑多微网中各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互控制问题，通过对多微网运行工况的划分，能够兼顾运行时子微网的独立性以及个性化需求，在维持各子微网的电压、频率稳定的同时实现网间灵活、合理的功率交互。

[0005] 本发明所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，其中所述多MG微网系统包含M个微电网MG，第k个子微网MGk包含mk个分布式电源DG，k∈N ={1, ... , M}；第k个子微网MGk中的第i个分布式电源DG表示为DGk,i， ；多微网
中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代理系统实现；所述控制方法包括以下步骤：

[0006] 步骤1、建立多微网系统优化协调控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系；

[0007] 步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络；

[0008] 步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略。

[0009] 进一步的，所述的步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网系统的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点PCC实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节：

[0010] (1)

[0011] (2)

[0012] 式中，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、为下垂控制的频率、电压参考值； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、为分布式电源DGk,i的输出有功功率、输出无功功率。

[0013] 进一步的，所述的步骤2具体包括：

[0014] 下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG对应，称为DG代理，利用下层有向图 表示各DG代理之间的通信拓扑，其中非空节点集 表示DG代理集合，与分布式电源DGk,i对应的DG
代理称为DGk,i代理； 表示边集； 为邻接矩阵，ak,ij
表示DGk,i代理与DGk,j代理之间通信权重；若 ，表示DGk,j代理向DGk,i代理
传递信息，则ak,ij> 0，否则ak,ij=0；此外ak,ii =0；DGk,i代理采集分布式电源DGk,i的运行状态信息，将该信息与DGk,j代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DGk,i下垂控制的设定值指令；

[0015] 上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图up
表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V ={v1, v2,
…, vM}对应PCC代理集合，与第k个子微网MGk的PCC节点PCCk对应的PCC代理称为PCCk代理；
表示边集； 为邻接矩阵， 表示PCCk代理与
PCCs代理之间通信权重；若 ，表示PCCs代理向PCCk代理传递信息，则 ，
否则 ；PCCk代理接收来自下层有向图 中所有DG代理采集到的状态信息，并将该
信息与PCCs代理进行交互。

[0016] 进一步的，步骤3中，根据下层有向图表示的通信网络设计基于下层有向图 的下层控制，控制目标为：

[0017] (3)

[0018] (4)

[0019] (5)

[0020] (6)

[0021] 式中：wn、Un为频率、电压额定值，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、 为DGk,i的输出有功功率、输出无功功率。

[0022] 进一步的，所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：

[0023] 1) 频率控制器和有功控制器

[0024] 基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导：

[0025] (7)

[0026] 令频率控制辅助变量 ；有功控制辅助变量 ；

[0027] MGk中各分布式电源DG代理按照 表示的通信网络进行信息交互，利用自身以及相邻代理的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示：

[0028] (8)

[0029] (9)

[0030] 式中， 为MGk的频率控制增益；当分布式电源DGk,i代理有额定信号输入时，gk,i=1，否则gk,i=0； 为MGk的有功控制增益；

[0031] 综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)‑式(9)可修正下垂控制频率参考值：

[0032](10)；

[0033] 2) 电压观测器

[0034] 电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值：

[0035] (11)

[0036] 式中， 为分布式电源DGk,i利用电压观测器获取的输出电压观测值；

[0037] 3）电压控制器和无功控制器

[0038] 基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导：

[0039] (12)

[0040] 令电压控制辅助变量 ；无功控制辅助变量 ；

[0041] 基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示：

[0042] (13)

[0043] (14)

[0044] 式中， 为MGk的电压控制增益； 为MGk的无功控制增益；

[0045] 综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)‑式(14)可修正下垂控制电压参考值：

[0046] (15)。

[0047] 进一步的，步骤3中，根据上层有向图表示的通信网络设计基于上层有向图Gup的上层控制，PCC代理接收来自DG代理的状态信息，将多微网系统划分为两种运行工况：

[0048] 1）工况1：各子微网独立运行

[0049] 工况1的判定条件为：

[0050] (16)

[0051] 式中， 为MGk中的负荷功率； 为DGk,i的有功最大容量；

[0052] 工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；

[0053] 2) 工况2：子微网间功率互济

[0054] 工况2的判定条件为：

[0055] (17)

[0056] 工况2下，多微网系统内存在某个子微网MGl内的分布式电源DG都按照最大容量输up出，还是无法满足负荷需求，与子微网MGl的PCC节点PCCl对应的PCCl代理与上层有向图G 中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网系统进入功率互济模式：

[0057] 首先PCCk代理获取MGk的初始剩余可用容量信息，MGk的剩余可用容量定义为：

[0058] (18)

[0059] 式中， 为MGk的初始剩余有功容量；

[0060] 然后计算MGl的缺额功率Plack的数值为：

[0061] (19)

[0062] 为了简化分析，假设上述缺额功率Plack由多微网系统中除MGl之外的所有其他子微网供电，即MGl的缺额功率由MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)提供，MGk提供的功率Pk,PCC为：

[0063] (20)

[0064] 最后，根据功率平衡有：

[0065] (21)

[0066] 上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)按自身剩余可用容量承担MGl的缺额功率，即：

[0067] (22)。

[0068] 进一步的，所述上层控制基于目标(22)，根据上层有向图Gup表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：

[0069] (23)

[0070] PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：

[0071] (24)

[0072] 在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应使 满足：

[0073] (25)

[0074] 因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DGk,i的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；

[0075] (26)

[0076] 式中，

[0077] (27)。

[0078] 本发明的有益效果为：本发明所述的方法针对多微网中各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互控制问题，提出基于双层有向图的优化协调控制架构，即将多微网系统与双层有向图建立对应关系，利用双层有向图表示的通信网络分别设计控制策略；下层控制利用一致性算法通过信息迭代修正下垂控制参数，实现分布式电源输出电压、频率的二次控制以及功率均分；上层控制用以调节网间功率互济，利用PCC代理接收DG代理的状态信息，以此划分多微网的运行工况，使各子微网能够应对功率变化时保持运行的独立性，使多微网系统在不同情况下的运行更加合理。本发明不仅综合考虑各子微网的电压、频率稳定以及网间功率交互问题，还通过对多微网运行工况的划分，当某个微电网产生功率缺额时，其余子微网根据自身剩余可用容量提供功率支撑，满足了各子微网运行的独立性和个性化需求。

附图说明

[0079] 图1是多微网优化协调运行控制架构；

[0080] 图2是功率互济示意图；

[0081] 图3是多微网控制流程图；

[0082] 图4是多微网分布式控制框图；

[0083] 图4（a）是图4中无功功率互济和无功/电压控制的局部结构示意图；

[0084] 图4（b）是图4中有功功率互济和有功/频率控制局部结构示意图；

[0085] 图4（c）是图4中DG输出控制局部结构示意图；

[0086] 图5是本发明实施例中多微网仿真模型；

[0087] 图6是本发明实施例中各代理间通信网络；

[0088] 图7是本发明实施例中算例1仿真结果示意图，其中图7（a）是DG输出频率示意图，图7（b）是DG输出电压示意图，图7（c）是DG输出有功示意图，图7（d）是DG输出无功示意图，图7（e）是PCC节点功率示意图；

[0089] 图8是本发明实施例中算例2仿真结果示意图，其中图8（a）是DG输出频率示意图，图8（b）是DG输出电压示意图，图8（c）是DG输出有功示意图，图8（d）是DG输出无功示意图，图8（e）是PCC节点功率示意图。

具体实施方式

[0090] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

[0091] 本发明实施例中，所述多微网系统包含M个微电网MG，第k个子微网MGk包含mk个分MG布式电源DG，k∈N ={1, ... , M}；第k个子微网MGk中的第i个分布式电源DG表示为DGk,i，；多微网中分布式电源DG的控制以及相互间的信息交互通过多代
理系统实现。

[0092] 本发明所述的一种基于双层有向图的多微网优化协调运行控制方法，包括以下步骤：

[0093] 步骤1、建立多微网系统优化协调控制架构，将多微网系统与双层有向图建立对应关系。

[0094] 如图1所示，所述步骤1具体包括：所述控制架构由孤岛多微网系统的物理结构以及各种代理之间的通信网络组成，子微网之间通过公共耦合点（PCC）实现互联，各子微网内不可控分布式电源DG与网内负载视为一个等效负荷，可控分布式电源DG的输出采取下垂控制进行调节：

[0095] (1)

[0096] (2)

[0097] 式中，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、为下垂控制的频率、电压参考值； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、为分布式电源DGk,i的输出有功功率、输出无功功率。

[0098] 步骤2、利用下层有向图和上层有向图表示各代理之间的通信网络。

[0099] 所述的步骤2具体包括：

[0100] 下层有向图的数量与子微网的数量相等，其中的代理与微电网中的分布式电源DG对应，称为DG代理，利用下层有向图 表示各DG代理之间的通信拓扑，其中非空节点集 表示DG代理集合，与分布式电源DGk,i对应的DG
代理称为DGk,i代理； 表示边集； 为邻接矩阵，ak,ij
表示DGk,i代理与DGk,j代理之间通信权重；若 ，表示DGk,j代理向DGk,i代理
传递信息，则ak,ij > 0，否则ak,ij =0；ak,ii与ak,ij都是上述邻接矩阵Ak中的元素，ak,ij为非对角线元素，表示DGk,i代理与DGk,j代理之间通信权重；ak,ii为对角线元素，表示DGk,i代理与DGk,i代理之间的通信权重；因为DGk,i代理无法与自身通信，所以ak,ii并没有实际意义，在一致性理论中默认ak,ii取0。

[0101] DGk,i代理采集分布式电源DGk,i的运行状态信息，将该信息与DGk,j代理进行交互并将控制指令转变为分布式电源DGk,i下垂控制的设定值指令。

[0102] 上层有向图中的代理与PCC节点对应，称为PCC代理，利用上层有向图up
表示各PCC代理之间的通信拓扑，其中非空节点集V ={v1, v2,
…, vM}对应PCC代理集合，与第k个子微网MGk的PCC节点PCCk对应的PCC代理称为PCCk代理；
表示边集； 为邻接矩阵， 表示PCCk代理与
PCCs代理之间通信权重；若 ，表示PCCs代理向PCCk代理传递信息，则 ，
否则 ；PCCk代理接收来自下层有向图 中所有DG代理采集到的状态信息，并将该
信息与PCCs代理进行交互。

[0103] 步骤3、根据下层有向图和上层有向图表示的通信网络分别设计分布式控制策略。

[0104] 所述步骤3中，所述分布式控制策略包括基于下层有向图 设计的下层控制和up基于上层有向图G 设计的上层控制；

[0105] 1）下层控制

[0106] 下层控制目标是将各子微网内每一个DGk,i的输出频率wk,i都恢复至额定值，并实现DG间精确的有功、无功按比例分配，但是由于各分布式电源DG线路阻抗不匹配，DG在按比例进行无功分配时不能保证输出电压都恢复到额定值，所以电压控制目标折中为各DG输出电压的平均值达到额定值，综上，控制目标为：

[0107] (3)

[0108] (4)

[0109] (5)

[0110] (6)

[0111] 式中：wn、Un为频率、电压额定值，wk,i、Uk,i为第k个子微网MGk中第i个分布式电源DGk,i的输出频率、电压； 、 为有功下垂系数、无功下垂系数； 、 为DGk,i的输出有功功率、输出无功功率。

[0112] 所述下层控制包括：频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器以及无功控制器：

[0113] 1‑1) 频率控制器和有功控制器

[0114] 基于目标(3)和(5)，弥补下垂控制产生的频率偏差使所有分布式电源DG的输出频率恢复到额定值，并维持有功功率的按比例分配，对式(1)进行求导：

[0115] (7)

[0116] 令频率控制辅助变量 ；有功控制辅助变量 ；

[0117] MGk中各DG代理按照 表示的通信网络进行信息交互，利用自身以及相邻代理的信息，基于一致性算法设计频率控制器和有功控制器如式(8)和式(9)所示：

[0118] (8)

[0119] (9)

[0120] 式中， 为MGk的频率控制增益；当分布式电源DGk,i代理有额定信号输入时，gk,i=1，否则gk,i=0； 为MGk的有功控制增益；

[0121] 综上，结合下垂控制、频率控制器及有功控制器，由式(7)‑式(9)可修正下垂控制频率参考值：

[0122](10)

[0123] 1‑2) 电压观测器

[0124] 电压观测器用于协调电压恢复与无功功率均分之间的矛盾，将所有分布式电源DG输出电压恢复的目标折中为输出电压的平均值恢复至额定值：

[0125] (11)

[0126] 式中， 为分布式电源DGk,i利用电压观测器获取的输出电压观测值；

[0127] 1‑3) 电压控制器和无功控制器

[0128] 基于目标(4)和(6)，弥补下垂控制产生的电压偏差使所有分布式电源DG的输出电压平均值恢复至额定值，并维持无功功率的按比例分配，对式(2)改进并求导：

[0129] (12)

[0130] 令电压控制辅助变量 ；无功控制辅助变量 ；

[0131] 基于一致性算法设计电压控制器和无功控制器如式(13)和式(14)所示：

[0132] (13)

[0133] (14)

[0134] 式中， 为MGk的电压控制增益； 为MGk的无功控制增益；

[0135] 综上，结合下垂控制、电压控制器及无功控制器，由式(12)‑式(14)可修正下垂控制电压参考值：

[0136]  (15)。

[0137] 2）上层控制

[0138] 上层控制实现的是对整个多微网系统的全局调控，控制目标在于：第一，各子微网内部能够应对功率变化时保持独立运行，当某个子微网内部DG出力不足时由其他子微网提供功率支撑，发挥多微网功率互济的优势；第二，在进行功率互济时，考虑其他子微网的剩余可用容量，合理的分配功率；PCC代理会接收来自DG代理的状态信息；基于上述目的，将多微网系统划分为以下两种运行工况。因本发明根据子微网内DG输出能否满足负荷需求对多微网系统进行运行工况划分，即有功无功都能满足负荷需求以及有功无功都无法满足负荷需求两种情况，所以无功分析和有功完全相同，在此仅从有功功率的角度对运行工况进行描述，把符号P换成Q即可得到无功功率的分析。

[0139] 2‑1）工况1：各子微网独立运行

[0140] 工况1的判定条件为：

[0141]  (16)

[0142] 式中， 为MGk中的负荷功率； 为DGk,i的有功最大容量；

[0143] 工况1下各子微网内的分布式电源DG最大容量总和不小于负荷功率，即网内分布式电源DG有能力应对功率变化，各子微网保持独立运行，各PCC代理之间不进行任何信息交互；

[0144] 2‑2) 工况2：子微网间功率互济

[0145] 工况2的判定条件为：

[0146] (17)

[0147] 工况2下，多微网系统内存在某个子微网MGl内的分布式电源DG都按照最大容量输up出，还是无法满足负荷需求，与子微网MGl的PCC节点PCCl对应的PCCl代理与上层有向图G 中的其它PCC代理交互功率缺额信息，此时多微网系统进入功率互济模式：

[0148] 首先PCCk代理获取MGk的初始剩余可用容量信息，MGk的剩余可用容量定义为：

[0149]  (18)

[0150] 式中， 为MGk的初始剩余有功容量；

[0151] 然后计算MGl的缺额功率Plack的数值为：

[0152] (19)

[0153] 为了简化分析，假设上述缺额功率Plack由多微网系统中除MGl之外的所有其他子微网供电，即MGl的缺额功率由MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)提供；如图2所示，MGk提供的功率Pk,PCC为经由PCC节点传递到MGl，Pk,PCC的数值为：

[0154] (20)

[0155] 最后，根据功率平衡有：

[0156] (21)

[0157] 上层控制目标在于使功率互济模式下其余子微网MGk (k=1, ... , l‑1, l+1, ... , M)按自身剩余可用容量承担MGl的缺额功率，即：

[0158] (22)

[0159] 基于目标(22)，根据上层有向图Gup表示的PCC代理之间的通信网络，设计功率互济控制器为：

[0160] (23)

[0161] PCC代理之间进行分布式信息交互，在上式的一致性迭代过程中不断更新PCC节点处的功率；由式(20)可知，利用功率互济控制器控制PCC节点功率的本质是控制各DG的输出，因此对式(20)两边求导，并代入(23)可以得到：

[0162] (24)

[0163] 在功率互济控制器作用时，为了使PCC节点处的功率变化均匀的分配到各DG上，应使 满足：

[0164] (25)

[0165] 因此在控制各分布式电源DG输出时，设计DGk,i的缺额功率分配修正项如式(26)所示，该修正信息由PCC代理发送至DG代理，完成缺额功率在子微网间的优化分配；

[0166] (26)

[0167] 式中，

[0168] (27)。

[0169] 上述分布式控制策略的流程图如图3所示。

[0170] 结合下层控制的频率控制器、有功控制器、电压观测器、电压控制器、无功控制器以及上层控制的功率互济控制器，多微网分布式控制框图如图4、图4（a）‑图4（c）所示。

[0171] 下面例举一个实施例对本发明所述的方法进行说明。

[0172] 本实施例在MATLAB/Simulink软件中建立了包含3个微电网的多微网系统，系统结构如图5所示。代理之间的通信网络基于MATLAB/Simulink中的一个模块S‑Function建模，代理之间的通信网络如图6所示。系统的额定频率和额定电压分别为314rad/s和380V。各DG的下垂系数、最大功率以及其他系统参数如表1所示。

[0173]

[0174] 针对孤岛多微网系统发生负荷变化的情况进行仿真，验证本发明方法的控制效果。本实施例设定算例1和算例2两个仿真算例。

[0175] 1）算例1：各子微网独立运行

[0176] 算例1中下各子微网有能力应对网内功率变化，PCC代理之间不进行信息交互，各子微网保持独立运行。该工况下MG1&2&3的初始负荷如表1所示，假设2.5s时MG2内的负荷增加至10kW+5kVar，5.5s时恢复至5kW+2.5kVar，8s时仿真结束。仿真结果如图7（a）‑图7（e）所示。

[0177] 图7（a）‑图7（b）表明当微电网内功率变化时，DG的输出频率和电压会由于一次下垂控制的影响而产生变化，但经过本发明所设计的控制策略调节后，所有DG的输出频率、输出电压的平均值在短时间内能够恢复至额定值。从图7（c）‑图7（d）可以看到，MG1内的DG按2:1的比例均分有功、无功功率；MG3内的DG按6:3:2的比例均分有功、无功功率；MG2内的DG按3:2的比例均分有功、无功功率，在2.5s负荷增加后，MG2内的DG的输出也相应增加，最终输出仍然满足3:2。

[0178] 算例1中PCC节点处功率大小如图7（e）所示。由于MG2内的DG有能力应对功率变化，所以三个微电网都保持独立运行，相互之间没有功率支撑，即PCC节点处的功率为0。

[0179] 2）算例2：子微网间功率互济

[0180] 算例2为功率互济模式，MG1&2&3的初始负荷与算例1相同，2s时MG2内的负荷增加至10kW+5kVar，4s时继续增加至25kW+12.5kVar，6s时恢复至10kW+5kVar，8s时仿真结束。仿真结果如图8（a）‑图8（e）所示。

[0181] 图8（a）)‑图8（b）表明在功率互济模式下，各DG的输出频率、输出电压的平均值都能维持在额定值。从图8（c）‑图8（d）可以看到，4s后MG2内的负荷功率超出了DG最大容量总和，此时MG2内DG都以最大容量输出：P2,1=9kW、Q2,1=6kVar、P2,1=6kW、Q2,1=4.5kVar；MG2在4‑6s内的缺额功率大小为10kW+5kVar，PCC代理之间交互功率缺额信息，由MG1和MG3提供功率支撑。

[0182] 首先由图8（c）‑图8（d）得到4s时MG1和MG3的初始剩余可用容量分别为18kW+9kVar、22kW+11kVar。功率互济模式下多微网系统达到新的稳态时流过PCC节点的功率如图8（e）所示，MG1和MG3提供的功率支撑约为4.5kW+2.25kVar和5.5kW+2.75kVar，该功率支撑之比与剩余可用容量之比相近，并且MG1和MG3内DG的输出仍然满足2:1、6:3:2。

[0183] 从本实施例可以看出，采用本发明所提方法能够对多微网系统进行有效的优化协调运行控制，各分布式电源输出电压平均值和频率能恢复至额定值，并实现有功、无功的按比例分配。网间灵活合理的功率互济既能保证各子微网的独立性也能满足不同子微网的个性化需求。

[0184] 以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。