信息与能源互融模式下微电网系统全分布式优化控制算法研究

The application and popularization of Microgrids is based to a great degree on the safe operation and control. To improve the system’s reliability, stability, scalability, and economic efficiency, it is urgent to construct the fully distributed optimization control theory and method for Microgrids. Based on the integration of information and energy, the proposal presents a novel fully distributed optimization control scheme. By using modular controller design method, the plug and play function for Microgrids is achieved and the self healing and self-adaptive abilities are improved; By applying distributed secondary voltage and frequency control and power cooperative control schemes, the reliability, stability, and the ability to minimize circulating currents are improved; By employing distributed adaptive economic dispatch method, economy of system operation is guaranteed and the ability of self learning is improved; By using non-smooth Lyapunov method and nonlinear contraction analysis method, the conditions for the stability of voltages, frequency, and power angles can be derived. The achieved results in this proposal will further deepen the integration of information and energy, promote the development of advanced control technology for Microgrids, and boost the construction of smart grid. Moreover, this project also has important inspiration and reference for the distributed control of cyber-physical systems in other fields.

微电网推广应用在很大程度上取决于系统安全运行控制水平。为提高微电网系统运行的可靠性、稳定性、经济性以及可扩展性，急需构建一套全分布式优化控制理论和方法。鉴于此，本项目在信息与能源互融基础上，提出一种全新的分布式优化控制策略：采用模块化控制结构设计法，实现微电网系统的即插即用功能，提高系统的自愈能力和自适应能力；运用分布式二次电压与频率控制以及功率协调控制算法，提高微电网系统运行的可靠性、稳定性以及抑制无功环流的能力；采用分布式自适应优化调度算法，保障系统运行的经济性，提高系统的自学习能力；运用非光滑李雅普诺夫方法和非线性收缩性分析方法，分析通信约束下微电网电压、频率、功角的稳定性。本项目的研究对于实现信息与能源深度融合，推动微电网先进控制技术发展，促进智能电网建设具有极其重要的理论及实践意义，对其他信息物理系统的分布式控制研究也具有借鉴意义。

微电网系统是由分布式能源、能量转换装置、负荷、监控以及保护装置等汇聚而成的小型发配电系统。尤其是近年来，随着大量入户式光伏、小型风机、 冷热电三联供、电动汽车、蓄电池、氢能等家庭式分布式电源以及大量低成本通信和柔性电力电子装置的出现，人们对微电网系统的成熟应用已日益迫切。微电网系统的实际投用在很大程度上取决于系统安全运行控制水平。由于微电网内设备众多，运行特性各异，因此控制问题是微电网研究中的一个难点问题。为提高微电网系统运行的可靠性、稳定性、经济性以及可扩展性，项目在有效利用信息系统与能源系统互融并充分考虑信息网络系统局限性的基础上，提出一种全新的分布式优化控制策略。采用模块化控制结构设计法，实现微电网系统的即插即用功能，提高系统的自愈能力和自适应能力；提出了通信约束下的分布式二次电压与频率控制以及功率协调控制算法，提高微电网系统运行的可靠性、稳定性以及抑制无功环流的能力；对具有等式和不等式约束的微电网经济调度问题，结合凸优化理论与多智能体一致性理论，系统地提出了在各类目标函数（光滑与非光滑目标函数）、多种通信拓扑（平衡与非平衡拓扑）、以及各类通信约束（如通信时延、丢包、以及链路变化情形）下的分布式经济调度算法，保障系统运行的经济性，提高系统的自学习能力；运用非光滑李雅普诺夫方法和非线性收缩性分析方法，分析通信约束下微电网电压、频率、功角的稳定性。本项目研究成果对于实现信息与能源深度融合，推动微电网先进控制技术发展，促进智能电网建设具有极其重要的理论及实践意义，对其他信息物理系统的分布式控制研究也具有借鉴意义。