支持大量异构分布式能源广泛灵活接入的通用控制协议研究

With the rapid increasing development of distributed energy resources (DERs) such as wind generators, photovoltaic, electric vehicle, energy storage and microgrid, our distribution network (DN) is facing an inevitable infrastructure transition. It is recognized RESs are characterized by high volume, small capacity, complicated and heterogeneous dynamics and wide dispersity, which cannot be well accommodated by the current centralized control architecture designed for the traditional DN. In this regard, we propose to derive versatile distributed cooperative control protocols for both the information flow and energy flow in the regard to massive heterogeneous dynamic DERs, underpinning the sustainable integration of DERs and facilitating the re-innovation of our control architecture for future smart grid that admits sustainable and flexible integration of the ever increasing of DERs. The control protocols comprise of the stability-oriented protocol and the optimality-oriented protocol corresponding to the energy flow and the information flow, respectively. They provide a unified interface for flexible integration of heterogeneous DERs, allowing to build on a “plug-and-play” control architecture for future smart grid. The main technique points to be investigated include: 1) Derive the energy structure of a generic power system by using the Dirac structure theory and the energy function construction methodology; 2) Construct the energy-oriented decentralized cooperative control protocol for the integration of massive heterogeneous DERs by using the interconnected dissipative system theory; 3) Construct the optimality-oriented distributed cooperative control protocol for the integration of DERs with complicated operational constraints by using the layered decomposition theory and the consensus control on graph; 4)Deploy the proposed theory and methodologies to the flexible control of RESs in power systems with simulation by simulations or experiments.

风机、光伏、电动汽车、储能、微电网等分布式能源数量多、容量小、特性杂、分布散，传统集中控制难以满足未来智能电网及能源互联网对分布式能源广泛灵活接入的要求。为此，拟从系统能量结构出发，研究支持大量分布式能源灵活接入的趋稳与趋优分布式协同控制协议，以规范各接入设备的动态行为，实现异构动态设备接入电网的信息流及能量流的通用接口，进而为构建未来智能电网“即插即用”的控制新体系提供基础理论和技术支撑，并有望探索一条复杂网络控制系统设计的新途径。具体研究内容包括：1）基于Dirac结构和能量函数构造理论，提出一般电力系统的能量结构理论；2）基于耗散系统互联及控制理论，提出大量异构分布式能源接入下的分散协同“趋稳”控制协议；3）基于协调分解及图上的趋同控制理论，研究多耦合约束下分布式能源接入的协同“趋优”控制协议；4）将理论成果应用于电力系统的分布协同优化控制，并通过仿真或实验验证。

本项目基于无源/耗散性理论和势博弈理论，探索了大规模电力系统的分布式稳定性分析与分布式优化求解的理论与方法，解决大量异构分布式能源接入下系统的系统趋稳控制问题和运行点协同优化问题。项目提出了支持大量分布式能源灵活接入的“趋稳”与“趋优”分布式协同控制协议，通过规范各接入设备能量流与信息流的动态行为，保证系统整体的自趋稳并实现运行点的自寻优。.项目基本实现了预期成果，具体包括：.（1）电力系统能量结构。从电力系统的能量传递与守恒的本质特性出发，基于相量电路特勒根定理分析了电力系统暂态能量的Dirac结构，并对能量的存储、耗散与传递进行了数学刻画。研究结果表明，电力系统暂态能量可分解为网络与节点两部分，二者通过端口守恒互联。基于能量结构分解，有望实现系统稳定性的分布式分析与控制。.（2）“趋稳”控制协议。提出了基于无源/耗散性的电力系统分布式稳定性分析方法，构建了适应海量异构元件的分散协同“趋稳”控制协议。通过该协议规范所有并网元件的动态特性，保证系统整体的稳定性，为解决大量异构分布式能源接入下系统的稳定控制问题提供了新的途径。.（3）“趋优”控制协议。提出了基于势博弈的电力系统分解协调优化方法，设计了适应海量异构元件的“趋优”控制协议。通过该协议规范所有并网元件信息的交互与更新规则，实现系统整体的优化求解，解决了分布式能源个体在复杂耦合约束下的运行点协同优化问题。.（4）应用验证。搭建了仿真平台和微电网实验平台，通过大量仿真与实验验证了所提理论方法的有效性，以及在非理想运行情况下的鲁棒性，展示出所提理论在实际电力系统中的应用潜力。.本项目研究了大量分布式能源协同“趋稳”与协同“趋优”的基础理论、控制框架与实现方法，最终形成“趋稳”与 “趋优”分布式协同控制协议，为未来海量元件接入下智能电网的安全高效运行提供了一个行之有效的解决方案。