智能電網(wǎng)中的分布式控制與優(yōu)化

在碳中和、碳達(dá)峰背景下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)改革的重要舉措。本書(shū)深入研究了新型電力系統(tǒng)的典型代表——新能源微電網(wǎng)的相關(guān)控制策略，重點(diǎn)討論了微電網(wǎng)的分布式控制與優(yōu)化方法。針對(duì)微電網(wǎng)控制問(wèn)題，本書(shū)提出的諸多控制方法可以保證微電網(wǎng)在多種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行；針對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，本書(shū)研究的快速優(yōu)化方法為解決其實(shí)時(shí)性要求高的技術(shù)難點(diǎn)提供了新的思路；在介紹微電網(wǎng)相關(guān)控制與優(yōu)化算法中，不僅有傳統(tǒng)算法設(shè)計(jì)，同時(shí)也結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)，提出了基于深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化方法。
本書(shū)可為從事電氣工程相關(guān)工作的技術(shù)人員提供參考，也可供從事微電網(wǎng)研究工作的師生閱讀。

（1）針對(duì)海量新能源接入引起的微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率慣量低、穩(wěn)定性差等新問(wèn)題，提出了基于有限時(shí)間控制思想的電壓頻率分布式解耦穩(wěn)定控制策略。首次分析了含有下垂控制逆變器型的分布式電源特性，理論上揭示了系統(tǒng)頻率和電壓相互耦合的動(dòng)態(tài)特性，并設(shè)計(jì)了基于有限時(shí)間控制思想的解耦控制策略。在此基礎(chǔ)上，提出了一系列分布式控制方法，解決了交流微電網(wǎng)頻率和電壓恢復(fù)控制、不平衡電壓補(bǔ)償，直流微電網(wǎng)電壓恢復(fù)和精確電流分配等實(shí)際工程問(wèn)題。 （2）針對(duì)高比例不確定性新能源接入引起的微電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度規(guī)模大、實(shí)時(shí)性要求高的問(wèn)題，提出了分布式并行學(xué)習(xí)與慣量加速的分散式梯度優(yōu)化算法相結(jié)合的配電系統(tǒng)分布式實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的新思路。實(shí)現(xiàn)了新能源高效利用，解決了高比例新能源波動(dòng)性大引起的微電網(wǎng)系統(tǒng)供需平衡難度大及新能源消納困難的問(wèn)題。

能源作為人類(lèi)賴以生存的基礎(chǔ)，極大程度上促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。而電能作為高效的能源利用方式在人類(lèi)生產(chǎn)生活中具有不可或缺的地位。傳統(tǒng)電能主要依靠石油、煤炭等化石燃料生產(chǎn)，發(fā)電的同時(shí)往往伴隨著大量的污染排放，加之，不可再生能源終將走向枯竭。因此，大力發(fā)展新能源、促進(jìn)可再生能源利用已成為解決能源需求增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)之間矛盾的重要措施。此外，“十四五”時(shí)期也是我國(guó)加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、落實(shí)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)的攻堅(jiān)期。大力發(fā)展可再生能源是縱深推進(jìn)能源革命、保障國(guó)家能源安全的重大舉措。然而，以太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等為代表的可再生能源通常以分散形式存在，使得以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的發(fā)電、配電與儲(chǔ)電等問(wèn)題難以協(xié)調(diào)。為解決可再生能源利用率問(wèn)題，微電網(wǎng)這種以高效、清潔的分布式能源為基礎(chǔ)，結(jié)合儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及相關(guān)控制裝置的新型供電方式應(yīng)運(yùn)而生。
通常，微電網(wǎng)具有兩種運(yùn)行模式，分別為并網(wǎng)模式與孤島模式。并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性一般由主電網(wǎng)決定，微電網(wǎng)只需在電流源模式下工作。相較而言，孤島式微電網(wǎng)控制所帶來(lái)的挑戰(zhàn)更大。為更好地實(shí)現(xiàn)孤島式微電網(wǎng)能量管理，一般采用類(lèi)似于傳統(tǒng)電網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)。該控制結(jié)構(gòu)主要分為三層：底層控制基于本地分散控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓/ 頻率穩(wěn)定及功率初步分配，二層控制（中間層控制） 旨在解決由底層控制所導(dǎo)致的電壓/ 頻率偏差、電能質(zhì)量提升等問(wèn)題，三層控制（上層控制） 主要考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度及優(yōu)化問(wèn)題。傳統(tǒng)微電網(wǎng)二層與三層控制通常在集中控制器【 如微電網(wǎng)集中控制器（Microgrid Central Controller，MGCC）】 上實(shí)現(xiàn)，而集中式控制往往存在單點(diǎn)故障、通信/ 計(jì)算成本高等缺點(diǎn)。學(xué)術(shù)界也在積極探索新的控制方式和框架。近年來(lái)，分布式控制方式得到了廣泛關(guān)注。與集中式控制相比，該類(lèi)控制方式將若干子控制器按地域的“縱向分布”，通過(guò)在各個(gè)子控制器間建立信息交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同控制。在該類(lèi)控制框架下，各個(gè)子控制器“地位平等”，通過(guò)“協(xié)同優(yōu)化”，最終實(shí)現(xiàn)全局系統(tǒng)的“合作共贏”。
基于此，本書(shū)以新型電力系統(tǒng)中的典型代表——微電網(wǎng)為研究對(duì)象，提出了一類(lèi)在分布式控制框架下的微電網(wǎng)二層控制與三層優(yōu)化算法。本書(shū)旨在研究如何增強(qiáng)微電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性，提供了清晰的二層控制以及三層優(yōu)化理念，適合初學(xué)微電網(wǎng)控制的本科生以及研究生閱讀，同時(shí)也適用于長(zhǎng)期從事微電網(wǎng)控制研究的學(xué)者。本書(shū)主要內(nèi)容：一是討論了不同通信條件下的分布式二次電壓與頻率恢復(fù)策略（第2章）；二是給出了一種分布式不平衡電壓補(bǔ)償策略（第3章）；除研究交流微電網(wǎng)二層控制問(wèn)題外，本書(shū)還進(jìn)一步討論了直流微電網(wǎng)的分布式二次控制算法以及基于事件觸發(fā)的低通信負(fù)擔(dān)控制算法（第4章）；為了進(jìn)一步闡述智能算法在微電網(wǎng)中三層控制的運(yùn)用，本書(shū)提出了“虛擬智能體（Virtualagent）”的概念（第5章）、基于加速梯度的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化算法（第6章）；針對(duì)微電網(wǎng)三層優(yōu)化非凸經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，本書(shū)提出了一種基于改進(jìn)連續(xù)凸逼近分布式優(yōu)化算法（第7章）。本書(shū)最后還討論了一類(lèi)新的基于“學(xué)習(xí)優(yōu)化（Learningto optimize）”的經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化算法用以解決傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化算法實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。
微電網(wǎng)控制從傳統(tǒng)控制算法逐漸演變到具有網(wǎng)絡(luò)攻擊的彈性控制算法，再上升到基于智能學(xué)習(xí)算法的控制，此類(lèi)演變趨勢(shì)使得微電網(wǎng)的控制與優(yōu)化遇到諸多新的困難和挑戰(zhàn)。衷心希望本書(shū)的出版能夠給讀者提供更新更廣闊的視野，進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)大規(guī)模分布式微電網(wǎng)的研究。
在本書(shū)出版之際，作者要特別感謝國(guó)家自然科學(xué)基金長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)微電網(wǎng)控制與優(yōu)化研究的資助，同時(shí)也要感謝國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的同行，與他們進(jìn)行的大量正向交流，使作者對(duì)微電網(wǎng)控制與優(yōu)化的理解不斷深入，并獲得新的啟發(fā)。感謝本書(shū)編寫(xiě)組，感謝多年來(lái)并肩工作在微電網(wǎng)控制與優(yōu)化研究領(lǐng)域的博士生和碩士生，他們的豐碩成果為此書(shū)注入了許多新鮮的靈感。
最后還要感謝自己的家人，他們始終不渝的支持與鼓勵(lì)是作者進(jìn)行研究和完成寫(xiě)作的強(qiáng)大動(dòng)力。

著者

第1章 智能電網(wǎng)控制與優(yōu)化方法研究現(xiàn)狀 001
1.1 智能電網(wǎng)簡(jiǎn)介 002
1.2 智能電網(wǎng)控制與優(yōu)化方法簡(jiǎn)介 006
1.2.1 智能電網(wǎng)分布式控制方法 006
1.2.2 智能電網(wǎng)分布式優(yōu)化方法 011
1.3 本書(shū)的主要內(nèi)容 014
參考文獻(xiàn) 017

第2章 交流微電網(wǎng)分布式二次電壓和頻率恢復(fù)控制 027
2.1 概述 028
2.2 交流微電網(wǎng)分布式二次電壓/頻率有限時(shí)間控制 028
2.2.1 交流微電網(wǎng)模型 028
2.2.2 分布式二次電壓恢復(fù)控制 032
2.2.3 分布式二次頻率恢復(fù)控制 035
2.2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 039
2.3 含有網(wǎng)絡(luò)虛假數(shù)據(jù)注入攻擊的分布式彈性控制器設(shè)計(jì) 045
2.3.1 問(wèn)題描述 045
2.3.2 基于中間觀測(cè)器的分布式彈性控制器設(shè)計(jì) 048
2.3.3 控制器穩(wěn)定性分析 053
2.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 056
參考文獻(xiàn) 059

第3章 交流微電網(wǎng)分布式二次不平衡電壓補(bǔ)償控制 063
3.1 概述 064
3.2 二次不平衡電壓補(bǔ)償控制 064
3.2.1 問(wèn)題描述 064
3.2.2 不平衡電壓補(bǔ)償控制策略 065
3.2.3 分布式二次不平衡電壓補(bǔ)償控制 067
3.2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 071
3.3 基于負(fù)序電流反饋的分布式二次不平衡電壓補(bǔ)償控制 081
3.3.1 基于負(fù)序電流反饋的不平衡電壓補(bǔ)償控制 081
3.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 082
參考文獻(xiàn) 084

第4章 直流微電網(wǎng)分布式二次電壓恢復(fù)和電流分配控制 087
4.1 概述 088
4.2 直流微電網(wǎng)分布式二次控制 089
4.2.1 直流微電網(wǎng)模型 089
4.2.2 分布式二次電壓恢復(fù)和電流分配控制 090
4.2.3 分布式最優(yōu)功率分配控制 098
4.2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 099
4.3 基于事件觸發(fā)通信機(jī)制的分布式控制器設(shè)計(jì) 112
4.3.1 事件觸發(fā)控制器設(shè)計(jì) 112
4.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 118
參考文獻(xiàn) 124

第5章 基于梯度下降的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化方法 129
5.1 分布式優(yōu)化技術(shù)概述 130
5.2 基于多聚類(lèi)劃分的分布式優(yōu)化算法 130
5.2.1 問(wèn)題描述 130
5.2.2 優(yōu)化算法設(shè)計(jì) 131
5.2.3 算法收斂性分析 137
5.2.4 仿真實(shí)例 144
5.3 基于分層結(jié)構(gòu)的分布式優(yōu)化算法 149
5.3.1 優(yōu)化算法設(shè)計(jì) 149
5.3.2 算法收斂性分析 154
5.3.3 仿真實(shí)例 157
參考文獻(xiàn) 168