分布式合作控制與智能電網(wǎng)運行.pdf

1、復(fù)雜系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)作為強有力的紐帶工具貫穿各行各業(yè)，如交通流網(wǎng)絡(luò)、航空網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、能源網(wǎng)絡(luò)、生物網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部節(jié)點之間通過物理連接耦合、通信連接耦合進(jìn)行互聯(lián);網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間通過信息交換、互利共享形成更大規(guī)模的多層結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中，可以將每個節(jié)點個體看作一個自主體，它具有自主決策與優(yōu)化協(xié)調(diào)計算的能力，通過網(wǎng)絡(luò)連接可以實現(xiàn)合作共贏、全局最優(yōu)決策等，因而網(wǎng)絡(luò)化的自主體便形成了多

2、自主體系統(tǒng)。本論文主要研究多自主體系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)合作控制問題，包括分布式一致性控制、牽制一致性控制、分布式包含控制的理論探究;另一方面，結(jié)合智能電網(wǎng)中的多單元交互場景，探討分布式優(yōu)化、分布式估計、分布式控制技術(shù)在智能電網(wǎng)運行中的應(yīng)用。主要結(jié)果包含以下幾個方面:
　　(1)針對一般的線性多自主體系統(tǒng)，通過設(shè)計分散式的龍伯格(Luenberger)觀測器與分布式的網(wǎng)絡(luò)化牽制觀測器，實現(xiàn)線性自主體狀態(tài)的局部與分布式觀測;其次基于自主體

3、系統(tǒng)的輸出、觀測系統(tǒng)的輸出設(shè)計了一個新的分布式混合輸出反饋協(xié)議，該協(xié)議可以包含經(jīng)典的靜態(tài)輸出反饋協(xié)議、動態(tài)輸出反饋協(xié)議、觀測基反饋協(xié)議作為特例。通過線性系統(tǒng)的特征值分析、極點配置算法，給出了在有向通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下多自主體系統(tǒng)實現(xiàn)漸進(jìn)一致性的充要條件。然后，通過線性系統(tǒng)的經(jīng)典解析解表達(dá)式給出了系統(tǒng)收斂的一致性穩(wěn)態(tài)值。進(jìn)一步，將該結(jié)論推廣到一類Lipschitz非線性多自主體系統(tǒng)中。考慮了基于觀測器協(xié)議的分布式牽制一致性控制問題。對于單個非線

4、性自主體，提出了兩種不同的觀測器設(shè)計方案:局部觀測器設(shè)計和分布式牽制觀測器設(shè)計。依據(jù)觀測的狀態(tài)信息，進(jìn)而提出了一個基于觀測器的分布式牽制一致性協(xié)議，并應(yīng)用于分析領(lǐng)導(dǎo)-跟隨一致性問題。在牽制聯(lián)合通信拓?fù)浒粋€有向生成樹的情況下，所建立的充分性判據(jù)不僅能保證觀測誤差系統(tǒng)是全局漸進(jìn)穩(wěn)定的，而且能保證多自主體系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)漸進(jìn)一致性。
　　(2)探討了一類具有兩層時變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多自主體系統(tǒng)的分布式合作控制問題，其中網(wǎng)絡(luò)分為領(lǐng)導(dǎo)層與跟隨層。

5、通過設(shè)計集中-分布式與分布-分布式的合作控制協(xié)議，可以實現(xiàn)該自主體系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)層的有限時間編隊控制與跟隨層的包含控制。這里，考慮了兩種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換規(guī)則:隨機(jī)切換規(guī)則與具有靜態(tài)平穩(wěn)分布的Markov切換規(guī)則。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與矩陣測度分析的技巧，給出了自主體系統(tǒng)漸進(jìn)包含控制與指數(shù)幾乎必然包含控制的充分性判據(jù)。其次，考慮了一類Lipschitz非線性多自主體系統(tǒng)的分布式包含控制問題，本別從協(xié)議設(shè)計角度出發(fā)，給出了在狀態(tài)反饋控制協(xié)議、混合時

6、滯耦合協(xié)議、時滯耦合協(xié)議作用下，系統(tǒng)實現(xiàn)漸進(jìn)包含控制的充分條件。進(jìn)一步，給出了每個控制協(xié)議的增益設(shè)計算法，通過多步求解算法可以得到每類分布式協(xié)議的反饋增益與耦合強度。理論研究表明了混合時滯耦合協(xié)議對時延具有較強的魯棒性，然而時滯耦合協(xié)議對時延的魯棒性則較差，存在一個最大的時延上界。
　　(3)考慮了電源側(cè)柔性資源與需求側(cè)柔性資源的聯(lián)合有功調(diào)度問題，給出了“源-網(wǎng)-荷”互聯(lián)系統(tǒng)的多層調(diào)度控制算法，該調(diào)度控制模式可以處理長時間尺度的優(yōu)

7、化調(diào)度與短時間尺度的實時控制問題。具體而言，調(diào)度控制模式分為三層實現(xiàn):上層實現(xiàn)調(diào)度中心關(guān)于發(fā)電機(jī)組與母線負(fù)荷代理的前瞻調(diào)度;中層通過分布式估計的思想實現(xiàn)同一個負(fù)荷代理內(nèi)部不同類型負(fù)荷圈的最優(yōu)有功分配計算;下層通過分布式牽制一致性控制算法實現(xiàn)同一負(fù)荷圈內(nèi)部不同類型終端能量管理系統(tǒng)的分布式控制。對于上層調(diào)度，由于參與的對象數(shù)目較少，因此采用集中的前瞻優(yōu)化來實現(xiàn)具有較高的精度、捍衛(wèi)了調(diào)度中心的集權(quán)地位;對于中、下層，由于負(fù)荷圈與終端能量管理系

8、統(tǒng)數(shù)目眾多且具有較大空間的參與靈活度，因此采用分布式計算與分布式控制是最佳的選擇。分布式算法具有良好的可延展性與魯棒性，它僅通過稀疏的通信即可實現(xiàn)全局的最優(yōu)調(diào)度與控制。
　　其次，針對微網(wǎng)運行環(huán)境，提出了一個分布式λ-迭代算法，用于求解微網(wǎng)的運行收益最大化問題。該分布式算法結(jié)合了多自主體系統(tǒng)的分布式牽制一致性控制策略，同時考慮了微網(wǎng)運行的狀態(tài)約束。在該算法中，微網(wǎng)控制中心承擔(dān)著微網(wǎng)的全局信息解析與分布式下發(fā)的責(zé)任，且該算法不依賴于

9、系統(tǒng)中分布式電源與儲能單元的初始狀態(tài)。另外一方面，考慮了時變負(fù)荷需求與分布式電源、儲能單元的即插即用場景，說明了分布式迭代優(yōu)化控制算法具有良好的魯棒性與可延展性、且能很好地應(yīng)對系統(tǒng)中的單點失效狀況。
　　(4)在配電網(wǎng)中，柔性可控負(fù)荷具有快速響應(yīng)特性，因而可以參與到電力系統(tǒng)的自動發(fā)電控制頻率調(diào)節(jié)中。本部分研究提出了一種分布式的需求側(cè)能量管理方案，可以實現(xiàn)多個負(fù)荷代理的有功功率輸出調(diào)節(jié)。當(dāng)傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組無力應(yīng)對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的較大負(fù)

10、荷擾動時，該控制策略可以作為一種超前調(diào)度控制模式激勵柔性負(fù)荷參與到系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)過程中。具體而言，給出了一個領(lǐng)導(dǎo)-跟隨的分布式牽制控制結(jié)構(gòu)。其中，領(lǐng)導(dǎo)者根據(jù)系統(tǒng)的總有功功率缺額、柔性負(fù)荷的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果、發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)極限約束來更新自己的狀態(tài);該領(lǐng)導(dǎo)者是一個虛擬的控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的多個柔性負(fù)荷代理作為跟隨者，他們的控制響應(yīng)具有一定的不確定性?？刂频哪繕?biāo)是激勵柔性負(fù)荷朝著電力系統(tǒng)的益頻方向調(diào)節(jié)。該激勵過程可以按周期進(jìn)行，直到系統(tǒng)的功率缺額被

11、調(diào)節(jié)至自動發(fā)電控制機(jī)組的可調(diào)范圍內(nèi)。
　　最后，結(jié)合實際的大規(guī)模異質(zhì)溫控負(fù)荷集群，提出了一種分布式負(fù)荷跟隨控制算法。在需求響應(yīng)計劃中，聚合的溫控負(fù)荷通常隸屬于一個較大的負(fù)荷代理內(nèi)部，它可以表示建筑樓宇內(nèi)部的所有空調(diào)負(fù)荷、熱水器負(fù)荷等。通過聚合建模，給出了基于溫度設(shè)定點信號作為輸入，聚合功率作為輸出的雙線性狀態(tài)空間模型。然后，在多個溫控負(fù)荷聚合體之間規(guī)劃簡單的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個分布式的溫度設(shè)定點變化率控制算法，通過牽制協(xié)調(diào)，可