本文是一篇电力论文，本文的研究基于微电网系统的这样一个物理平台，结合之前学者对于一致性算法在微电网无功均分问题中的优化研究的基础上，考虑在保证孤岛微电网稳定运行的同时，使无功功率均分获得更快速的一致性收敛性能。
第一章 绪论
1.1 微电网的研究背景和意义
随着当前不可再生能源的消耗速度加剧，石油、煤炭和天然气的储量已日渐不能满足人类在生产和生活方面的需求，科学家对可再生能源的应用研究逐渐深入。分布式发电技术是目前最常用的可再生能源应用技术，它将一个或多个以可再生能源为主的发电装置与储能系统相结合，布置在工厂或用户负荷附近，实现小型区域自给自足的供电形式。由于分布式发电具有清洁无污染、灵活可靠的特点，因此受到各个国家的大力推进和开发，光伏、风能、燃气轮机也称为分布式电源。当大规模分布式电源并网运行时，电网系统中的有功和无功的潮流分布发生改变，大量谐波涌入电网，电能质量将受到影响，电网电压发生波动。为了减少分布式电源接入电网时对电能质量产生的不利影响，国内外学者提出了微电网的概念[1-3]。并在21世纪初，由Lasseter等[8]首先提出了现代微电网的基本架构，并且与美国电气可靠性技术解决方案协会(CERTS)合作给出了包含完整基本系统结构的微电网框架[9]，如图1.1所示。
1.2一致性理论及应用
在自然界的群体中，个体之间常常通过相互合作的方式，共同完成某一项任务，如鸟类迁移、蚂蚁觅食等。受自然界群体行为协作的启发，类比群体行为中个体的性质，多智能体的概念首次被提出[37-39]，多智能体系统是指由能够自治或半自治的多智能体由通信网络相互传递信息组成的大规模复杂系统。在微电网系统中，将分布式电源看作多智能体，在上层通信层中对应成节点，各节点之间的连接线路表示分布式电源之间的通信连接线路。基于多智能体系统通信网络的一致性理论是实现协同控制的有效方法，所谓一致性是指满足一定条件的通信网络，在一定时间内，实现系统中所有个体的状态最终趋于一个相同的值。
分布式一致性控制在控制方式和控制性能上具有更突出的通信结构简洁、实时信息交互和运行稳定性能，更多学者转向分布式控制的研究，近年来分布式一致性理论取得众多研究成果[40-43]：
(1)编队控制。多智能体系统在实际运行过程中通过实时通信保持队形维持在预先设定状态。分布式编队控制方式在无人机飞行、无人驾驶以及卫星群编队等方面有广泛应用。
(2)聚集控制。一群处于运动状态的多智能体，利用分布式控制方式设计控制算法使得群体中的多智能体实现规定时间内的动态位置聚集，属于动态无约束一致性控制。
(3)协同控制。具体应用情境如网络环境下订单处理问题，将单个订单的状态变化看作一个多智能体的实时状态，给每个订单个体指定不同阈值（即不同约束条件），利用分布式一致性通信协议调节订单状态，实现与集中式控制相同的控制效果。
多智能体系统利用分布式控制方式，结合控制策略，在分解复杂网络，实现多智能体系统中个体之间的协调控制中取得众多研究进展。因此，将多智能体系统分布式一致性控制方式引入微电网系统具有可行性。在孤岛微电网系统中，由于每个分布式电源并入电网的线路阻抗不同，下垂控制作为其逆变器的主要控制策略无法满足各分布式电源输出无功达到均分的要求。且如果有新的分布式电源并入微电网，由于有功率流入电网，系统电压和频率会出现波动，如果电压波动较大，那么整个孤岛微电网系统的电能质量将受到影响，无法满足对用户符合电能的正常供应。
第二章 微电网系统的搭建
2.1 微电网分层控制结构
为了保证微电网系统的安全、稳定运行的基础上，获得最优的经济效益，微电网的控制目标包括以下几点：
(1)微电网系统中各分布式电源的输出功率值与其额定容量成正比，保证在额定容量运行时分布式电源之间不产生环流，保证微电网系统电能质量；
(2)微电网系统的电压和频率的波动应维持在可允许的偏差之内；
(3)在合理分配微电网中流动功率的基础上，实现分布式电源通信结构的经济效益最大化，降低通信成本。
为了实现上述三点控制要求，国内外学者提出了微电网分层控制的结构[68-71]，如图2.1所示。
2.2 逆变器控制方式
逆变器作为交流微电网中最常见的电能变换装置，在功率不变的基础上将分布式电源输出直流电转换为交流电，实现分布式电源并网连接。其中，微电网系统常用的三相电压逆变器电路原理图如图2.4所示[75-77]。
第三章 微电网无功均分算法中的通信结构分层优化......................... 33
3.1 基于一致性算法的二次控制性能与通信结构的关系.................... 33
3.2 双层拓扑结构设计算法........................... 34
第四章 基于预测控制的微电网无功均分优化算法..................... 44
4.1 预测控制算法的基本框架.......................... 44
4.2 改进下垂控制的性能优化....................... 45
第五章 综合通信拓扑与控制算法的微电网无功均分优化研究........................ 52
5.1 预测控制算法在双层递阶结构中的实现....................... 52
5.2 仿真实验................................. 56
第五章 综合通信拓扑与控制算法的微电网无功均分优化研究
5.1 预测控制算法在双层递阶结构中的实现
为了获得更加具有实际应用优势的一致性收敛性能，给定最小化通信成本、尽可能加快一致性收敛速度作为微电网系统无功功率均分收敛性能衡量指标。从第三章和第四章的研究中可以发现，利用双层递阶通信结构或者模型预测控制算法都可以得到更快速的一致性收敛性能，而模型预测控制可以进一步优化一致性收敛状态，这对于保证微电网系统的稳定运行非常具有实际意义。第四章讨论了基于固定通信结构的一致性性能优化，而在双层递阶结构中，底层子图在实现一致性的过程中也是保持通信拓扑结构不变的，这样，底层子图就可以给出固定的状态方程模型，具有实现预测控制算法的基本框架。
根据最小通信链路算法得到微电网系统的最优通信拓扑结构，保证通信成本最低。在此基础上，双层递阶结构可以初步加快最优通信拓扑结构下的一致性收敛速度。根据经过双层递阶结构优化的最小链路算法的通信拓扑结构，得到底层子图通信连接关系，据此写出子图的Laplacian矩阵，这样，每个子图得到的状态方程模型可以作为新的预测控制模型。此时，预测控制优化目标在式(4.3)的基础上，增加与通信能量相关的惩罚项，如式(3.14)，式(4.3)可改写为：
第六章 总结与展望
随着能源危机的加深，以及新能源登上历史舞台，近年来对于微电网的研究在不断深入。本文的研究基于微电网系统的这样一个物理平台，结合之前学者对于一致性算法在微电网无功均分问题中的优化研究的基础上，考虑在保证孤岛微电网稳定运行的同时，使无功功率均分获得更快速的一致性收敛性能。结合在MATLAB/Simulink平台微电网系统的仿真结果，得到如下结论：
(1)本文结合一致性算法在微电网系统中的研究工作，查阅相关文献，总结微电网系统中分布式一致性协同控制策略的研究现状。
(2)对微电网系统的组成部分进行详细分析，研究多种分布式电源的数学模型、输出特性及并网控制策略，基于分布式电源的数学模型，在MATLAB/Simulink搭建微电网系统仿真平台，观察在一般下垂控制策略下分布式电源输出无功情况。
(3)根据一致性算法的在微电网二次控制中的性能特性与分布式电源通信结构之间的关系，优先考虑微电网系统实际应用中的通信代价函数，设计采用最小链路算法优化通信拓扑结构，降低通信成本。根据分层递阶一致性优化思想，设计双层递阶结构，保证最小化微电网系统通信成本的同时实现微电网系统中的快速无功均分。
(4)基于预测控制优化的思想，进一步考虑孤岛微电网在实际运行过程中的电能质量指标，结合微电网系统的电能质量要求与预测控制项之间的数学关系，保证微电网系统公共母线电压维持在可允许的偏差范围内，维持微电网系统公共母线电压稳定。使用在线优化的离散一致性算法，实现孤岛微电网系统在线路阻抗不匹配情况下的快速无功均分。
参考文献（略）
