智能电网中的分布式控制与优化

在碳中和、碳达峰背景下，构建以新能源为主体的新型电力系统成为我国电力系统改革的重要举措。本书深入研究了新型电力系统的典型代表——新能源微电网的相关控制策略，重点讨论了微电网的分布式控制与优化方法。针对微电网控制问题，本书提出的诸多控制方法可以保证微电网在多种复杂环境下的稳定运行；针对微电网经济调度问题，本书研究的快速优化方法为解决其实时性要求高的技术难点提供了新的思路；在介绍微电网相关控制与优化算法中，不仅有传统算法设计，同时也结合当前研究热点，提出了基于深度学习的优化方法。
本书可为从事电气工程相关工作的技术人员提供参考，也可供从事微电网研究工作的师生阅读。

（1）针对海量新能源接入引起的微电网系统频率惯量低、稳定性差等新问题，提出了基于有限时间控制思想的电压频率分布式解耦稳定控制策略。首次分析了含有下垂控制逆变器型的分布式电源特性，理论上揭示了系统频率和电压相互耦合的动态特性，并设计了基于有限时间控制思想的解耦控制策略。在此基础上，提出了一系列分布式控制方法，解决了交流微电网频率和电压恢复控制、不平衡电压补偿，直流微电网电压恢复和精确电流分配等实际工程问题。 （2）针对高比例不确定性新能源接入引起的微电网系统调度规模大、实时性要求高的问题，提出了分布式并行学习与惯量加速的分散式梯度优化算法相结合的配电系统分布式实时经济调度的新思路。实现了新能源高效利用，解决了高比例新能源波动性大引起的微电网系统供需平衡难度大及新能源消纳困难的问题。

能源作为人类赖以生存的基础，极大程度上促进了人类社会的发展。而电能作为高效的能源利用方式在人类生产生活中具有不可或缺的地位。传统电能主要依靠石油、煤炭等化石燃料生产，发电的同时往往伴随着大量的污染排放，加之，不可再生能源终将走向枯竭。因此，大力发展新能源、促进可再生能源利用已成为解决能源需求增长与环境保护之间矛盾的重要措施。此外，“十四五”时期也是我国加快能源绿色低碳转型、落实应对气候变化国家自主贡献目标的攻坚期。大力发展可再生能源是纵深推进能源革命、保障国家能源安全的重大举措。然而，以太阳能、风能和生物质能等为代表的可再生能源通常以分散形式存在，使得以新能源为主体的新型电力系统的发电、配电与储电等问题难以协调。为解决可再生能源利用率问题，微电网这种以高效、清洁的分布式能源为基础，结合储能单元、负荷以及相关控制装置的新型供电方式应运而生。
通常，微电网具有两种运行模式，分别为并网模式与孤岛模式。并网模式下，微电网系统动态特性一般由主电网决定，微电网只需在电流源模式下工作。相较而言，孤岛式微电网控制所带来的挑战更大。为更好地实现孤岛式微电网能量管理，一般采用类似于传统电网的分层控制结构。该控制结构主要分为三层：底层控制基于本地分散控制实现微电网电压/ 频率稳定及功率初步分配，二层控制（中间层控制） 旨在解决由底层控制所导致的电压/ 频率偏差、电能质量提升等问题，三层控制（上层控制） 主要考虑经济调度及优化问题。传统微电网二层与三层控制通常在集中控制器【 如微电网集中控制器（Microgrid Central Controller，MGCC）】 上实现，而集中式控制往往存在单点故障、通信/ 计算成本高等缺点。学术界也在积极探索新的控制方式和框架。近年来，分布式控制方式得到了广泛关注。与集中式控制相比，该类控制方式将若干子控制器按地域的“纵向分布”，通过在各个子控制器间建立信息交互机制，实现整个系统的协同控制。在该类控制框架下，各个子控制器“地位平等”，通过“协同优化”，最终实现全局系统的“合作共赢”。
基于此，本书以新型电力系统中的典型代表——微电网为研究对象，提出了一类在分布式控制框架下的微电网二层控制与三层优化算法。本书旨在研究如何增强微电网的可靠性、稳定性以及经济性，提供了清晰的二层控制以及三层优化理念，适合初学微电网控制的本科生以及研究生阅读，同时也适用于长期从事微电网控制研究的学者。本书主要内容：一是讨论了不同通信条件下的分布式二次电压与频率恢复策略（第2章）；二是给出了一种分布式不平衡电压补偿策略（第3章）；除研究交流微电网二层控制问题外，本书还进一步讨论了直流微电网的分布式二次控制算法以及基于事件触发的低通信负担控制算法（第4章）；为了进一步阐述智能算法在微电网中三层控制的运用，本书提出了“虚拟智能体（Virtualagent）”的概念（第5章）、基于加速梯度的分布式经济调度优化算法（第6章）；针对微电网三层优化非凸经济调度问题，本书提出了一种基于改进连续凸逼近分布式优化算法（第7章）。本书最后还讨论了一类新的基于“学习优化（Learningto optimize）”的经济调度优化算法用以解决传统数值优化算法实时性差的问题。
微电网控制从传统控制算法逐渐演变到具有网络攻击的弹性控制算法，再上升到基于智能学习算法的控制，此类演变趋势使得微电网的控制与优化遇到诸多新的困难和挑战。衷心希望本书的出版能够给读者提供更新更广阔的视野，进一步推进我国大规模分布式微电网的研究。
在本书出版之际，作者要特别感谢国家自然科学基金长期以来对微电网控制与优化研究的资助，同时也要感谢国内外学术界和工业界的同行，与他们进行的大量正向交流，使作者对微电网控制与优化的理解不断深入，并获得新的启发。感谢本书编写组，感谢多年来并肩工作在微电网控制与优化研究领域的博士生和硕士生，他们的丰硕成果为此书注入了许多新鲜的灵感。
最后还要感谢自己的家人，他们始终不渝的支持与鼓励是作者进行研究和完成写作的强大动力。

著者

第1章 智能电网控制与优化方法研究现状 001
1.1 智能电网简介 002
1.2 智能电网控制与优化方法简介 006
1.2.1 智能电网分布式控制方法 006
1.2.2 智能电网分布式优化方法 011
1.3 本书的主要内容 014
参考文献 017

第2章 交流微电网分布式二次电压和频率恢复控制 027
2.1 概述 028
2.2 交流微电网分布式二次电压/频率有限时间控制 028
2.2.1 交流微电网模型 028
2.2.2 分布式二次电压恢复控制 032
2.2.3 分布式二次频率恢复控制 035
2.2.4 实验验证 039
2.3 含有网络虚假数据注入攻击的分布式弹性控制器设计 045
2.3.1 问题描述 045
2.3.2 基于中间观测器的分布式弹性控制器设计 048
2.3.3 控制器稳定性分析 053
2.3.4 实验验证 056
参考文献 059

第3章 交流微电网分布式二次不平衡电压补偿控制 063
3.1 概述 064
3.2 二次不平衡电压补偿控制 064
3.2.1 问题描述 064
3.2.2 不平衡电压补偿控制策略 065
3.2.3 分布式二次不平衡电压补偿控制 067
3.2.4 实验验证 071
3.3 基于负序电流反馈的分布式二次不平衡电压补偿控制 081
3.3.1 基于负序电流反馈的不平衡电压补偿控制 081
3.3.2 实验验证 082
参考文献 084

第4章 直流微电网分布式二次电压恢复和电流分配控制 087
4.1 概述 088
4.2 直流微电网分布式二次控制 089
4.2.1 直流微电网模型 089
4.2.2 分布式二次电压恢复和电流分配控制 090
4.2.3 分布式最优功率分配控制 098
4.2.4 实验验证 099
4.3 基于事件触发通信机制的分布式控制器设计 112
4.3.1 事件触发控制器设计 112
4.3.2 实验验证 118
参考文献 124

第5章 基于梯度下降的分布式经济调度优化方法 129
5.1 分布式优化技术概述 130
5.2 基于多聚类划分的分布式优化算法 130
5.2.1 问题描述 130
5.2.2 优化算法设计 131
5.2.3 算法收敛性分析 137
5.2.4 仿真实例 144
5.3 基于分层结构的分布式优化算法 149
5.3.1 优化算法设计 149
5.3.2 算法收敛性分析 154
5.3.3 仿真实例 157
参考文献 168