獨立微電網系統分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新能源微電網調配領域的頻率控制方法，特別涉及一種獨立微電 網系統分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現方法。
【背景技術】
[0002] 獨立微電網系統作為獨立供電系統實現的重要方式，為有效解決山區(qū)偏遠地區(qū)和 沿海海島等地區(qū)供電難題提供了一種可行方案，因此近年來受到了國內外學術界和工程 應用界的廣泛研究與推廣應用。由于風力發(fā)電和光伏發(fā)電具有隨機性特性，加之負荷需 求的多樣性和復雜性，如何實現平穩(wěn)、快速且準確的頻率控制是獨立交流微電網系統調配 和能量管理領域必須解決的重要技術難題之一。目前，國內外學術界和工程界通常采用 傳統的整數階PID或PI控制器實現獨立交流微電網系統或混合電力系統的頻率控制，整 數階PID或PI控制器參數整定主要采用遺傳算法或模糊粒子群算法等實現，存在振蕩幅 度較大、響應速度較慢、抗干擾能力不足、優(yōu)化算法自身參數整定復雜、計算效率較低等缺 陷。分數階PID控制器在傳統整數階PID控制器的基礎上，引入了分數階積分階次和分數 階微分階次兩個參數，使得閉環(huán)控制系統的綜合控制性能得到明顯提升，因此近年來分數 階PID控制器受到了廣泛關注和研發(fā)應用，相關理論成果在一些實際工業(yè)控制系統中得到 了較為成功的應用，但在獨立交流微電網系統中的應用研究還鮮有報道。僅有的相關研究 報道是采用遺傳算法和基于Kriging代理模型等優(yōu)化算法進行分數階PID控制器的參數整 定，但遺傳算法包含選擇、交叉和變異等復雜進化計算操作，算法自身可調參數較多，計算 效率較低；基于Kriging代理模型對初始樣本數目依賴較高，也同樣存在算法自身參數整 定復雜、計算效率偏低等缺陷。在國家自然科學基金（No. 51207112)、浙江省公益計劃項目 (Nos. 2014C31074、2014C31093)、浙江省自然科學基金（Nos. LY16R)30011、LZ16E050002、 LQ14R)30006、LQ14R)30007)的支持下，本發(fā)明公開一種獨立微電網系統分數階頻率控制器 優(yōu)化設計及其實現方法，可實現獨立微電網系統智能調頻效果，并具有現有技術所不具備 的以下優(yōu)點：獨立微電網系統具有更快的響應速度、更小的振蕩幅度、更高的控制精度和更 好的穩(wěn)健性等控制性能，優(yōu)化方法僅具有選擇和變異操作，所需整定的參數更少，實施更簡 單，優(yōu)化效率更高。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種獨立微電網系統分數階頻率控 制器優(yōu)化設計及其實現方法。該方法包括以下步驟：
[0004] (1)獨立微電網系統監(jiān)控計算機讀取系統中各組件（包括風力發(fā)電機、光伏陣列、 柴油發(fā)電機、燃料電池、鉛酸蓄電池、飛輪儲能系統和電力電子變換器）參數信息、各組件 小信號頻率響應模型和負荷數據；
[0005] (2)設置優(yōu)化參數（包括種群大小NP、最大迭代優(yōu)化次數1_和變異系數p J數 值；
[0006] (3)隨機生成一個在分數階頻率控制器中優(yōu)化變量的下限和上限之間范圍內 的實數編碼且均勻分布的初始種群P =汜，i = 1，2, "·，ΝΡ}，其中第i個個體P1 = (KPl，K11, KDl，λ μ J，KPl、Kn、KDl、λ η μ身別表示第i個分數階頻率控制器比例系數、積 分系數、微分系數、分數階積分的階次系數、分數階微分的階次系數，分數階頻率控制器的 傳遞函數表達式 Gfc(S)為 Gfc(S) =KP+KlS VKdS11;
[0007] (4)按照式⑴對種群P中的每一個個體P1, i = 1，2,…，NP進行適應度函數F1計算評價，并將當前最好適應度值設置為Ftest= min {F D i = 1，2,…，NP}，將對應的個體設 置為當前最好解Sbf3st;
[0009] 其中！~_和Tniax分別表示微電網系統運行的初始時間和終止時間，Δ f為微電網系 統頻率偏差，u為分數階頻率控制器輸出信號值，^和w 2為目標函數的權重系數。
[0010] (5)按照式⑵-(4)對種群P中的每一個個體P1, i = 1，2,…，NP執(zhí)行冪律變異 (Power mutation，PM)，從而產生新的種群 Pn= {P Ni, i = 1，2,…，NP};
[0014] 其中r和&是在[0, 1]范圍內產生的均勻分布隨機數，L和U表示分數階頻率控 制器中優(yōu)化變量的下限和上限，Pni為冪律變異系數；
[0015] (6)按照式⑴對種群Pn*的每一個個體PNl, i = 1，2,…，NP進行適應度函數Fni計算評價，得到Pn*最好適應度值F Nb= min {F Ni, i = 1，2,…，NP}，將對應的個體設置為當 前最好解SNb;
[0016] (7)若 Fbest^ F Nb，則設置為 Fbest= F Nb，Sbest= S Nb;否則保持原有 F ^和 S bestF 變；
[0017] (8)無條件接受P = Pn;
[0018] (9)重復步驟（4)_⑶直到滿足用戶設定的最大迭代優(yōu)化次數1_終止條件；
[0019] (10)輸出最終的最佳適應度值Ftest和最佳分數階頻率控制器參數S test = (KPb，KIb，KDb，λ b，μ b)，其中KPb、KIb、KDb、λ b、μ汾別表示最佳分數階頻率控制器比例系數、 積分系數、微分系數、分數階積分的階次系數、分數階微分的階次系數；獨立微電網系統監(jiān) 控計算機并實時輸出Stest對應的獨立微電網系統頻率偏差、分數階頻率控制器輸出和各組 件輸出功率的運行曲線。
[0020] 進一步地，步驟4中所涉及的權重系數^和w 2可根據實際工程需求設定，具有一 定的靈活性且能達到不同的優(yōu)化效果，W1-般選取為[0, 1]范圍內的實數，W2設置為W2 = K(1 一 W1)，其中 K 一般選取為 K = 0· 〇V(T_- T _)。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：基于獨立微電網系統中風力發(fā)電機、光伏陣列、柴油發(fā)電 機、燃料電池、鉛酸蓄電池、飛輪儲能系統和電力電子變換器等各組件小信號頻率響應模 型、參數信息和負荷特性，本發(fā)明采用分數階PID控制器實現獨立微電網系統頻率控制，并 進一步采用實數編碼群體進化算法實現分數階頻率控制器參數的智能整定。采用本發(fā)明可 實現獨立微電網系統智能調頻效果，具有現有技術所不具備的以下優(yōu)點：獨立微電網系統 具有更快的響應速度、更小的振蕩幅度、更高的控制精度和更好的穩(wěn)健性等控制性能，優(yōu)化 方法僅具有選擇和變異操作，所需整定的參數更少，實施更簡單，優(yōu)化效率更高。
【附圖說明】
[0022] 圖1是獨立微電網系統結構示意圖；
[0023] 圖2是獨立微電網系統小信號模型與分數階頻率控制框圖；
[0024] 圖3是獨立微電網系統分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現方法的原理圖；
[0025] 圖4是獨立微電網系統中風力發(fā)電機、光伏陣列某一時間段內功率變化和負荷變 化圖；
[0026] 圖5是本發(fā)明實施后的頻率偏差、控制器輸出信號和功率偏差曲線效果圖；
[0027] 圖6是本發(fā)明實施后的部分子系統功率曲線效果圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。
[0029] 圖1是獨立微電網系統結構圖，包括雙饋異步風力發(fā)電機、風力發(fā)電機、光伏陣 列、柴油發(fā)電機、燃料電池、鉛酸蓄電池儲能系統、飛輪儲能系統、逆變器交流母線、變壓器、 DC/AC變換器、AC/AC變換器、AC母線和交流負荷設備等。
[0030] 圖2是獨立微電網系統小信號模型與分數階頻率控制框圖。
[0031] 圖3是本發(fā)明提出的一種獨立微電網系統分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現 方法的原理圖。以浙南沿海某地區(qū)500kW獨立微電網系統為例，采用本發(fā)明提出的獨立微 電網分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現方法進行實施。
[0032] 所述的獨立微電網分數階頻率控制器優(yōu)化設計及其實現方法，包括以下步驟：
[0033] (1)獨立微電網系統監(jiān)控計算機讀取獨立微電網系統中各組件（風力發(fā)電機、光 伏陣列、柴油發(fā)電機、燃料電池、鉛酸蓄電池、飛輪儲能系統和電力電子變換器）參數信息、 各組件小信號模型和負荷數據，如圖2所示，其中PscinPw、匕分別表示光伏陣列、風力發(fā)電機 和負荷的隨機波動功率，PTO、Ppv、PDE(；、Prc、P bess、PFESj別表示風力發(fā)電機、光伏陣列、柴油發(fā) 電機、燃料電池、鉛酸蓄電池、飛輪儲能系統輸出功率，各參數設置為：KW= Kf= Kb= 1，D = 0· 015 (pu/Hz)，H = 0· 08335 (pu. second)，Tf= T B= 0· I (second)，T FC= 0· 26 (second)，T w=I. 5 (second)，Tg= 0· 08 (second)，T T= 0· 4 (second)，T IC= 0· 004 (second)，T IN= 0· 04， R = 3 (Hz/pu) 〇
[0034] (2)設置優(yōu)化參數數值：種群大小NP = 1