基于群搜索優(yōu)化算法的微電網(wǎng)控制策略

劉亞彬 王錫淮

摘要：本文采用虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制技術(shù)，VSG模擬了同步發(fā)電機(jī)的工作特性，具有相同的系統(tǒng)控制參數(shù)性質(zhì)。建立基于VSG控制的微電網(wǎng)模型，由于控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，提出了群搜索優(yōu)化算法（GSO）對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)重要控制參數(shù)進(jìn)行有目標(biāo)性的優(yōu)化。最后在MATLAB/Simulink中完成模型和算法的仿真。

Abstract： This paper uses the virtual synchronous generator （VSG） control technology. The VSG simulates the working characteristics of a synchronous generator and has the same properties of system control parameters. A microgrid model based on VSG control is established. Because of the influence of control parameters on system stability， a group search optimization algorithm （GSO） is proposed to optimize several important control parameters of the system. Finally， the simulation of the model and algorithm is completed in MATLAB/ Simulink.

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);虛擬同步發(fā)電機(jī);群搜索優(yōu)化;穩(wěn)定性

Key words： microgrid;virtual synchronous generator;group search optimization;stability

中圖分類號(hào)：TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0170-02

0? 引言

能源對(duì)于人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展來說是一個(gè)必不可少的因素。但是，隨著地球環(huán)境不斷地惡化，世界各國開始重視到可再生能源的地區(qū)分散性和開發(fā)經(jīng)濟(jì)性，分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）技術(shù)方式成為利用新能源建設(shè)微電網(wǎng)的主要方法[1]-[2]。電力系統(tǒng)中分布式發(fā)電的裝置正在迅速增加基于逆變器的裝置最具挑戰(zhàn)性的問題是使逆變器與電網(wǎng)同步，然后即使電網(wǎng)在發(fā)生干擾或負(fù)載變化時(shí)也能保持系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定。在未來的電力系統(tǒng)中，需要新的需求來保證其安全性和穩(wěn)定性。同步發(fā)電機(jī)具有維持功率平衡和調(diào)頻調(diào)壓特性，同步發(fā)電機(jī)還可以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若分布式發(fā)電中也能引入這些特性，那么必將大幅度提升分布式發(fā)電的性能，這樣就提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制策略。

本文介紹并深入分析了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其MATLAB仿真。將電壓幅值偏差約束作為微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估的工具，使用群搜索優(yōu)化算法來獲得微電網(wǎng)某些影響穩(wěn)定性的參數(shù)的期望響應(yīng)值。

1? 虛擬同步發(fā)電機(jī)的基本原理

1.1 功頻控制器

由有功-頻率下垂控制和上述轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程組成的功頻控制器的主要功能是實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和有功輸出的控制。已知原動(dòng)機(jī)的輸入功率和符合所需的功率不平衡時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生偏移，頻率會(huì)發(fā)生大波動(dòng)，然后調(diào)速器依據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變動(dòng)對(duì)原動(dòng)機(jī)的輸如功率進(jìn)行調(diào)整，從而保持系統(tǒng)的功率平衡。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，建立P-f下垂數(shù)學(xué)模型;

上式中Pref為有功功率的參考值，？駐P為頻率的相對(duì)變化值，Km為調(diào)頻系數(shù)值。由此可以看出，VSG的虛擬機(jī)械功率是由有功功率參考值和頻率變化值組成的。

1.2 勵(lì)磁控制器

VSG中不用控制它的勵(lì)磁電流，而是可以直接模仿同步發(fā)電機(jī)控制勵(lì)磁電流的方法，把這種控制改換成對(duì)電壓幅值的控制。建立無功-電壓調(diào)制數(shù)學(xué)模型：

式中Qn為無功功率的參考值，Qe為系統(tǒng)輸出無功功率，U0為參考電壓值，Kn為比例控制器的比例系數(shù)。從上述虛擬同步發(fā)電機(jī)的功頻控制器和勵(lì)磁調(diào)制器兩者的相結(jié)合進(jìn)而得到電動(dòng)勢(shì)的向量公式：

2? 虛擬同步發(fā)電機(jī)微網(wǎng)的整體構(gòu)造

本文構(gòu)造基于VSG的微電網(wǎng)模型包括幾個(gè)部分：分布式電源部分選擇三相電壓源型逆變器，三相靜止坐標(biāo)系（abc）、兩相靜止（？琢？茁）、兩相旋轉(zhuǎn)（dq）坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型與結(jié)構(gòu)，有功與無功的計(jì)算輸出模塊：計(jì)算與一組周期性的三相電壓和電流相關(guān)的三相瞬時(shí)有功功率和無功功率（瞬時(shí)無功功率適用于平衡且無諧波的三相電壓和電流，有功和無功功率有經(jīng)過阻抗電路的電流來決定），虛擬同步機(jī)控制，電壓電流雙閉環(huán)控制，基于載波的PWM脈沖寬度調(diào)制模塊，PLL鎖相環(huán)等組成，模型中的部分參數(shù)在表格1中呈現(xiàn)出來。

3? 適應(yīng)度函數(shù)和參數(shù)的選取

本文采取時(shí)間與誤差的絕對(duì)值相乘（ITAE）和諧波畸變率（THD）的加權(quán)函數(shù)作為控制VSG系統(tǒng)并網(wǎng)性能的目標(biāo)函數(shù)[4]。ITAE和THD的公式如下：

式中U1表示的是輸出電壓的基波幅值，Un是指輸出電壓的n次諧波幅值，e（t）表示的是誤差值，這里采用電壓誤差作為作為優(yōu)化對(duì)象，則適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式可表示為：

公式（5）中fit表示的是某個(gè)參數(shù)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值，ud和uq分別表示是并網(wǎng)側(cè)電容電壓在d軸和q軸的值。

本章選擇虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，阻尼系數(shù)D，調(diào)頻系數(shù)Km，調(diào)壓系數(shù)Kn。為了評(píng)估上述系統(tǒng)的穩(wěn)定性性能，提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)公式[5]。在此次建立的系統(tǒng)中設(shè)置時(shí)間常數(shù)？子的值為0.05，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)由上述公式計(jì)算得出阻尼系數(shù)D的值為30.427，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的值為1.521，調(diào)頻系數(shù)Km的值為9554.140，調(diào)壓系數(shù)Kn的值為160.771。

4? 群搜索算法優(yōu)化

群搜索算法是根據(jù)群居動(dòng)物覓食現(xiàn)象衍生而來的，是一種可以實(shí)現(xiàn)多維搜索行為的算法[6]。將適應(yīng)度函數(shù)嵌入群搜索算法中，經(jīng)過運(yùn)行后得出的參數(shù)結(jié)：阻尼系數(shù)50.135，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.152，調(diào)頻系數(shù)10707.5097，調(diào)壓系數(shù)313.0391。將兩種方法得出參數(shù)值輸入模型，得出的有功無功波形如圖1。

5? 總結(jié)

本章基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，模仿對(duì)同步發(fā)電機(jī)建立的數(shù)學(xué)模型，包括其中實(shí)時(shí)可變的物理模型參數(shù)。首先是建立了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法的微電網(wǎng)模型，簡單的選取了適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算方法。最后，通過按照一般計(jì)算公式和GSO根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求出虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)和調(diào)壓調(diào)頻系數(shù)的最優(yōu)值對(duì)系統(tǒng)波形的影響效果進(jìn)行對(duì)比，GSO優(yōu)化出來的參數(shù)值要比通常公式計(jì)算出來參數(shù)仿真效果要好，響應(yīng)時(shí)間更快。

參考文獻(xiàn)：

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[6]張雯雰，陸武魁，羅玉玲.群搜索優(yōu)化算法在桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009（12）：17-20.