独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法

文档序号:9473531阅读:536来源:国知局
独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新能源微电网调配领域的频率控制方法,特别涉及一种独立微电 网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 独立微电网系统作为独立供电系统实现的重要方式,为有效解决山区偏远地区和 沿海海岛等地区供电难题提供了一种可行方案,因此近年来受到了国内外学术界和工程 应用界的广泛研究与推广应用。由于风力发电和光伏发电具有随机性特性,加之负荷需 求的多样性和复杂性,如何实现平稳、快速且准确的频率控制是独立交流微电网系统调配 和能量管理领域必须解决的重要技术难题之一。目前,国内外学术界和工程界通常采用 传统的整数阶PID或PI控制器实现独立交流微电网系统或混合电力系统的频率控制,整 数阶PID或PI控制器参数整定主要采用遗传算法或模糊粒子群算法等实现,存在振荡幅 度较大、响应速度较慢、抗干扰能力不足、优化算法自身参数整定复杂、计算效率较低等缺 陷。分数阶PID控制器在传统整数阶PID控制器的基础上,引入了分数阶积分阶次和分数 阶微分阶次两个参数,使得闭环控制系统的综合控制性能得到明显提升,因此近年来分数 阶PID控制器受到了广泛关注和研发应用,相关理论成果在一些实际工业控制系统中得到 了较为成功的应用,但在独立交流微电网系统中的应用研究还鲜有报道。仅有的相关研究 报道是采用遗传算法和基于Kriging代理模型等优化算法进行分数阶PID控制器的参数整 定,但遗传算法包含选择、交叉和变异等复杂进化计算操作,算法自身可调参数较多,计算 效率较低;基于Kriging代理模型对初始样本数目依赖较高,也同样存在算法自身参数整 定复杂、计算效率偏低等缺陷。在国家自然科学基金(No. 51207112)、浙江省公益计划项目 (Nos. 2014C31074、2014C31093)、浙江省自然科学基金(Nos. LY16R)30011、LZ16E050002、 LQ14R)30006、LQ14R)30007)的支持下,本发明公开一种独立微电网系统分数阶频率控制器 优化设计及其实现方法,可实现独立微电网系统智能调频效果,并具有现有技术所不具备 的以下优点:独立微电网系统具有更快的响应速度、更小的振荡幅度、更高的控制精度和更 好的稳健性等控制性能,优化方法仅具有选择和变异操作,所需整定的参数更少,实施更简 单,优化效率更高。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种独立微电网系统分数阶频率控 制器优化设计及其实现方法。该方法包括以下步骤:
[0004] (1)独立微电网系统监控计算机读取系统中各组件(包括风力发电机、光伏阵列、 柴油发电机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统和电力电子变换器)参数信息、各组件 小信号频率响应模型和负荷数据;
[0005] (2)设置优化参数(包括种群大小NP、最大迭代优化次数1_和变异系数p J数 值;
[0006] (3)随机生成一个在分数阶频率控制器中优化变量的下限和上限之间范围内 的实数编码且均匀分布的初始种群P =汜,i = 1,2, "·,ΝΡ},其中第i个个体P1 = (KPl,K11, KDl,λ μ J,KPl、Kn、KDl、λ η μ身别表示第i个分数阶频率控制器比例系数、积 分系数、微分系数、分数阶积分的阶次系数、分数阶微分的阶次系数,分数阶频率控制器的 传递函数表达式 Gfc(S)为 Gfc(S) =KP+KlS VKdS11;
[0007] (4)按照式⑴对种群P中的每一个个体P1, i = 1,2,…,NP进行适应度函数F1计算评价,并将当前最好适应度值设置为Ftest= min {F D i = 1,2,…,NP},将对应的个体设 置为当前最好解Sbf3st;
[0009] 其中!~_和Tniax分别表示微电网系统运行的初始时间和终止时间,Δ f为微电网系 统频率偏差,u为分数阶频率控制器输出信号值,^和w 2为目标函数的权重系数。
[0010] (5)按照式⑵-(4)对种群P中的每一个个体P1, i = 1,2,…,NP执行幂律变异 (Power mutation,PM),从而产生新的种群 Pn= {P Ni, i = 1,2,…,NP};
[0014] 其中r和&是在[0, 1]范围内产生的均匀分布随机数,L和U表示分数阶频率控 制器中优化变量的下限和上限,Pni为幂律变异系数;
[0015] (6)按照式⑴对种群Pn*的每一个个体PNl, i = 1,2,…,NP进行适应度函数Fni计算评价,得到Pn*最好适应度值F Nb= min {F Ni, i = 1,2,…,NP},将对应的个体设置为当 前最好解SNb;
[0016] (7)若 Fbest^ F Nb,则设置为 Fbest= F Nb,Sbest= S Nb;否则保持原有 F ^和 S bestF 变;
[0017] (8)无条件接受P = Pn;
[0018] (9)重复步骤(4)_⑶直到满足用户设定的最大迭代优化次数1_终止条件;
[0019] (10)输出最终的最佳适应度值Ftest和最佳分数阶频率控制器参数S test = (KPb,KIb,KDb,λ b,μ b),其中KPb、KIb、KDb、λ b、μ汾别表示最佳分数阶频率控制器比例系数、 积分系数、微分系数、分数阶积分的阶次系数、分数阶微分的阶次系数;独立微电网系统监 控计算机并实时输出Stest对应的独立微电网系统频率偏差、分数阶频率控制器输出和各组 件输出功率的运行曲线。
[0020] 进一步地,步骤4中所涉及的权重系数^和w 2可根据实际工程需求设定,具有一 定的灵活性且能达到不同的优化效果,W1-般选取为[0, 1]范围内的实数,W2设置为W2 = K(1 一 W1),其中 K 一般选取为 K = 0· 〇V(T_- T _)。
[0021] 本发明的有益效果是:基于独立微电网系统中风力发电机、光伏阵列、柴油发电 机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统和电力电子变换器等各组件小信号频率响应模 型、参数信息和负荷特性,本发明采用分数阶PID控制器实现独立微电网系统频率控制,并 进一步采用实数编码群体进化算法实现分数阶频率控制器参数的智能整定。采用本发明可 实现独立微电网系统智能调频效果,具有现有技术所不具备的以下优点:独立微电网系统 具有更快的响应速度、更小的振荡幅度、更高的控制精度和更好的稳健性等控制性能,优化 方法仅具有选择和变异操作,所需整定的参数更少,实施更简单,优化效率更高。
【附图说明】
[0022] 图1是独立微电网系统结构示意图;
[0023] 图2是独立微电网系统小信号模型与分数阶频率控制框图;
[0024] 图3是独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法的原理图;
[0025] 图4是独立微电网系统中风力发电机、光伏阵列某一时间段内功率变化和负荷变 化图;
[0026] 图5是本发明实施后的频率偏差、控制器输出信号和功率偏差曲线效果图;
[0027] 图6是本发明实施后的部分子系统功率曲线效果图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明进一步说明,本发明的目的和效果将更加明显。
[0029] 图1是独立微电网系统结构图,包括双馈异步风力发电机、风力发电机、光伏阵 列、柴油发电机、燃料电池、铅酸蓄电池储能系统、飞轮储能系统、逆变器交流母线、变压器、 DC/AC变换器、AC/AC变换器、AC母线和交流负荷设备等。
[0030] 图2是独立微电网系统小信号模型与分数阶频率控制框图。
[0031] 图3是本发明提出的一种独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现 方法的原理图。以浙南沿海某地区500kW独立微电网系统为例,采用本发明提出的独立微 电网分数阶频率控制器优化设计及其实现方法进行实施。
[0032] 所述的独立微电网分数阶频率控制器优化设计及其实现方法,包括以下步骤:
[0033] (1)独立微电网系统监控计算机读取独立微电网系统中各组件(风力发电机、光 伏阵列、柴油发电机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统和电力电子变换器)参数信息、 各组件小信号模型和负荷数据,如图2所示,其中PscinPw、匕分别表示光伏阵列、风力发电机 和负荷的随机波动功率,PTO、Ppv、PDE(;、Prc、P bess、PFESj别表示风力发电机、光伏阵列、柴油发 电机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统输出功率,各参数设置为: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)设置优化参数数值:种群大小NP = 1
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