基于改進(jìn)PSO算法的微電網(wǎng)多目標(biāo)運行優(yōu)化

韓楊楊

摘 要：在綜合考慮運行成本和環(huán)境成本的基礎(chǔ)上，建立了針對風(fēng)光柴蓄獨立型微電網(wǎng)的多目標(biāo)運行優(yōu)化模型.采用基于模擬退火的PSO算法進(jìn)行求解.與傳統(tǒng)PSO算法進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，改進(jìn)的PSO算法具有更好的尋優(yōu)能力和更快的收斂速度.通過算例驗證了所提出的優(yōu)化模型和改進(jìn)的PSO算法的合理性.

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);運行優(yōu)化;模擬退火;改進(jìn)的粒子群算法

中圖分類號：TM734? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）10-0048-04

1 引言

近年來，分布式發(fā)電技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用逐漸增多.與集中式發(fā)電相比，分布式發(fā)電可以利用各種分散存在的能源，靈活、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保是其主要優(yōu)勢.由多種分布式電源（DG）組成的微電網(wǎng)（MG），作為一種新興技術(shù)，受到廣泛關(guān)注.微電網(wǎng)可被看作小型電力系統(tǒng)，具備發(fā)電和配電功能，既可獨立運行，也可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，以滿足網(wǎng)內(nèi)用戶的電能需求.

MG的理想化狀態(tài)是實現(xiàn)各種DG的方便接入和高效利用，盡可能使用戶感受不到網(wǎng)絡(luò)中分布式電源出力變化而引起的波動，即為用戶側(cè)提供高質(zhì)量電能，因而微電網(wǎng)的運行優(yōu)化問題成了研究關(guān)鍵.目前，針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了很多研究.文獻(xiàn)[2]采用改進(jìn)的遺傳算法求解微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的最優(yōu)配置方案.文獻(xiàn)[3]采用遺傳算法從最小運行成本和最小污染物排放兩方面進(jìn)行微電網(wǎng)多目標(biāo)規(guī)劃.文獻(xiàn)[4、5]針對獨立和并網(wǎng)兩種模式，構(gòu)建基于改進(jìn)PSO的MG能量管理系統(tǒng)，選用不同參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行運行調(diào)度優(yōu)化.文獻(xiàn)[6-10]針對不同的MG模型提出了各種智能算法的優(yōu)化運行策略.相比較而言，粒子群算法（PSO）是一種有效的全局尋優(yōu)算法，與傳統(tǒng)進(jìn)化算法相比，操作簡單，避免復(fù)雜的遺傳操作，能在較少的迭代次數(shù)內(nèi)找到最優(yōu)解，更適用于多目標(biāo)優(yōu)化問題，但PSO算法也存在一些問題，如迭代收斂速度慢，容易掉進(jìn)局部最優(yōu)等[4].本文建立以運行成本和環(huán)保因素為指標(biāo)的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運行模型，提出結(jié)合模擬退火算法的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法求解問題，算例分析表明，應(yīng)用基于模擬退火的PSO算法其效果優(yōu)于傳統(tǒng)PSO算法，驗證了本文所提出的改進(jìn)算法的正確性和合理性.

2 微電網(wǎng)運行優(yōu)化模型

微電網(wǎng)的組成方式多種多樣，本文選用風(fēng)/光/柴/蓄獨立型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該微電網(wǎng)由光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)和負(fù)荷構(gòu)成.風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電出力嚴(yán)重依賴自然資源，具有隨機(jī)性和間歇性，是相對不可控電源;而柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池儲能系統(tǒng)是相對可控電源，在一定約束條件下對其輸出功率進(jìn)行管理控制，從而按照預(yù)期工況進(jìn)行工作.

2.1 各單元模型

2.1.1 光伏電池（PV）模型

PV的輸出功率與光照強(qiáng)度和溫度等因素有關(guān)，計算公式[1]如下：

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）模型

風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)速大小相關(guān)，計算公式[3]如下：

2.1.3 蓄電池（SB）模型

蓄電池某一時刻只能表現(xiàn)為充電或放電狀態(tài)，分別表示[6]為：

（1）充電時，t時刻的剩余電量：

（2）放電時，t時刻的剩余電量：

其中：SOC（t）、SOC（t-1）——分別為蓄電池t時刻、t-1時刻的剩余電量;

PSB（t）——t時刻蓄電池的功率;

ηC、ηD——充、放電效率.

2.1.4 柴油發(fā)電機(jī)（DE）模型

柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電成本計算公式[9]如下：

其中：FDE——燃燒成本;

α、β、γ——燃燒成本系數(shù);

PDE——柴油發(fā)電機(jī)輸出功率.

2.2 優(yōu)化運行目標(biāo)函數(shù)

本文將運行成本和環(huán)境成本作為微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行的優(yōu)化目標(biāo).

2.2.1 運行成本

運行成本部分包括設(shè)備更新、運行維護(hù)和燃料費用.數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

f1=CR+CM+CF? ?（6）

其中：CR、CM、CF分別代表更新、維護(hù)和燃料費用.

CR=CRB+CRPV+CRW+CRDG? ?（7）

CRB、CRPV、CRW、CRDG分別代表蓄電池、光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的更新費用.

CM=CMB+CMPV+CMW+CMDG? （8）

CMB、CMPV、CMW、CMDG分別代表蓄電池、光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的維護(hù)費用.

CF=CFDG? ? （9）

CFDG表示柴油發(fā)電機(jī)的燃料費用.

2.2.2 環(huán)境成本

利用燃料發(fā)電會排放一定量的污染物，環(huán)境成本主要指污染物的排放費用.本文主要考慮NOX、CO2、SO2的排放，表達(dá)式為：

其中：f2代表污染物折算后的環(huán)境成本;M表示各種污染物類型的個數(shù);N表示微電源個數(shù);αj表示單位電量第j項污染物治理費用;Ei，j表示第i個微電源單位電量下第j項污染物的排放量.

2.2.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型

綜合考慮上述兩項評價指標(biāo)，希望運行成本和環(huán)境成本均達(dá)到最低，最終獲得的目標(biāo)函數(shù)（線性加權(quán)處理）為：

其中：λi為權(quán)重系數(shù)，C為懲罰項系數(shù).

2.2.4 約束條件

本文主要考慮各單元的功率約束、蓄電池充放電約束以及微電網(wǎng)運行時的功率平衡約束.

（1）各單元的功率約束

其中：Pi代表各出力單元;

Pimin、Pimax分別表示各單元的最小功率、最大功率.

（2）蓄電池充放電約束

其中：SOC（t）表示在t時刻蓄電池的剩余電量;

SOCmin、SOCmax分別表示蓄電池容量的下限、上限.

（3）功率平衡約束

其中：PPV（t）、PWT（t）、PDE（t）、PSB（t）分別表示PV、WT、DE、SB的輸出功率;PL（t）表示微電網(wǎng)負(fù)荷.

3 改進(jìn)的PSO算法

粒子群算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法，與遺傳算法（GA）相比，PSO比GA規(guī)則更加簡單，不需要復(fù)雜的操作（選擇、交叉和變異），它通過追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)[12].PSO算法的流程如圖2所示.

模擬退火算法（SA）是一種通用概率算法，用來在一個大的搜尋空內(nèi)找尋所需的最優(yōu)解.該算法源自對熱力學(xué)中退火過程的模擬，在某一給定的初溫下，通過緩慢下降溫度參數(shù)，使算法能夠在一定時間內(nèi)給出一個近似最優(yōu)解[12].

模擬退火的尋優(yōu)主要步驟如下：

（1）初始化微粒的位置和速度.

（2）計算種群中每個微粒的目標(biāo)函數(shù)值.

（3）更新微粒的pbest和gbest.

（4）重復(fù)執(zhí)行下列步驟.

對微粒的pbest進(jìn)SA鄰域搜索.

更新各微粒的pbest.

執(zhí)行最優(yōu)選擇操作，更新種群gbest.

判斷gbest是否滿足算法終止條件？如果是，轉(zhuǎn)，否則轉(zhuǎn).

輸出種群最優(yōu)解.

改進(jìn)的PSO算法：在傳統(tǒng)PSO算法中加入SA算法，以避免掉入局部最優(yōu).方法是當(dāng)粒子靠近局部最優(yōu)解時，通過SA從鄰域中隨機(jī)產(chǎn)生另一個解，并與當(dāng)前局部最優(yōu)解進(jìn)行對比，通過一定的規(guī)則確定采用哪個解為最優(yōu)解（隨機(jī)產(chǎn)生的解or局部最優(yōu)解），最終找到真正的最優(yōu)解[4].

4 算例分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例采用獨立型風(fēng)/光/柴/蓄微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池構(gòu)成.各DG的具體參數(shù)見表1.污染物排放參數(shù)見表2.

以該微電網(wǎng)全天24小時的運行數(shù)據(jù)為例，WT和PV的功率預(yù)測曲線如圖3所示.

微電網(wǎng)中居民負(fù)荷預(yù)測曲線如圖4所示.

4.2 運行結(jié)果分析

該微電網(wǎng)在獨立運行狀態(tài)下，用戶負(fù)荷全部依靠網(wǎng)內(nèi)各DG產(chǎn)生電能進(jìn)行供給，經(jīng)過優(yōu)化后各DG的輸出功率如圖5所示.

從圖5中可以看出：在WT和PV出力大于負(fù)荷需求時，對蓄電池進(jìn)行充電;當(dāng)出力不足時，蓄電池通過放電在一定程度上彌補(bǔ)電能的不足，保證了供電的持續(xù)性和可靠性.

不同算法的優(yōu)化結(jié)果如表3所示.由表3可知，本文提出的基于改進(jìn)PSO算法的微電網(wǎng)優(yōu)化運行總成本（包括運行成本和環(huán)境成本）為571.9294元，而傳統(tǒng)PSO算法在同等條件下的總成本為592.8728元.相比之下，改進(jìn)的PSO算法比傳統(tǒng)PSO算法成本降低約4%.由此可見，采用改進(jìn)的PSO算法尋優(yōu)能力更好，且收斂速度更快.

5 結(jié)論

本文提出通過模擬退火算法對傳統(tǒng)的PSO算法進(jìn)行改進(jìn)，采用風(fēng)光柴蓄獨立型微電網(wǎng)系統(tǒng)為模型進(jìn)行多目標(biāo)運行優(yōu)化，用改進(jìn)的PSO算法求解，并與傳統(tǒng)PSO算法相互對比.算例分析顯示，基于SA的PSO算法，其在收斂速度、尋優(yōu)能力等方面均表現(xiàn)更佳;同時也驗證了所建立的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型（要求運行成本和環(huán)境成本均最低）的可行性.

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