遺傳算法優(yōu)化粒子群的分布式光伏并網(wǎng)控制方法研究

童 鑄,歐仲曦,劉 超,馬玉坤,顧延勛

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000)

0 引言

能源消耗速度隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快而不斷提高。世界各國(guó)在能源不斷消耗的背景下開始研究并開發(fā)新能源。分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)已成為電力行業(yè)關(guān)注的研究重點(diǎn)之一[1-2]。分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)在能源接入的可靠性、穩(wěn)定性和安全性等方面存在不足。目前,分布式光伏系統(tǒng)接入電源時(shí)存在成本高和控制難度大的問題,且電源接入分布式光伏系統(tǒng)后的發(fā)電不規(guī)律、具有隨機(jī)性,會(huì)影響分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率[3-5]。因此,研究分布式光伏并網(wǎng)策略及控制方法具有重要意義。

目前,相關(guān)學(xué)者針對(duì)分布式光伏電源與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。袁方方[6]等將配電網(wǎng)工作電壓根據(jù)配電系統(tǒng)中存在的問題劃分為常規(guī)情況、預(yù)警情況和緊急情況。在常規(guī)情況下,配電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光伏電源的最大消納。在預(yù)警情況下,通過對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和光伏電源有功出力的最大化,可以有效解決電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行問題。在緊急情況下,配電系統(tǒng)可迅速調(diào)整配電網(wǎng)絡(luò)的電壓,使其穩(wěn)定工作。此方法對(duì)改善分布式光伏電源的容量、保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。靳偉[7]等針對(duì)分布式光伏有功削減配電網(wǎng)的全局電壓進(jìn)行了綜合優(yōu)化,在保證光伏輸出功率最大的情況下,采用剩余的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化。當(dāng)優(yōu)化后仍然存在電壓越界時(shí),根據(jù)靜態(tài)無(wú)功優(yōu)化的結(jié)果,通過對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率進(jìn)行最優(yōu)控制,使電網(wǎng)的電壓分配達(dá)到最優(yōu)。此方法在考慮了光伏、負(fù)載發(fā)電等因素的影響后,采用復(fù)仿射方法對(duì)各周期的電力輸出進(jìn)行建模;利用功率計(jì)算和基于線性加權(quán)的粒子群算法,對(duì)最優(yōu)的數(shù)學(xué)建模進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,所提出的最優(yōu)解可行。

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,本文提出了遺傳算法優(yōu)化粒子群的分布式光伏并網(wǎng)控制方法。該方法通過分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能源建模,以降低節(jié)點(diǎn)電壓偏離額定值、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有功損耗和使分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率最大化為目標(biāo),構(gòu)建分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型。該方法采用遺傳算法優(yōu)化粒子群求解調(diào)控模型,以實(shí)現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)的有效控制。

1 分布式光伏并網(wǎng)控制方法

1.1 分布式能源建模

①光伏陣列模型。

光伏系統(tǒng)設(shè)定電池組件實(shí)際輸出功率為AP、輻照強(qiáng)度實(shí)際值為HC、功率溫度系數(shù)為1。光伏陣列的輸出在一定程度上受光照等級(jí)和溫度高低等因素的影響[8]。根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)策略及控制方法構(gòu)建的光伏陣列模型如式(1)所示。

(1)

式中:ξ為光伏控制下消耗的總功率;Yc為電池溫度;AS為光伏陣列輸出的最大功率值;HS為輻照強(qiáng)度;Yr為系統(tǒng)參考溫度。

②可中斷負(fù)荷模型。

本文以最大化經(jīng)濟(jì)收益為目標(biāo),在不考慮提前通知時(shí)間的前提下,構(gòu)建電廠可中斷負(fù)荷調(diào)度收益模型。

D(t,u)V(t,u)≤V(u)

(2)

式中:T為總收益;D(t,u)為t時(shí)刻用戶u的可中斷負(fù)載;m為用戶數(shù)量;μ2為電廠終端用戶所獲得的激勵(lì)補(bǔ)償電價(jià);μ1(t)為分時(shí)電價(jià);V(t,u)為t時(shí)刻用戶u的可中斷負(fù)載的容量值;V(u)為光伏系統(tǒng)中用戶u的可中斷負(fù)載的總?cè)萘恐怠?/p>

若D(t,u)=1,表明當(dāng)前為中斷狀態(tài);若D(t,u)=0,則表明當(dāng)前為未中斷狀態(tài)。

③儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。

本文設(shè)定V(t)、V(t-1)分別為t時(shí)刻和(t-1)時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的總電量,Vs和As分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量值和功率。分布式光伏并網(wǎng)策略與控制方法不考慮自放電率,將充電狀態(tài)變量Nc(t)和放電狀態(tài)變量Nd(t)引入后,構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)模型[9]。

(3)

式中:tc為充電效率;Ac(t)為充電功率;td為放電效率;Ad(t)為放電功率;Dsmin為系統(tǒng)的最小荷電狀態(tài);Dsmax為系統(tǒng)的最大荷電狀態(tài)。

1.2 分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型

本文以降低節(jié)點(diǎn)電壓偏離額定值、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有功損耗和使分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率最大化[10]為目標(biāo),構(gòu)建分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型。

(4)

式中:β為無(wú)功權(quán)重系數(shù);D為配電網(wǎng)的光伏接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量;Wi為節(jié)點(diǎn)i的分布式光伏發(fā)電有功功率;Ai為節(jié)點(diǎn)i的接入光伏有功功率預(yù)測(cè)值;brate為對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)i的額定電壓幅度;bi為對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)i的電壓幅度;x為加權(quán)因子。

本文在分布式光伏并網(wǎng)控制過程中引入以下約束條件。

①功率平衡約束。

為了實(shí)現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)控制[11-12],需要在調(diào)控過程中保證節(jié)點(diǎn)功率平衡。

(5)

②節(jié)點(diǎn)電壓約束。

節(jié)點(diǎn)的電壓幅值vi應(yīng)滿足vimin≤vi≤vimax,以確保配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。其中,vimax、vimin分別為最大電壓幅值和最小電壓幅值。

③關(guān)口切換功率約束。

為防止光伏電源的變動(dòng)對(duì)上級(jí)電網(wǎng)造成影響,必須設(shè)置節(jié)點(diǎn)的切換功率約束條件。

(6)

式中:A和W分別為根節(jié)點(diǎn)的有功和無(wú)功功率;Amin和Wmin分別為A和W的最小值;Amax和Wmax分別為A和W的最大值。

④分組電容器約束。

分布式光伏并網(wǎng)控制過程中的分組電容器約束條件如式(7)所示。

(7)

通過式(7)計(jì)算,本文構(gòu)建的分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型如圖1所示。

圖1 分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型Fig.1 Distributed photovoltaic grid-connected regulation model

由圖1可知,光伏陣列將電流傳至電容器中,通過電容器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,將功率輸出至接入電網(wǎng),對(duì)分布式光伏配電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控。

1.3 模型求解

結(jié)合遺傳算法和粒子群算法[13]求解分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型的具體步驟如下。

①求出算法的初始速度V0和初始種群P0,得到算法的全局和個(gè)體最優(yōu)解分別為Gbest和Pbest。

②在最優(yōu)種群H中存儲(chǔ)個(gè)體的初始值。

③更新個(gè)體的速度和種群。

④通過選擇、交叉和變異算子對(duì)更新的個(gè)體和種群進(jìn)行處理,對(duì)比原始值和處理后的個(gè)體值。如果更新后的個(gè)體質(zhì)量較優(yōu),則在H中存儲(chǔ)該個(gè)體。如果更新后的個(gè)體質(zhì)量較差,則舍棄本次迭代過程中的交叉處理結(jié)果和變異處理結(jié)果,并轉(zhuǎn)到下一步驟。

⑤針對(duì)H中存在的個(gè)體,通過親和度機(jī)制計(jì)算其親和度:

(8)

式中:f為個(gè)體在種群中的相似度;{X1,X2,…,Xj,Xi}為初始種群,i≥1,j≤n。

采用遺傳算法和粒子群算法求解的分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型流程如圖2所示。

圖2 分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型流程圖Fig.2 Flowchart of distributed photovoltaic grid-connected regulation model

粒子間在種群中的相似性隨著f值的增大而減小,隨著f值的減小而增大。當(dāng)兩個(gè)粒子的f值為0時(shí),則不存在差異。

本文引入近似系數(shù)υ計(jì)算粒子在種群中的親和度Qi:

(9)

式中:M為粒子數(shù)量;Mυ為近似系數(shù)υ大于粒子相似性的個(gè)體總數(shù)。

本文在H中根據(jù)親和度大小對(duì)個(gè)體排序,并保留親和度較大的個(gè)體。

⑥更新Gbest和Pbest,設(shè)置算法迭代結(jié)束條件。在滿足該條件的情況下進(jìn)入步驟⑦,在沒有達(dá)到該條件的情況下返回至第③步。

⑦獲得算法的Gbest,即分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型的最優(yōu)值,以實(shí)現(xiàn)分布式光伏并網(wǎng)的控制。

2 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證遺傳算法優(yōu)化粒子群的分布式光伏并網(wǎng)控制的有效性,本文在Matlab和圖形界面/模擬計(jì)算程序聯(lián)合仿真平臺(tái)中展開測(cè)試。分布式光伏配電網(wǎng)接線如圖3所示。

圖3 分布式光伏配電網(wǎng)接線Fig.3 Distributed photovoltaic distribution network wiring

試驗(yàn)在0.1 s內(nèi)將原始光照強(qiáng)度1 000 Lux降低到500 Lux再提升到1 000 Lux,在并網(wǎng)系統(tǒng)初始功率為80 W時(shí)測(cè)試所提方法、文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的控制精度和反應(yīng)速度。

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率曲線如圖4所示。由圖4可知,與未采用控制方法相比,三種方法均可對(duì)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率起到控制作用,但文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的控制效果一般,控制后并網(wǎng)功率仍存在振蕩現(xiàn)象。采用所提方法控制后,分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率沒有出現(xiàn)振蕩,且可在短時(shí)間內(nèi)獲得最大功率。這表明所提方法的控制效果好、響應(yīng)速度快。

圖4 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率曲線Fig.4 Power curves of distributed photovoltaic power grid-connected system

試驗(yàn)將分布式光伏配電網(wǎng)的電壓有效值設(shè)定為220 V,將分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率設(shè)置為50 Hz。采用所提方法獲得的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流曲線如圖5所示。

圖5 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流曲線Fig.5 Voltage and current curves of distributed photovoltaic power generation grid-connected system

由圖5可知,與控制前相比,利用所提方法進(jìn)行控制后,電流和電壓波動(dòng)較穩(wěn)定,且電壓相位與電壓頻率保持一致,可有效實(shí)現(xiàn)電流誤差跟蹤。這證明所提方法對(duì)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,能夠有效降低分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、提高分布式光伏并網(wǎng)抗干擾能力。

電流諧波含量和畸變率之間存在密切的關(guān)系,畸變率通過電流諧波含量判斷。電流諧波含量較高會(huì)導(dǎo)致畸變率增加,表示電流波形畸變程度較大。而當(dāng)電流諧波含量較低時(shí),畸變率也會(huì)相應(yīng)降低,表示電流波形質(zhì)量較好。為了提高分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電流質(zhì)量,需要將分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電流諧波總畸變率控制在0.5以內(nèi)。采用三種方法控制后,電流諧波總畸變率如圖6所示。

圖6 電流諧波總畸變率Fig.6 Total harmonic distortion rate of current

由圖6可知,使用三種方法后,電流中的諧波含量均有所減少,但文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]方法的諧波含量仍高于0.5。采用所提方法控制后,電流中的諧波含量控制在0.5以內(nèi)。這表明所提方法控制后分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電流質(zhì)量較高。

3 結(jié)論

分布式光伏發(fā)電具有可靠性高、線損率低、削峰填谷等優(yōu)點(diǎn),是一種可靠、清潔、高效和環(huán)保的發(fā)電方式。研究分布式光伏并網(wǎng)控制方法可以提高電網(wǎng)的發(fā)電效率和質(zhì)量。本文提出遺傳算法優(yōu)化粒子群的分布式光伏并網(wǎng)控制方法,根據(jù)分布式光伏系統(tǒng)的相關(guān)模型構(gòu)建分布式光伏并網(wǎng)調(diào)控模型。

在此基礎(chǔ)上,本文通過遺傳算法優(yōu)化粒子群方法,實(shí)現(xiàn)了分布式光伏并網(wǎng)控制,提高了控制精度、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性,降低了電流諧波總畸變率。本文方法為分布式光伏并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了參考。