基于粒子群算法的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)

洪毅

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東東莞 510663）

近些年來(lái)，隨著新興能源行業(yè)的快速發(fā)展，微電網(wǎng)也獲得了普遍發(fā)展，更多的微電網(wǎng)與新能源之間實(shí)現(xiàn)了互連，以達(dá)成對(duì)能量資源的有效使用與能源質(zhì)量互補(bǔ)的目的。微電網(wǎng)在建立后可以有效提高供電系統(tǒng)的可靠性和靈敏度，同時(shí)充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)電等新能源，以優(yōu)化微電網(wǎng)能量結(jié)構(gòu)，減少污染氣體的排放，微電網(wǎng)中所存在的分布式能源系統(tǒng)具有間歇性、隨機(jī)性的特征，能夠有效地控制微電網(wǎng)和主電網(wǎng)聯(lián)系點(diǎn)之間的電力變化，進(jìn)而降低微網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的沖擊，這一特點(diǎn)受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，針對(duì)微電網(wǎng)功率控制的相關(guān)研究課題也越來(lái)越多。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于自適應(yīng)權(quán)重粒子群優(yōu)化算法的分布式光伏并網(wǎng)功率控制方法，該方法依據(jù)粒子群優(yōu)化，通過(guò)自適應(yīng)權(quán)重設(shè)計(jì)，控制部分區(qū)域的微電網(wǎng)并網(wǎng)功率，但是利用權(quán)重算法只能控制微電網(wǎng)并網(wǎng)的部分區(qū)域，無(wú)法細(xì)致化對(duì)點(diǎn)控制；文獻(xiàn)[2]基于遺傳算法優(yōu)化方法，搭建了卷積長(zhǎng)短記憶混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電功率控制。該方法在微網(wǎng)運(yùn)行方式的切換過(guò)程中可以很好地控制目標(biāo)，但是無(wú)法對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線達(dá)到良好的控制效果。

粒子群算法是通過(guò)頭部粒子探索、尾部粒子跟隨運(yùn)行的群體粒子運(yùn)行方式，每個(gè)粒子都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值，該方法可以覆蓋較大范圍的目標(biāo)點(diǎn)。為此，該文基于粒子群算法，設(shè)計(jì)含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)，以提升微電網(wǎng)功率控制范圍和控制效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 光伏電池

光伏電池的應(yīng)用可以起到環(huán)保節(jié)能的效果，該文設(shè)計(jì)的光伏電池包含三個(gè)模塊：光伏陣列模塊、光伏轉(zhuǎn)變器模塊和光伏控制器模塊[3-4]。光伏轉(zhuǎn)變器將光伏陣列輸出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒├玫慕涣麟姴⑷氲酱箅娋W(wǎng)中。光伏控制器負(fù)責(zé)對(duì)光伏陣列進(jìn)行控制，保證光伏陣列盡可能多地轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能，節(jié)約時(shí)間成本和效率成本，最大程度輸出電能[5-6]。光伏電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏電池結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，光伏電池主要包括光伏陣列、DC、控制器、AC、采集器和電網(wǎng)。通過(guò)收集不同時(shí)刻下的光照強(qiáng)度[7]完成對(duì)不同時(shí)刻光伏陣列輸出功率數(shù)值統(tǒng)計(jì)，以此作為軟件部分的數(shù)據(jù)支撐。

1.2 處理器設(shè)計(jì)

該文選用的處理器為中央處理器，處理器內(nèi)部包括運(yùn)算單元和控制單元，通過(guò)處理器完成信息和程序執(zhí)行，處理器在功率控制系統(tǒng)中扮演重要角色[8-9]。該文研究的中央處理器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 中央處理器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，處理器內(nèi)部包含三種不同的寄存器，通過(guò)通用寄存器保存數(shù)據(jù)指令，存放數(shù)據(jù)量，利用專用寄存器分析數(shù)據(jù)的通路寬度，與端口連接提高操作的可行性[10-12]，通過(guò)控制寄存器執(zhí)行不同任務(wù)，并將數(shù)據(jù)標(biāo)記到一起，展示正確頁(yè)碼。

1.3 控制器設(shè)計(jì)

該文選用的控制器是一種小功率的控制器，具有工作效率高、安裝使用便捷、機(jī)體維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其輸出功率可以根據(jù)調(diào)整燃料的供給而改變其大小，具有更強(qiáng)的可控性[13-14]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于控制器的輸出功率受其自身動(dòng)力條件限制，且同時(shí)發(fā)出的動(dòng)力變化幅度需要在規(guī)定的范圍以內(nèi)，所以必須對(duì)控制器的輸出功率加以計(jì)量并進(jìn)行范圍的確定?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，控制器由單片機(jī)、濾波器、監(jiān)測(cè)基站組成。控制器電路如圖4 所示。

圖4 控制器電路

由圖4 可知，控制器電路內(nèi)部包含兩個(gè)電阻和一個(gè)電容。通過(guò)調(diào)整控制器的發(fā)電功率，確定控制系統(tǒng)的極限功率包括最大輸出功率和最小輸出功率，以此結(jié)果作為該文系統(tǒng)硬件選用的控制器的功率范圍，保證既可以生產(chǎn)電能，也能滿足熱冷負(fù)荷的需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制目標(biāo)函數(shù)

光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)要考慮各種微電源的運(yùn)行約束條件，以保證含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其中最重要的是微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率平衡約束條件，因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，各個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷、系統(tǒng)功率損失等必須滿足功率平衡條件[15]。

光伏電池的輸出功率表示為式（1）：

式中，PG(T)表示T時(shí)刻光伏陣列的輸出功率數(shù)值；ρ表示與光伏電池相關(guān)的溫度系數(shù)；D(T)表示T時(shí)刻光伏太陽(yáng)能電池板表面的光照強(qiáng)度；D表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下光伏太陽(yáng)能電池板表面的光照強(qiáng)度。

綜合上文公式，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷功率目標(biāo)函數(shù)可以表示為式（2）：

式中，δ表示負(fù)荷影響因子，PM表示微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行額定功率，PF表示微電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電功率。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，含光伏微電網(wǎng)的運(yùn)行主要從兩個(gè)維度考慮：光伏微電網(wǎng)內(nèi)部之間各微電源之間的能量調(diào)度；光伏微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量調(diào)度。不同運(yùn)行維度環(huán)境下δ系數(shù)取值不同。由式（3）可知，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷功率受到PG、PF、PM三部分輸出功率，以及并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷影響因子共同影響。

2.2 基于粒子群算法的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制

種群中的所有粒子的運(yùn)動(dòng)范圍是在可行解的空間中，每一個(gè)粒子在搜尋中得到的運(yùn)行方向和運(yùn)行距離由同一個(gè)飛行的速度變量決定，在搜尋過(guò)程中，每一個(gè)粒子的搜尋方向是按照當(dāng)前粒子群中最優(yōu)粒子的運(yùn)行方向來(lái)跟隨的。

含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部的光伏電池存在正序諧波或負(fù)序諧波時(shí)，其均會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)的電壓產(chǎn)生影響，計(jì)算公式可表示為式（3）：

式中，k+1 表示此時(shí)光伏電池交流側(cè)存在k+1次正序，Ik+1表示在k+1 次正序諧波時(shí)的電流函數(shù)，k-1 表示此時(shí)光伏電池交流側(cè)存在k-1 次負(fù)序，Ik-1表示在k-1 次負(fù)序諧波時(shí)的電流函數(shù)。

通過(guò)式（3）可知，無(wú)論光伏電池交流部位產(chǎn)生的k+1 次等值正序，還是k-1 次負(fù)序諧波，在交流側(cè)產(chǎn)生的均為k次諧波。根據(jù)諧波計(jì)算結(jié)果，調(diào)節(jié)含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率控制?；诹Ｗ尤核惴ǖ暮夥㈦娋W(wǎng)并網(wǎng)功率函數(shù)可以表示為式（4）：

式中，n表示粒子參數(shù)數(shù)量[16]。粒子群算法形式簡(jiǎn)潔，需要設(shè)置的基本參數(shù)少，該文設(shè)置的參數(shù)包括微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷功率及負(fù)荷影響因子兩部分，通過(guò)分析含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率運(yùn)行狀態(tài)，抑制功率波動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)最佳功率控制。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文基于粒子群算法的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，與文獻(xiàn)[1]自適應(yīng)權(quán)重PSO 算法的電網(wǎng)控制方法、文獻(xiàn)[2]基于遺傳算法的電網(wǎng)控制方法進(jìn)行對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

設(shè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程的控制時(shí)間為30 min，確定含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制過(guò)程的負(fù)荷數(shù)據(jù)和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析光伏電池的工作狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可知，實(shí)驗(yàn)期間采用控制信號(hào)處理算法，通過(guò)光伏—模糊控制系統(tǒng)控制功率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

同時(shí)采用該文系統(tǒng)和兩種對(duì)比系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，三種系統(tǒng)應(yīng)用下得到的含光伏微電網(wǎng)波動(dòng)情況如圖6所示。

根據(jù)圖6（a）可知，基于自適應(yīng)權(quán)重PSO 算法在控制過(guò)程中，很難起到抑制波動(dòng)的作用，受到光伏系統(tǒng)自身不可預(yù)測(cè)性的影響，必須要加大功率支持才能實(shí)現(xiàn)控制，這樣直接導(dǎo)致出現(xiàn)峰值較高，控制過(guò)程穩(wěn)定性差的問(wèn)題。根據(jù)圖6（b）可知，遺傳算法控制方法在控制過(guò)程中穩(wěn)定性較差，該算法在控制過(guò)程中會(huì)對(duì)含光伏微電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生功率干擾，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行異常。根據(jù)圖6（c）可知，采用該文系統(tǒng)通過(guò)粒子群對(duì)含光伏微電網(wǎng)功率控制，確保輸出功率在±0.02 pu 內(nèi)波動(dòng)，在電網(wǎng)控制過(guò)程中，能夠最大程度減少波動(dòng)對(duì)含光伏微電網(wǎng)的功率沖擊。

三種系統(tǒng)充放電過(guò)程的儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS（Energy Storage System）節(jié)省百分比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 充放電過(guò)程ESS節(jié)省百分比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可知，該文提出的基于粒子群算法的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)充放電過(guò)程的ESS節(jié)省百分比高于30.20%，相較于兩種對(duì)比系統(tǒng)更高。由此可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)粒子群算法實(shí)現(xiàn)功率交換響應(yīng)，確保功率能夠穩(wěn)定在一個(gè)很小的范圍波動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間更快，在實(shí)際的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制中具有很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中將自然環(huán)境中的太陽(yáng)能作為微電網(wǎng)能源供給，通過(guò)對(duì)含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件方面的設(shè)計(jì)和軟件方面的設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用于實(shí)際，有助于減少化石能源的開(kāi)采。通過(guò)建立含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制目標(biāo)函數(shù)、求解平衡約束條件，計(jì)算微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷功率，并基于粒子群算法控制含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率，實(shí)現(xiàn)了快捷、高效率的含光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)功率控制，該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單易操作，且算法控制結(jié)果精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用效果。