基于群搜索優化算法的微電網控制策略

劉亞彬 王錫淮

摘要：本文采用虛擬同步發電機（VSG）控制技術，VSG模擬了同步發電機的工作特性，具有相同的系統控制參數性質。建立基于VSG控制的微電網模型，由于控制參數對系統穩定的影響，提出了群搜索優化算法（GSO）對系統的幾個重要控制參數進行有目標性的優化。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.

關鍵詞：微電網;虛擬同步發電機;群搜索優化;穩定性

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

中圖分類號：TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0170-02

0? 引言

能源對于人類生存和社會經濟的發展來說是一個必不可少的因素。但是，隨著地球環境不斷地惡化，世界各國開始重視到可再生能源的地區分散性和開發經濟性，分布式發電（Distributed Generation，DG）技術方式成為利用新能源建設微電網的主要方法[1]-[2]。電力系統中分布式發電的裝置正在迅速增加基于逆變器的裝置最具挑戰性的問題是使逆變器與電網同步，然后即使電網在發生干擾或負載變化時也能保持系統相對穩定。在未來的電力系統中，需要新的需求來保證其安全性和穩定性。同步發電機具有維持功率平衡和調頻調壓特性，同步發電機還可以改善電力系統的穩定性，若分布式發電中也能引入這些特性，那么必將大幅度提升分布式發電的性能，這樣就提出了虛擬同步發電機的控制策略。

本文介紹并深入分析了虛擬同步發電機控制模型和系統結構以及其MATLAB仿真。將電壓幅值偏差約束作為微電網系統的穩定性評估的工具，使用群搜索優化算法來獲得微電網某些影響穩定性的參數的期望響應值。

1? 虛擬同步發電機的基本原理

1.1 功頻控制器

由有功-頻率下垂控制和上述轉子運動方程組成的功頻控制器的主要功能是實現調頻和有功輸出的控制。已知原動機的輸入功率和符合所需的功率不平衡時，發電機的轉速會發生偏移，頻率會發生大波動，然后調速器依據發電機的轉速變動對原動機的輸如功率進行調整，從而保持系統的功率平衡。根據同步發電機原動機輸入的機械功率，建立P-f下垂數學模型;

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

1.2 勵磁控制器

VSG中不用控制它的勵磁電流，而是可以直接模仿同步發電機控制勵磁電流的方法，把這種控制改換成對電壓幅值的控制。建立無功-電壓調制數學模型：

式中Qn為無功功率的參考值，Qe為系統輸出無功功率，U0為參考電壓值，Kn為比例控制器的比例系數。從上述虛擬同步發電機的功頻控制器和勵磁調制器兩者的相結合進而得到電動勢的向量公式：

2? 虛擬同步發電機微網的整體構造

本文構造基于VSG的微電網模型包括幾個部分：分布式電源部分選擇三相電壓源型逆變器，三相靜止坐標系（abc）、兩相靜止（？琢？茁）、兩相旋轉（dq）坐標系的數學模型與結構，有功與無功的計算輸出模塊：計算與一組周期性的三相電壓和電流相關的三相瞬時有功功率和無功功率（瞬時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過阻抗電路的電流來決定），虛擬同步機控制，電壓電流雙閉環控制，基于載波的PWM脈沖寬度調制模塊，PLL鎖相環等組成，模型中的部分參數在表格1中呈現出來。

3? 適應度函數和參數的選取

本文采取時間與誤差的絕對值相乘（ITAE）和諧波畸變率（THD）的加權函數作為控制VSG系統并網性能的目標函數[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化對象，則適應度函數表達式可表示為：

公式（5）中fit表示的是某個參數個體的適應度函數值，ud和uq分別表示是并網側電容電壓在d軸和q軸的值。

本章選擇虛擬轉動慣量J，阻尼系數D，調頻系數Km，調壓系數Kn。為了評估上述系統的穩定性性能，提出了虛擬同步發電機的參數設計公式[5]。在此次建立的系統中設置時間常數？子的值為0.05，根據表1中的數據由上述公式計算得出阻尼系數D的值為30.427，轉動慣量J的值為1.521，調頻系數Km的值為9554.140，調壓系數Kn的值為160.771。

4? 群搜索算法優化

群搜索算法是根據群居動物覓食現象衍生而來的，是一種可以實現多維搜索行為的算法[6]。將適應度函數嵌入群搜索算法中，經過運行后得出的參數結：阻尼系數50.135，轉動慣量3.152，調頻系數10707.5097，調壓系數313.0391。將兩種方法得出參數值輸入模型，得出的有功無功波形如圖1。

5? 總結

本章基于虛擬同步發電機的優勢，模仿對同步發電機建立的數學模型，包括其中實時可變的物理模型參數。首先是建立了基于虛擬同步發電機控制方法的微電網模型，簡單的選取了適應度函數的計算方法。最后，通過按照一般計算公式和GSO根據目標函數求出虛擬轉動慣量、阻尼系數和調壓調頻系數的最優值對系統波形的影響效果進行對比，GSO優化出來的參數值要比通常公式計算出來參數仿真效果要好，響應時間更快。

參考文獻：

[1]Jakhar S， Soni M S， Gakkhar N. Historical and recent development of concentrating photovoltaic cooling technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2016， 6（60）：60-74.

[2]范士雄，蒲天驕，劉廣一，等.主動配電網中分布式發電系統接入技術及其進展[J].電工技術學報，2016，31（S2）：92-101.

[3]萬曉鳳，詹子錄，廖志鵬，等.虛擬同步發電機并離網無縫切換策略研究[J].電子測量與儀器學報，2018，32（05）：33-40.

[4]陶亮，程軍照，王文璽，等.虛擬同步發電機參數設計及優化方法[J].電力系統保護與控制，2018，46（12）：134-141.

[5]陶騫，陶亮，崔一鉑，等.虛擬同步發電機動態特性參數分析及配置方法研究[J].電測與儀表，2019（21）：8-15.

[6]張雯雰，陸武魁，羅玉玲.群搜索優化算法在桁架結構優化中的應用[J].現代計算機，2009（12）：17-20.