基于模糊綜合評(píng)價(jià)的分布式電源調(diào)頻調(diào)壓能力的評(píng)價(jià)方法

劉一鴻， 魯寶春， 孫麗穎， 白 銳

（遼寧工業(yè)大學(xué)， 遼寧 錦州 121001）

0 引言

在微電網(wǎng)中由于控制策略的不同，分布式電源（Distributed Generation，DG） 既可以充當(dāng)主控源，又可以充當(dāng)從屬源[1]，[2]。 針對(duì)DG 的控制策略分為主從控制、對(duì)等控制和分層控制[3]，[4]。 傳統(tǒng)的主從控制策略中，主控源選取一個(gè)穩(wěn)定的DG，使用V/f 控制為系統(tǒng)提供電壓和頻率參考， 其余的DG 作為從屬源，采用PQ 控制為系統(tǒng)提供功率輸出[5]，[6]。當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，若主控源出現(xiàn)故障，微電網(wǎng)將失去穩(wěn)定性而不能正常運(yùn)行[7]。 文獻(xiàn)[8]基于單主控源的主從控制策略的局限性，提出了一種多主控源的自適應(yīng)主從控制策略，在微電網(wǎng)孤島模式下，均有良好的適用性。 文獻(xiàn)[9]考慮到傳統(tǒng)主從控制的優(yōu)缺點(diǎn)，提出將兩個(gè)或兩個(gè)以上的DG 共同充當(dāng)主控源。文獻(xiàn)[10]提出在傳統(tǒng)的主從控制策略中，設(shè)置輔助源，利用下垂控制的下垂特性，分擔(dān)主控源的壓力，進(jìn)而提升微電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓能力。 文獻(xiàn)[11]針對(duì)光儲(chǔ)交流孤島微電網(wǎng)，提出一種結(jié)合下垂控制的改進(jìn)型主從式光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略，并將儲(chǔ)能單元作為主控源，光伏源作為從屬源。 文獻(xiàn)[12]結(jié)合傳統(tǒng)主從控制與對(duì)等控制的優(yōu)點(diǎn)， 提出將多個(gè)采用下垂控制的DG 作為主控源，其余DG 采用PQ 控制作為從屬源。

上述文獻(xiàn)將DG 劃分為主控源、 輔助源與從屬源， 對(duì)提升微電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓能力已取得良好的效果， 但在DG 的類別選擇和劃分上存在一定的隨機(jī)性。 現(xiàn)代綜合評(píng)價(jià)法[13]已經(jīng)為DG 調(diào)控能力評(píng)價(jià)提供了有效途徑。 考慮到采用單一指標(biāo)進(jìn)行DG 排序的局限性和評(píng)價(jià)方法的復(fù)雜性， 選用多指標(biāo)下的模糊綜合評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)DG 的調(diào)頻調(diào)壓能力，其憑借結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠較好地解決模糊、 難以量化的DG 排序問題。 因此，本文針對(duì)孤島微電網(wǎng)，選定反映DG 調(diào)頻調(diào)壓能力的4 項(xiàng)指標(biāo)， 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法將多個(gè)DG 進(jìn)行排序分類， 旨在更好地充分利用各個(gè)DG，為事先參與主輔從控制策略的DG 選取提供依據(jù)。

1 主輔從控制微電網(wǎng)

主輔從控制微電網(wǎng)與傳統(tǒng)的主從控制微電網(wǎng)相比，增設(shè)輔助源可以接續(xù)主控源，有效地保證微電網(wǎng)的可靠供電。 主輔從控制下的微電網(wǎng)示意圖如圖1 所示。 主控源是一個(gè)或多個(gè)DG，為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的頻率和電壓，保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；輔助源是多個(gè)有一定調(diào)頻調(diào)壓能力的DG， 在微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，與從屬源一同為微電網(wǎng)提供功率，當(dāng)主控源頻率電壓失穩(wěn)時(shí)，接續(xù)主控源工作，保持微電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定；從屬源是普通的DG，為微電網(wǎng)提供足夠的輸出功率。

圖1 主輔從控制微電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of master-auxiliary-slave control microgrid

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的綜合評(píng)價(jià)方法[14]。 該方法依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，由定量評(píng)價(jià)解釋定性評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)結(jié)合事物或?qū)ο蟮亩喾N制約因素得出一個(gè)總體的評(píng)價(jià)。 具體步驟如下。

①確定被評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)集

指標(biāo)集是影響評(píng)價(jià)對(duì)象的各種因素所組成的一個(gè)普通集合，即：

式中：U 為指標(biāo)集；ui為第i 項(xiàng)指標(biāo)。②確定評(píng)價(jià)者的評(píng)語集

評(píng)語集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種結(jié)果所組成的集合，即：

式中：V 為評(píng)語集；vi為第i 個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果。

評(píng)價(jià)等級(jí)根據(jù)具體評(píng)價(jià)內(nèi)容的不同， 可以使用不同的評(píng)價(jià)語言進(jìn)行描述。

③進(jìn)行因素評(píng)判，建立模糊關(guān)系矩陣

首先從指標(biāo)集U 中的ui出發(fā)，根據(jù)評(píng)語集V分別確定評(píng)判對(duì)象對(duì)vi的隸屬關(guān)系，然后將各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的單因素評(píng)判整合成多因素評(píng)判集，建立模糊關(guān)系矩陣。

式中：rij為ui對(duì)于vi的隸屬關(guān)系。

④確定評(píng)判因素權(quán)重向量

根據(jù)指標(biāo)集對(duì)被評(píng)事物的隸屬關(guān)系， 確定評(píng)判時(shí)各因素的重要性分配權(quán)重，即：

式中：B 為模糊綜合評(píng)價(jià)集；bi為各個(gè)DG 的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

⑥對(duì)bi進(jìn)行排序比較，給出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 調(diào)頻調(diào)壓能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定與隸屬度的求取

根據(jù)DG 的特性和實(shí)際控制需求， 選定4 項(xiàng)指標(biāo)對(duì)DG 進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從容量角度分析，根據(jù)裝機(jī)容量和備用容量設(shè)定容量特性指標(biāo)； 從參與調(diào)頻調(diào)壓角度分析， 根據(jù)調(diào)頻能力和調(diào)壓能力設(shè)定能力指標(biāo)。 同時(shí)，結(jié)合各指標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，選定適合各個(gè)指標(biāo)的隸屬度。

3.1 容量特性指標(biāo)

3.1.1 裝機(jī)容量及其隸屬度

裝機(jī)容量SDG為DG 確定的額定功率。 各個(gè)DG 的SDG大小代表著所提供的能量多少，因此可根據(jù)SDG定量分析DG 在微電網(wǎng)中的重要程度。SDG越大，所能提供的能量就越多。

式中：PN為DG 的額定有功功率；QN為DG 的額定無功功率。

以DG 中的最大SDG為基準(zhǔn)， 將所有待評(píng)價(jià)DG 的SDG與其進(jìn)行對(duì)比，得到隸屬度函數(shù)為

式中：SDGn為參與評(píng)價(jià)排序的各個(gè)DG 裝機(jī)容量。

3.1.2 備用容量及其隸屬度

備用容量SRC為DG 從裝機(jī)容量中預(yù)留出一部分用來平衡電力系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)的容量。 SRC的大小反映該DG 的調(diào)頻調(diào)壓能力，故可根據(jù)SRC定量分析DG 在微電網(wǎng)中的重要程度。 SRC越大，代表所能調(diào)節(jié)的頻率和電壓范圍越廣。式中：SRCn為參與評(píng)價(jià)排序的各個(gè)DG 備用容量。

3.2 調(diào)頻調(diào)壓能力指標(biāo)

3.2.1 調(diào)頻能力及其隸屬度

新能源通過保留有功備用并利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能[15]。在電網(wǎng)高頻擾動(dòng)情況下，有功功率降至額定出力的10%時(shí)可以不再向下調(diào)節(jié)。 一次調(diào)頻下垂特性通過設(shè)定頻率與有功功率折線函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 其計(jì)算式為式中：fd為一次調(diào)頻死區(qū)，49.95≤fd≤50.05 Hz；fN為系統(tǒng)的額定頻率；δ 為新能源的一次調(diào)頻調(diào)差率，建議值為2%～3%。

根據(jù)式（10）可以比較不同DG 在同等設(shè)定頻率下的有功功率大小， 進(jìn)而比較各個(gè)DG 的調(diào)頻能力。 文獻(xiàn)[15]中規(guī)定最大負(fù)荷限幅設(shè)定不小于額定負(fù)荷的10%，且不得因一次調(diào)頻導(dǎo)致機(jī)組的停機(jī)（頻率太低）或脫網(wǎng)（頻率太高）。 當(dāng)最大有功負(fù)荷限幅取10%時(shí)， 可以在49.85～49.95 Hz 和50.05～51.15 Hz 進(jìn)行一次調(diào)頻，如圖2 所示。

圖2 DG 參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻函數(shù)圖Fig.2 Graph of DG's participation in primary frequency regulation of microgrid

為了進(jìn)行更好的篩選， 可以取最大負(fù)荷限幅的15%作為完全符合標(biāo)準(zhǔn)，這樣便于選出調(diào)頻能力更好的電源以及確定隸屬度函數(shù)。 在梯形隸屬函數(shù)基礎(chǔ)上，考慮式（10）特點(diǎn)，對(duì)隸屬度函數(shù)的范圍進(jìn)行重新設(shè)定，得到新的一次調(diào)頻隸屬度函數(shù)。

3.2.2 調(diào)壓能力及其隸屬度

一次調(diào)壓下垂特性通過設(shè)定電壓與無功功率折線函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 DG 參與微電網(wǎng)一次調(diào)壓函數(shù)圖Fig.3 Graph of DG's participation in primary voltage regulation of microgrid

根據(jù)實(shí)際中對(duì)電壓調(diào)整的規(guī)定， 定義調(diào)壓能力計(jì)算式為式中：Ud為一次調(diào)壓死區(qū)（0.98UN≤Ud≤1.02UN[16]）；UN為系統(tǒng)的額定電壓；η 為新能源的一次調(diào)壓調(diào)差率，建議值為3%～5%[17]。

根據(jù)上述計(jì)算式可以比較不同DG 在同等設(shè)定電壓下的無功功率大小， 進(jìn)而比較各個(gè)DG 的調(diào)壓能力。為了進(jìn)行更好的篩選，取最大無功負(fù)荷限幅的10%作為能夠調(diào)壓的最低標(biāo)準(zhǔn)，取15%作為完全符合標(biāo)準(zhǔn)， 這樣便于選出調(diào)壓能力更好的DG 以及確定隸屬度函數(shù)。 在梯形隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮式（12）的特點(diǎn)，對(duì)隸屬度函數(shù)的范圍重新設(shè)定，得到新的一次調(diào)壓隸屬度函數(shù)。

4 多DG 參與調(diào)頻調(diào)壓能力的排序分類方法步驟

以多DG 參與調(diào)頻調(diào)壓能力為基礎(chǔ)， 結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)其排序進(jìn)行分類， 具體步驟如下。

①確定調(diào)頻調(diào)壓能力的指標(biāo)集、評(píng)價(jià)集

模糊綜合評(píng)價(jià)法要選擇多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，才能使其評(píng)價(jià)具有權(quán)威性。 本文通過選取裝機(jī)容量、備用容量、調(diào)頻能力和調(diào)壓能力共4 個(gè)指標(biāo)對(duì)多DG 進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

通過對(duì)這4 個(gè)指標(biāo)的選定， 能夠較明確的區(qū)分各個(gè)DG 參與調(diào)頻調(diào)壓的能力，便于將各個(gè)DG分配到合適的位置。

對(duì)評(píng)語集選取強(qiáng)、一般、弱3 個(gè)評(píng)語。

通過對(duì)3 個(gè)評(píng)語的選擇， 方便對(duì)DG 參與調(diào)頻調(diào)壓能力進(jìn)行評(píng)估。

②計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度， 建立對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣

對(duì)4 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度的選取， 根據(jù)式（7），（9），（11）和式（13）對(duì)不同DG 的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，建立對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣。

③確定模糊綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重

權(quán)重確認(rèn)方法有專家評(píng)價(jià)法、調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、序列綜合法、公式法、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法、模糊層次分析法等[18]，[19]。 本文選用專家評(píng)價(jià)法對(duì)4 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠較直觀地比較出4 項(xiàng)指標(biāo)的差異，進(jìn)而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 通過專家評(píng)價(jià)的權(quán)重A 為

④模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

通過計(jì)算出的模糊綜合評(píng)價(jià)集， 可以準(zhǔn)確地得到對(duì)各個(gè)DG 參與調(diào)頻調(diào)壓能力的評(píng)價(jià)。

對(duì)評(píng)價(jià)集B 內(nèi)的bi由大到小進(jìn)行排序。

⑤對(duì)評(píng)價(jià)排序結(jié)果進(jìn)行分類

根據(jù)式（7），（9），（11）和式（13）可知：

式中：μAmax（x），μBmax（x）為容量特性指標(biāo)的隸屬度的最大值；μCmin（x），μDmin（x）為調(diào)頻調(diào)壓能力特性指標(biāo)的隸屬度的最小值。

當(dāng)DG 具有式（19）的隸屬度特性時(shí)，雖然具有足夠的裝機(jī)容量和備用容量， 但不具備調(diào)頻調(diào)壓能力，此類DG 只能充當(dāng)從屬源。依此得到對(duì)應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)值為

式中：RΔ為由式（19）的隸屬度構(gòu)成的模糊關(guān)系向量；bΔ為RΔ的模糊綜合評(píng)價(jià)值。

結(jié)合式（19）和式（20），得出DG 分類判別依據(jù)。 當(dāng)0＜bi≤bΔ時(shí)，DG 劃分為從屬源；當(dāng)bΔ＜bi≤1-bΔ時(shí)，DG 劃分為輔助源；當(dāng)1-bΔ＜bi≤1 時(shí)，DG劃分為主控源。

5 算例分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性和合理性，采用東福山島的微電網(wǎng)項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)作為參考[20]，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)其中的裝機(jī)容量設(shè)定和獨(dú)立供電系統(tǒng)的月度數(shù)據(jù)， 推算出各個(gè)DG的裝機(jī)容量、有功和無功初始值等，整理的參數(shù)如表1 所示。

表1 DG 的參數(shù)值Table 1 Parameter value of DG

通過表1 數(shù)據(jù)可知，如果根據(jù)單一因素指標(biāo)，如SRC，對(duì)9 個(gè)DG 進(jìn)行降序排序，可以得到矩陣C=[166.67 95.55 29.39 28.47 28.33 28.32 26.67 26.32 25.92]。 根據(jù)排序，DG9＞DG8＞DG3＞DG6＞DG2＞DG4＞DG1＞DG5＞DG7，因此可選DG9為主控源，DG2，DG3，DG4，DG6，DG8為 輔 助 源，DG1，DG5，DG7為 從屬源。 但該排序方式存在單一性，DG2，DG3，DG4，DG6，DG8雖然具有一定的備用容量， 但均沒有調(diào)頻調(diào)壓能力，卻也被選做輔助源，因此該方法具有局限性，不能準(zhǔn)確地對(duì)各個(gè)DG 進(jìn)行評(píng)價(jià)。

因此對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)計(jì)算調(diào)頻調(diào)壓能力的隸屬度， 見表2，從而建立模糊關(guān)系矩陣R。

表2 DG 的隸屬度Table 2 Membership degree of DG

根據(jù)專家評(píng)價(jià)確定A=[0.10，0.20，0.35，0.35]。 通過模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算B：

將bi由大到小進(jìn)行排序， 得到：DG9＞DG7＞DG5＞DG1＞DG8＞DG3＞DG6＞DG2＞DG4。

確定對(duì)應(yīng)的模糊綜合評(píng)價(jià)值bΔ：

根據(jù)判別依據(jù)對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行分類， 由于僅有DG9評(píng)分大于0.7，所以作為9 個(gè)DG 中的主控源；DG1，DG8，DG3，DG6，DG2，DG4評(píng)分均小于0.3，劃分為從屬源；DG5，DG7評(píng)分為0.3～0.7， 劃分為輔助源。通過模糊綜合評(píng)價(jià)排序，可以根據(jù)排序結(jié)果進(jìn)行更細(xì)致的分工，如DG7充當(dāng)主輔助源，DG5充當(dāng)替補(bǔ)輔助源等。 根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整權(quán)重和指標(biāo)范圍，以達(dá)到更好的評(píng)價(jià)排序分類。

6 結(jié)論

本文提出一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)的DG 調(diào)頻調(diào)壓能力的排序分類方法。 通過定義的4 項(xiàng)DG調(diào)頻調(diào)壓能力指標(biāo)，對(duì)多DG 進(jìn)行排序分類，結(jié)合4 項(xiàng)指標(biāo)建立針對(duì)多DG 調(diào)頻調(diào)壓能力的評(píng)價(jià)模型。 選用新的調(diào)頻調(diào)壓隸屬度函數(shù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判， 利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多DG 調(diào)頻調(diào)壓能力進(jìn)行排序。根據(jù)權(quán)重和隸屬度設(shè)定的判別依據(jù)，將多DG 分為主控源、輔助源和從屬源。通過算例驗(yàn)證了本文提出的排序分類方法的合理性和準(zhǔn)確性，為參與主輔從控制策略的DG 選取提供依據(jù)。