基于改進果蠅算法的多頻組合中長期電力負荷頻率自抗擾控制方法

肖 成

引言

多頻組合電力系統具有出力不確定性的特性，對系統頻率的穩定性造成了嚴重威脅。針對中長期電力負荷頻率的波動問題，本文采用改進果蠅算法設計了一種電力負荷頻率控制方法，賦予控制過程的自抗擾屬性，實現電力負荷頻率自抗擾控制。

一、電力負荷頻率自抗擾控制方法設計

多頻組合中長期電力負荷具有靜態和動態的特性，通常情況下，當系統穩定運行時，負荷頻率也呈穩態特性變化；當系統聯結出現波動時，負荷頻率體現出動態變化特性[1]，因此，為在不同條件下更好地控制電力負荷頻率，本文設計內模負荷頻率控制器實現頻率自抗擾控制。

內模控制具有結構簡單、運算簡便的優勢，是其他一些需要通過模型來實現控制器設計的方法的依據。P表示被控制對象；Q表示控制器中的跟蹤微分器；Qd表示自抗擾內模控制器。

本文設計的電力負荷控制器包含三個子控制器，分別為跟蹤微分器（TD）、擴張狀態觀測器（ESO）以及非線性組合部件（NLSEF），通過三個子控制器的單獨控制，計算擾動估計值和步長輸出值，之后將輸出結果進行擬合，得到最終控制器。

首先對對象模型δ進行分解，分為兩個部分[2-3]：

擴張狀態觀測器（ESO）的控制過程為[4]：

非線性控制（NLSEF）可將微分器與觀測器的輸出量進行綜合控制，其控制過程為[5]：

將式（1）～（4）進行整合，并結合負荷頻率動態模型，得到最終自抗擾內模控制器如下所示[6]：

根據負荷頻率變化特性，將電力系統負荷頻率動態模型分解為兩個子模型，設計包含三個控制部分的自抗擾內模控制器，實現負荷頻率的控制。

負荷頻率控制器參數優化的目的在于在一定的搜索范圍內找到合適的的值，使得控制器的輸出值為最佳。在優化過程中，以負荷頻率控制性能為適應度，設置初始算法的參數，然后運行負荷頻率動態模型，得到目標函數適應值，將其與果蠅算法中的適應值相比較，如果滿足迭代結束標志或者迭代次數等于最大迭代次數則結束搜索；若不滿足精度要求返回循環。本文采用的是實數編碼，編碼形式為實數編碼，對P控制器參數搜索中的每個果蠅個體的坐標編碼：。

利用改進果蠅算法優化負荷頻率控制器整定參數的具體步驟如下：

設置蠅群大小、個體數量、最大步長和群體位置等算法參數；

賦予果蠅一部分自適應搜索步長算法尋優，另一部分按固定步長尋優；

預計第K個體和原地位置之間的距離，估算味道濃度值；

將上一步計算得出的指標作為新的適應度函數值，并與初始適應度值比較，若滿足條件則完成迭代，進而得到最佳的控制器參數，否則，重新確定群體中最優位置即味道濃度最高的地方，之后果蠅其他群體朝該位置坐標移動，生成新的果蠅群體，重復以上步驟，直到滿足迭代終止要求，輸出最優控制器整定參數。

利用改進果蠅算法，根據如上優化步驟對負荷頻率控制器整定參數進行優化，以求得期望的控制性能的負荷頻率控制器，使得頻率控制結果符合實際應用需求。

二、實驗論證

為測試文中所提電力負荷頻率自抗擾控制方法的實際性能，選取典型多頻組合中長期電力系統為研究對象，該系統的空調集群數量為臺，頻差死區，單體最大和最小輸出功率限制分別為。在MATLAB/Simulink平臺上，將上述相關參數輸入或代入圖1，獲得具體的風電數據和負荷頻率響應代碼，由M文件編寫并與系統模型連接，實現仿真過程。選取不同方法作為所提方法的實驗對比方法。記文獻[1]基于大變異遺傳算法的負荷頻率自抗擾控制為方法1，文獻[2]基于一致性算法的負荷頻率控制為方法2。

圖1 隨機負荷擾動

為測試基于改進果蠅算法的電力負荷頻率控制方法在隨機負荷擾動下的控制性能，根據隨機負荷的變動情況，對系統輸入如圖1所示的隨機負荷擾動。

如圖1所示，隨機負荷擾動具有變化不規律且無周期性的特點，利用該工況能夠測試負荷頻率控制方法的綜合控制性能。

同時采用方法1方法2與文中方法對上圖工況下的負荷頻率進行自抗擾控制，不同方法的控制效果及對比如圖2所示。

圖2 隨機負荷擾動下的負荷頻率控制對比結果

從圖2可以發現，文中所提方法對于隨機負荷擾動的頻率控制性能較為顯著。

在電力系統中引入階躍負荷，如圖3所示。

圖3 階躍負荷擾動

如圖3所示，系統在第5s和第25s時分別受到0.018p.u.和0.018p.u.的上升與下降趨勢的階躍負荷擾動。

對受到階躍負荷擾動下的系統進行頻率控制，得到的控制效果及對比如圖4所示。

圖4 階躍擾動下的負荷頻率控制對比結果

根據圖4對比可知，自適應調節控制對象的最佳輸出值，故對于階躍負荷擾動下的負荷頻率控制性能較好。

結束語

本文研究了多頻組合中長期電力負荷頻率自抗擾方法，并引入了改進果蠅算法優化頻率控制器的整定參數，體現了基于改進果蠅算法的電力負荷頻率自抗擾控制方法的有效性與優越性。