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基于群搜索优化算法的微电网控制策略

范文

刘亚彬王锡淮

摘要：本文采用虚拟同步发电机（VSG）控制技术，VSG模拟了同步发电机的工作特性，具有相同的系统控制参数性质。建立基于VSG控制的微电网模型，由于控制参数对系统稳定的影响，提出了群搜索优化算法（GSO）对系统的几个重要控制参数进行有目标性的优化。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.

关键词：微电网;虚拟同步发电机;群搜索优化;稳定性

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

中图分类号：TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）23-0170-02

0? 引言

能源对于人类生存和社会经济的发展来说是一个必不可少的因素。但是，随着地球环境不断地恶化，世界各国开始重视到可再生能源的地区分散性和开发经济性，分布式发电（Distributed Generation，DG）技术方式成为利用新能源建设微电网的主要方法[1]-[2]。电力系统中分布式发电的装置正在迅速增加基于逆变器的装置最具挑战性的问题是使逆变器与电网同步，然后即使电网在发生干扰或负载变化时也能保持系统相对稳定。在未来的电力系统中，需要新的需求来保证其安全性和稳定性。同步发电机具有维持功率平衡和调频调压特性，同步发电机还可以改善电力系统的稳定性，若分布式发电中也能引入这些特性，那么必将大幅度提升分布式发电的性能，这样就提出了虚拟同步发电机的控制策略。

本文介绍并深入分析了虚拟同步发电机控制模型和系统结构以及其MATLAB仿真。将电压幅值偏差约束作为微电网系统的稳定性评估的工具，使用群搜索优化算法来获得微电网某些影响稳定性的参数的期望响应值。

1? 虚拟同步发电机的基本原理

1.1 功频控制器

由有功-频率下垂控制和上述转子运动方程组成的功频控制器的主要功能是实现调频和有功输出的控制。已知原动机的输入功率和符合所需的功率不平衡时，发电机的转速会发生偏移，频率会发生大波动，然后调速器依据发电机的转速变动对原动机的输如功率进行调整，从而保持系统的功率平衡。根据同步发电机原动机输入的机械功率，建立P-f下垂数学模型;

上式中Pref为有功功率的参考值，？驻P为频率的相对变化值，Km为调频系数值。由此可以看出，VSG的虚拟机械功率是由有功功率参考值和频率变化值组成的。

1.2 励磁控制器

VSG中不用控制它的励磁电流，而是可以直接模仿同步发电机控制励磁电流的方法，把这种控制改换成对电压幅值的控制。建立无功-电压调制数学模型：

式中Qn为无功功率的参考值，Qe为系统输出无功功率，U0为参考电压值，Kn为比例控制器的比例系数。从上述虚拟同步发电机的功频控制器和励磁调制器两者的相结合进而得到电动势的向量公式：

2? 虚拟同步发电机微网的整体构造

本文构造基于VSG的微电网模型包括几个部分：分布式电源部分选择三相电压源型逆变器，三相静止坐标系（abc）、两相静止（？琢？茁）、两相旋转（dq）坐标系的数学模型与结构，有功与无功的计算输出模块：计算与一组周期性的三相电压和电流相关的三相瞬时有功功率和无功功率（瞬时无功功率适用于平衡且无谐波的三相电压和电流，有功和无功功率有经过阻抗电路的电流来决定），虚拟同步机控制，电压电流双闭环控制，基于载波的PWM脉冲宽度调制模块，PLL锁相环等组成，模型中的部分参数在表格1中呈现出来。

3? 适应度函数和参数的选取

本文采取時间与误差的绝对值相乘（ITAE）和谐波畸变率（THD）的加权函数作为控制VSG系统并网性能的目标函数[4]。ITAE和THD的公式如下：

式中U1表示的是输出电压的基波幅值，Un是指输出电压的n次谐波幅值，e（t）表示的是误差值，这里采用电压误差作为作为优化对象，则适应度函数表达式可表示为：

公式（5）中fit表示的是某个参数个体的适应度函数值，ud和uq分别表示是并网侧电容电压在d轴和q轴的值。

本章选择虚拟转动惯量J，阻尼系数D，调频系数Km，调压系数Kn。为了评估上述系统的稳定性性能，提出了虚拟同步发电机的参数设计公式[5]。在此次建立的系统中设置时间常数？子的值为0.05，根据表1中的数据由上述公式计算得出阻尼系数D的值为30.427，转动惯量J的值为1.521，调频系数Km的值为9554.140，调压系数Kn的值为160.771。

4? 群搜索算法优化

群搜索算法是根据群居动物觅食现象衍生而来的，是一种可以实现多维搜索行为的算法[6]。将适应度函数嵌入群搜索算法中，经过运行后得出的参数结：阻尼系数50.135，转动惯量3.152，调频系数10707.5097，调压系数313.0391。将两种方法得出参数值输入模型，得出的有功无功波形如图1。

5? 总结

本章基于虚拟同步发电机的优势，模仿对同步发电机建立的数学模型，包括其中实时可变的物理模型参数。首先是建立了基于虚拟同步发电机控制方法的微电网模型，简单的选取了适应度函数的计算方法。最后，通过按照一般计算公式和GSO根据目标函数求出虚拟转动惯量、阻尼系数和调压调频系数的最优值对系统波形的影响效果进行对比，GSO优化出来的参数值要比通常公式计算出来参数仿真效果要好，响应时间更快。

参考文献：

[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，蒲天骄，刘广一，等.主动配电网中分布式发电系统接入技术及其进展[J].电工技术学报，2016，31（S2）：92-101.

[3]万晓凤，詹子录，廖志鹏，等.虚拟同步发电机并离网无缝切换策略研究[J].电子测量与仪器学报，2018，32（05）：33-40.

[4]陶亮，程军照，王文玺，等.虚拟同步发电机参数设计及优化方法[J].电力系统保护与控制，2018，46（12）：134-141.

[5]陶骞，陶亮，崔一铂，等.虚拟同步发电机动态特性参数分析及配置方法研究[J].电测与仪表，2019（21）：8-15.

[6]张雯雰，陆武魁，罗玉玲.群搜索优化算法在桁架結构优化中的应用[J].现代计算机，2009（12）：17-20.

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