一種新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù) 的優(yōu)選方法，用于在新能源混合系統(tǒng)中對比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源需求的提升和全球變暖因素的影響，風(fēng)能、太陽等新能源的開發(fā)利用與 并網(wǎng)成為迫切需求。風(fēng)能和太陽出力波動很大，為平抑新能源的出力波動性，一般增加儲能 裝置和啟閉靈活的發(fā)電機(jī)組，與之構(gòu)成新能源混合系統(tǒng)，通過調(diào)整系統(tǒng)出力，使之響應(yīng)系統(tǒng) 負(fù)荷，從而使系統(tǒng)頻率快速穩(wěn)定。
[0003] 新能源混合系統(tǒng)一般采用PID控制，包括常規(guī)PID、分?jǐn)?shù)階PID和模糊PID 等。PID控制器的控制參數(shù)選擇直接影響新能源混合系統(tǒng)的控制品質(zhì)。傳統(tǒng)的PID控 制參數(shù)優(yōu)選方法包括網(wǎng)格搜索（Grid Search，GS)、粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm optimization, PS0)等。由于PS0算法在復(fù)雜優(yōu)化問題求解中存在早熟、陷入局部極小等不 足，可能無法獲得最優(yōu)的新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對傳統(tǒng)方法的不足，本發(fā)明提出了一種新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)選方法， 該方法基于新型啟發(fā)式優(yōu)化算法，能有效提尚新能源混合系統(tǒng)控制品質(zhì)，提尚該混合能源 系統(tǒng)穩(wěn)走性。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)選方法，包 括如下步驟：
[0006] 步驟（1):建立新能源混合系統(tǒng)的仿真模型，新能源混合系統(tǒng)如圖1所示。所述新 能源混合系統(tǒng)包括風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統(tǒng)、 電池儲能系統(tǒng)、超級電容、柴油發(fā)電機(jī)和微型電力系統(tǒng)。所述新能源混合系統(tǒng)描述了考慮風(fēng) 能和太陽能隨機(jī)和間歇性，以及負(fù)荷的波動性等因素下，微型電力系統(tǒng)的能量管理和控制 原理。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)整體出力的一部分通過驅(qū)動水電解槽產(chǎn)生氫氣， 再利用燃料電池將產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行發(fā)電產(chǎn)生相對穩(wěn)定的出力后注入微型電力系統(tǒng)，剩下的 風(fēng)能和太陽能出力直接注入微型電力系統(tǒng)；由于風(fēng)能和太陽能具有隨機(jī)性，同時系統(tǒng)負(fù)荷 也有波動性，當(dāng)系統(tǒng)注入功率和負(fù)荷出現(xiàn)偏差后，微型電力系統(tǒng)將產(chǎn)生頻率偏移量，PID控 制器根據(jù)頻率偏移量產(chǎn)生調(diào)節(jié)控制信號，控制飛輪儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、超級電容和柴 油發(fā)電機(jī)工作，迅速消除微型電力系統(tǒng)功率和負(fù)荷偏差。常用控制器包括，PID控制器以及 分?jǐn)?shù)階PID控制器、模糊PID控制器等改進(jìn)型PID控制器。為方便說明，本發(fā)明以PID控制 器作為新能源混合系統(tǒng)控制器。采用PID控制器的新能源混合系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖如圖1所示。 PID控制器中KP、KjP K D分別為比例、積分和微分增益，是需要整定的控制參數(shù)；
[0007] 步驟（2):建立上述新能源混合系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。以頻率偏差A(yù)f和 控制器輸出的控制量U為狀態(tài)量，目標(biāo)函數(shù)為：
[0009] 其中，優(yōu)化變量X = [KP，I，KD]，Δ f是隨控制參數(shù)變化的新能源混合系統(tǒng)頻率偏 差，u是PID控制器輸出；^和w 2是權(quán)重系數(shù)，T _為仿真總時間，u ss為穩(wěn)態(tài)控制信號，表達(dá) 式為uss= 0.8H(t)+0. 17H(t-40)+l. 12H(t-80)，其中H(t)為赫維賽德階躍函數(shù)。具體表 達(dá)式為：
[0011] 步驟⑶：運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化算法求解步驟⑵中目標(biāo)函數(shù)，獲得最優(yōu)控制參數(shù)。
[0012] St印1 :算法初始化：設(shè)置算法參數(shù)，包括群體規(guī)模N、總迭代數(shù)T、個體隨機(jī)搜 索總數(shù)K、淘汰幅度系數(shù)〇、跳躍閾值p ;確定PID控制參數(shù)范圍，

，確定優(yōu)化變量邊界

<分別為比例控制系數(shù)的最小值和最大值，Κ ΙιΠαη，ΚΙιΜΧ分別為積分控制系數(shù)的最小值和最大值，KD，_，&_分別為微分控制系數(shù)的最小值和最大 值，在此區(qū)間隨機(jī)初始化群體中所有個體的位置向量，個體位置向量&= = 1，. . .，Ν，代表一組控制參數(shù)；令當(dāng)前迭代次數(shù)t = 0 ;
[0013] Step 2 :計(jì)算各個個體的目標(biāo)函數(shù)值Fit= f (Xi(t))，i = 1，…，N。過程如下：從 個體i位置向量Xjt)解碼得到控制參數(shù)，其中KpKjP 1^分別為位置向量中的第一、第二 和第三個元素，將控制參數(shù)代入步驟（1)中新能源混合系統(tǒng)仿真平臺，仿真得到系統(tǒng)狀態(tài) 變量隨時間的變化過程。得到系統(tǒng)頻率偏差A(yù) f和控制器輸出u，按照步驟（2)中目標(biāo)函數(shù) 得到個體i的目標(biāo)函數(shù)值FA進(jìn)一步，計(jì)算群體目標(biāo)函數(shù)最小值，具有最小目標(biāo)函數(shù)值的 個體確定為當(dāng)前最優(yōu)個體XB(t);
[0014] St印3:對所有個體X1;i = 1，···，Ν進(jìn)行個體隨機(jī)搜索，計(jì)算慣性向量XfM;
[0015] St印3. 1 :令個體搜索次數(shù)1 = 0 ;
[0016] St印3. 2 :觀望一個位置

[0018] rand 為（0,1)之間隨機(jī)數(shù)，ε plav為觀望步長，ε play= 〇· 1 · | |Β υ_Β」| ;
[0019] Step 3· 3 :計(jì)算下一個當(dāng)前位置fW/(?)
[0021] rand 為（0,1)之間隨機(jī)數(shù)，ε _為慣性步長，ε step= 〇· 2 · I |Β υ_Β」I ;
[0022] Step 3· 4 :1 = 1+1，如果 1 < Κ，轉(zhuǎn)至 Step 3· 2 ;否貝丨J，轉(zhuǎn)至 Step 4 ;
[0023] Step 4:計(jì)算每個個體受當(dāng)前最優(yōu)個體召喚向量

[0025] 其中δ ;為中第i個個體與當(dāng)前最優(yōu)個體的距離向量，隨機(jī)數(shù)c 2 ·γβγκ!，c 2 = (2 · rand-1) (1-t/T)為（0，1)之間隨機(jī)數(shù)；由此可知^為（0,2)之間的隨機(jī)數(shù)，表示當(dāng)前 最優(yōu)個體的號召力，當(dāng)Cl> 1時，表示當(dāng)前最優(yōu)個體的影響力增強(qiáng)，反之減弱；(：2為動態(tài)隨 機(jī)數(shù)，所以c2的隨機(jī)范圍由1也線性遞減到〇 ;
[0026] Step 5:按照個體位置更新公式更新個體位置：
[0028] Step 6:判斷個體是否需要被淘汰并重新初始化：
[0029] Step 6. 1 :如果第i個個體滿足公式則該個體被淘汰并重新初始化：
[0031] 其中，是t代種群所有個體目標(biāo)函數(shù)值的平均值，是最小的目標(biāo)函數(shù)值， ω是一個隨迭代次數(shù)而線性遞增的參數(shù)，
，取值范圍為[_ σ，0 ];
[0032] St印6· 2 :被淘汰的個體初始化：
[0033] X;= rand(l,D) X (B U-BL)+BL
[0034] 其中，D為位置向量維數(shù)，D = 3 ;
[0035] Step 7:判斷是否連續(xù)p代當(dāng)前最優(yōu)個體位置未發(fā)生移動，如果是，則認(rèn)為種群滅 亡，按照下式反演重構(gòu)新的種群：
[0037] 其中R為反演半徑，R = 0. 1 · | | ;rand為（0，1)之間隨機(jī)數(shù)，p為跳躍閾 值；
[0038] Step 8:t = t+Ι，如果t>T，算法結(jié)束，輸出當(dāng)前最優(yōu)個體位置作為終解；否則，轉(zhuǎn) 入Step 2。當(dāng)前最優(yōu)個體位置即為最優(yōu)控制參數(shù)向量。
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0040] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的新能源混合系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)選方法，采用一種新型啟發(fā)式優(yōu)化算 法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，能搜索到更優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)值，得到的解代表更優(yōu)的PID控制參數(shù)。更優(yōu)的 PID控制參數(shù)能使新能源混合系統(tǒng)頻率偏差更小，調(diào)節(jié)速度更快，系統(tǒng)響應(yīng)曲線更加光滑， 系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)更尚。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發(fā)明新能源混合控制系統(tǒng)的原理圖；
[0042] 圖2為本發(fā)明新能源混合控制系統(tǒng)的負(fù)荷變化圖；
[0043] 圖3為本發(fā)明新能源混合控制系統(tǒng)的風(fēng)能發(fā)電變化圖；
[0044] 圖4為本發(fā)明新能源混合控制系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電變化圖；
[0045] 圖5為本發(fā)明新能源混合控制系統(tǒng)控制器輸出的控制量；
[0046]圖6為本發(fā)明的優(yōu)選方法和PS0優(yōu)化算法下新能源混合控制系統(tǒng)的頻率偏移量對 比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼 此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0048] 本發(fā)明涉及一種新能源混合系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)化，該系統(tǒng)由風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、太陽 能熱發(fā)電系統(tǒng)、水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、超級電容、柴油發(fā)電機(jī) 和微型電力系統(tǒng)組成，如圖1所示。本發(fā)明的目的是提出一種該系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)選方法， 從而提尚新能源混合系統(tǒng)控制品質(zhì)，提尚該混合能源系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0049] 為說明本發(fā)明效果，下面以某一新能源混合系統(tǒng)作為本發(fā)明的實(shí)施對象對本發(fā)明 方法進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0050] 步驟（1):新能源混合系統(tǒng)如圖1所示，包括風(fēng)能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、 水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、超級電容、柴油發(fā)電機(jī)和微型電力系 統(tǒng)。
[0051] 所述新能源混合系統(tǒng)描述了考慮風(fēng)能和太陽能隨機(jī)和間歇性，以及負(fù)荷的波動性 等因素下，微型電力系統(tǒng)的能量管理和控制原理。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)整體 出力的一部分通過驅(qū)動水電解槽產(chǎn)生氫氣，再利用燃料電池將產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行發(fā)電產(chǎn)生相 對穩(wěn)定的出力后注入微型電力系統(tǒng)，剩下的風(fēng)能和太陽能出力直接注入微型電力系統(tǒng)；由 于風(fēng)能和太陽能具有隨機(jī)性，同時系統(tǒng)負(fù)荷也有波動性，當(dāng)系統(tǒng)注入功率和負(fù)荷出現(xiàn)偏差 后，微型電力系統(tǒng)將產(chǎn)生頻率偏移量，PID控制器根據(jù)頻率偏移量產(chǎn)生調(diào)節(jié)控制信號，控制 飛輪儲能系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)、超級電容和柴油發(fā)電機(jī)工作，迅速消除微型電力系統(tǒng)功率和 負(fù)荷偏差。此系統(tǒng)由PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。KP、&和K D分別為比例、積分和微分增益， KP、KjP K D是需要優(yōu)選的PID控制參數(shù)。
[0052] 建立新能源混合系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置新能源混合系統(tǒng)的各種參數(shù)，各種新能源 的參數(shù)如表1所示；新能源混合系統(tǒng)的迭代步長為〇. 05秒，總仿真時間為120秒，設(shè)置各能 源初始時刻的值為〇,負(fù)荷初始時刻值為1 ;新能源混合系統(tǒng)的負(fù)荷波動如圖2所示；考慮 至噺能源混合系統(tǒng)中風(fēng)能和太陽能的不穩(wěn)定性，風(fēng)能和太陽能的波動如圖3、圖4所示；
[0053] 表1新能源混合系統(tǒng)的組件的設(shè)計(jì)參數(shù)
[0054]
[0055] 步驟⑵建立系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：以頻率誤差A(yù)f和控制器輸出的控 制量u為輸入量，目標(biāo)函數(shù)為：
[0057] 其中，優(yōu)化變量X = [KP，I，KD]，Δ f是隨控制參數(shù)變化的新能源混合系統(tǒng)頻率偏 差，u是PID控制器輸出，如圖1中所示，權(quán)重％和《2均設(shè)為1，1~_為總時間120秒，uss為 穩(wěn)態(tài)控制信號，表達(dá)式為：uss= 0. 8H(t)+0. 17H(t-40)+l. 12H(t-80)，其中H(t)為赫維賽 德階躍函數(shù)。
[0058] 具體表達(dá)式為：
[0060] 步驟（3):運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化