一種新能源混合系統控制參數的優選方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于新能源技術領域，更具體地，涉及一種新能源混合系統控制參數 的優選方法，用于在新能源混合系統中對比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID)控制參數進行優選。
【背景技術】
[0002] 隨著能源需求的提升和全球變暖因素的影響，風能、太陽等新能源的開發利用與 并網成為迫切需求。風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電機組，與之構成新能源混合系統，通過調整系統出力，使之響應系統 負荷，從而使系統頻率快速穩定。
[0003] 新能源混合系統一般采用PID控制，包括常規PID、分數階PID和模糊PID 等。PID控制器的控制參數選擇直接影響新能源混合系統的控制品質。傳統的PID控 制參數優選方法包括網格搜索（Grid Search，GS)、粒子群優化算法（Particle Swarm optimization, PS0)等。由于PS0算法在復雜優化問題求解中存在早熟、陷入局部極小等不 足，可能無法獲得最優的新能源混合系統控制參數。
【發明內容】
[0004] 針對傳統方法的不足，本發明提出了一種新能源混合系統控制參數的優選方法， 該方法基于新型啟發式優化算法，能有效提尚新能源混合系統控制品質，提尚該混合能源 系統穩走性。
[0005] 為了實現上述目的，本發明提供了一種新能源混合系統控制參數的優選方法，包 括如下步驟：
[0006] 步驟（1):建立新能源混合系統的仿真模型，新能源混合系統如圖1所示。所述新 能源混合系統包括風能發電系統、太陽能熱發電系統、水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統、 電池儲能系統、超級電容、柴油發電機和微型電力系統。所述新能源混合系統描述了考慮風 能和太陽能隨機和間歇性，以及負荷的波動性等因素下，微型電力系統的能量管理和控制 原理。風能發電系統和太陽能熱發電系統整體出力的一部分通過驅動水電解槽產生氫氣， 再利用燃料電池將產生的氫氣進行發電產生相對穩定的出力后注入微型電力系統，剩下的 風能和太陽能出力直接注入微型電力系統；由于風能和太陽能具有隨機性，同時系統負荷 也有波動性，當系統注入功率和負荷出現偏差后，微型電力系統將產生頻率偏移量，PID控 制器根據頻率偏移量產生調節控制信號，控制飛輪儲能系統、電池儲能系統、超級電容和柴 油發電機工作，迅速消除微型電力系統功率和負荷偏差。常用控制器包括，PID控制器以及 分數階PID控制器、模糊PID控制器等改進型PID控制器。為方便說明，本發明以PID控制 器作為新能源混合系統控制器。采用PID控制器的新能源混合系統傳遞函數圖如圖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；
[0007] 步驟（2):建立上述新能源混合系統的控制參數優化目標函數。以頻率偏差Af和 控制器輸出的控制量U為狀態量，目標函數為：
[0009] 其中，優化變量X = [KP，I，KD]，Δ f是隨控制參數變化的新能源混合系統頻率偏 差，u是PID控制器輸出；^和w 2是權重系數，T _為仿真總時間，u ss為穩態控制信號，表達 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。具體表 達式為：
[0011] 步驟⑶：運用啟發式優化算法求解步驟⑵中目標函數，獲得最優控制參數。
[0012] St印1 :算法初始化：設置算法參數，包括群體規模N、總迭代數T、個體隨機搜 索總數K、淘汰幅度系數〇、跳躍閾值p ;確定PID控制參數范圍，
，確定優化變量邊界
<分別為比例控制系數的最小值和最大值，Κ ΙιΠαη，ΚΙιΜΧ分別為積分控制系數的最小值和最大值，KD，_，&_分別為微分控制系數的最小值和最大 值，在此區間隨機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；令當前迭代次數t = 0 ;
[0013] Step 2 :計算各個個體的目標函數值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，其中KpKjP 1^分別為位置向量中的第一、第二 和第三個元素，將控制參數代入步驟（1)中新能源混合系統仿真平臺，仿真得到系統狀態 變量隨時間的變化過程。得到系統頻率偏差A f和控制器輸出u，按照步驟（2)中目標函數 得到個體i的目標函數值FA進一步，計算群體目標函數最小值，具有最小目標函數值的 個體確定為當前最優個體XB(t);
[0014] St印3:對所有個體X1;i = 1，···，Ν進行個體隨機搜索，計算慣性向量XfM;
[0015] St印3. 1 :令個體搜索次數1 = 0 ;
[0016] St印3. 2 :觀望一個位置
[0018] rand 為（0,1)之間隨機數，ε plav為觀望步長，ε play= 〇· 1 · | |Β υ_Β」| ;
[0019] Step 3· 3 :計算下一個當前位置fW/(?)
[0021] rand 為（0,1)之間隨機數，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，轉至 Step 3· 2 ;否貝丨J，轉至 Step 4 ;
[0023] Step 4:計算每個個體受當前最優個體召喚向量
[0025] 其中δ ;為中第i個個體與當前最優個體的距離向量，隨機數c 2 ·γβγκ!，c 2 = (2 · rand-1) (1-t/T)為（0，1)之間隨機數；由此可知^為（0,2)之間的隨機數，表示當前 最優個體的號召力，當Cl> 1時，表示當前最優個體的影響力增強，反之減弱；(：2為動態隨 機數，所以c2的隨機范圍由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函數值的平均值，是最小的目標函數值， ω是一個隨迭代次數而線性遞增的參數，
，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，D = 3 ;
[0035] Step 7:判斷是否連續p代當前最優個體位置未發生移動，如果是，則認為種群滅 亡，按照下式反演重構新的種群：
[0037] 其中R為反演半徑，R = 0. 1 · | | ;rand為（0，1)之間隨機數，p為跳躍閾 值；
[0038] Step 8:t = t+Ι，如果t>T，算法結束，輸出當前最優個體位置作為終解；否則，轉 入Step 2。當前最優個體位置即為最優控制參數向量。
[0039] 與現有技術相比，本發明有如下優點和效果：
[0040] 本發明設計的新能源混合系統控制參數的優選方法，采用一種新型啟發式優化算 法優化目標函數，能搜索到更優的目標函數值，得到的解代表更優的PID控制參數。更優的 PID控制參數能使新能源混合系統頻率偏差更小，調節速度更快，系統響應曲線更加光滑， 系統調節品質更尚。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發明新能源混合控制系統的原理圖；
[0042] 圖2為本發明新能源混合控制系統的負荷變化圖；
[0043] 圖3為本發明新能源混合控制系統的風能發電變化圖；
[0044] 圖4為本發明新能源混合控制系統的太陽能熱發電變化圖；
[0045] 圖5為本發明新能源混合控制系統控制器輸出的控制量；
[0046]圖6為本發明的優選方法和PS0優化算法下新能源混合控制系統的頻率偏移量對 比圖。
【具體實施方式】
[0047] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼 此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0048] 本發明涉及一種新能源混合系統的控制參數優化，該系統由風能發電系統、太陽 能熱發電系統、水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統、電池儲能系統、超級電容、柴油發電機 和微型電力系統組成，如圖1所示。本發明的目的是提出一種該系統的控制參數優選方法， 從而提尚新能源混合系統控制品質，提尚該混合能源系統穩定性。
[0049] 為說明本發明效果，下面以某一新能源混合系統作為本發明的實施對象對本發明 方法進行詳細說明：
[0050] 步驟（1):新能源混合系統如圖1所示，包括風能發電機系統、太陽能熱發電系統、 水電解槽、燃料電池、飛輪儲能系統、電池儲能系統、超級電容、柴油發電機和微型電力系 統。
[0051] 所述新能源混合系統描述了考慮風能和太陽能隨機和間歇性，以及負荷的波動性 等因素下，微型電力系統的能量管理和控制原理。風能發電系統和太陽能熱發電系統整體 出力的一部分通過驅動水電解槽產生氫氣，再利用燃料電池將產生的氫氣進行發電產生相 對穩定的出力后注入微型電力系統，剩下的風能和太陽能出力直接注入微型電力系統；由 于風能和太陽能具有隨機性，同時系統負荷也有波動性，當系統注入功率和負荷出現偏差 后，微型電力系統將產生頻率偏移量，PID控制器根據頻率偏移量產生調節控制信號，控制 飛輪儲能系統、電池儲能系統、超級電容和柴油發電機工作，迅速消除微型電力系統功率和 負荷偏差。此系統由PID控制器進行調節控制。KP、&和K D分別為比例、積分和微分增益， KP、KjP K D是需要優選的PID控制參數。
[0052] 建立新能源混合系統的仿真模型，設置新能源混合系統的各種參數，各種新能源 的參數如表1所示；新能源混合系統的迭代步長為〇. 05秒，總仿真時間為120秒，設置各能 源初始時刻的值為〇,負荷初始時刻值為1 ;新能源混合系統的負荷波動如圖2所示；考慮 至噺能源混合系統中風能和太陽能的不穩定性，風能和太陽能的波動如圖3、圖4所示；
[0053] 表1新能源混合系統的組件的設計參數
[0054]
[0055] 步驟⑵建立系統的控制參數優化目標函數：以頻率誤差Af和控制器輸出的控 制量u為輸入量，目標函數為：
[0057] 其中，優化變量X = [KP，I，KD]，Δ f是隨控制參數變化的新能源混合系統頻率偏 差，u是PID控制器輸出，如圖1中所示，權重％和《2均設為1，1~_為總時間120秒，uss為 穩態控制信號，表達式為：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。
[0058] 具體表達式為：
[0060] 步驟（3):運用啟發式優化