王天恒 郭興眾

摘要：隨著風(fēng)能和太陽能等間歇性和分布式可再生能源的普及，人們越來越關(guān)注電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性.作為一種新型的電壓控制裝置，電力彈簧可以有效地抑制分布式發(fā)電功率變化引起的電壓波動.在分析電力彈簧電壓穩(wěn)定控制原理的基礎(chǔ)上，考慮了非關(guān)鍵負(fù)載變化的優(yōu)化問題和控制效果.結(jié)合免疫遺傳算法，提出了一種基于免疫遺傳PI控制的電力彈簧電壓控制方法，并用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明，該算法具有良好的電壓調(diào)節(jié)效果.

關(guān)鍵詞：可再生能源;電力彈簧;免疫遺傳算法;PI控制

中圖分類號：TM761+.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）05-0057-04

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的出現(xiàn)，可再生能源的普及率急劇上升.光能和風(fēng)能等可再生能源有著間歇性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，隨著發(fā)電并網(wǎng)容量的增加，對電力系統(tǒng)的影響越來越明顯，使得預(yù)測電力消耗變得更加困難.現(xiàn)在，對于可再生能源的間歇性問題，利用蓄電池、超導(dǎo)或高速飛輪等儲能裝置來抵消發(fā)電量與需求量的不匹配是有效的解決方案之一.但是，這些儲能裝置會使成本顯著增加，而且儲能裝置的可靠性運(yùn)行變得至關(guān)重要.對于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定問題，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是無功補(bǔ)償.然而，該技術(shù)采用大容量集中安裝方式，不能有效地滿足分布式發(fā)電的接入應(yīng)用.

為了穩(wěn)定可再生能源并網(wǎng)系統(tǒng)，香港大學(xué)的Shu Yuen（Ron）Hui教授提出了一個基于胡克機(jī)械彈簧的定律.研究出電力彈簧（Electric Spring，簡稱ES）這個概念，電力彈簧的作用是：將電力系統(tǒng)的負(fù)載分為關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載.當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，電力彈簧會自動調(diào)節(jié)電壓，動態(tài)改變與其串聯(lián)的非關(guān)鍵負(fù)載電壓，并將可再生能源并網(wǎng)引起的波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載，確保將關(guān)鍵負(fù)載的電壓控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)，以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性.電力彈簧從負(fù)載側(cè)實時對電網(wǎng)的穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以在用戶基本察覺不到的情況下，實現(xiàn)發(fā)電和用電的平衡.電力彈簧實時地調(diào)整電力負(fù)荷，不需要集中控制，屬于分布式運(yùn)行，同時也會減少儲能設(shè)備的投入，可以提高可再生能源的并網(wǎng)穩(wěn)定性.

目前ES已逐漸成為一個研究熱點(diǎn)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視，主要的研究成果是由香港大學(xué)、東南大學(xué)和倫敦帝國學(xué)院的研究得出.在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[3]中，采用電網(wǎng)電壓前饋策略結(jié)合PR控制器，通過實驗驗證了控制方法的可行性;文獻(xiàn)[4]中，設(shè)計出一種優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來實時調(diào)整PI控制器的參數(shù)，使ES的動態(tài)響應(yīng)效果最佳;文獻(xiàn)[5]中，采用遺傳算法優(yōu)化PI控制器的無功補(bǔ)償;文獻(xiàn)[6]中，提出了一種相位控制算法，以此來分析、線路阻抗變化和非關(guān)鍵負(fù)載對ES調(diào)壓性能的影響.

在本文中，提出了一種新的控制策略，基于改進(jìn)型遺傳算法控制方法，使電力彈簧具有更好的調(diào)節(jié)作用，在非關(guān)鍵負(fù)載變化時，一直能使關(guān)鍵負(fù)載的性能保持穩(wěn)定.在本文中：分析電力彈簧的工作原理;基于免疫遺傳算法，輸出了最優(yōu)的PI控制參數(shù);基于Matlab/Simulink軟件建立的仿真模型用于驗證了所提出控制方法的可行性和有效性.

1 電力彈簧的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 ES結(jié)構(gòu)

如圖1所示的是電力彈簧的工作原理圖.圖1（a）是ES拓?fù)鋱D，從圖中可以看出電力彈簧是由LC低通濾波器、單相電壓源型逆變器和使能開關(guān)等組成.圖1（b）是ES在微電網(wǎng)中的連接效果圖.在圖1（b）中，非關(guān)鍵負(fù)載指的是能夠承受電網(wǎng)輸送較大電壓的負(fù)載，例如我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫目照{(diào)、電冰箱等.而且ES能和非關(guān)鍵負(fù)載串聯(lián)，可以形成一個智能負(fù)載，它可以產(chǎn)生交流電壓，以此來改變負(fù)載的外加電壓，那么ES就可以把電壓波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載中，從而來維持關(guān)鍵負(fù)載電壓穩(wěn)定.其中關(guān)鍵負(fù)載指的是對電網(wǎng)電壓的波動非常敏感，并且需要在工作時，電壓要極其穩(wěn)定的負(fù)載，例如我們到醫(yī)院就醫(yī)所使用的醫(yī)療儀器，或者進(jìn)行科學(xué)實驗所需的精密儀器.

1.2 ES工作原理

平衡狀態(tài)、壓縮狀態(tài)和拉伸狀態(tài)是正常機(jī)械彈簧的三種狀態(tài)，電力彈簧也可以與之對應(yīng)到電力領(lǐng)域.在最初的ES理論中，當(dāng)ES工作于純無功補(bǔ)償狀態(tài)時，主要有三種工作狀態(tài)：感性、阻性、容性.對應(yīng)于阻性狀態(tài)的電網(wǎng)電壓稱為正常值.電網(wǎng)電壓高于正常值時為感性狀態(tài)，并且在容性狀態(tài)時，就會低于正常值.當(dāng)ES電流滯后ES電壓角度90°時，稱為感性狀態(tài).當(dāng)ES電流超前ES電壓角度90°時，稱為容性狀態(tài).阻性狀態(tài)時，ES電壓接近于0.

2 基于免疫遺傳算法的PI控制

為了讓ES具有良好的調(diào)壓效果，能夠很好地解決時滯性、非線性被控對象的控制問題，本文使用免疫遺傳算法.合理選擇Kp、Ki參數(shù)的常規(guī)做法是根據(jù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗來確定參數(shù)的值，但該方法存在耗時過長、得到參數(shù)未必是最優(yōu)值的缺點(diǎn)，這將會影響控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和過沖.利用算法全局尋優(yōu)特性克服上述缺點(diǎn)，提出了一種基于免疫遺傳算法在線整定PI參數(shù)，進(jìn)一步提高控制品質(zhì)，實現(xiàn)PI的自適應(yīng)控制.

遺傳算法（genetic algorithm）最初由Hol-land在美國提出.他所講的遺傳算法的基本思想，就是要編碼優(yōu)化的參數(shù)，而且還要生成一定數(shù)量的個體初始種群，以此作為要解決問題的備選解.遺傳算法的選擇條件是使用適應(yīng)度函數(shù)值，通過選擇、交叉、變異的操作一代代地進(jìn)行優(yōu)化，最后將獲得滿足要求條件的最佳解.

3 仿真驗證

使用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，經(jīng)免疫遺傳算法輸出最優(yōu)參數(shù)得kp=4.7和ki=15.3.

設(shè)置的仿真參數(shù)如下：臨界負(fù)載電壓設(shè)定為220V，直流測電壓480V，傳輸線路電阻4？贅，傳輸線路電感50mH，關(guān)鍵負(fù)載阻值2k？贅，非關(guān)鍵性負(fù)載阻值100？贅，低通濾波器電感3mH，低通濾波器電容50Μf，開關(guān)頻率5kHz.

如圖3所示，在開關(guān)S閉合后，將關(guān)鍵負(fù)載的電壓設(shè)定為220V，示波器的三通道分別顯示電網(wǎng)電壓、關(guān)鍵負(fù)載電壓和ES電壓的波形.圖3（a）顯示ES工作于容性模式下的波形;圖3（b）顯示ES工作于阻性模式，ES電壓接近于零，非關(guān)鍵負(fù)載電壓趨于關(guān)鍵負(fù)載電壓;圖3（c）顯示ES工作于容性模式下的波形.

4 結(jié)束語

為了提高ES的電壓調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性，本文提出了基于免疫遺傳算法的電力彈簧穩(wěn)壓控制策略，對電力彈簧的仿真結(jié)果可以看出：本文提出的PI控制可有效地解決非關(guān)鍵負(fù)載變化引起的整個系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定;本文采用的免疫遺傳算法，具有使控制器調(diào)節(jié)時間短、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).總的來說，本文采用的算法控制對ES的性能有良好的作用.

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