[发明专利]独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法

摘要

本发明公开一种独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法。基于独立微电网系统中风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统和电力电子变换器等各组件小信号频率响应模型、参数信息和负荷特性，本发明采用分数阶PID控制器实现独立微电网系统频率控制，并进一步采用实数编码群体进化算法实现分数阶频率控制器参数的智能整定。采用本发明可实现独立微电网系统智能调频效果，具有现有技术所不具备的以下优点：独立微电网系统具有更快的响应速度、更小的振荡幅度、更高的控制精度和更好的稳健性等控制性能，优化方法仅具有选择和变异操作，所需整定的参数更少，实施更简单，优化效率更高。

主权项

一种独立微电网系统分数阶频率控制器优化设计及其实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)独立微电网系统监控计算机读取系统中各组件(包括风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、燃料电池、铅酸蓄电池、飞轮储能系统和电力电子变换器)参数信息、各组件小信号频率响应模型和负荷数据；2)设置优化参数(包括种群大小NP、最大迭代优化次数I_max和变异系数p_m)数值；3)随机生成一个在分数阶频率控制器中优化变量的下限和上限之间范围内的实数编码且均匀分布的初始种群P＝{P_i,i＝1,2,…,NP}，其中第i个个体P_i＝(K_Pi,K_Ii,K_Di,λ_i,μ_i)，K_Pi、K_Ii、K_Di、λ_i、μ_i分别表示第i个分数阶频率控制器比例系数、积分系数、微分系数、分数阶积分的阶次系数、分数阶微分的阶次系数，分数阶频率控制器的传递函数表达式G_fc(s)为G_fc(s)＝K_P+K_Is^‑λ+K_Ds^μ；4)按照式(1)对种群P中的每一个个体P_i,i＝1,2,…,NP进行适应度函数F_i计算评价，并将当前最好适应度值设置为F_best＝min{F_i,i＝1,2,…,NP}，将对应的个体设置为当前最好解S_best；$F=w_1{\∫}_{T_{\min }}^{T_{\max }}{\left(\mathrm{\Δ}f\right)}^{2}dt+w_2{\∫}_{T_{min}}^{T_{max}}{u}^{2}dt---\left(1\right)$其中T_min和T_max分别表示微电网系统运行的初始时间和终止时间，Δf为微电网系统频率偏差，u为分数阶频率控制器输出信号值，w₁和w₂为目标函数的权重系数。5)按照式(2)‑(4)对种群P中的每一个个体P_i,i＝1,2,…,NP执行幂律变异(Power mutation，PM)，从而产生新的种群P_N＝{P_Ni,i＝1,2,…,NP}；$P_{Ni}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_i-(P_i-L).s,& if(P_i-L)/(U-L)\<r\\ P_i-(U-P_i).s,& if(P_i-L)/(U-L)\≥r\end{array}\right.---\left(2\right)$$s=p_m{s_r}^{p_m-1}---\left(3\right)$$P_{Ni}=\left\{\begin{array}{cc}L,& if{P}_{Ni}\<L\\ U,& if{P}_{Ni}\>U\end{array}\right.---\left(4\right)$其中r和s_r是在[0,1]范围内产生的均匀分布随机数，L和U表示分数阶频率控制器中优化变量的下限和上限，p_m为幂律变异系数；6)按照式(1)对种群P_N中的每一个个体P_Ni,i＝1,2,…,NP进行适应度函数F_Ni计算评价，得到P_N中最好适应度值F_Nb＝min{F_Ni,i＝1,2,…,NP}，将对应的个体设置为当前最好解S_Nb；7)若F_best≥F_Nb,则设置为F_best＝F_Nb，S_best＝S_Nb；否则保持原有F_best和S_best不变；8)无条件接受P＝P_N；9)重复步骤(4)‑(8)直到满足用户设定的最大迭代优化次数I_max；10)输出最终的最佳适应度值F_best和最佳分数阶频率控制器参数S_best＝(K_Pb,K_Ib,K_Db,λ_b,μ_b)，其中K_Pb、K_Ib、K_Db、λ_b、μ_b分别表示最佳分数阶频率控制器比例系数、积分系数、微分系数、分数阶积分的阶次系数、分数阶微分的阶次系数；独立微电网系统监控计算机并实时输出S_best对应的独立微电网系统频率偏差、分数阶频率控制器输出和各组件输出功率的运行曲线。