基于遗传和细菌觅食算法的风-光混合微网STATCOM电压控制优化

工程科学与技术，国际期刊23（2020）576完整文章基于GA和BFA的STATCOM优化太阳能-风能混合微网建模与电压控制Hale Bakir，Ahmet AfsinKulaksiz土耳其科尼亚科尼亚技术大学电气电子工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年7月1日修订2019年7月30日接受在线预订2019年保留字：电压控制细菌觅食算法光伏-风能混合系统静止同步补偿器遗传算法A B S T R A C T风能和太阳能光伏系统的发电高度依赖于天气条件。它们的间歇性导致其产出的波动。因此，对能量传输和分配系统的快速补偿的需求越来越重要。静止同步补偿器（STATCOM）可用于无功补偿，以减少系统和可再生能源引起的电压波动。本研究提出了一个太阳能光伏-风能混合微电网的建模和增加的稳定运行限制的情况下，纳入STATCOM检查针对风光互补微电网的非线性特性，本文基于遗传算法（GA）和细菌觅食算法（BFA）对STATCOM控制电路中4个PI控制器的增益参数进行了优化，从而获得了更好的响应和电压稳定性系统架构的Simulink模型包括风力发电机模型、太阳能光伏发电系统模型和STATCOM。仿真结果表明，在变负荷条件下，常规PI控制器使母线端电压波动减小了8%将基于遗传算法和BFA的PI控制器优化结果与常规控制器优化结果进行了比较，得到了更好的结果。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍可再生能源的应用已显示出日益增长的势头，特别是近年来。能源消耗的增加、能源生产技术的快速进步以及公众环保意识的提高，将研究领域引向替代能源和分布式生产。通过使用各种控制技术，可以创建由用于低装机容量应用的高效光伏（PV）系统和风能系统组成的混合结构。由于可再生能源系统，如单独的风能和混合风能/光伏不能完全安全地满足负载的需求，因此会出现功率不稳定性，而无功功率补偿是混合系统稳定运行的迫切需要。无功功率补偿是所有能源系统的要求。无功功率引起了人们对不同电能质量问题的关注，*通讯作者：科尼亚技术大学，工程和自然科学学院，电气和电子工程系，42250Selcuklu，科尼亚，土耳其。电子邮件地址：aakulaksiz@ktun.edu.tr（A.A.Kulaksiz）。由Karabuk大学负责进行同行审查电力损失。为了解决这个问题，同步电容器和固定机械开关电容器已经使用了很多年。这种类型的补偿具有一些缺点，例如尺寸大、损耗高和响应时间慢为了减少电能质量问题，提高系统稳定性和增加电力传输能力，柔性交流输电系统（FACTS）设备已于20世纪80年代末投入商业使用[1]。 然而，新的FACTS拓扑正在出现，以提高微电网的安全性和稳定性[2，3]。作为FACTS系列器件的一员，STATCOM是一种基于并联逆变器的装置，用于改善交流系统中的电能质量。1991年，日本首次安装了STATCOM它提供±80 MVAR的电压稳定性[1]。从那时起，实时控制器的发展允许实现复杂的控制算法[4]。这些设备的作用是提高功率因数、平衡负载、调节电压和消除能源系统中的谐波。通过增加传输线路的容量，消除了建造新线路的需要。各种控制策略用于允许电力系统在所需的操作限制内操作。最常用的控制器是比例积分（PI）、比例积分微分（PI）和比例积分微分（PI）。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.07.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchH. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576577命名法V母线电网电压Q无功功率Ia，Ib，Ic 三相电流分量Vd， Vq电压分量Iq， Id电流分量叶片扫过区域的平均风速风力涡轮机产生的功率Tt空气动力扭矩量@风力涡轮机端部速度比Cp功率系数b倾斜角风的kR叶片长度（涡轮转子半径）扭矩系数q空气密度Ot转子的角速度扫风面积KpKiNsi比例增益常数游泳细菌数细菌指数优化性能准则w加权因子Iph光生电流k波耳兹曼气体常数q电子电荷T绝对温度n线性因子Rs电池串联电阻R-sh单元分流电阻Ns串联光伏组件数量V太阳能电池暗饱和电流值IPV电流STATCOM输出电压交流系统电压电压之间的变压器的xP有功功率ma调制指数VdcDC voltageNcNreNed趋化步骤繁殖步骤消除和扩散步骤控制器包括PID控制器、模糊逻辑控制器和基于人工神经网络的控制器。在商业STATCOM装置中，通常，常规PI型控制器被并入，并且控制器的有效性决定了STATCOM的性能。因此，目前的研究集中在获得一个更强大的和适应性的操作的STATCOM的混合动力系统的变化。近年来，国内外对STATCOM进行了大量的研究。2010年，对一个用于提水站的带STATCOM接口的光伏-风力混合供电系统进行了研究，并以有限的方式降低了电压波动[5]。在文献中，一些研究已经讨论了FACTS控制器对连接到基于风力系统的双馈感应发电机的电力系统的稳定性影响，并且集中在转子角响应的结果[6]。提出了一种基于电压源控制（VSC）的STAT-COM的控制方法，采用常规和直流矢量控制策略。但它只适用于系统的电压波动，他们没有处理混合动力系统[7]。在[8]中已经报道了通过基于风能转换系统的混合电力系统的无功功率支持的电压控制。但是，该工作并没有使用STATCOM来降低负载侧变换器的电压波动。文献综述表明，目前对基于STATCOM系统的太阳能-风能混合微电网引起的电压波动的研究很少。随着光伏和风电系统的日益增多，传统的FACTS装置仍然需要通过优化控制器来改进，并且必须在各种运行条件下进行广泛的分析。在文献[9]中，通过调整STATCOM的最佳增益对混合电力系统进行了动态分析。在另一项涉及使用静止无功补偿器（SVC）和自动电压调节器（AVR）的控制系统的研究中，使用遗传算法同时确定SVC和AVR的PI控制参数[10]。在[11]中，对孤立混合动力系统模型执行了一种模糊优化算法，并对基于Takagi-Sugeno型模糊逻辑的控制器进行了性能分析。在这项研究中，目标是增加所提出的电力系统架构的可靠运行限制，将STATCOM无功补偿。此外，其目的是减少由于可再生能源的变化性质而发生的电压波动。基于遗传算法和BFA算法，实现了STATCOM PI参数的自动优化整定，以获得满意的响应。对STATCOM控制电路中的PI控制器参数进行了优化。研究了STATCOM电压稳定控制回路中四种PI控制器的优化整定方法，光伏-风能混合动力系统的研究尚未发表。2. 方法2.1. 风力发电系统建模今天，双馈感应发电机（DFIG）是最受欢迎的风力发电机之一[12]。DFIG由直接连接到固定频率三相网络的定子绕组和放置在转子绕组中的背靠背电压转换器组成。术语双馈表示定子电压来自电源，转子电压由功率转换器感应。该系统允许较大但有限的可变速度（可以在±40%的速度差下运行）。传感器通过向转子注入不同频率的电流来进行机械和电气频率调节。在正常运行或故障条件下，发电机行为由功率转换器或控制器管理[13]。DFIG由连续的电压感应转换器组成，这些转换器直接连接到固定频率的三相电网，并双向连接到转子绕组。其主要思想是控制转子侧整流器的转子电流分量，调节有功功率和无功电网侧的逆变器还控制直流链路电压。双馈风力发电机具有控制能力强，有功功率和无功功率的转子电流[13]。它有两578H. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576W2p@我1pH0nkTNsR2在图1中，作为转子侧控制和电网侧控制的连续转换器。1.一、在风电网侧控制电路中，风电网侧控制电路取V母线（电网电压）、Q（无功功率分量）、三相电流分量（Ia、Ib、Ic），调节V母线和IdIq通过空间矢量变换，电压分量（VdVq）和电流分量（Iq Id）被转换为三相信号。角度确定通过使用电压值并在Park和Clarke空间矢量变换中使用锁相环（PLL）控制电路在Simulink环境下实现。空气动力学模型通过计算由叶片上的气流确定的机械扭矩来表示转子功率【14】。风速（Vw）被认为是叶片扫过区域的平均速度。风力涡轮机产生的功率方程在当量（一）.1P¼CqAV3;1图二. 风力涡轮机的特性（a）k-Ct特性（b）速度-功率(v-P)特色空气动力学扭矩的数值（单位Nm）在方程式中给出（二）、Tt¼1qR3Vw2Ct;2000风力涡轮机端部速度比在方程中给出（三）、@¼RXt=Vw;± 3V功率系数（Cp）取0.44，是指作为倾角（b）和涡轮端部速度比（@）的函数的解析表达式，k是常数，R是以m为单位的叶片长度（涡轮 转 子 的 半 径 ） ， Ct 是 扭 矩 系 数 ， A 是 扫 掠 面 积 ，q 是 空 气 密 度（1.225kg/m3），Xt是转子的角速度。功率因数方程在方程中给出。（4）和（5）[14]。和转矩方程，形成风力涡轮机模型，并对间接速度控制进行建模以确定最大功率点。采用了双馈感应电机的一些数据，并对DFIG进行了建模[14]。2.2. 光伏发电系统建模太阳能光伏电池板通过转换太阳光线中的能量来确保以直流形式发电为了增加功率输出，许多太阳能电池并联或串联连接，并安装在形成太阳能电池模块或光伏模块的表面光伏电池使用一个二极管建模. K2p@我- 是的七点！等效电路PV电流可以如图2所示确定。当量（6）[15]。¼I-IheVI RsωQ-1i-基于这些方程，获得图2从图中可以看出，如果风速为12米/秒，输出功率达到2兆瓦。根据这些权力其中Iph为光生电流，k为玻尔兹曼气体常数（1.38× 10- 23 J/K），q为电子电荷（1.6× 10- 19 C），T为绝对温度（开尔文），n为线性系数。Fig. 1. 网侧控制电路。K5WC 千分之一-k3b- k4b- k6;400@i¼1=100@100k800;10500我shH. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576579X2tor，Rs是电池串联电阻，Rsh是电池并联电阻，Ns是串联的PV模块的数量，V是太阳能电池的输出电压，I0表示暗饱和电流值。光伏系统的数学模型与[15]中详述的方程在Simulink中实现。此外，扰动和观察（P O）算法已被用于实现光伏发电系统的最大功率点跟踪（MPPT）。2.3. 静止同步补偿器STATCOM由电压源DC/AC转换器建立它通过在公共耦合点产生或吸收无功功率来提供电压支持，而无需大型外部或电容器组[16]。在STATCOM输出端，在具有受控幅度和相位角的电源频率下获得平衡的三相电压。在该实施例中，AC系统与稳态中的设备之间的功率变化通常是无功的。通过控制Transformer输出电压的幅值和相位角来控制交流系统和STATCOM之间的无功功率变化。 为此，交流输出电压的幅度和频率逆变器在STATCOM电路中的位置必须设置。如果STATCOM的输出电压幅度超过交流系统电压（Vstatcom>Vac），电流方向是从STATCOM通过Transformer电抗流向交流系统，装置向输电线路提供无功功率在STATCOM输出电压大于输电线电压的情况下，装置以电容模式操作。电容器用于提供逆变器所需的直流电压。根据逆变器输出电压与交 流 系 统 电 压 之 间的 相 位 差 ， 对 电 容 器 进 行 充 电 或 放电 。 忽 略Transformer电阻后，从AC系统流向STATCOM的有功功率可在等式中找到。（7）[17];P¼VacVstatcomsina;如果a> 0，则逆变器输出电压与系统电压同相。由于P> 0，电容器被充电。如果是0，电容器由于P0而放电.从STATCOM到AC系统或从AC系统到STATCOM的无功功率流可以通过方程计算。（八）、STATCOM以电容或电感模式运行，用于电网限制下系统中的无功功率补偿，以防止传输损耗。STATCOM的控制由逆变器的电力电子开关元件（IGBT）提供，并采用PWM控制技术。如图3所示，系统直接连接到反应器。在图4中，给出了属于STATCOM的控制电路，并且AC电压（Vbus）、DC电压（Vdc）、有功和无功电流分量（IdIq）被调节，并且使用Park和Clarke空间矢量变换的三相信号（Va、Vb、Vc）被转换成旋转轴分量Vd和Vq。采用PI控制器和基于PI的STATCOM控制电路，在MatLab/Simulink中对锁相环进行建模。表1列出了STATCOM中采用的参数。在Simulink如图5所示。使用25 kV 100 MVA的配电系统，并使用长度为21和2km的线路将电力传输到母线之间的连接负载。建立了风力发电机的数学模型，并进行了转子侧和电网侧控制。根据风速和最佳转矩产生量，采用间接最大功率点跟踪方法对0.4MW光伏发电系统进行了建模，并采用锁相环进行了同步控制。在公共耦合点（PCC）上增加STATCOM，以减小母线端电压对于无STATCOM的系统，首先测量母线末端的电流、电压、无功功率值。 额定值为3 MVAR 的STATCOM被并入同一PCC中用于电压调节。在具有STATCOM的混合动力系统中，在线路末端采用1 MVA和5.2 MVA之间的可变STATCOM系统编程为1.077 p.u.为了将参考电压保持在1p.u。在这项研究中，时域判据被用来评估PI控制器在STATCOM的控制电路的电压稳定。在控制系统中，如果控制器整定常数的值不合适，系统因此，控制器参数的最佳调整和调谐常数的适当选择在这种控制的优越性能中具有重要作用。最常见的性能标准是积分时间绝对误差（ITAE）。积分绝对误差（IAE）和积分平方误差（ISE）准则的缺点是，虽然最小-Q¼V交流VSTATCOMcosa-Vac2X;2008年最小化过程相对较低，瞬态响应差。这个缺点通过使用ITAE或积分时间平方误差（ITSE）来解决[20]。在这项研究中，ITAE性能标准其中Vac是交流系统电压，Vstatcom是逆变器输出电压，X是变压器的等效电抗，a是电压之间的相位差。在STATCOM中，电压Vdc保持恒定，逆变器的AC输出电压的幅值通过改变调制指数（ma）来计算。调制指数通常在0m- 1之间。如果ma= 0.75，则没有功率交换（Vac=Vstatcom）。在情况ma= 0.65; STATCOM处于感应模式（Vac>Vstatcom）。在ma= 0.85的情况下，STATCOM处于电容模式（Vstatcom>Vac）。STATCOM 中的逆变器输出电压可按公式计算（9）和（10）。p3作为优化的目标函数。2.4. 遗传算法遗传编程通过应用三个步骤来解决问题：步骤1。识别适应度函数。步骤2.遗传编码（Genetic Coding）步骤3.选择初始种群为随机个体。重复进行，直到足够好VStatcom ¼Vef2;100Vef¼Vdcma;±10mA根据等式在（9）和（10）中，通过保持直流电压恒定并改变ma值来调节STATCOM的输出电压图3.第三章。STATCOM的等效电路580H. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576表1STATCOM模型的系统参数。参数数值电网线电压25 kV等效电阻0.0012O等效电感1.2 mH并联电容1600m F电容器电压2400 V系统频率60 Hz见图4。 STATCOM控制电路[19]。找到解，并计算群体中所有个体的适应度函数。选择最好的个体用于新一代，并使用交叉和变异来创建新一代。新一代（染色体）被添加到以ITAE为目标函数，应用遗传算法和BFA等优化技术对STATCOM的增益参数Kp和Ki进行了优化。图6中的流程图示出了用于基于GA优化STATCOM的Kp和Ki图五、包括STATCOM的太阳能-风能混合系统H. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576581见图7。 使用BFA的STATCOM调谐流程图。这里，作为积分上限的T通常被确定为大于积分趋于稳态值的稳定时间。STATCOM的控制电路中的误差之和在等式（12）被认为是目标函数。的XwZTeTDtZTeTDtZT. e. TD tZTeTD t见图6。 使用遗传算法进行STATCOM整定的流程图。ð Þ ¼0jacjð Þþ0jdcjð Þþ0iq电子游戏0jidjð Þð12Þ2.5. BFA方法细菌大肠杆菌是基于一个控制系统，允许寻找食物，并试图逃避有害物质。细菌的运动可以分为四个步骤：第一步。通过鞭毛游动和翻滚（Ns）：细菌根据营养浓度游动Ns或更少的步骤。每个鞭毛相对独立地运行，并且翻滚模式指定将来游泳的方向是否改变步骤2.一个趋化步骤（Nc）给出了m游泳步骤，然后是翻滚。Ned是消除和分散步骤的数量。生成表示翻滚的具有delta（n，i）方向的随机确定的长度向量。i是细菌数量最大这一步是必要的，以确定运动方向后，翻滚。每个细菌的位置被指示，并且滚动后给出新的细菌位置。步骤3.在Nc趋化步骤之后，(k)的数目，并且育种步骤的数目被称为Nre。大多数不健康的细菌死亡，然后最健康的细菌被分成两个细菌，每个细菌被放置在同一区域。步骤4.当局部温度显著升高时，在高营养的地方杀死一群细菌，就会发生消除。它还具有帮助趋化性的作用，因为它可以将分散的细菌放置在丰富的食物来源附近。图7中的流程图示出了使用STATCOM的BFA来优化Kp和Ki增益2.6. 目标函数本文采用ITAE作为目标函数，用J作为优化准则ITAE函数如等式所示。（十一）、其中，X= [Kp1 Ki1 Kp2 Ki2 Kp3 Ki3 Kp4 Ki4]，w表示加权因子。当量（12）用于调节直流电压控制器、交流电压控制器、电流控制器（Id，I q），并用于优化，STATCOM的控制电路如图所示配置。 8.第八条。在Simulink中根据ITAE公式计算总误差值，并根据ITAE公式进行优化编写了与m-函数代码文件兼容的GA和BFA代码，并在正确的约束、乘法、变异和种群大小值下进行了良好的优化。在MatLab中编写m函数文件，优化8个变量，在8维搜索空间中进行优化，并根据一定的上下限确定Kp和Ki值3. 模拟结果和讨论根据太阳能光伏和风力发电厂与电网的连接，配电网对电能质量的影响会增加[4]。这些由可再生能源引起的电能质量问题通常是缓慢的电压变化、电压崩溃、快速的电压变化、谐波和频率不平衡。在采用太阳能光伏和风力发电系统的网络中最引人注目的问题之一是电压波动。STATCOM的控制方案使电压波动最小化3.1. STATCOM用于功率因数补偿的仿真结果当测试系统时，电压源的幅度增加0.2 s，如图9（a）所示。感应模式下减少的参考电流JZT误差TD t并且电容模式的增加在图9（b）中示出。STATCOM11ITAE¼0杰什基ð Þ ð Þ通过吸收+2.7 MVAR的无功补偿该电压动力.582H. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576-图8. 用于ITAE的STATCOM控制电路。电压源的幅度在0.3 s时减小，STAT- COM产生无功功率，同时通过将无功功率从+2.7变为2.7 MVAR如图9（c）所示。如图9（d）所示，直流电压试图保持恒定，调制指数参见图9（e）。STATCOM从0.2 s（ma= 0.65）开始在感性模式下运行，而在0.3 s时在容性模式下运行（ma= 0.85），其中产生无功功率。模拟进行了0.5秒的时间段。3.2. 基于STATCOM的风光互补系统无功补偿仿真研究混合微电网系统首先在没有STAT-COM并入的情况下运行，并且可以在图10（a）中反映出，母线端电压值增加到1.08 p.u。在0.2 s，下降至0.92 p.u.。在0.3s.可以清楚地看到±10%之间的电压波动在并联STATCOM的混合系统中，电压保持恒定在1.0 p.u. 在图中的所有点。 10（b），波动在0.2和0.4 s之间。与传统PI控制器相比，降低了8%优化的结果是图1中母线末端的电压分布。 10（b）.图如图10（b）所示，ITAE性能标准的曲线图显示PI控制器具有最高的过冲并且在某些点处达到峰值，GA的电压曲线达到lp.u.在0.05s处，并且具有较低的过冲，并且电压波动被最小化。当施加BFA时，电压分布达到1 p.u.在0.02s时，它具有最低的过冲，并且为1p.u.。在所有的点。基于遗传算法的PI控制器使在三种方法的结果中，可以在电压波动和调整作为电压响应的系统参数的方法方面进行比较。优化算法运行多次，所选的最佳值列于表2中。结果表明，控制器参数的优化调整和整定常数的合理选择对控制性能有着重要的作用4. 结论在这项研究中，2兆瓦的风力发电感应发电机为基础的风力发电系统和0.4兆瓦的太阳能发电系统对电网的影响对于这种混合系统，已经指出STATCOM提供无功功率补偿。设计了一种太阳能光伏-风能混合发电系统，并对系统输出电压进行了分析。结合STATCOM研究了系统在容性和无功两种运行状态下的电压分布。在此基础上，指出可使大规模输电系统的功率不稳定性最小化，并减小可再生能源对系统的影响H. Bakir，A.A.Kulaksiz/工程科学与技术，国际期刊23（2020）576583（（（（（b）第（1）款见图10。(a)（b）对于常规PI控制器、GA优化控制器、具有STATCOM的BFA优化控制器（p.u.）表2针对ITAE优化的STATCOM控制器增益常数（c）第（1）款ITAEAC调节器DC调节器ID电流调节器IQ电流调节器PI常数GA结果Kp1Ki10.3747Kp2Ki20.0114Kp3Ki30.9748Kp4Ki40.042920.56940.80510.30430.7021BFA结果0.86620.23930.26390.43080.67520.02850.74860.9502仿真结果表明，采用遗传算法和BFA整定STATCOM的有效性得到了提高。通过获得PI控制器增益的最佳值，由于无功功率的变化而发生的电压浪涌在未来的研究中，可以使用不同的优化技术和不同的FACTS设备来比较和确定更有效的方法。引用（e）见图9。(a)STATCOM输出电压曲线（b）由STATCOM产生或吸收的有功和无功功率的无功电流分量（c）（d）DC链路电压（e）调制指数波形。[1] F.H. Gandoman，A. Ahmadi，A.M. Sharaf，P. Siano，J. Pou，B. V.G. HredzakAgelyoung，回顾FACTS技术和应用于可再生能源系统的智能电网的电能质量，更新。坚持住。Energy Rev. 82（2018）502https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.062[2] A. Mohanty，M. Viswavandya，D.K.米什拉峰雷，S。Pragyan，增强稳定性的基于PV的微电网的建模仿真，EnergyProc.（2017）94https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.060[3] H. Liao，S. Abdelrahman，J.V. Milanovic' ，使用FACTS设备在可再生能源发电网络中提供差异化供电质量的区域性电能质量缓解，IEEE Trans.Power Deliv。23（2017）1975https://doi.org/10.1109/TPWRD.2016.2585882584H. 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