周 倩，周正煉（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局，云南瑞麗678600）

淺談基于遺傳算法的分布式發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化控制策略

周 倩，周正煉（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局，云南瑞麗678600）

分布式發(fā)電是一種新型的綜合發(fā)電方式，具有廣闊的發(fā)展前景，對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化控制可以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低電能損耗。在配電網(wǎng)優(yōu)化過(guò)程中，不僅要保證電壓的穩(wěn)定，合理控制無(wú)功功率，而且還要考慮經(jīng)濟(jì)性能，將有功損耗降到最低。為了達(dá)到上述目的，本文將以遺傳算法為依托，闡述分布式發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化控制策略，希望為降低有功損耗提高電壓質(zhì)量提供參考。

遺傳算法；分布式發(fā)電；無(wú)功優(yōu)化；策略

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）是一種直接接入配電網(wǎng)或用戶端的發(fā)電方式，發(fā)電功率一般不超過(guò)幾十兆瓦。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，分布式發(fā)電具有投資少、收效快、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可以有效減少或避免集中供電下的斷電損失，因此逐漸受到廣泛重視，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家率先對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究并取得了突破性的進(jìn)展。分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的規(guī)劃、網(wǎng)損、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)等方面都具有深刻的影響，鑒于此，相關(guān)部門(mén)提出了兩種無(wú)功控制方法：二級(jí)電壓控制和無(wú)功優(yōu)化控制，本文將從無(wú)功優(yōu)化控制的角度入手，對(duì)無(wú)功優(yōu)化遺傳算法進(jìn)行深入分析，總結(jié)可行性無(wú)功優(yōu)化控制策略。

1 遺傳算法簡(jiǎn)介與操作流程

遺傳算法（Genetic Algorithm）由美國(guó)的J.Holland于1975年首次提出，是一種基于自然界優(yōu)勝劣汰進(jìn)化機(jī)制的隨機(jī)搜索方法，該算法模型可以直接對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行操作，不受函數(shù)連續(xù)性的限制，而且內(nèi)穩(wěn)性和全局尋優(yōu)能力都較為突出，在搜索過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整搜索方向[1]。遺傳算法的種種特點(diǎn)是其被廣泛的應(yīng)用于組合優(yōu)化、信號(hào)處理、人工生命等諸多領(lǐng)域，可以說(shuō)，遺傳算法是現(xiàn)代智能計(jì)算的關(guān)鍵和核心技術(shù)。從遺傳算法的概念可以看出，其操作過(guò)程是以生物基因遺傳為基礎(chǔ)的，初始群體中的每個(gè)個(gè)體都參與搜索過(guò)程，進(jìn)而完成優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過(guò)程。遺傳算法的三個(gè)基本操作是選擇、交叉和變異，通過(guò)這三個(gè)步驟的有序銜接和周期性演變可以產(chǎn)生新的種群?；谶z傳算法的無(wú)功優(yōu)化流程可以總結(jié)為以下步驟：錄入初始數(shù)據(jù)資料→通過(guò)編碼操作產(chǎn)生初始種群→解碼并進(jìn)行潮流計(jì)算→計(jì)算目標(biāo)函數(shù)適應(yīng)值→個(gè)體優(yōu)選和評(píng)價(jià)→選擇交叉和變異操作→遺傳操作的周期性演變以更新種群→得出結(jié)果[2]。

2 分布式發(fā)電與無(wú)功控制策略概述

分布式發(fā)電是電力行業(yè)第二次改革的重要產(chǎn)物，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式發(fā)電的概念界定并不明確，其他國(guó)家也稱(chēng)之為分散式發(fā)電、嵌入式發(fā)電、非集中式發(fā)電等。分布式發(fā)電將幾千瓦、幾十兆瓦的發(fā)電功率直接接入配電網(wǎng)或用戶附近的發(fā)電系統(tǒng)，這樣可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行供電分配。分布式發(fā)電系統(tǒng)不僅可以獨(dú)立運(yùn)行，而且可以與大型電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)相比，具有高效、優(yōu)質(zhì)、安全、投資小的特點(diǎn)[3]。從全球范圍來(lái)看，那些重視環(huán)境保護(hù)與能源高效利用的國(guó)家更傾向于發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)，而且在鼓勵(lì)政策上也更加明確，目前全球共安裝分布式發(fā)電裝置上百萬(wàn)臺(tái)，而且兆瓦級(jí)發(fā)電裝置的數(shù)量正在迅速遞增，我國(guó)作為能源使用大國(guó)，更應(yīng)當(dāng)大力推廣發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)，并以此來(lái)優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量。

分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的影響是方方面面的，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都十分顯著，但是接入分布式發(fā)電也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響[4]。①在配電網(wǎng)規(guī)劃方面，接入分布式發(fā)電后，配電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性就會(huì)提高，其負(fù)荷變化趨勢(shì)將難以預(yù)測(cè)，此外，如果分布式發(fā)電裝機(jī)容量安排不合理，就會(huì)直接造成電能損耗的增加，提高配電網(wǎng)運(yùn)行成本[5]。②在配電網(wǎng)潮流方面，在接入分布式發(fā)電之后，配電網(wǎng)的線路潮流分布就會(huì)發(fā)生改變，呈現(xiàn)出三種不同的分布形式。③在電能質(zhì)量方面，接入分布式發(fā)電可能會(huì)產(chǎn)生大量的諧波或出現(xiàn)電壓閃邊的情況，進(jìn)而影響電能質(zhì)量。

鑒于分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)的種種影響，需要對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格和并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行限制和規(guī)范，目前可供選擇的無(wú)功控制方法主要有二級(jí)電壓控制和無(wú)功優(yōu)化控制兩種。無(wú)功優(yōu)化控制的基礎(chǔ)是接入分布式發(fā)電的配電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在目標(biāo)函數(shù)、不等式約束等方面有著極大的相似，但是控制手段有所不同，因此可以借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)的優(yōu)化算法進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化控制[6]。傳統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化算法或多或少的都存在一定的局限性，近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的興起，禁忌算法、模擬退火算法、遺傳算法等基于人工智能理論的現(xiàn)代化優(yōu)化算法得到廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)算法相比，這些優(yōu)化算法不再單純依賴精密的數(shù)學(xué)模型，而且可以對(duì)自然活動(dòng)進(jìn)行有效類(lèi)比。

3 分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器與基于遺傳算法的無(wú)功優(yōu)化控制策略

本節(jié)將首先分析并網(wǎng)逆變器的解耦控制方法，同時(shí)以網(wǎng)損最小化為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化目的。

3.1 并網(wǎng)逆變器解耦控制

從圖1可以看出，并網(wǎng)逆變器的輸入與輸出端相連，經(jīng)過(guò)電感L并入電網(wǎng)，為了實(shí)現(xiàn)電壓定向目的，需要將q軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，那么可以總結(jié)出兩個(gè)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相關(guān)的數(shù)學(xué)模型：

式中：Em代表峰值下的電動(dòng)勢(shì)；id和iq分別代表交流電流的兩個(gè)軸分量；Vd和Vq分別代表交流電壓的兩個(gè)軸分量，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)分軸的電流即可實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)，從上式中還可以看出兩個(gè)分軸之間存在著相互耦合的關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)立無(wú)功調(diào)節(jié)，可以對(duì)d、q軸分量進(jìn)行解耦操作。借助Matiab軟件可以對(duì)上述并網(wǎng)逆變器解耦控制過(guò)程進(jìn)行仿真分析，從而得到特定功率下各個(gè)時(shí)刻的無(wú)功功率、電壓、電流的仿真波形[7]。仿真分析結(jié)果表明，上述算法基本可以實(shí)現(xiàn)逆變器的獨(dú)立無(wú)功控制，而且對(duì)電壓、電流、功率等的影響較小，可使波形迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 接入分布式發(fā)電配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化

通過(guò)上文的分析可以得知，通過(guò)改變無(wú)功功率即可調(diào)節(jié)逆變器的無(wú)功數(shù)值，由于分布式發(fā)電一般都具備類(lèi)似的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，因而可以據(jù)此來(lái)改善接入分布式發(fā)電的配電網(wǎng)的運(yùn)行能力，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化目的。在遺傳算法下，首先需要確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，然后再進(jìn)行一系列的優(yōu)化操作。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)損最小的目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)確立以下目標(biāo)函數(shù)：minF=Piass，同時(shí)確定約束條件，接入分布式發(fā)電的配電網(wǎng)，當(dāng)無(wú)功功率取較大數(shù)值時(shí)，并網(wǎng)逆變器的容量就會(huì)顯著增加，從經(jīng)濟(jì)成本的角度分析，就要將無(wú)功功率控制在一定的范圍內(nèi)以限制并網(wǎng)逆變器容量。如果無(wú)功補(bǔ)償容量的最小值為Qmin，最大值為Qmax，那么給定無(wú)功功率下的狀態(tài)變量應(yīng)當(dāng)滿足Qmin＜Qq＜Qmax。

分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化涉及多個(gè)變量，而且控制變量和狀態(tài)變量之間多呈非線性關(guān)系，因此，在確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件之后，要嚴(yán)格按照遺傳算法的操作流程進(jìn)行優(yōu)化分析，即按照初始潮流解→編碼→選擇、交叉、變異→重組優(yōu)化的流程進(jìn)行。在選擇操作中需要確定每個(gè)個(gè)體x的被選擇幾率F（x），如果用f（x）代表個(gè)體x的適應(yīng)度，那么f（x）的值越高，其被選中的幾率也就越大，即F（x）越大[8]。在交叉操作中需要確定個(gè)體x的變異點(diǎn)基因座，并按照一定的概率對(duì)其進(jìn)行改造從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體變異目的。

3.3 遺傳算法仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于遺傳算法的分布式發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化控制策略的可行性，下面以某個(gè)接入分布式發(fā)電的配電網(wǎng)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)，在參數(shù)設(shè)置上，初始種群的規(guī)模擬定為30個(gè)，迭代次數(shù)限于100，變異概率為0.001。該配電網(wǎng)共計(jì)有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電阻和電抗分別用Ri、Xi表示，配電網(wǎng)母線電壓為1.00V，接入分布式發(fā)電的節(jié)點(diǎn)序號(hào)分別為6、9、12、14、16，每一個(gè)分布式發(fā)電的無(wú)功容量均為1Mvar，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化之后，可以計(jì)算得出整個(gè)配電網(wǎng)的初始有功網(wǎng)絡(luò)與下降幅度。節(jié)點(diǎn)6、9、12、14、16優(yōu)化前的無(wú)功容量均為0，優(yōu)化之后的無(wú)功容量分別為0.92Mvar、0.91Mvar、0.93Mvar、0.95Mvar、0.96Mvar。由此可以得知每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓均被控制在約束范圍之后，表明了遺傳算法的有效性。

從上述遺傳算法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該優(yōu)化算法的可行性較高，對(duì)于減少網(wǎng)損提高電能質(zhì)量具有積極作用，而且借助并網(wǎng)逆變器的解耦操作可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立無(wú)功調(diào)節(jié)，從而充分利用各個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償容量，改善電網(wǎng)運(yùn)行效果。在遺傳算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行分布式發(fā)電無(wú)功優(yōu)化控制，需要以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)還要確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的約束，這樣可以保證優(yōu)化算法的收斂性。

4 結(jié)語(yǔ)

分布式發(fā)電作為一種新型的發(fā)電方式具有廣闊的發(fā)展前景，雖然分布式發(fā)電具有優(yōu)勢(shì)眾多，但是仍然需要注意其對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃、網(wǎng)損、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)等方面的影響，同時(shí)采用無(wú)功控制方法對(duì)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行規(guī)范。本文采用遺傳算法對(duì)分布式電網(wǎng)進(jìn)行了無(wú)功優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該優(yōu)化算法可行性較高，對(duì)降低網(wǎng)損提高電能質(zhì)量具有積極作用。

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TM761

A

2095-2066（2016）05-0049-02

2016-2-1

周 倩（1988-），女，漢族，助理工程師，本科，主要從事電網(wǎng)運(yùn)行策劃、檢修管理、風(fēng)險(xiǎn)分析、電網(wǎng)穩(wěn)定控制及電網(wǎng)潮流分析計(jì)算工作，通過(guò)分析計(jì)算合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式及檢修工作，提高供電可靠性，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

周正煉（1989-），男，漢族，助理工程師，本科，長(zhǎng)期從事瑞麗市電力無(wú)功的配置與優(yōu)化工作，熟悉設(shè)備及設(shè)施規(guī)劃原則、組網(wǎng)原則，電能質(zhì)量、供電電壓偏差等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)大量的電壓無(wú)功數(shù)據(jù)收集、分析，從技術(shù)合理性、運(yùn)行安全性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面提出提升電能質(zhì)量的具體措施，不斷提高電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量。