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        一種基于復(fù)合儲能的自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法研究

        2021-11-27 22:18:31林權(quán)何正東倉偉張磊葉海瑞
        機電信息 2021年28期
        關(guān)鍵詞:遺傳算法

        林權(quán) 何正東 倉偉 張磊 葉海瑞

        摘 要:微電網(wǎng)引入復(fù)合儲能可降低可再生能源功率波動給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來的影響,現(xiàn)以微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下的復(fù)合儲能為研究對象,建立以全壽命周期年均成本最低、可再生能源功率波動最小、并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率最大為目標的自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法,以實現(xiàn)復(fù)合儲能的多目標優(yōu)化配置。

        關(guān)鍵詞:遺傳算法;自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法;全局搜索能力;局部搜索能力

        0? ? 引言

        系統(tǒng)中接入儲能設(shè)備能夠解決可再生能源高比例接入帶來的波動性、間歇性和不確定性等問題,然而,單一儲能介質(zhì)很難滿足電網(wǎng)對儲能的多維度和多尺度要求。由磷酸鐵鋰電池和超級電容器組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System,HESS)兼具高能量密度和高功率密度特性,對其進行研究具有極其重要的意義。

        文獻[1]為能量型+功率型的復(fù)合儲能系統(tǒng)建立了優(yōu)化配置模型,然后基于模糊控制對不同儲能介質(zhì)進行功率分配,并基于布谷鳥搜索算法求解混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案,但所述模型只涉及了經(jīng)濟性指標。文獻[2]從微電網(wǎng)整體經(jīng)濟效益出發(fā),考慮到了不同運行目標和調(diào)度方案對全壽命周期的間接影響,提出了混合儲能系統(tǒng)的規(guī)劃運行一體化配置方法,但對建立模型的求解算法較簡單,收斂性差,優(yōu)化結(jié)果準確性較低。

        本文以微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下的復(fù)合儲能為研究對象,建立以全壽命周期年均成本最低、可再生能源功率波動最小、并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率最大為目標的自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法,以實現(xiàn)包含有多種儲能的多個目標的優(yōu)化配置。

        粒子群優(yōu)化算法[3-4](Particle Swarm Optimization,PSO)是近幾年發(fā)展起來的一種智能算法(Evolutionary Algorithm,EA)。相比于遺傳算法,PSO省去了交叉和遺傳操作,所以規(guī)則更為簡單,同時具有精度高、收斂快、易實現(xiàn)等優(yōu)點。

        1? ? 粒子群算法基本原理

        在一個D維的目標搜索空間中,由N個粒子組成一個種群,第i個粒子的位置Xi為一個D維向量,記作:

        Xi=[xi1,xi2,…,xiD],i=1,2,…,N? ? ? ? ? ? ? ? (1)

        同理,第i個粒子的速度Vi記作:

        Vi=[vi1,vi2,…,viD],i=1,2,…,N? ? ? ? ? ? ? ? (2)

        第i個粒子迄今搜索到的最優(yōu)位置稱為個體極值Pbesti,記作:

        Pbesti=[pi1,pi2,…,piD],i=1,2,…,N? ? ? ? ? ? (3)

        把Pbesti代入適應(yīng)度函數(shù)(優(yōu)化函數(shù))就可以得到對應(yīng)粒子的適應(yīng)度值Fiti,粒子的“好壞程度”就可以用適應(yīng)度值Fiti來作為評價標準。

        粒子群中所有粒子迄今搜索到的最優(yōu)位置Xg稱為群體(全局)極值Gbestg,記作:

        Gbestg=[pg1,pg2,…,pgD]? ?(4)

        式中:g為N個粒子中最優(yōu)粒子位置的索引。

        得到個體極值Pbesti和群體極值Gbestg后,根據(jù)式(5)和式(6)更新粒子的速度和位置。

        Vim+1=ω×Vim+c1r1(Pbestim-Xim)+c2r2(Gbestgm-Xim)? ? ? (5)

        Xim+1=Xim+Vim+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(6)

        算法涉及的參數(shù)有:種群規(guī)模N、迭代次數(shù)m、慣性權(quán)重ω、學(xué)習因子(加速常數(shù))c1和c2、[0,1]范圍內(nèi)的均勻隨機數(shù)r1和r2等。具體介紹如下:

        種群規(guī)模(粒子個數(shù))N:一般取20~100,當目標搜索空間維數(shù)D較大時可取100以上的較大數(shù)。N越大,算法搜索的空間范圍就越大,也就更容易發(fā)現(xiàn)全局最優(yōu)解,但算法運行時間越長,精度不一定越高。

        迭代次數(shù)m:一般取1 000~10 000,但解的精度不一定與迭代步數(shù)成正比,最大迭代次數(shù)記為M。

        慣性權(quán)重ω:慣性權(quán)重大,利于全局搜索;慣性權(quán)重小,利于局部搜索,一般取0.2~1.2。

        學(xué)習因子(加速常數(shù))c1和c2:c1決定局部搜索能力,c2決定全局搜索能力,一般取2左右的隨機值。

        粒子最大速度Vmax(Vmax為公式(5)的最大值):如果Vmax太大,粒子可能會錯過好解;如果Vmax太小,粒子就不能在局部好區(qū)間之外進行足夠的搜索而陷入局部最優(yōu)值。通常設(shè)定Vmax=k·Xmax,k取0.1~1,每一維都采用相同的設(shè)置方法。

        公式(5)右邊由三部分組成:(1)慣性部分,表示粒子維持先前速度的趨勢;(2)認知部分,表示粒子向個體歷史最佳位置逼近的趨勢;(3)社會部分,表示粒子向群體歷史最佳位置逼近的趨勢。如圖1所示,x表示粒子起始位置,v表示粒子“飛行”速度,P表示搜索到的粒子最優(yōu)位置。

        2? ? 基本粒子群算法求解流程

        基本粒子群算法流程如圖2所示。

        (1)初始化粒子群:在合理的初始化范圍內(nèi),隨機配置PSO算法基本參數(shù)。

        (2)計算所有粒子的適應(yīng)度值Fiti。

        (3)更新粒子個體極值,比較每個粒子的Fiti與個體極值Pbesti,如果Fiti

        (4)更新粒子群體極值,比較每個粒子的Fiti與群體極值Gbestg,如果Fiti

        (5)更新粒子的位置Xi和速度Vi。

        (6)若滿足結(jié)束條件,如誤差足夠好或到達最大迭代次數(shù)M則退出,否則轉(zhuǎn)步驟(1)。

        (7)輸出位置最優(yōu)解及群體極值。

        基本粒子群算法中的參數(shù)如慣性權(quán)重ω、學(xué)習因子c1和c2等在運算過程中為常數(shù),無法在每次迭代過程中根據(jù)上一代優(yōu)化結(jié)果進行調(diào)整,所以算法的運行效果并不理想。因此,可以從慣性權(quán)重和學(xué)習因子入手改進基本粒子群算法。慣性權(quán)重可以自動調(diào)整的粒子群算法有自適應(yīng)權(quán)重法、隨機權(quán)重法和線性遞減權(quán)重法粒子群算法。本文將采用自適應(yīng)權(quán)重改進粒子群算法進行復(fù)合儲能容量的多目標優(yōu)化配置研究。

        3? ? 自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法

        粒子適應(yīng)度值Fiti反映了粒子當前位置Xi的優(yōu)劣程度,而慣性權(quán)重ω與粒子適應(yīng)度值Fiti的尋優(yōu)過程密切相關(guān)。對于某些具有較高適應(yīng)度值的粒子Pi,在Pi的局部區(qū)域內(nèi)可能存在能夠更新群體最優(yōu)的點Px,因此為了迅速找到Px,應(yīng)該減小粒子Pi的慣性權(quán)重,以增強其局部尋優(yōu)能力。相反,對于適應(yīng)度值較低的粒子Pi,應(yīng)該增大慣性權(quán)重,增強群體搜索能力,以加快跳出當前局部區(qū)域。因此,為了平衡全局搜索能力和局部搜索能力,本文提出采用自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法(Adaptive Weight PSO,AWPSO)。

        引入非線性動態(tài)慣性權(quán)重系數(shù)構(gòu)成自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法,如公式(7)所示:

        ω=ωmin-, Fiti≤Fitavg,ωmax,? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Fiti>Fitavg? ? ? ? (7)

        式中:Fiti為粒子當前的適應(yīng)度值;Fitavg為所有粒子當前適應(yīng)度值的平均值;Fitmin為所有粒子當前適應(yīng)度值的最小值;ωmin為慣性權(quán)重最小值;ωmax為慣性權(quán)重最大值。

        從公式(7)可以看出,慣性權(quán)重隨著粒子適應(yīng)度值Fiti的改變而改變。當粒子適應(yīng)度值分散時,減小慣性權(quán)重;當粒子適應(yīng)度值聚集時,增加慣性權(quán)重。

        4? ? 算法求解過程

        基于復(fù)合儲能的自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法求解流程如圖3所示。

        (1)初始化粒子群算法基本參數(shù)。

        (2)讀取分布式電源、負荷等基本數(shù)據(jù)。

        (3)設(shè)定算法約束條件。

        (4)初始化儲能的容量和功率,計算適應(yīng)度函數(shù)值,確定初始最佳適應(yīng)度函數(shù)值。

        (5)按照自適應(yīng)權(quán)重法更新算法速度和位置。

        (6)儲能功率分配和SOC計算,并采取模糊規(guī)則修正充放電功率。

        (7)更新適應(yīng)度函數(shù)值。

        (8)更新群體最優(yōu)配置方案。

        (9)判斷是否達到最大迭代次數(shù)。如果判斷為否,則返回步驟(5);如果判斷為是,則輸出相關(guān)數(shù)據(jù)及圖形,同時計算結(jié)束。

        5? ? 結(jié)語

        本文介紹了粒子群算法的基本原理、設(shè)計流程以及改進粒子群算法,并通過自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法建立以全壽命周期年均成本最低、可再生能源功率波動最小、并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線利用率最大為目標的復(fù)合儲能優(yōu)化配置方案,為后續(xù)詳細設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

        [參考文獻]

        [1] 李建林,田立亭,來小康.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(23):15-25.

        [2] 孫玉樹,李星,唐西勝,等.應(yīng)用于微網(wǎng)的多類型儲能多級控制策略[J].高電壓技術(shù),2017,43(1):181-188.

        [3] 王明松.風-光-蓄-火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度策略[J].電網(wǎng)與清潔能源,2020,36(5):75-82.

        [4] 李笑彤,宋寶同,呂風波,等.基于負荷數(shù)據(jù)聚類的充電站儲能容量規(guī)劃方法[J].電網(wǎng)與清潔能源,2021,37(1):90-96.

        收稿日期:2021-08-02

        作者簡介:林權(quán)(1985—),男,江蘇淮安人,工程師,從事新能源項目運行維護管理有關(guān)工作。

        何正東(1968—),男,江蘇鹽城人,工程師,從事電氣自動化有關(guān)工作。

        倉偉(1989—),男,江蘇鹽城人,工程師,主要從事工礦企業(yè)電力調(diào)度自動化系統(tǒng)、新能源監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)工作。

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