CN113411006A - 一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法 - Google Patents
一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,S1:初始化鲸鱼种群;S2:计算种群中每条鲸鱼的适应度值,选取并记录种群中适应度值最佳的鲸鱼的位置和它对应的全局最优适应值;S3:位置更新过程中模拟鲸鱼的捕食行为;S4:计算位置更新完后进行越界处理,计算每条鲸鱼的适应值,更新最优鲸鱼位置和全局最优适应值;S5:当达到终止条件,输出全局最优解;S6:根据S5求得的最优结果,把它对应的维度数据代入并网模式下的储能双向变流器的控制器中。本发明将该算法整定出的参数代入PI控制器中,变流器可以实现能量双向流动;能成功滤除高次谐波,电压电流纹波符合要求;充放电切换迅速且不会带来电压和电流的大波动。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域,具体涉及一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法。
背景技术
储能双向变流器作为微电网中连接电网和储能装置的重要桥梁,运行于并网模式时,在电网电能充裕时将部分电能通过降压整流后向储能电池充电,在电能出现缺口时,将电池内的电能进行逆变升压供给给电网及其负荷。储能双向变流器通过在适当时机切换工作状态实现了电能的合理管理,实现了电能的双向流动,削峰填谷,解决了新能源间歇性的问题,提高了电网的能源利用率从而提高电能的利用率。对于储能双向变流器来说,其控制环节是直接影响电能质量输出好坏的重要组成部分,其控制参数对控制性能起着决定性作用,最优参数的选取可以输出较好的电压、电流波形。
发明内容
为得到最优的控制器整定参数,本发明公开了一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,引进鲸鱼算法(WOA)对并网模式下的储能双向变流器充放电的过程进行控制,本发明利用该算法需要调节的参数少、鲁棒性强、求解精度高、收敛速度快等优点,应用于储能双向变流器控制系统的电流内环控制参数整定中。将该算法整定出的参数代入PI控制器中,变流器可以实现能量双向流动,即整流和逆变能够随时切换;能成功滤除高次谐波,电压电流纹波符合要求;充放电切换迅速且不会带来电压和电流的大波动,因此引进鲸鱼算法对并网模式下储能双向变流器充放电的控制具有重大意义。
本发明具体采用以下技术方案:
一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,包括以下步骤:
S1:初始化鲸鱼种群,设置鲸鱼优化算法的种群规模为N,维度为D,最大迭代次数为maxiter,根据搜索空间每一维的上界和下界,随机生成鲸鱼种群位置;
S3:位置更新过程中模拟鲸鱼的捕食行为,鲸鱼种群主要有两个捕食机制(包围捕食,气泡捕食),三个捕食策略(随机搜寻策略、包围策略以及螺旋吐气泡策略)。其中随机搜寻策略和包围策略一起包含在包围捕食机制中。通过更新产生收敛因子A,然后根据收敛因子A和生成的随机数p来进行鲸鱼群的位置更新;
S4:包围捕食机制:当随机数p<0.5,在此阶段,鲸鱼会采取包围策略或者随机搜寻策略进行捕食,即它们会选择向着最优(猎物)的鲸鱼游动或者向着一条随机鲸鱼游动。鲸鱼选择包围策略还是随机搜寻策略取决于参数A的值,当|A|≤1时,鲸鱼选择包围策略进行捕食;当|A|>1时,鲸鱼选择随机搜寻策略进行捕食。整个包围捕食阶段第i条鲸鱼位置更新公式如下:
式中:分别为第t次迭代中第i条鲸鱼的位置向量和最优鲸鱼的位置向量,为第t次迭代中随机的一条鲸鱼的位置向量,常数A是收敛因子,为均匀分布在[-a,a]之间的随机数,a随着迭代次数的增加从2线性递减到0,常数C是摇摆因子,为均匀分布在[0,2]之间的随机数,部分表示该鲸鱼与最优位置鲸鱼之间的距离;
S5:气泡捕食机制:当随机数p≥0.5,此阶段中,鲸鱼采用螺旋吐气泡形成气泡网进行捕食,鲸鱼位置更新公式如下:
S6:计算位置更新完后进行越界处理,计算每条鲸鱼的适应值,更新最优鲸鱼位置和全局最优适应值;
S7:判断目前迭代次数t是否大于最大迭代次数maxiter,是则退出循环,否则转至S3继续迭代;
S9:根据S8求得的最优结果,即鲸鱼位置,再分别把它对应的维度数据代入并网模式下的储能双向变流器的控制器中。
进一步的方案是,S1中所述初始化种群。由维度D初始化每一个鲸鱼的位置,储能双向变流器在并网模式下,控制系统中只有电流内环控制器,因此D为2维,鲸鱼位置的不同维度分别代表了Kp,Ki两个参数值。
进一步的方案是,S2中所述计算种群中所有鲸鱼的适应度值fitness,选取并记录种群中适应度值最佳的鲸鱼,并把它的位置设为当前鲸鱼群最佳位置。并网模式下,储能双向变流器的控制器每次迭代都会再次更新最佳鲸鱼位置,即每一次迭代都有唯一确定的Kp,Ki两个参数值,由此建立的目标函数为:
式中:a,b为加权系数,a为0.1,b为0.9。
进一步的方案是,S9中挑出历次迭代次数中适应度最优的鲸鱼位置,代入控制器参数中。具体步骤为:并网模式下,储能双向变流器采用恒功率控制。且恒功率控制由电流环单环组成,电流环由电感电流取值,将三相电流通过abc-dq变换获得有功电流分量id和无功电流分量iq,再与给定值id*和iq*做差,该差值和电流谐波的THD值通过鲸鱼算法的最优目标函数值的鲸鱼位置对应的维度分别输入到PI控制器中,结果再通过dq-abc变换作为调制波接入SVPWM装置,经SVPWM调制生成三相桥的导通信号,形成闭环控制,使输出功率稳定即输出电流稳定。
本发明的有益效果:
通过本发明引进鲸鱼算法对并网模式下储能双向变流器充放电的过程进行控制,由于鲸鱼优化算法需调节参数少、鲁棒性强、求解精度高,收敛速度快等优点,应用于储能双向变流器的电流控制参数整定中。其算法的收敛速度快,简单易理解,可以普遍应用于函数优化问题,具有广阔的应用前景。并且将该算法整定出的参数代入电流环的PI控制器中,变流器输出波形能快速跟踪指令值,谐波含量很小,整个控制系统较为稳定。
附图说明
图1为鲸鱼算法在储能双向变流器控制参数整定的流程图;
图2为并网模式下储能双向变流器主电路拓扑图;
图3为并网模式下适应值的迭代过程;
图4为双向变流器充电到放电过程中电网侧一相电压电流波形图;
图5为并网模式下电池充电到放电直流侧电流波形图;
图6为双向变流器放电到充电过程中电网侧一相电压电流波形图;
图7为并网模式下电池放电到充电直流侧电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图,对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-7所示,本发明公开了一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,包括以下步骤:
S1:初始化鲸鱼种群,设置鲸鱼优化算法的种群规模为N,维度为D,最大迭代次数为maxiter,根据搜索空间每一维的上界和下界,随机生成鲸鱼种群位置;
S3:位置更新过程中模拟鲸鱼的捕食行为,鲸鱼种群主要有两个捕食机制(包围捕食,气泡捕食),三个捕食策略(随机搜寻策略、包围策略以及螺旋吐气泡策略)。其中随机搜寻策略和包围策略一起包含在包围捕食机制中。通过更新产生收敛因子A,然后根据收敛因子A和生成的随机数p来进行鲸鱼群的位置更新;
S4:包围捕食机制:当随机数p<0.5,在此阶段,鲸鱼会采取包围策略或者随机搜寻策略进行捕食,即它们会选择向着最优(猎物)的鲸鱼游动或者向着一条随机鲸鱼游动。鲸鱼选择包围策略还是随机搜寻策略取决于参数A的值,当|A|≤1时,鲸鱼选择包围策略进行捕食;当|A|>1时,鲸鱼选择随机搜寻策略进行捕食。整个包围捕食阶段第i条鲸鱼位置更新公式如下:
式中:分别为第t次迭代中第i条鲸鱼的位置向量和最优鲸鱼的位置向量,为第t次迭代中随机的一条鲸鱼的位置向量,常数A是收敛因子,为均匀分布在[-a,a]之间的随机数,a随着迭代次数的增加从2线性递减到0,常数C是摇摆因子,为均匀分布在[0,2]之间的随机数,部分表示该鲸鱼与最优位置鲸鱼之间的距离;
S5:气泡捕食机制:当随机数p≥0.5,此阶段中,鲸鱼采用螺旋吐气泡形成气泡网进行捕食,鲸鱼位置更新公式如下:
S6:计算位置更新完后进行越界处理,计算每条鲸鱼的适应值,更新最优鲸鱼位置和全局最优适应值;
S7:判断目前迭代次数t是否大于最大迭代次数maxiter,是则退出循环,否则转至S3继续迭代;
S9:根据S8求得的最优结果,即鲸鱼位置,再分别把它对应的维度数据代入并网模式下的储能双向变流器的控制器中。
在本实例中,S1中所述初始化种群。由维度D初始化每一个鲸鱼的位置,储能双向变流器在并网模式下,控制系统中只有电流内环控制器,因此D为2维,鲸鱼位置的不同维度分别代表了Kp,Ki两个参数值。
在本实例中,S2中所述计算种群中所有鲸鱼的适应度值fitness,选取并记录种群中适应度值最佳的鲸鱼,并把它的位置设为当前鲸鱼群最佳位置。并网模式下,储能双向变流器的控制器每次迭代都会再次更新最佳鲸鱼位置,即每一次迭代都有唯一确定的Kp,Ki两个参数值,由此建立的目标函数为:
式中:a,b为加权系数,a为0.1,b为0.9。
在本实例中,S9中挑出历次迭代次数中适应度最优的鲸鱼位置,代入控制器参数中。具体步骤为:并网模式下,储能双向变流器采用恒功率控制。且恒功率控制由电流环单环组成,电流环由电感电流取值,将三相电流通过abc-dq变换获得有功电流分量id和无功电流分量iq,再与给定值id*和iq*做差,该差值和电流谐波的THD值通过鲸鱼算法的最优目标函数值的鲸鱼位置对应的维度分别输入到PI控制器中,结果再通过dq-abc变换作为调制波接入SVPWM装置,经SVPWM调制生成三相桥的导通信号,形成闭环控制,使输出功率稳定即输出电流稳定。
在本实例中,迭代次数最大值T=20;种群数N=20;PID控制器参数范围:Kp∈[0,20],Ki∈[0,2000];直流电压Udc=700v;交流侧电压有效值U=220v;开关频率fs=10KHz。
采用本发明对并网模式下储能双向变流器的控制器参数进行整定,通过图3可以看出,在利用鲸鱼算法寻优迭代过程中,目标函数的值随迭代次数不断减小,最终收敛。通过图4和图6可以看出,电网侧开始工作后在两个周期后便进入稳定运行,在充放电切换时,电压电流波形没有大波动,输出波形几乎没有谐波,为稳定的正弦波,电能质量较高,符合并网运行的要求。通过图5和图7可以看出,储能双向变流器能是实现能量双向流动,工作状态切换迅速,产生的冲击也较小。
最后说明的是,以上仅对本发明具体实施例进行详细描述说明。但本发明并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此,在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改,都涵盖在本发明范围内。
Claims (4)
1.一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:初始化鲸鱼种群,设置鲸鱼优化算法的种群规模为N,维度为D,最大迭代次数为maxiter,根据搜索空间每一维的上界和下界,随机生成鲸鱼种群位置;
S3:位置更新过程中模拟鲸鱼的捕食行为,鲸鱼种群主要有两个捕食机制:包围捕食、气泡捕食,三个捕食策略:随机搜寻策略、包围策略以及螺旋吐气泡策略;其中随机搜寻策略和包围策略一起包含在包围捕食机制中,通过更新产生收敛因子A,然后根据收敛因子A和生成的随机数p来进行鲸鱼群的位置更新;
S4:包围捕食机制:当随机数p<0.5,在此阶段,鲸鱼会采取包围策略或者随机搜寻策略进行捕食,即它们会选择向着最优的鲸鱼游动或者向着一条随机鲸鱼游动;鲸鱼选择包围策略还是随机搜寻策略取决于参数A的值,当|A|≤1时,鲸鱼选择包围策略进行捕食;当|A|>1时,鲸鱼选择随机搜寻策略进行捕食;整个包围捕食阶段第i条鲸鱼位置更新公式如下:
式中:分别为第t次迭代中第i条鲸鱼的位置向量和最优鲸鱼的位置向量,为第t次迭代中随机的一条鲸鱼的位置向量,常数A是收敛因子,为均匀分布在[-a,a]之间的随机数,a随着迭代次数的增加从2线性递减到0,常数C是摇摆因子,为均匀分布在[0,2]之间的随机数,部分表示该鲸鱼与最优位置鲸鱼之间的距离;
S5:气泡捕食机制:当随机数p≥0.5,此阶段中,鲸鱼采用螺旋吐气泡形成气泡网进行捕食,鲸鱼位置更新公式如下:
S6:计算位置更新完后进行越界处理,计算每条鲸鱼的适应值,更新最优鲸鱼位置和全局最优适应值;
S7:判断目前迭代次数t是否大于最大迭代次数maxiter,是则退出循环,否则转至S3继续迭代;
S9:根据S8求得的最优结果,即鲸鱼位置,再分别把它对应的维度数据代入并网模式下的储能双向变流器的控制器中。
2.根据权利要求1所述的一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,其特征在于:
S1中所述初始化种群,由维度D初始化每一个鲸鱼的位置,储能双向变流器在并网模式下,控制系统中只有电流内环控制器,因此D为2维,鲸鱼位置的不同维度分别代表了Kp,Ki两个参数值。
4.根据权利要求1所述的一种基于鲸鱼算法的并网模式下储能双向变流器充放电控制方法,其特征在于:
S9中挑出历次迭代次数中适应度最优的鲸鱼位置,代入控制器参数中;具体步骤为:并网模式下,储能双向变流器采用恒功率控制,且恒功率控制由电流环单环组成,电流环由电感电流取值,将三相电流通过abc-dq变换获得有功电流分量id和无功电流分量iq,再与给定值id*和iq*做差,该差值和电流谐波的THD值通过鲸鱼算法的最优目标函数值的鲸鱼位置对应的维度分别输入到PI控制器中,结果再通过dq-abc变换作为调制波接入SVPWM装置,经SVPWM调制生成三相桥的导通信号,形成闭环控制,使输出功率稳定即输出电流稳定。
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GR01 | Patent grant | ||
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