基于模糊綜合評價的分布式電源調頻調壓能力的評價方法

劉一鴻， 魯寶春， 孫麗穎， 白 銳

（遼寧工業大學， 遼寧 錦州 121001）

0 引言

在微電網中由于控制策略的不同，分布式電源（Distributed Generation，DG） 既可以充當主控源，又可以充當從屬源[1]，[2]。 針對DG 的控制策略分為主從控制、對等控制和分層控制[3]，[4]。 傳統的主從控制策略中，主控源選取一個穩定的DG，使用V/f 控制為系統提供電壓和頻率參考， 其余的DG 作為從屬源，采用PQ 控制為系統提供功率輸出[5]，[6]。當微電網孤島運行時，若主控源出現故障，微電網將失去穩定性而不能正常運行[7]。 文獻[8]基于單主控源的主從控制策略的局限性，提出了一種多主控源的自適應主從控制策略，在微電網孤島模式下，均有良好的適用性。 文獻[9]考慮到傳統主從控制的優缺點，提出將兩個或兩個以上的DG 共同充當主控源。文獻[10]提出在傳統的主從控制策略中，設置輔助源，利用下垂控制的下垂特性，分擔主控源的壓力，進而提升微電網的調頻調壓能力。 文獻[11]針對光儲交流孤島微電網，提出一種結合下垂控制的改進型主從式光儲協調控制策略，并將儲能單元作為主控源，光伏源作為從屬源。 文獻[12]結合傳統主從控制與對等控制的優點， 提出將多個采用下垂控制的DG 作為主控源，其余DG 采用PQ 控制作為從屬源。

上述文獻將DG 劃分為主控源、 輔助源與從屬源， 對提升微電網的調頻調壓能力已取得良好的效果， 但在DG 的類別選擇和劃分上存在一定的隨機性。 現代綜合評價法[13]已經為DG 調控能力評價提供了有效途徑。 考慮到采用單一指標進行DG 排序的局限性和評價方法的復雜性， 選用多指標下的模糊綜合評價法來評價DG 的調頻調壓能力，其憑借結果清晰、系統性強的特點，能夠較好地解決模糊、 難以量化的DG 排序問題。 因此，本文針對孤島微電網，選定反映DG 調頻調壓能力的4 項指標， 基于模糊綜合評價法將多個DG 進行排序分類， 旨在更好地充分利用各個DG，為事先參與主輔從控制策略的DG 選取提供依據。

1 主輔從控制微電網

主輔從控制微電網與傳統的主從控制微電網相比，增設輔助源可以接續主控源，有效地保證微電網的可靠供電。 主輔從控制下的微電網示意圖如圖1 所示。 主控源是一個或多個DG，為微電網提供穩定的頻率和電壓，保證微電網穩定運行；輔助源是多個有一定調頻調壓能力的DG， 在微電網正常運行時，與從屬源一同為微電網提供功率，當主控源頻率電壓失穩時，接續主控源工作，保持微電網的頻率和電壓穩定；從屬源是普通的DG，為微電網提供足夠的輸出功率。

圖1 主輔從控制微電網示意圖Fig.1 Schematic diagram of master-auxiliary-slave control microgrid

2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種以模糊數學為基礎的綜合評價方法[14]。 該方法依據模糊數學的隸屬度理論，由定量評價解釋定性評價，即用模糊數學結合事物或對象的多種制約因素得出一個總體的評價。 具體步驟如下。

①確定被評價對象的指標集

指標集是影響評價對象的各種因素所組成的一個普通集合，即：

式中：U 為指標集；ui為第i 項指標。②確定評價者的評語集

評語集是評價者對評價對象可能做出的各種結果所組成的集合，即：

式中：V 為評語集；vi為第i 個評價結果。

評價等級根據具體評價內容的不同， 可以使用不同的評價語言進行描述。

③進行因素評判，建立模糊關系矩陣

首先從指標集U 中的ui出發，根據評語集V分別確定評判對象對vi的隸屬關系，然后將各個指標對應的單因素評判整合成多因素評判集，建立模糊關系矩陣。

式中：rij為ui對于vi的隸屬關系。

④確定評判因素權重向量

根據指標集對被評事物的隸屬關系， 確定評判時各因素的重要性分配權重，即：

式中：B 為模糊綜合評價集；bi為各個DG 的模糊綜合評價值。

⑥對bi進行排序比較，給出模糊綜合評價結果。

3 調頻調壓能力評價指標的確定與隸屬度的求取

根據DG 的特性和實際控制需求， 選定4 項指標對DG 進行綜合評價。從容量角度分析，根據裝機容量和備用容量設定容量特性指標； 從參與調頻調壓角度分析， 根據調頻能力和調壓能力設定能力指標。 同時，結合各指標的特點進行分析，選定適合各個指標的隸屬度。

3.1 容量特性指標

3.1.1 裝機容量及其隸屬度

裝機容量SDG為DG 確定的額定功率。 各個DG 的SDG大小代表著所提供的能量多少，因此可根據SDG定量分析DG 在微電網中的重要程度。SDG越大，所能提供的能量就越多。

式中：PN為DG 的額定有功功率；QN為DG 的額定無功功率。

以DG 中的最大SDG為基準， 將所有待評價DG 的SDG與其進行對比，得到隸屬度函數為

式中：SDGn為參與評價排序的各個DG 裝機容量。

3.1.2 備用容量及其隸屬度

備用容量SRC為DG 從裝機容量中預留出一部分用來平衡電力系統短時間內波動的容量。 SRC的大小反映該DG 的調頻調壓能力，故可根據SRC定量分析DG 在微電網中的重要程度。 SRC越大，代表所能調節的頻率和電壓范圍越廣。式中：SRCn為參與評價排序的各個DG 備用容量。

3.2 調頻調壓能力指標

3.2.1 調頻能力及其隸屬度

新能源通過保留有功備用并利用相應的有功控制系統，實現一次調頻功能[15]。在電網高頻擾動情況下，有功功率降至額定出力的10%時可以不再向下調節。 一次調頻下垂特性通過設定頻率與有功功率折線函數實現。 其計算式為式中：fd為一次調頻死區，49.95≤fd≤50.05 Hz；fN為系統的額定頻率；δ 為新能源的一次調頻調差率，建議值為2%～3%。

根據式（10）可以比較不同DG 在同等設定頻率下的有功功率大小， 進而比較各個DG 的調頻能力。 文獻[15]中規定最大負荷限幅設定不小于額定負荷的10%，且不得因一次調頻導致機組的停機（頻率太低）或脫網（頻率太高）。 當最大有功負荷限幅取10%時， 可以在49.85～49.95 Hz 和50.05～51.15 Hz 進行一次調頻，如圖2 所示。

圖2 DG 參與微電網一次調頻函數圖Fig.2 Graph of DG's participation in primary frequency regulation of microgrid

為了進行更好的篩選， 可以取最大負荷限幅的15%作為完全符合標準，這樣便于選出調頻能力更好的電源以及確定隸屬度函數。 在梯形隸屬函數基礎上，考慮式（10）特點，對隸屬度函數的范圍進行重新設定，得到新的一次調頻隸屬度函數。

3.2.2 調壓能力及其隸屬度

一次調壓下垂特性通過設定電壓與無功功率折線函數實現，如圖3 所示。

圖3 DG 參與微電網一次調壓函數圖Fig.3 Graph of DG's participation in primary voltage regulation of microgrid

根據實際中對電壓調整的規定， 定義調壓能力計算式為式中：Ud為一次調壓死區（0.98UN≤Ud≤1.02UN[16]）；UN為系統的額定電壓；η 為新能源的一次調壓調差率，建議值為3%～5%[17]。

根據上述計算式可以比較不同DG 在同等設定電壓下的無功功率大小， 進而比較各個DG 的調壓能力。為了進行更好的篩選，取最大無功負荷限幅的10%作為能夠調壓的最低標準，取15%作為完全符合標準， 這樣便于選出調壓能力更好的DG 以及確定隸屬度函數。 在梯形隸屬度函數的基礎上，考慮式（12）的特點，對隸屬度函數的范圍重新設定，得到新的一次調壓隸屬度函數。

4 多DG 參與調頻調壓能力的排序分類方法步驟

以多DG 參與調頻調壓能力為基礎， 結合模糊綜合評價方法對其排序進行分類， 具體步驟如下。

①確定調頻調壓能力的指標集、評價集

模糊綜合評價法要選擇多個指標進行評價，才能使其評價具有權威性。 本文通過選取裝機容量、備用容量、調頻能力和調壓能力共4 個指標對多DG 進行綜合評價。

通過對這4 個指標的選定， 能夠較明確的區分各個DG 參與調頻調壓的能力，便于將各個DG分配到合適的位置。

對評語集選取強、一般、弱3 個評語。

通過對3 個評語的選擇， 方便對DG 參與調頻調壓能力進行評估。

②計算各項指標對應的隸屬度， 建立對應的模糊關系矩陣

對4 項指標進行隸屬度的選取， 根據式（7），（9），（11）和式（13）對不同DG 的隸屬度進行計算，建立對應的模糊關系矩陣。

③確定模糊綜合評價的權重

權重確認方法有專家評價法、調查統計法、序列綜合法、公式法、頻數統計法、模糊層次分析法等[18]，[19]。 本文選用專家評價法對4 項指標進行評價，能夠較直觀地比較出4 項指標的差異，進而保證結果的準確性。 通過專家評價的權重A 為

④模糊綜合評價計算

通過計算出的模糊綜合評價集， 可以準確地得到對各個DG 參與調頻調壓能力的評價。

對評價集B 內的bi由大到小進行排序。

⑤對評價排序結果進行分類

根據式（7），（9），（11）和式（13）可知：

式中：μAmax（x），μBmax（x）為容量特性指標的隸屬度的最大值；μCmin（x），μDmin（x）為調頻調壓能力特性指標的隸屬度的最小值。

當DG 具有式（19）的隸屬度特性時，雖然具有足夠的裝機容量和備用容量， 但不具備調頻調壓能力，此類DG 只能充當從屬源。依此得到對應的模糊綜合評價值為

式中：RΔ為由式（19）的隸屬度構成的模糊關系向量；bΔ為RΔ的模糊綜合評價值。

結合式（19）和式（20），得出DG 分類判別依據。 當0＜bi≤bΔ時，DG 劃分為從屬源；當bΔ＜bi≤1-bΔ時，DG 劃分為輔助源；當1-bΔ＜bi≤1 時，DG劃分為主控源。

5 算例分析

為了驗證本文所提方法的可行性和合理性，采用東福山島的微電網項目相關數據作為參考[20]，對其進行綜合評價。根據其中的裝機容量設定和獨立供電系統的月度數據， 推算出各個DG的裝機容量、有功和無功初始值等，整理的參數如表1 所示。

表1 DG 的參數值Table 1 Parameter value of DG

通過表1 數據可知，如果根據單一因素指標，如SRC，對9 個DG 進行降序排序，可以得到矩陣C=[166.67 95.55 29.39 28.47 28.33 28.32 26.67 26.32 25.92]。 根據排序，DG9＞DG8＞DG3＞DG6＞DG2＞DG4＞DG1＞DG5＞DG7，因此可選DG9為主控源，DG2，DG3，DG4，DG6，DG8為 輔 助 源，DG1，DG5，DG7為 從屬源。 但該排序方式存在單一性，DG2，DG3，DG4，DG6，DG8雖然具有一定的備用容量， 但均沒有調頻調壓能力，卻也被選做輔助源，因此該方法具有局限性，不能準確地對各個DG 進行評價。

因此對表1 中的數據采用模糊綜合評價法。根據表1 數據計算調頻調壓能力的隸屬度， 見表2，從而建立模糊關系矩陣R。

表2 DG 的隸屬度Table 2 Membership degree of DG

根據專家評價確定A=[0.10，0.20，0.35，0.35]。 通過模糊綜合評價計算B：

將bi由大到小進行排序， 得到：DG9＞DG7＞DG5＞DG1＞DG8＞DG3＞DG6＞DG2＞DG4。

確定對應的模糊綜合評價值bΔ：

根據判別依據對排序結果進行分類， 由于僅有DG9評分大于0.7，所以作為9 個DG 中的主控源；DG1，DG8，DG3，DG6，DG2，DG4評分均小于0.3，劃分為從屬源；DG5，DG7評分為0.3～0.7， 劃分為輔助源。通過模糊綜合評價排序，可以根據排序結果進行更細致的分工，如DG7充當主輔助源，DG5充當替補輔助源等。 根據實際需要調整權重和指標范圍，以達到更好的評價排序分類。

6 結論

本文提出一種基于模糊綜合評價的DG 調頻調壓能力的排序分類方法。 通過定義的4 項DG調頻調壓能力指標，對多DG 進行排序分類，結合4 項指標建立針對多DG 調頻調壓能力的評價模型。 選用新的調頻調壓隸屬度函數對指標進行評判， 利用模糊綜合評價法對多DG 調頻調壓能力進行排序。根據權重和隸屬度設定的判別依據，將多DG 分為主控源、輔助源和從屬源。通過算例驗證了本文提出的排序分類方法的合理性和準確性，為參與主輔從控制策略的DG 選取提供依據。