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應用模糊類神經網路於微電網電壓穩定控制

摘要"

電壓穩定是微電網電力控制的重要任務,由電網從併網模式轉換至孤島模式或功率變化所引起的電壓長時間暫態響應,會影響電壓保護電驛動作,造成可再生能源和儲能系統的整合困難,為了解決這個問題,本文提出非對稱歸屬函數之小波派翠模糊類神經網路控制器應用於儲能系統的電壓穩定控制,以提供快速的響應速度並減輕暫態影響。為了探討所提出的微電網控制器之性能及檢查是否符合IEC 60255標準,而以建在台灣澎湖七美島進行研究,並透過OPAL-RT即時模擬器及其硬體迴圈功能驗證所提出的控制器之有效性。

關鍵詞:電壓穩定控制、非對稱歸屬函數之小波派翠模糊類神經網路、IEC 60255、電壓保護電驛

前言

由於微電網具有虛功補償、頻率調節、增強備轉容量和提高電網穩定性等優點,近年來越來越受到關注[1], [2],然而必須考慮一些衍生的問題,例如:保護協調、電壓調節和電能質量[3]-[5]。為了提升可再生能源和儲能系統的滲透率,台灣電力公司在七美島建立一個與台灣隔絕的微電網系統[6]-[8],其單線圖如圖1所示,具有4部柴油發電機、355 kW的太陽能光電系統、1000 kWh的儲能系統和305 kW的風力發電機,其中柴油發電機為主要電力來源並構成併網電力系統,此外,為了推廣可再生能源和儲能系統的使用,一般只開啟1或2台柴油發電機,然而七美島可能會受到颱風的影響而失去主要電力來源,導致電力系統處於孤島模式,而儲能系統在支持和穩定微電網運行方面可發揮重要作用。儲能系統控制器設計不當可能會導致圖1的電壓保護電驛(Voltage Protective Relay, VPR)誤動作並跳脫,因此本文的主要任務為儲能系統的電壓穩定控制,以提供快速的響應速度並減輕暫態影響。
許多先進的技術已被提出應用於微電網的電壓與頻率調節,文獻[9]提出基於平均電壓調節的方法來執行功率潮流控制和穩定直流鏈電壓;文獻[10]提出一種具有平均電壓調節器、電壓變化調節器和虛功調節器的無下垂分散式控制,用於交流微電網;文獻[11]提出基於合作式通訊系統的傳統功率調節器,應用於交流微電網的無下垂分層控制策略;文獻[12]提出基於比例積分(Proportional-integral, PI)的控制器並考慮電源管理,以實現直流鏈電壓的無縫調節;文獻[13]提出一種分散式一致性滑模控制器,用於孤島微電網的電壓控制;文獻[14]提出下垂控制和模型預測控制來處理獨立可再生能源系統中功率轉換器的電壓調節。從上述文獻中可以發現,最近的研究主要集中在多系統的下垂控制和功率調節方面,儘管採用平均電壓調節器、電壓變化調節器或虛功調節器來穩定電壓,但是基於PI的控制機制,在非線性和不確定的微電網系統中其控制性能無法得到保證。
近年來,模糊類神經網路(Fuzzy Neural Network, FNN)已被驗證在不同的控制應用中是有效的,其具有處理不確定性和自我學習的優點[15][16];機率模糊類神經網路(Probabilistic Fuzzy Neural Network, PFNN)建立模糊定理和機率定理之間的連結,利用三維歸屬函數層來近似非線性系統[17][18];派翠網路具有分析和圖形化的能力,為實現即時和非同步控制的有效工具[19];小波模糊類神經網路(Wavelet Fuzzy Neural Network, WFNN)利用小波的時頻特性成功地提高收斂速度並增強計算的精確度[20];文獻[21]提出結合派翠網路的穩定性與小波時頻特性的小波派翠模糊類神經網路(Wavelet Petri Fuzzy Neural Network, WPFNN)應用於風力發電廠。從上述的技術可以發現,使用不同的智慧型拓撲和參數會決定智慧型控制器的暫態響應、計算精確度和強健性,如果控制器的暫態響應因電網從併網模式轉換至孤島模式或功率變動而需較長的時間,則VPR將因不符合IEC 60255標準[22]而誤動作並跳脫,為了解決這個問題,本文提出基於非對稱歸屬函數之小波派翠模糊類神經網路(Asymmetric Membership Function based Wavelet Petri Fuzzy Neural Network, AMFWPFNN)用於微電網實功/虛功控制和電壓/頻率控制,利用非對稱歸屬函數提高歸屬函數的維度和控制器的學習能力,減少模糊規則的數量,實現高效計算。為了了解AMFWPFNN控制器的性能、網路架構的差異和對VPR的影響,本文採用基於FNN控制器的FNN、WPFNN和AMFWPFNN,在單個微電網中進行電壓穩定度的比較。

微電網的控制策略

由於儲能系統有調節和支持七美微電網的作用,因此控制策略著重於併網模式下的實功/虛功控制和孤島模式下的電壓/頻率控制,以防止VPR在模式轉換或功率變化的情況下跳脫,圖2為當柴油發電機提供主要電力來源時,儲能系統在併網模式下的實功/虛功控制架構,其中Pm*和Pm為實功命令和實功;Qm*和Qm為虛功命令和虛功;vao、vbo和vco為三相電壓;iao、ibo和ico為三相電流;idm*、iqm*和ido、iqo為變流器的dq軸電流命令和電流;va*、vb*和vc*為變流器的三相電壓命令,用於正弦脈波寬度調變(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM);Vdm*和Vqm*為SPWM的dq軸電壓命令;θi為從鎖相迴路得到的同步角。控制器利用電網電壓和電流執行鎖相迴路和功率計算,並對實功和虛功進行閉迴路控制,再經座標軸轉換後SPWM控制訊號就會送到變流器進行實功和虛功控制。另一方面,一旦沒有來自柴油發電機的電力來源,儲能系統將會轉為孤島模式下的電壓/頻率控制,如圖3所示,其中和為a相電壓命令峰值和a相電壓峰值;f*和f為頻率命令和透過頻率偵測器得到的微電網頻率;θe*為角度命令。控制器利用電網電壓和電流執行頻率偵測和功率計算,並對電壓和頻率進行閉迴路控制。為了簡化控制策略,內迴路使用固定參數的PI控制器,而控制誤差和波動將由外迴路的控制器來補償。

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