（电力电子与电力传动专业论文）独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究.pdf

中国科学院电工研究所硕士论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f i n t e l l i g e n ta c l o a dm a n a g e m e n ts y s t e mf o r s t a n d a l o n ew i n d p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gs t a t i o n t i nh u a n y i n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm as h e n g h o n g a b s t r a c t s t a n d a l o n ew i n d p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns t a t i o n sa r ea p p l i e dt os o l v ep o w e r s u p p l yf o rb a s i cs u b s i s t e n c ea tr e m o t ev i l l a g e si nw e s tp r o v i n c e s p o o rk n o w l e d g eo n p o w e rs t m i o no ft h ei n h a b i t a n t si so n ei m p o r t a mf a c t o rf o rh i g h e rr e q u i r e m e n to n r e l i a b i l i t ya n di n t e l l i g e n c eo fs t a t i o nc o n t r o ls y s t e m t om a n a g et h ee n e r g yo ft h e p o w e rs t a t i o ni n t e l l i g e n t l yw i l lb eb e n e f i c i a lt op o w e rs u p p l ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m f o rt h i sp u r p o s e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e si n t e l l i g e n ta cl o a dm a n a g e m e n t s y s t e mf o rs t a n d a l o n ew i n d p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gs t a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e l e v a n tb a s i ct h e o r ya n da l g o r i t h m ，s u c ha sc a l c u l a t i o n t h e o r yo fb a t t e r ys t o r a g e ，m o d u l ea n da l g o r i t h mo fv e r ys h o r tt e r ml o a df o r e c a s t i n g a n db a s i ck n o w l e d g eo ff u z z yl o g i cc o n t r 0 1 a n do n ei n d i v i d u a lc o n u o ls t r a t e g yf o r s t a n d a l o n ew i n d p vp o w e rs t a t i o nh a sb e e np r o p o s e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g na d o p t e di nt h i sp a p e rf o rb a t t e r ys t o r a g ec a l c u l a t i o n ，v e r ys h o r tt e r ml o a d f o r e c a s t i n ga n df u z z yl o g i cc o n t r o lh a v eb e e ne x p o u n d e di nd e t a i l s o n es y s t e mm a d e u po ft r a n s d u c e r , t r a n s m i s s i o n ，s i g n a ld i s p o s ea n dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s ph a sb e e n e s t a b l i s h e d t h em a i nf u n c t i o no ft h i ss y s t e ma r ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as a v i n g ，d a t a d i s p o s a l ，a n dt om a n a g et h el o a da c c o r d i n gt ot h ee x p e r tk n o w l e d g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ea d o p t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i sf e a s i b l ea n ds a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：s t a n d - a l o n ew i n d p h o t o v o l t a i c s y s t e m ，i n t e l l i g e n t ，l o a d m a n a g e m e n t ，b a t t e r ys t o r a g e ，v e r ys h o r tt e r ml o a df o r e c a s t i n g ，f u z z yl o g i c c o n t r o l 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得中国科学院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：翌! ! ：堑日期 关于论文使用授权的说明 ”“6 6 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文 的规定，即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，电工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循 此规定) 签名：望丝篁导师签名： 易似磊 日期：竺 ! 。f 中国科学院电_ t - 研究所硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 世界能源问题与风力光伏发电 随着全球经济的不断发展和世界人口的持续增长，人类对能源的需求在快速增加。 目前世界上的能源消耗几乎全靠“常规能源”来供应，它包括：煤炭、石油、天然气 和核裂变等。由于地球上的常规能源有限，矿产开采费用的昂贵，人类能源需求的激 增趋势，环境污染严重，全球气候变化，以及全球经济的增长都迫使人们将注意力投 向全球的能源结构。建立可持续发展的能源体系结构将是人类二十一世纪面临的最大 挑战。 可再生能源，主要包括：水能、生物质能、太阳能、风能、地热能和海洋潮汐能 等，对环境不产生或者很少产生污染，能适应人类可持续发展的需要。世界能源协会 w e c ( w o r l de n e r g yc o u n c i l ) 预测到2 0 5 0 年世界的可再生能源将会达到8 7 t w 1 5 0 t w ( 1 t w = 1 0 2 w ) ，而此时全社会能量的总需求量为2 6 3 3 3 o t w 【1 】。根据日 本和s h e l l 么r 叫对世界能源发展的预测( 至2 0 6 0 年) ，化石能源的开采峰值将处于2 0 2 0 年- - 2 0 3 07 之间，到本世纪中叶( 2 0 5 0 年) ，可再生能源在能源结构中的比例将大于 5 0 。由此一r 见发展可再生能源是能源结构变革的必由之路。随着各项新技术的应用 和发展，刊再生能源在许多方面已经取得了重大突破，使得其发展前景进一步明朗。 光伏发电系统的优点主要有系统可靠性高，维护费用低，安装方便，无需燃料， 无噪声污染。其缺点主要有系统造价高，初投资高，系统效率较低。风力发电系统的 主要优点有系统初投资低，发电成本低，扩容灵活，无需燃料。其缺点主要是维护检 修较复杂。光伏发电和风力发电系统分别对太阳能和风能资源有很强的依赖性。从自 然资源的充分利用以及降低单位容量的系统初投资和发电成本的角度，光伏风力互补 发电系统得到了发展，与单一的风力发电或者光伏发电系统相比，互补发电系统的设 计较复杂，它主要的优点体现在提高系统供电的稳定性和可靠性，降低系统成本【2 】。 光伏、风力发电供电方式分为两种：独立型和并网型。独立的光伏、风力和互补 发电系统已经广泛应用于偏远地区的电气化。其中，独立风力光伏互补发电系统在设 计电站时得到了优先考虑。 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 1 2 国内外独立风力光伏互补系统控制罱研究发展现状 典型的独立风力光伏互补发电系统( 简称为风光互补系统) 主要设备包括：太阳 能电池方阵( 简称方阵) 、风力发电机组、蓄电池组、耗能负载、控制器、逆变器、直 流负载、交流负载t 2 11 3 1 。系统构成如图l l 所示。 控制器是整个发电系统中的核心，主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保 护，同时对系统输入输出电量起到调节与分配作用，以及完成系统赋予的其他监控。 一般由数据采集硬件和控制软件、硬件组成。 医圃。医童产驷 蓠梧导竺墨l 风猫电p 捆l j 稠 图1 1独立风力光伏互补发电系统构成 当前国内风光互补系统中普遍采用的控制策略是对蓄电池进行浮充充电的控制模 式，也就是让负载尽可能多地消耗由太阳电池方阵和风力机组发出的电，若有盈余， 则给蔷电池充电：若不足，则蓄电池放电以保证负载运行【4 】。一般是通过电压监控蓄 屯池，确定其荷电状态。有的控制器设计中采用了电流、温度因素来补偿内阻损耗弓l 起的蓄电池状态变化。 在新能源领域内，国外在系统控制器的控制策略上有所改进，文献表明已有一些 卓有成效的研究。在传统的浮充充电模式的基础上，注意到将剩余容量( s o c ) 作为 蓄电池充放电管理的判断准则，从负荷用电与系统供电平衡的方面来改善控制器性能 和系统性能。在s o c 计算方面，根据有关资料显示，较为普遍接受的方法采用多参数 进行准确度补偿，综合专家知识，运用智能控制的算法，通过对蓄电池的在线学习和 适应，逐渐得到s o c 与电流、电压蛆及温度的关系模型。在供电与用电平衡方面，尝 试从对自然资源发电量的预测以及系统负荷的预测方面加强对能量的管理，实现系统 的智能化。 根据系统的要求，控制器的复杂程度以及功能特点不尽相同，但是一般具有的功 能有：蓄电池过充过放自动保护；温度补偿；蓄电池及组件防反接功能；负载过流及 短路保护等。 2 中国科学院电工研究所硕士论文第一章绪论 1 3 课题研究的意义与内容 我国的独立风，光互补系统目前已经应用在西部省份的欠发达偏远地区由于用户分 散，维护技术力量薄弱，用户文化水平较低，从经济的角度上讲，需要尽量延长系统 的使用寿命，从技术的角度上讲更希望系统的功能实现智能化。 用蓄电池充电状态s o c 来判断对蓄电池充放电会更加合理，能延长蓄电池的使用 寿命，降低系统成本：在控制过程中采纳专家的经验知识，实现一定的智能化，使控 制更符合系统的特性，操作更简单，有利于改善系统性能，适应实际应用。鉴于此课 题题目定为：独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究。拟采用s o c 作为控制量 之一，采用模糊控制作为控制算法，实现系统控制器的能量的智能化管理。 本课题的主要工作和技术难点有： ( 1 ) 蓄电池充电状态的检测。蓄电池剩余能量的准确检测，是智能控制进行的关 键因素，是本课题的难点。蓄电池内部进行的是电化学反应，很多文献中已表明通过 端电压检测的方法很难反映出蓄电池内部能量的确切存储情况，检测蓄电池内部液体 比重的方法因为实际操作的困难也不适合被采用，而将蓄电池充电状态( 即s t a t eo f c h a r g e ，s o c ) 作为蓄电池管理的控制量是最合理的，它能反映蓄电池内部隧肇的存储 情况。检测蓄电池的s o c 的方法已经有很多种，但是实际应用中有各自的倪缺，i 。根 据现有的条件，本课题中将采用脉冲计数的方法对s o c 进行检测。 ( 2 ) 负荷预测。用户的负荷是一个含有随机因素的变量，事先无法确定。对于未 来一小时以内的超短期预测，目前普遍采用的是线性模型，预测的方法有线性外推法、 时问序列法、卡尔曼滤波法和人工神经网络法。各种算法均有一定的适用场合，可以 说没有一个算法适用于各种负荷预测模型而精度比其他算法都高。实际可以采取试验 比较法，利用某一电网的历史数据确定该电网最有效的算法。在精度一致的条件下， 应选择较简单的算法。本课题因缺乏电站的负荷历史数据，无法事先进行各种算法的 比较来选择较为精确的算法，故在线性模型的基础上，采用最小二乘法拟合的线性外 推算法进行独立电站的负荷预测。 ( 3 ) 模糊控制的设计。模糊控制的实现是本课题中将专家知识融合于系统控制的 关键，是课题的重点。这部分的功能在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制器芯片中实现，主 要有四个方面：一是将输入的精确量转换成模糊量，二是设计包含有模糊控制规则的 知识库，三是基于模糊逻辑中的蕴涵关系以及推理规则进行模糊推理，四是将模糊推 3 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负我管理的研究 理得到的控制量变换为实际用于控制的清晰量。 ( 4 ) 电路板的设计与数据处理。模拟量，如电流值、电压值、瞬时功率值，需采 用相关的传感器和电路才能获得，本课题采用霍尔传感器获得相关的电流、电压值。 数据的处理方面，如历史数据、实时数据以及预测数据参与运算时d s p 芯片编程序时 要注意时间上的处理以及合理地利用有限的系统存储空间。 ( 5 ) 实验结果的获取。实验结果是检验设计是否成功的重要部分，由于本课题的 实验条件有限，故实验方案的设计、实验结果的获取和衡量也是一个难点。 4 中国科擘院电工研究所硕士论文第二章智能交流负载管理的理论与算法 第二章智能交流负载管理的理论与算法 本课题研究的智能交流负载管理涉及到对蓄电池容量的监测、对超短期负荷的预 测、以及对整个系统运用模糊逻辑理论的控制。下面就分别对上述三个方面的相关原 理与算法进行介绍。 2 1 蓄电池容量的计算原理 蓄电池作为后备电源应用于电信、电力部门。在独立光伏、风力发电系统中目前 国内尚无理想的专用深放电、长寿命的蓄电池，广泛应用的是阀控封闭式铅酸蓄电池 ( 简称v r i 。a 电池) 和富液电站铅酸蓄电池。 电池充放电主要有以下方式：恒流、限压、脉冲、负脉冲等。蓄电池的充电状态 是反映它所能输出能量的大小。正常情况下是充满电时所能输出的能量与蓄电池的额 定容量相近 5 1 。传统的对蓄电池监视是在测量电压、电流的基础上进行的，近年来很 多设计中采用了温度补偿、测定动态内阻等方法，但是对于容量仍不能准确反应。对 于特定的蓄电池，近j j ：柬国外出现了用实验的方法获得蓄电池充放电特征曲线，然后 用模糊逻辑理论的南敞菝得一些容量的信息，但是有很大局限性。 事实上，电池的容釜主要取决于充电量和放电量，还有一些电池本身的因素，显 然，如果能连续记录f 电池的充放电情况就可以测出容量。我们试图能研发出一种电 池容量计，以达到碌示容量的目的。该容量计动态监视电池充电量的总和及放出总电 量。影响电池容量的其它因素综合为一个损失系数，该系数乘以充放电量的算术和即 为电池剩余容量 6 1 。由于电池的种类、大小、性能不尽相同，损失系数是不相同的， 主要靠试验获得，故这里不讨论系数问题，只研究完成计量电量功能的电路。 简单地用电流乘以时间计量容量的方式无法适应除恒流充电外的其他方式，而积 分方式又不能适应负脉冲充电的需要，同时它需要时间参数。显然电池容量计的设计 应该满足多种充放电方式。无论何种充电方式，其影响电池容量的关键参数即为电流 和时间，负脉冲充电情况下只是同时有负电流1 6 1 。 电量的计算基本原理为： q ( x h ) = i i q ) c t t “ 中国科学院电工研究所砸士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 式中，f ( f ) 为充( 放) 电电流，是时间的函数，“为起始充( 放) 电时刻，t l 为终 止充( 放) 电时刻。上式表达了，0 ，时间段内的充( 放) 电电量q 的准确安时数。通 过v f 变换，则既可以实现测量电流的a d 转换，又能实现对电量累积的积分运算【7 】。 图2 一i 为蓄电池容量计算的原理方框图，其实现过程为：首先啦测电池的充放电 电流，将其转换为电压信号后放大，送入电压频率转换器( v f 转换器) 使其变为频率 信号，最后送入计数器记录脉冲的个数，通过一定方式进行计算，这就完成了电池容 量的计算。实际上，频率的高低代表了电流的大小，电流大则频率高，在同一时间内 记录的脉冲数就多。而充放电时间反映在对脉冲的计数上，时间长则计数个数多。如 此，就利用计数方式完成了对电池充放电量的计算。 绝对值放大器和可逆计数器二者的结合，实现了对充电中放电间隙( 即负脉冲充 电) 的计量，同时用一套电路完成了充放电两个方向的计算。充电时正向计数，放电 时反向计数( 减数) ，用电流的流向控制计数器的计数方向。 图2 - 1 蓄电池容量计算原理框图 ，控制 2 2 超短期负荷预测 能量的管理需要过去( 历史) 、现在( 实时) 和未来( 计划) 三粪数据，而负荷预 测是未来数据的主要来源。 负荷预测对电力系统控制、运行和计划都是非常重要的。负荷预测按照周期可以 分为超短期、短期、中期和长期负荷预测。 超短期负荷预测用于质量控制，需要5 l o s 的负荷值，用于安全监视需要】5 m i n 负荷值，用于预防控制和紧急状态处理需要1 0 6 0 m i n 负荷值，使用对象是调度员； 短期负荷预测主要用于电力分配，不同发电方式的协调，机组经济组合和交换功率计 划，需要1 日1 周的负荷值。使用对象是编制调度计划的工程师；中期负荷预测以及 中国科学院电工研究所硕士论丈第二章智能交流负载管理的理论与算法 长期负荷预测需要的历史数据周期要求更长，主要用于不同计划和规划 a l 。 超短期负荷预测是指未来一小时以内的负荷预测。正常情况下一般不考虑气象条 件的影响，事实上气象变化对负荷的影响主要表现在温度改变引起的负荷变化，由于 温度的变化是缓慢的，所以它对负荷的影响一般不会突变。当以负荷历史记录作为负 荷预测的资料时，温度的影响实际上就已经包含在负荷的历史记录之中了。但是，对 于天气的突变和其它一些对负荷造成一定影响的突发性事件，在预测的前提下必须加 以考虑。 超短期负荷预测模型，必须能够反映负荷在短时期内的变化规律。在一天中前后 极短的时间内，比如1 0 分钟的负荷变化呈现上升趋势、下降趋势或者水平趋势的都有， 并且上升和下降变化的快慢又大不相同，这样看来未来1 0 分钟内的负荷变化值随不同 时刻变化多样似乎很难掌握规律，但是应该认识到，在极短的肘蚓内，预测时刻的负 荷值定是在当前时刻负荷值的基础上的发展变化。如图2 - 2 所示，f ：时刻负荷值y ( r ，) 一定是在时刻负荷值y “，基础上叠加一个变化量，即 y ( ，2 ) = y ( t 1 ) + y ( 2 一1 ) 在当前时刻负荷值已知的情况下，如果能知道预测时刻负荷的变化趋势以及变化 值缈，那么问题就解决了。 如何获取短时间内负荷变化的趋势以及变化值是问题的关键。解决问题的途径只 能求助于负荷的历史纪录，除了看到负荷具有明显的随机变化特性外，另外一个明显 的特性是负荷的周期性。一般来说，相似日相同时段负荷曲线变化不大，而最近数个 同类型目的相同时段内，负荷变化更呈现总体相近变化规律。如图2 3 所示，图中l ， 2 ，3 ，4 ，5 各代表一天，在f 。和t ，这一极短的时间内负荷呈现上升趋势，且变化值相 j 斤。 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 图2 2 负荷在极短时间内变化图图2 3 相似日相同时段负荷变化图 如果负荷变化非常有规律，那么同类型日对应相同时段内负荷趋势及变化值都相 近，这是理想的情况。实际上，针对上例中的五天，可能有一天负荷在t 。至f ，时段内呈 现相反变化趋势，比较坏的情况是有两天的变化趋势同第三天的变化趋势相反，在这 种负荷变化随机性大的情况下只能采取折中的方法，取多数天一致的变化趋势为预测 负荷的变化趋势。 这样，超短期负荷预测，因为预测时间短，那么在当前时刻r 到预测时刻f ，里的负 荷变化可以看作是线性模型 y ( t 1 = a + b ， ( 2 2 ) 其中参数a 和b ，由历史负荷记录获得。 上面描述了一般情况下的超短期负荷预测模型，可是对于特别事件( 天气) 情况， 一般要积累过去长期的经验，把曾经出现的大量特别事件( 天气) 记录进行分类、归 纳得出对负荷的影响程度。在进行超短期负荷预测时，同时预测有无特别事件( 天气) 情况，若无，则不进行修正，若有，根据特别事件( 天气) 属性和经验得出对负荷的 影响值，去修正原预测值。 超短期负荷预测的算法有：线性外推法、时间序列法、卡尔曼滤波法和人工神经 网络法1 8 l 。各种算法均有一定的适用场合，可以说没有一个算法适用于各种负荷预测 模型而精度比其他算法都高。实际可以采取试验比较法，利用历史负荷数据确定最有 效的算法。在精度一致的条件下，要选择较简单的算法。 负荷预测方法从基本原理上说主要有两类，一类是根据历史资料选配曲线的外推 方法，另一类是建立在负荷与选定的影响因子的相关方法。所谓的外推方法，就是根 据已知的历史资料来拟合一条曲线，使得这条曲线能反映负荷本身的变化趋势，然后， 8 中国科学院电工研究所硕士论文第二章智能交流负载管理的理论与算法 根据变化趋势，从曲线上估计出未来某时刻的负荷值。这个过程虽然很简单，但是在 大多数情况下，它也能给出较好的预测结果，而且，这种方法是一种确定外推，因为 在处理负荷历史数据和拟合曲线过程中，都可以不考虑随机变量【8 】。 由于独立可再生能源发电系统中且前没能获得负荷的历史数据，无法采用多种方 法建立预测模型进行比较。本课题在超短期负荷线性模型的基础上，采用线性外推的 方法进行负荷预测。 下面主要讨论超短期负荷预测的线性外推算法。不同类型的工作日，其负荷变化 规律差别较大，根据我国目前五天工作制情况，可以分为工作日和休息f 1 两类，】：作 日是指星期一至星期五，休息日是指星期六、星期曰以及节假日。若再细分，可以把 星期一和星期五单独提取出来，星期一上午负荷和其他工作日上午负荷变化规律差别 稍大；星期五下午负荷和其他工作同下午负荷变化规律差别也稍大。 设当前时刻为“若对于未来1 0 分钟负荷预测，一步预测的时间间隔为1 0 分钟， 预测时刻为f ，= f l + a t ，过去时刻如t 。= ，l a t 。记和预测日最近的五个同类型日中，其 第i 天f 。时刻负荷值为y ( f ，f 1 ) ( i = i ，2 ，5 ) ，第i 天f 2 时刻负荷值为y ( i ，2 ) ( i = i ， 2 ，5 ) ，第i 天“时刻负荷值为y ( i ，r 。) ( i = 1 ，2 ，5 ) 。 假定在上述时间段内，这五天负荷具有相近的变化趋势，若有鬈一天不同，需进 行预处理。 首先计算同一时刻内上述五天负荷的平均值： 弧12 善。川“ ( 2 3 ) y ( t ) = y ( f f ) 5 歹( ，) = ，( f ，) 5 现在的任务是，从这三点负荷值来提取出预测日负荷在预测时间段内的变化值， 方法有两种，下面分别说明。 第一种方法，由点( ，y ( t 。) ) 和点( f ：，y ( t ：) ) 拟合直线，设方程为： y ( f ) = d + 6 r ( 2 4 ) 这条直线斜率为： 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 西= ! ! 生! 二羔! 生2 = 羔! 蔓2 二! ! ! ，2 一 ， ( 2 5 ) 这就得到负荷在预测区间的变化速率，那么，已知预测日当前负荷值为y ( f ，) ，义 已知预测时刻负荷变化速率b ，外推到预测时刻，：，其负荷值为 y ( 6 ) = y ( t 1 ) + 6 ( ，2 一，j ) = y ( t 】) + 6 a t ( 2 6 ) 第二种方法，由点( f 0 ，y ( t 。) ) 、( ，y ( t ，) ) 和点( ，：，歹( ，：) ) 拟合直线。由最小二乘法拟合 使负荷序列实际值对趋势的偏差平方和为最小。设负荷趋势的方程和式( 2 - 4 ) 相同， 为；( f ) = a + b f 对于序列歹( b ) ，y ( t 。) ，y ( t ：) ， 小。设 m ：壹m 一讥) 】2 要求m 的最小值，可求解 得到 = ( y ( ，卜6 f 3 ；( j_ 0， ， 3 r 。y ( t f ) _ y ( t ，) 6 = 上址_ 生。业一 3 2 一( f ，) 2 这里取t o = 1 ，= 2 ，t 2 = 3 。 那么，在，到，时刻负荷的变化值为 缈= y ( ，2 ) 一y ( t 。) = ( 口+ b t 2 ) 一( d + 6 r 1 ) = 6 ( ，2 一t i ) 问题是确定d ，6 使杰【y ( ，) 一多( 7 ，) 】2 为最 ( 2 7 ) t ：一8 ， ( 2 9 ) o u = 1 1 吖 6 6 一 一 日 臼 一 一 o u y y 2 2 ： 一 一 = 1 1 埘一一肋 中国科学院电工研究所硕士论文第二章智能交流负载管理的理论与算法 = b a t 则预测日的预测时刻负荷值为 y ( t 2 ) = y ( t 1 ) + a y = y ( t ) + b a t 2 3 模糊控制 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 模糊控制理论是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制。从线性与非线性控制的角度分类，模糊控制是属于非线性控制；从控制 器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，它模仿了人的控制。人们在采用手动 控制方式时，并不是根据一个精确的灵敏数学模型对被控对象进行控制，而是利用感 官获得信息，通过自己的经验进行决策，再手工完成控制过程。在模糊控制中，传感 器就相当于人的感官，执行机构相当于人手，模糊控制器就相当于人脑。模糊控制器 的基本结构如图2 4 所示 9 1 。它的最大特征是将人的经验表示成为语言控制规则， 然后再用这些控制规则去控制系统，特别适合用于模拟人的经验对数学模型未知的、 复杂的、非线性的控制中。 i 输 一执行机构卜一被控对象掣 图2 4 模糊控制器的结构图 其中，模糊化部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量；知识库部分包含了具 体应用领域中的知识和要求的控制e l 标，其中包含了数据库和模糊控制规则库两部分； 模糊推理部分是模糊控制器的核心，它基于模糊逻辑中的关系以及推理规则进行；清 晰化部分是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变化为实际用于控制的清晰量。 下面将简要介绍模糊控制应用中的几个相关概念和方法。 2 3 1 模糊集合与隶属度函数 我们常常听到“温度较高”中的“较高”，“电压偏低”中的“偏低”等都是一些 模糊的概念。如何描述这些模糊的概念，并且对他们进行分析、推理，正是模糊集合 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 和模糊数学所要解决的问题。笼统地讲，模糊集合是一种特别定义的集合，它可用来 描述模糊现象。模糊性是一种不确定性，主要是人为的主观理解上的不确定性，例如 上述的“温度较高”、“电压偏低”等。对于普通集合来讲，一个元素要么属于该集合 要么不属于该集合，界限分明。而对于模糊集合而言，一个元素可以既属于又不属于， 界限模糊。例如，去一个苹果园内摘苹果，若规定2 0 两重的苹果算作“大”节果，这 是普通集合的概念。显然，2 5 两重的苹果为“大”苹果。若摘到1 9 两重的苹果，我 们毫不犹豫地认为它不是“大”苹果。这是按照普通集合的关于“大”的两值逻辑。 如果我们规定差不多2 两重的苹果为“大”苹果，2 ，5 两重的苹果可不假思索地认为是 “大”苹果，但对于1 9 两重的，这就需要人为的决定了。你可以说它不够“大”，但 是若这个果园里面的“大”苹果不够多的话，将它勉强算作“大”苹果也不为过。这 就是关于“大”的连续值逻辑，是用人为的量作为边界来划分属于还是不属于该集合。 上述的“大”苹果就是一个模糊的概念，如果认为差不多比2 两重的苹果属于“大” 苹果集合，则2 5 两重的苹果应毫不犹豫地属于“大”苹果。对此加以量化，则可设其 属于“大”苹果的程度为1 。2 1 两重的苹果属于的程度譬如说为0 ，7 ，2 两重苹果属于 的程度为o 5 ， 9 两重苹果属于的程度为0 3 等等。 属于某集；。? 的程度在模糊控制理论中被称之为隶属度函数，其值可在o 1 之问连 续变化。可见泶瘸度函数反映了模糊集合中的元素属于该集合的程度。 若上述模糊集合“大苹果”用大写字母a 表示，隶属度函数用表示。a 中的元 素用x 表示，则。o ) 便表示芹属于a 的隶属度。对于上面的例子可写成 。( 2 5 ) = l ，心( 2 1 ) = 0 7 ，心( 2 0 ) = o 5 ，u a ( 1 9 ) = o t 3 ， 隶属度函数也町以用图形束描述，如图2 5 所示。 若将“大苹果”看成是普通集合，即硬性规定凡是大于2 两的都算“大苹果”，小 于2 两重的都不算“大苹果”，则其隶属度函数如图2 5 中的虚线所示。它仅取两个 值f 0 ，1 ) 。可见，普通集合是模糊集合的一个特例。由此，不难给出如下的关于模糊集 合的定义 9 1 。 定义：给定论域肖，a = x 是中的模糊集合的含义是 。：x 斗【0 ，1 这样的隶属度函数表示其特征的集合。若u 。( 工) 接近于1 ，表示属于a 的程度高， 中国科学院电工研究所硕士论文第二章智能交流负载管理的理论与算法 心( x ) 接近于0 ，表示x 属于a 的程度低。 图2 5 模糊集合“大苹果”的隶属度函数 在上面的定义中，论域工指的是所讨论的事物的全体。如在摘苹果的例子中，论 域x 指的是重量x 0 的全体。 模糊集合有很多种表示方法，最根本的是将它所包含的元素及相应的隶属度函数 表示出来。因此它可用如下的形式来表示： 爿= ( x ，。( z ) ) lx x ) 也可表示成如下更紧凑的形式： 2 3 2 语言变量 爿=产连续， 争如盟( x 离散) - i = 1 。 语言是人们进行思维和信息交流的重要工具。语占呵分为自然语言和形式语言。 人们常用的语言属于自然语言。自然语言的特点是语义丰富、灵活，同时带有模糊性， 如“过流”、“误差太大”、“电压过低”等。通常的计算机语言是形式语言，具有严格 的语法规则和语义不存在任何的模糊性和歧义。带有模糊性的语言成为模糊语言，如 大，小，长、短等。 语言变量是自然语言中的词或句，它的取值1 ；是通常的数，而是用模糊语言表示 的模糊集合。例如，若“年龄”看作是一个模糊语言变量，则它的取值不是具体的岁 数，而是诸如“年幼”、“年轻”、“年老”等用模糊语言表示的模糊集合。 l a 查德( z a d a h ) 为语言变量给出了如下的定义 9 1 ： 语言变量由一个5 元组( x ，r ( x ) ，u ，g ，m ) 来表征。其中x 是变量的名称，u 是的 13 中国科学院电t - 研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 论域，t ( x ) 是语言变量值的集合，每个语言变量值是定义在论域u 上一个模糊集合，g 是语法规则，用以产生语言变量x 的值的名称，m 是语义规则，用于产生模糊集合的 隶属度函数。 例如，若定义“速度”为语言变量，则7 1 ( 速度) 可能为 7 1 ( 速度) 一 慢，适中，快，很慢，稍快) 上述每个模糊语言如慢、适中等是定义在论域u 上的一个模糊集合。设论域 u = f 0 ，1 6 0 1 ，则可认为大致低于6 0 k m h 为“慢”，8 0 k m h 左右为“适中”，大于1 0 0 k m h 为“快”，。这些模糊集合可以用图2 6 所示的隶属度函数图来描述。 2 3 3 模糊化运算 图2 6 模糊语言变量“速度”的隶属度函数 模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。模糊化在处理 不确定信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，观测到的数据常常是清晰量。由于 模糊控制器对数据进行处理是基于模糊集合的方法。因此对输入数据进行模糊化是必 不可少的一步。在进行模糊化运算之前，首先需要对输入量进行尺度变换，使其变换 到相应的论域范围。下面所讨论的模糊化运算中的输入量均假定为已经进行尺度变换 的量。 在模糊控制中主要采用以下两种模糊化方法1 9 1 。 1 单点模糊集合 如果输入量数据是准确的，则通常将其模糊化为单点模糊集合。设该模糊集合 用a 表示，则有 韭 丽 厂舯八辽 礅一 譬 n l l 1 呻l 中国科学院电工研究所硕士论文 第二章智能交流负载管理的理论与算法 其隶属度函数如图2 7 所示。 ，、f 1 x = 嘞 以2 l o x 矗 图2 7 单点模糊集合的隶属度函数图2 - 8 三角形模糊集合的隶属度函数 这种模糊化方法只是形式上将清晰量转变成了模糊量，而实质上它表示的仍是准 确量。在模糊控制中，当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分合理的。 2 三角形模糊集合 如果输入量数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当于将随机最变换为模糊 量。对于这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为等腰三角形，如图2 8 所示。三角 形的顶点相应于该随机数的均值，底边的长度等于2 a ，盯表示该随机数据的标准差。 隶属度函数取为三角形主要是考虑其表示方便，计算简单。另外种常用的方法是取 隶属度函数为铃形函数，即 一坐正 4 ( 茁) = 已 2 4 它也就是正态分布的函数。 2 3 4 数据库 如2 3 节中所述，模糊控制器中的知识库由两部分组成：数据库和模糊控制规则库。 本节首先讨论数据库。数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参 数，其中包括尺度变换参数、模糊空间分隔和隶属度函数的选择等 9 1 。 1 输入量变换 对于实际的输入量，第一步首先需要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围。 变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的。 论域可以是连续的也可以是离散的。如果要求离散的论域，则需要将连续的论域 k 一 卜一 )q ， 以 卜。 11：一 一 一 1 l | 一 一 一 一 一 一 一 卜， 嘞 o 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 离散化或者量化。量化可以是均匀的，也可以是非均匀的。表2 1 和表2 2 中分别表示 均匀量化和非均匀量化的情形。 表2 1 均匀量化 f 量化等级 32一lol23 l 变化范围 2 5 ( - 2 5( 一1 5 ( - 0 5 ( o 5( 1 52 5 1 5 】_ o 5 】0 5 】1 5 】2 5 】 表2 2 非均匀量化 量化等级 32一l0l23 变化范围 一0 4 ( - 0 4 ( - 0 2( - 0 1 ( o 1( 0 2 o 4 _ 0 2 】_ 0 1 】 o 1 】 0 2 】o 4 】 2 输入和输出空问的模糊分割 模糊控制规则库是由一系列的“i f - - t h e n ”型的模糊条件句所构成。条件句的前 件是输入和状态，后件为控制变量。模糊控制规则中，前提的语言变量构成模糊输入 空问，结论的语言变量构成模糊输出空间。每个语言变量的敬值为一组模糊语言名称， 它们构成了语言名称的集合。每个模糊语言名称相应一个撞蝴艇合。对于每个语言变 量，其取值的模糊集合具有相同的论域。模糊分割是要确定，对r 每个语言变量取值的 模糊语言名称的个数，模糊分割的个数决定了模糊控制精搿化的程度。这些语言名称 通常均具有定的含义。如：s ：小( s m a l l ) ；m ：中( m i d d l e ) ；n s ：负小( n e g a t i v e s m a l l ) ；p b ：正大( p o s i t i v eb i g ) 。图2 9 表示了两个模糊分割的例子，论域为 - 1 ，+ l 】， 隶属度函数的形状为三角形或者梯形。图2 9 ( a ) 所示为模糊分割较根的情况，图2 - - 9 ( b ) 为模糊分割较细的情况。图中所示均为模糊分割为完全对称的情况，在一般 情况下，模糊语言名称也可以为非对称和非均匀分布。 n二。 。 l0+ 1x x ( a ) 粗分 j n b n m n szb p sp m p b 燃恻。 图2 9 模糊分割的图形表示 ( b ) 细分 中国科学院电工研究所硕士论文第二章智能交流负载管理的理论与算法 模糊分割的个数决定了最大可能的模糊规则的个数。如对于两输入单输出的模糊 系统，x 和y 的模糊分割数分别为3 和7 ，则最大可能的规则数为3 7 = 2 1 。可见，模 糊分割数越多，控制规则数越多，所以模糊分割不可太细，否则需要确定太多的控制 规则，这样也是一件很困难的事情。当然，模糊分割数太小将导致控制太粗略，难以 对控制性能进行精心的调整。目前尚没有一个确定模糊分割数的指导性的方法和步骤， 它仍主要依据经验和试凑。 3 完备性 对于任意的输入，模糊控制器均应给出合适的控制输出，这个性质称为完备性。 模糊控制的完备性取决于数据库和规则库。 ( 1 ) 数据库方面 对于任意的输入，若能找到一个模糊集合，使该输入对于该模糊集合的隶属度函 数不小于s ，则成该模糊控制器满足。完备性。图2 9 所示即为s = o 5 的情况，它也 是最常见的选择。 ( 2 ) 规则库方面 模糊控制的完备性对于规1 j i 的要求是，对于任意的输入应确保至少有一个可适 用的规则，而且规则的适用度应，：! 一妓个数，譬如说o 5 。根据完备性的要求，控制规 则数不可太少。总的原则是在满j i 完备性的条件下，尽量取较少的规则数，以简化模 糊控制器的设计和实现。 4 模糊集合的隶属度函数 根据论域为离散和连续的不同情况，隶属度函数的描述也有如下两种不同的方法。 ( i ) 数值描述方法 对于论域为离散，且元素个数为有限时，模糊集合的隶属度函数可以用向量或者 表格的形式来表示。表2 3 给出了用表格表示的一个例子。 表2 _ 3 数值方法描述的隶属度 元索一3 210i23 模糊集合、 s1 0o 7o 3o o o o o o0 0 zo 00 30 71 0o 7o 30 0 b0 0o o0 oo 0o 3o 7】o 中国科学院电工研究所硕士论文独立风光互补系统中智能交流负载管理的研究 在上面的表格中，每一行表示一个模糊集合的隶属度函数。例如 z ：塑+ 坚+ 业+ 塑+ 堕 _ 2 一lo】一2 ( 2 ) 函数描述方法 对于论域为连续的情况，隶属度常常用函数的形式来描述，最常见的有铃形函数、 三角形函数、梯形函数等。 隶属度函数的形状对模糊控制器的性能有很大影响。当隶属度函数比较窄瘦的时 候，控制较灵敏，反之，控制较粗略和平稳。通常当误差较小时，隶属度函数可取得 较为窄瘦，当误差较大时，隶属度函数可取得宽些。 2 3 5 规则库 1 模糊控制规则的建立 模糊控制规则库是由一系列“i f t h e n ”型的条件语句所构成，它是模糊控制的 核心。如何建立模糊控制规则是模糊控制器中的一个关键问题。建立模糊控制规则的 方法常见的有四种，分别为：i j 基于专家的经验和控制工程知识；( 2 ) 基于操作人 员的实际控制过程；( 3 ) 基jj 1 1 程的模糊模型；( 4 ) 基于学习。 ( 1 ) 基于专家的经验 ! j 警未il 程知识 模糊控制规则具有模糊条肄句的形式，它建立了前件中的状态变量与后件中的控 制变量之间的联系。我们在日常生活中用于决策的大部分信息主要是基于语义的方式 而非数值的方式。因此，模糊控制规则是对于人类行为和进行决策分析过程的最自然 的描述方式。这也就是为什么采用1 f - - t h e n 形式的模糊条件句的主要原因。 基于上面的讨论，通过总结专家的经验，并用适当的语言来加以表述，最终可表 示成模糊控制规则的形式。一个典型的例子是，人们对人工控制水泥窑的操作手册进 行总结归纳，建立模糊控制规则库。另一种方式是通过向有经验的专家和操作人员咨 询，从而获得特定应用领域模糊控制规则的原型。在此基础上，再经过定的试凑和 调整，可以获得具有更好性能的控制规则。 ( 2 ) 基于操作人员的实际控制过程 在