第三章 能源管理策略設計
3.5 適應性人工蜂群演算法
3.5.1 人工蜂群簡介
人工蜂群演算法(Artificial Bee Colony Algorithm, ABC)是 Karaboga 在 2005 年 所提出[52]，是一種仿效蜜蜂採集蜂蜜源之分工合作行為的仿生演算法。其中該 演算法由三種蜜蜂組成，分別為雇傭蜂(Employed Bee)、觀察蜂(Onlooker Bee)以 及偵查蜂(Scout Bee)。首先，蜂群總數量是由雇傭蜂與觀察蜂加總數量所組成，
Step1 初始化 (Initialization)
設定初始化參數，其中包含蜂群數量(N)、最大疊代次數、最佳解數量(D)、每 個食物源收益度的極限值(limit)。
將雇傭蜂放置的位置會先透過(3-50)式 ，並且隨機放置在蜂巢附近。
( )
,min ,max ,min
ij j j j
x =x + x −x (3-51)
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Step3 雇傭蜂(Employed Bee)
當所有雇傭蜂在搜尋空間中開始搜索，其位置更新如下：每隻雇傭蜂移動到
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Step4 觀察蜂(Onlooker Bee)
觀察蜂利用輪盤法如(3-53)式，決定每一隻觀察蜂跟隨應到哪個食物源的位置 協助雇傭蜂採集。觀察蜂會依照(3-51)式在食物源鄰近搜尋，並且計算食物源的適 應值。
1 i
i N
i i
p fit
= fit
=
(3-54)其中pi為選擇食物源機率；N 為食物源總數量；fiti為食物源的適應值。
Step5 偵查蜂(Scout Bee)
若有某雇傭蜂在更新位置次數超過一定門檻值且其適應度尚未有一定改善程 度，該雇傭蜂轉化為偵查蜂，並重新隨機找尋食物原位置，以求跳出區域最佳解 之限制，而觀察蜂會移動方式如(3-50)式進行搜尋。
Step6 記錄目前最佳食物源之解
記錄目前最好的食物源的解當作是演算法最佳解。
Step7 終止條件
判斷終止條件會依照疊代次數是否達到或是已找到食物源的最佳解。由此可 知，若符合上面提到兩點之其中一點，此時演算法就會停止，並且會輸出食物源 的最佳解；若未符合，會回到步驟 2。而圖 3.17 為整個傳統人工蜂群演算法的演 化流程。
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圖3.17 傳統式人工蜂群演算法之流程圖 3.5.3 適應性人工蜂群演算法
由於傳統人工蜂群演算法在全域搜索能力與收斂速度都沒有很好，因此為了 提升傳統蜂群搜尋演算法之全域搜索能力與收斂速度，本文提出一種創新之適應 性人工蜂群搜尋演算法(AdaptiveArtificial Bee Colony Algorithm, AABC)，透過在 原雇傭蜂位置移動公式增加一項全域最佳解如(3-54)，使個別雇傭蜂之移動能參
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3.5.4 基於適應性人工蜂群演算法之能量控制策略
採用 AABC 並使用 3.4 節建置之目標函數(3-48)，因應不同再生能源發電量、
即時電價與負載需求進行功率分配最佳化，同時以蓄電池適時儲能與釋能，將能 源更有效率地使用，進而達到電價最小化之目標。
透過 AABC 找到 值用於判斷整體架構對應充放電之關係如圖 3.19， 大於 1 且λ小於 0.6 則表示電價便宜時段市電對蓄電池進行充電， 大於 1 且λ大於 0.6 則表示電價昂貴時市電幾乎不會對蓄電池進行充電。
圖3.19 AABC 之 三維圖
藉由不同的電價時段及不同的需求功率，可透過 AABC 得到市電輸出功率如 圖 3.20，由此市電三維圖可觀察出市電在電價昂貴時段能不使用就不使用，而在 電價便宜時段依照不同的需求功率而供給剩餘的功率。
圖3.20 AABC 之市電三維圖
λ α
Pd (kW)-Pr(kW)
Pd (kW)-Pr(kW)
λ Pg
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第四章 微電網系統架構
4.1 微電網系統架構
本論文家庭能源管理系統如圖 4.1 輸入架構為：太陽能電源、市電電源及鋰 電池組成的微電網系統，其中太陽能電源及市電電源皆由電源供應器替代。輸出 為模擬家用負載使用情境。控制策略主要分為兩個部分：一為透過第二章所設計 的內迴路架構，在負載變動下使外迴路輸出電壓回授訊號可穩壓在期望值及內迴 路透過控制將獲取較優的控制效果：二為透過第三章所設計的基於規則能量管理 策略、最小等效能耗策略與改良式人工蜂群演算法可主動式功率控制技術與多能 源系統最佳化能量管理技術，適當調度各電源之間之功率流向，並對儲能系統進 行必要之儲能與釋能，並將此技術實現於數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)上。在控制過程中，DSP 控制器將監測能量管理系統中各埠之電壓與電流值，
在計算電壓與電流命令後，輸出控制訊號控制各直流-直流轉換模組之開關，以使 各模組之輸出功率可被主動式分配，達到最佳化之能量管理。
圖4.1 家庭能源管理系統架構
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4.2 系統硬體介紹
本論文硬體架構圖如圖4.2 所示，控制核心由德州儀器(Texas Instruments, TI) 所生產的數位訊號處理器(DSP , TMS320F28335)，DC-DC 轉換器之脈波寬度調變 採用DSP 內建脈波寬度調變(pulse-width modulation , PWM)模組完成。透過 DSP 的 PWM 模組，將計算好的閘級開關訊號經過閘級驅動電路(Gate Driver)傳送至功 率開關。由電壓感測電路、電流感測器之類比訊號由 ADC 取樣並回傳到 DSP 控 制模組，達到最佳化之能量管理。其中Vi1、Ii1、Vo1及 Io1分別為太陽能電源輸入 電壓、電流及輸出電壓、電流；Vi2、Ii2、Vo2及 Io2分別為市電電源輸入電壓、電 流及輸出電壓、電流；Vi3、Ii3、Vo3及 Io3為蓄電池輸入電壓、電流及輸出電壓、
電流；Vo、Io為負載端的電壓及電流。
圖4.2 多能源能量管理系統圖
A. DC-DC 轉換模組
DC-DC 轉換器之元件參數如表 4.1 所示，三台並聯模組之電路實體如圖 4.3 所示。
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表4.1 DC-DC 轉換器規格表
規格 參數值
額定電壓 0-100V
額定電流 0-20 A
額定功率 2kW
電感L 300μH
開關切換頻率fs 25 kHz
輸入電容C1 1000μF
輸出電容C2 1000μF
圖4.3 並聯DC-DC 轉換器模組之電路實體圖
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B. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)功率開關元件 本電路選用 MOSFET 當作開關元件如圖 4.4，此元件具有 1.截止狀態下具有 很小的漏電流。2.極低的導通壓降以降低導通損失。3.極短之導通與截止時間，使 元件之切換頻率可以提高。
圖4.4 功率開關元件
C. 驅動電源與開關驅動器模組
開關驅動器模組與驅動電源， 如圖 4.5 (a)驅動電源是把電源供應轉換爲特 定的電壓12V。開關元件由於控制電路準位為低壓側，轉換器開關位於高壓側並 且具有上下臂不同開關準位問題，因此需要多組隔離驅動電路。一般隔離驅動通 常採用光耦合器或脈衝變壓器，其中因為光耦合器驅動性能較佳，且具有高抗雜 訊之功能，所以採用光耦合器作為隔離驅動 IC。其開關驅動器模組如圖 4.5 (b)所 示，首先，由 DSP 送出 PWM 控制訊號，輸入至開關驅動器模，再從開關驅動 器模將具足夠驅動能力之 PWM 訊號送至開關。
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圖4.5 驅動電源模組 (a) 閘極驅動模組、(b) 閘極驅動電源模組
D. JTAG (Joint Test Access Group)燒錄模組
JTAG 燒錄模組如圖 4.6 所示，本模組提供 DSP 目標端的 PCB 電路雜訊隔 離，保護JTAG 燒錄模組與 PC 及 USB 介面口，避免電流回授導致燒毀。
圖4.6 JTAG 燒錄模組
E. DSP 控制電路
DSP控制電路板選用固緯電子所生產之 PEK-100 控制電路版模組，其硬體如 圖 4.7 所示。以 DSP TMS320F28335 作為控制核心，由雙輸出穩壓 IC 提供 3.3V 與 1.8V 電源，其中，3.3V 即為 28335 IC 的工作電源。當信號送入 DSP 前會先經 過稽納二極體箝位電路以確保進入 IC 之電壓都在 0~3.3V 之間，避免損壞 DSP。
透過隔離的 RS232 通信介面,在實驗中可即時將 DSP 內部信號傳回 PSIM 中的示 波器觀測。
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圖4.7 PEK-100 控制電路版模組
G. 保護電路
保護電路對於系統來說，重要性是不可言喻的。因為系統在運作過程中，有 可能會因外在因素、程式錯誤或是本身電路發生異常，導致整個系統不正常運作；
輕則電路板燒毀，重則會影響到人身安危。本系統的保護電路主要針對輸入過電 流、輸出過電流保護二種
H. 無紙式紀錄器(觸控式)
無紙式紀錄器如圖 4.8，紀錄部分採用無紙式紀錄器(觸控式)。藉由機台(TRM-20)通道埠連接各個轉換器之電壓、電流回授訊號，以此存取實驗所需資料。
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圖4.8 無紙式紀錄器(TRM-20)
I. 鋰電池
微電網系統之儲能裝置。
圖4.9 鋰電池
表4.2 鋰電池規格表
規格 參數值
最大電壓 53V
最小電壓 47V
最大電流 12A
額定功率 600W
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J. 示波器
圖 4.10 具有 4 個類比通道，實驗中可同時觀測太陽能電壓、電流，鋰電池電 壓、電流，市電電壓、電流之訊號，確保實驗過程中參數操作在正確的值且能及 時偵測錯與紀錄短暫時間內的訊息。
圖4.10 DSOX2004A 示波器 K. 可程式電子負載
圖 4.11 額定功率可達 1080W，額定電壓為 150V，額定電流為 200A。並透 過可編輯程式介面進行一日負載排程曲線所對應之家用功率於電子負載中。
圖4.11 PLZ1004W 可程式電子負載
4.3 系統軟體介紹
本節將對 PSIM 電路模擬軟體及德州儀器(Texas Instruments, TI)所生產的數 位訊號處理器(DSP , TMS320F28335)作基本介紹，接著將對本系統程式流程部份 作詳細的說明。
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A. PSIM 電路模擬軟體
本論文選用 PSIM 電路模擬軟體[53]，專門為各式電力電子及馬達驅動系統 所設計之模擬軟體，軟體介面如圖 4.12 所示。其特點為：功能多、元件數量及種 類多、模擬速度快等等。
圖4.12 PSIM 電路模擬軟體
本論文選用之PSIM 功能如下：
a. Digital Control模組：提供各式離散元件如圖所示，zero-order-hold模塊,z-domain轉移函數模塊。
b. SimCoder模組：可將控制電路自動轉換成C語言控制程式[54]。
c. F2833X Target：包含DSP F2833X之元件資料庫，可自動產生燒錄程式。
d. SIMVIEW：處理模擬結果之波形圖。
e. DSP Oscilloscope：此示波器介面如圖4.13所示，可輸入命令信號及接收DSP
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回傳之信號，並在電腦上顯示，其接收之信號可儲存成波形結果，在SIMVIEW 觀察及處理這些信號。
f. PSIM軟體及時控制介面
圖4.13 PSIM DSP Oscilloscope B. 介面數位訊號處理器
數位訊號處理器的設計是以數位計算的方式進行訊號處理，具有強大的數值 計算能力，主要應用影像、語音、儀器量測、控制及通訊等領域。數位訊號處理 器，相較一般的微處理器，數位訊號處理器其設備尺寸小、精確、速度快、彈性 化、造價低與抗干擾強等優勢，因此任何微處理器可應用的場合若需要更快速的 計算能力，很適合使用數位訊號處理器替代。數位訊號處理器具有以下優點[55]：
a. 靈活性高：
數位訊號處理器一般都是可編程(Programmable)，可隨時動態調整參數。例 如：改變類比濾波器的頻率與帶寬，需要重新調整類比電路原有的參數，而數位 濾波器則只需要向計算機輸入調整後的的參數即可。而自適應濾波器因為其使用