混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)能量管理與控制技術(shù)研究

胡文雷，楊潤(rùn)生，解璞，張婷婷

（1.軍械工程學(xué)院電力工程教研室，河北石家莊 050003；2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401）

風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)作為一種新型集成能源設(shè)備，其突出特點(diǎn)在于將新能源發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)固定站點(diǎn)的風(fēng)光資源條件，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能電源作為供電電源，與柴電、蓄電等多種能源形式互聯(lián)形成混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)，替代或者補(bǔ)充蓄電和柴電所提供的電力，減少對(duì)石油資源和國(guó)家電網(wǎng)的依賴，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、節(jié)省柴油燃油消耗等特點(diǎn)，并提高供電系統(tǒng)的安全性、可靠性和連續(xù)性[1]。合理的能量管理與控制系統(tǒng)不僅能夠提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合，提高電能質(zhì)量，使風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)成為一種穩(wěn)定可靠的電源，所以系統(tǒng)優(yōu)化的能量管理以及實(shí)時(shí)智能控制，將是系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的保證，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)光混合供電控制系統(tǒng)的研究多集中于對(duì)系統(tǒng)最大功率輸出和控制器的研究，而對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)負(fù)載需求和系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和能量管理方面的研究較少[2-8]。

1 風(fēng)光柴儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示系統(tǒng)主要由電源（光伏系統(tǒng)、風(fēng)電系統(tǒng)、柴電系統(tǒng)）、儲(chǔ)能裝置（蓄電池組）、變換器、能量管理控制器、監(jiān)控系統(tǒng)及負(fù)載構(gòu)成。

2 風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制器研究

2.1 風(fēng)能控制

風(fēng)能控制器從輸出性能上可分為兩個(gè)類型，即蓄電池穩(wěn)壓型和AC-DC穩(wěn)壓輸出型。AC-DC風(fēng)能控制采用開關(guān)電源的工作模式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電能經(jīng)整流后進(jìn)入斬波器轉(zhuǎn)換成脈沖波，由脈沖變壓器將前級(jí)的脈沖電壓變換成所需的通訊電壓，并經(jīng)整流穩(wěn)壓后輸出給蓄電池和負(fù)載[4]。

圖1 典型的風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The typical structure of the wind-solar-diesel storage hybrid energy complementary power supply system

AC-DC風(fēng)能控制器可以多臺(tái)并機(jī)使用（N+1），也可以和DC-DC光伏控制器并機(jī)使用組成風(fēng)光互補(bǔ)的電源。風(fēng)能控制器要實(shí)現(xiàn)的主要功能是：實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而間接控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，為蓄電池的充電或外接負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況，對(duì)蓄電池進(jìn)行充、放電控制；為外接負(fù)載供電；負(fù)載過(guò)流保護(hù)功能；具有與中心控制器的通信接口。

2.2 光伏控制

對(duì)光伏控制器在性能方面提出如下要求：能追隨環(huán)境的變化，高速地取得正確的最佳工作點(diǎn)；工作點(diǎn)跟蹤平穩(wěn)，振蕩??；電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；采用模塊化設(shè)計(jì)，便于安裝維護(hù)；具有與中心控制器的通信接口。

為滿足上述要求，本系統(tǒng)在光伏陣列與蓄電池之間插入一個(gè)MPPT適配器，采用MPPT適配器進(jìn)行最大功率點(diǎn)控制，光伏控制器原理如圖2所示。

最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過(guò)程，MPPT在控制理論方面的研究主要集中在：優(yōu)化控制、模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等方面。從最大功率點(diǎn)跟蹤研究的進(jìn)展來(lái)看，無(wú)論是在電力電子技術(shù)應(yīng)用方面還是在控制理論方面，其研究基礎(chǔ)都是基于兩種方法之上，即擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法。這兩種方法各有利弊，因此本項(xiàng)目在研究目前各種方法的基礎(chǔ)上，基于擾動(dòng)法提出改進(jìn)的控制方法，使其既有擾動(dòng)法的跟蹤能力，又增加了穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)運(yùn)行的振蕩，既能提高效率又能縮小成本。

圖2 太陽(yáng)能控制器原理圖Fig.2 Schematic diagram of the solar controller

2.3 柴電控制

混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，柴電是保證系統(tǒng)連續(xù)可靠工作的后備單元。應(yīng)可根據(jù)當(dāng)前負(fù)載大小和風(fēng)光的發(fā)電量及蓄電池的狀態(tài)，利用遠(yuǎn)程通訊控制方式自動(dòng)啟停柴電作為后備電源給負(fù)載供電或給蓄電池充電。根據(jù)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行要求需對(duì)柴電的AVR、同步調(diào)節(jié)器、負(fù)荷分配器的特性進(jìn)行改進(jìn)，使其并聯(lián)時(shí)電壓、頻率、波形、相位、相序與系統(tǒng)一致。

本系統(tǒng)采用微處理器控制技術(shù)、傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)，研究柴電控制技術(shù)，使其具有自啟動(dòng)、自切換、自運(yùn)行、自投入和自停機(jī)等功能，并配有各種故障報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)裝置，具有通訊接口與能量管理系統(tǒng)連接進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信和遙測(cè)，做到無(wú)人值守。

2.4 蓄電池控制

針對(duì)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置的使用特點(diǎn)，作為新型蓄電池要求是：容量高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全、工作溫度范圍寬、無(wú)毒或少毒、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。本系統(tǒng)采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池均能滿足以上性能要求，特別在大放電率放電、放電電壓平穩(wěn)、安全、壽命、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等方面目前均是最好的。

充電控制主要分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和PWM控制。PWM控制是通過(guò)控制串聯(lián)開關(guān)管的導(dǎo)通脈寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓或電流的控制。可以控制充電電壓或充電電流，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的分階段控制，實(shí)現(xiàn)按蓄電池特性進(jìn)行優(yōu)化充電，并可對(duì)蓄電池的過(guò)充電進(jìn)行保護(hù)，并且擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了以太陽(yáng)能、風(fēng)能電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時(shí)作為變量綜合的充/放電控制[9-10]。

2.5 補(bǔ)償控制

系統(tǒng)根據(jù)用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)和電氣技術(shù)性能指標(biāo)的要求，采用不同的電氣補(bǔ)償技術(shù)對(duì)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，避免出現(xiàn)大馬拉小車、高性能供電保障系統(tǒng)向低精度設(shè)備供電或供電品質(zhì)不能滿足設(shè)備要求的現(xiàn)象出現(xiàn)，進(jìn)而減少和防止由于電能質(zhì)量問(wèn)題而影響用電設(shè)備性能，使供電系統(tǒng)滿足設(shè)備用電要求，保障設(shè)備效能發(fā)揮。

2.6 風(fēng)光柴儲(chǔ)并聯(lián)控制

在混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，風(fēng)光柴儲(chǔ)各單元分別經(jīng)相應(yīng)的控制器與直流母線聯(lián)接，風(fēng)光柴儲(chǔ)等不同的供電單元并聯(lián)為負(fù)載供電，必須首先穩(wěn)定直流母線電壓；其次根據(jù)用電負(fù)荷變化，對(duì)供電單元進(jìn)行按比例均流控制，使供電單元的負(fù)載均衡。

在混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷有功功率的平衡，是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，如果不加以控制，直流母線電壓將出現(xiàn)較大波動(dòng)，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。直流母線可直接向負(fù)載提供直流電，也可經(jīng)DC-DC變換器或PWM逆變器再把電能提供給直流或交流負(fù)載使用，因此系統(tǒng)直流母線電壓的變化直接影響系統(tǒng)給負(fù)載提供電能的質(zhì)量，因而穩(wěn)定的直流電壓是系統(tǒng)工作可靠性和性能的又一重要指標(biāo)。直流母線的電壓為被控量，使系統(tǒng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一定范圍。其數(shù)學(xué)模型為：

式中，Udc為直流母線電壓；iω為風(fēng)力發(fā)電裝置輸出電流；iPV為太陽(yáng)能發(fā)電裝置輸出電流；iL系統(tǒng)輸送到負(fù)載的電流。

穩(wěn)定直流母線電壓，利用儲(chǔ)能裝置可以有效地補(bǔ)償由于風(fēng)速、光照變化以及負(fù)荷變化所引起的母線電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低由此而引起的蓄電池的充放電次數(shù)。

3 風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電能量管理控制實(shí)現(xiàn)

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化理論

在研究風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)等各部件能量管理策略的基礎(chǔ)上，基于多目標(biāo)優(yōu)化控制理論與方法提出風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的能量管理策略[11-13]，開展系統(tǒng)指標(biāo)與能量管理策略的關(guān)系研究，確定不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式下系統(tǒng)最優(yōu)能量管理策略，如光-柴系統(tǒng)能量管理策略、風(fēng)-柴系統(tǒng)能量管理策略、風(fēng)-光-柴系統(tǒng)能量管理策略等等，以適應(yīng)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需要。

多目標(biāo)優(yōu)化控制可以通過(guò)線性加權(quán)和法來(lái)實(shí)現(xiàn)，權(quán)系數(shù)的大小反映每個(gè)優(yōu)化指標(biāo)作用的大??；因此線性加權(quán)和法可以在多個(gè)性能指標(biāo)之間協(xié)調(diào)優(yōu)化，能較好地完成多目標(biāo)優(yōu)化控制。首先確定系統(tǒng)控制目標(biāo)，即Fj（x）（j=1，2，Λ，p）表示p個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)，將該系統(tǒng)性能指標(biāo)集合作標(biāo)準(zhǔn)化處理得到特征向量：

式中，Bj（x）（j=1，2，Λ，p）為指標(biāo)基值。

其次，再按照所有性能指標(biāo)的重要程度分別乘以權(quán)系數(shù)Kj（x）（j=1，2，Λ，p），然后相加作為目標(biāo)函數(shù)即：

再對(duì)此目標(biāo)函數(shù)在多目標(biāo)規(guī)劃的約束集合R上求最優(yōu)解。由于權(quán)系數(shù)直接反映目標(biāo)函數(shù)重要程度，一般說(shuō)來(lái)，重要的目標(biāo)函數(shù)，相應(yīng)的權(quán)系數(shù)就要給得大些（≤1）；而不很重要的目標(biāo)函數(shù)，其相應(yīng)的權(quán)系數(shù)就要給得小些（≥0）。權(quán)系數(shù)的這一特點(diǎn)非常適合模糊算法，因此可以利用模糊推理算法來(lái)確定權(quán)系數(shù)向量。

在模糊推理系統(tǒng)中，取系統(tǒng)性能指標(biāo)Fj（x）為模糊系統(tǒng)的輸入量，輸出量為權(quán)系數(shù)Kj（j=1，2，Λ，p）。定義權(quán)系數(shù)集W={w1，w2，Λ，wm}為m級(jí)權(quán)系數(shù)，則權(quán)系數(shù)模糊關(guān)系矩陣可以表示為：

則權(quán)系數(shù)可以表示為：

根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，研究不同的運(yùn)行控制策略。通過(guò)研究提出風(fēng)光柴儲(chǔ)混合能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的能量管理策略，即負(fù)載跟隨策略、經(jīng)濟(jì)型策略和高效型策略。

3.2 模態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)制

首先，按照適用性、集合性的建模原則建立用電設(shè)備各類模型，構(gòu)建具有開放性、靈活性、擴(kuò)展性、穩(wěn)定性的用電設(shè)備系統(tǒng)電氣負(fù)荷特性和電源特性仿真分析系統(tǒng)，并在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮到系統(tǒng)連續(xù)動(dòng)態(tài)和離散事件動(dòng)態(tài)的混雜特性，運(yùn)用有色Petri網(wǎng)建立整體運(yùn)行、優(yōu)化控制和協(xié)作交互等系統(tǒng)級(jí)模型，其次，開展由傅里葉變換、小波變換、矢量變換、分叉理論等組成的適用于獨(dú)立有限容量電力系統(tǒng)分析的理論體系和分析方法研究，

再次，開展仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，從實(shí)踐的角度檢驗(yàn)用電設(shè)備電氣特性隨供電電能質(zhì)量變化的響應(yīng)，負(fù)荷結(jié)構(gòu)與電源特性試驗(yàn)系統(tǒng)方案如圖3所示。一方面利用典型負(fù)荷（如小型化的阻感負(fù)荷、變頻調(diào)速電機(jī)、逆變裝置等）和電子負(fù)荷建立綜合負(fù)荷模型，研究不同負(fù)荷結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響；另一方面利用交/直流電壓跌落模擬器、高頻噪聲模擬器及脈沖群發(fā)生器等設(shè)備向系統(tǒng)注入干擾信號(hào)，開展極端條件下負(fù)荷結(jié)構(gòu)與風(fēng)-光-柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量具體指標(biāo)之間的影響作用關(guān)系，使模態(tài)協(xié)調(diào)與能量控制系統(tǒng)滿足設(shè)備實(shí)際負(fù)荷用電特性要求。

最后，基于多目標(biāo)優(yōu)化控制理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)能量穩(wěn)態(tài)分配和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償有機(jī)結(jié)合的模態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)制，并采用離散-連續(xù)混合控制方法實(shí)現(xiàn)離散的頂層能量狀態(tài)轉(zhuǎn)換的決策和底層各單元的連續(xù)控制，并基于組態(tài)王軟件開發(fā)如圖4所示監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、報(bào)警和趨勢(shì)分析等功能。

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)際角度出發(fā)，分析混合能源供電系統(tǒng)的各部分的控制特性，基于多目標(biāo)優(yōu)化理論以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)調(diào)整最優(yōu)系統(tǒng)能量管理策略，設(shè)計(jì)模態(tài)協(xié)調(diào)與能量管理控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)開發(fā)運(yùn)行監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了針對(duì)不同用電設(shè)備混合能源供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟(jì)的要求。

圖3 負(fù)荷結(jié)構(gòu)與電源特性試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Composition diagram of the load structure and power source test system

圖4 風(fēng)光柴儲(chǔ)互補(bǔ)供電監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面圖Fig.4 The interface of the monitoring system for wind-solar-diesel complementary power supply

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