劉 倩,李 時,劉曉淞,孫 靜

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽滁州 239000； 2.國網(wǎng)滁州供電公司營銷部，安徽滁州 239000)

基于監(jiān)督預(yù)測的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)計(jì)

劉 倩1,李 時2,劉曉淞2,孫 靜2

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽滁州 239000； 2.國網(wǎng)滁州供電公司營銷部，安徽滁州 239000)

針對在高頻擾動、多變化的自然環(huán)境下合理地分配風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各部分發(fā)出功率的問題，提出了基于監(jiān)督預(yù)測的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。采用滑模變結(jié)構(gòu)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器，利用監(jiān)督預(yù)測算法求解優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入監(jiān)督預(yù)測系統(tǒng)之后的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)不僅能合理跟蹤負(fù)載，還可限制系統(tǒng)輸出功率幅值，確保設(shè)備安全。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電；滑模變結(jié)構(gòu)；預(yù)測控制；仿真

引言

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)是丹麥的N. Busch和K.Ollenbac最早提出來的，國內(nèi)外論文已有將滑模變結(jié)構(gòu)控制器運(yùn)用于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和單獨(dú)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，[1] 680-686 ,[2] 448-455其運(yùn)用的是滑模變結(jié)構(gòu)的非線性、對系統(tǒng)的干擾和參數(shù)攝動具有完全自適應(yīng)性突出優(yōu)點(diǎn)。下文針對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)高度非線性的特點(diǎn)，在變環(huán)境下將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器結(jié)合起來，避免各個子系統(tǒng)單獨(dú)作用時候的缺陷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)電。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電

太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)的主要代表，其突出優(yōu)點(diǎn)就是資源豐富、永不衰竭，但是也存在各自的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電都容易受季節(jié)變換的影響，各國各地地形和氣候差異也是制約其發(fā)展和推廣普及的因素。由于風(fēng)力在夏季以及白天較少、冬季和夜里較多，太陽能正好呈現(xiàn)與其互補(bǔ)的資源狀態(tài)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用能最大地發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)?？紤]到風(fēng)力發(fā)電的成本少于光伏發(fā)電成本，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是以風(fēng)力發(fā)電為主，以光伏發(fā)電為輔，蓄電池作為電力供應(yīng)的補(bǔ)充，分為三種模式運(yùn)行。

1.1在風(fēng)力充足完全能滿足負(fù)荷需求的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)閉，蓄電池系統(tǒng)處于存儲能量的狀態(tài)。

1.2在風(fēng)力不充足的時候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不能滿足負(fù)荷要求，需要開啟光伏發(fā)電系統(tǒng)，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于最大功率發(fā)電狀態(tài)。蓄電池系統(tǒng)不開啟。

1.3在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)以最大輸出功率模式運(yùn)行時都不能滿足負(fù)荷要求時，需要開啟蓄電池系統(tǒng)，蓄電池處于放電狀態(tài)，若負(fù)荷需求超過蓄電池容量，則需要斷開蓄電池以防止蓄電池?fù)p壞，保護(hù)設(shè)備。

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

在負(fù)荷已知的情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式分為風(fēng)力充足的時候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率P(w)能完全滿足負(fù)荷的要求，這是一種工作模式，此時滑模面選擇為

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，當(dāng)負(fù)荷為已知的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在兩種運(yùn)行模式，其一是光線充足時候，其二是光線不足時不能滿足負(fù)荷需求的情況。

Pmax為光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大可輸出功率，Psref為負(fù)載需求。h1=iL-is為第一種運(yùn)行模式的滑模面，h2=?ppv/?vpv為第二種運(yùn)行模式的滑模面。

3 監(jiān)督預(yù)測原理及控制器設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)督預(yù)測原理

在保持控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)層的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不變的情況下，加入監(jiān)督優(yōu)化機(jī)制就是監(jiān)督預(yù)測控制。即在不改變控制器原來的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在其上增加一個監(jiān)督優(yōu)化層，使原有的控制器更好地跟蹤給定值。其算法需要設(shè)定一個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，此目標(biāo)函數(shù)的確定不僅要滿足誤差指標(biāo)，還要滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以及改善系統(tǒng)的性能。

圖1 監(jiān)督預(yù)測控制系統(tǒng)Fig.1 Supervisory predictive control system

注：J為監(jiān)督預(yù)測控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)；W為外部參考設(shè)定值；r為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)層的最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)；y為輸出量；u為系統(tǒng)的控制量；e為系統(tǒng)不能被測量的擾動信號；v為系統(tǒng)中可以被測量的擾動。

3.2 監(jiān)督預(yù)測控制器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)督預(yù)測控制器有兩個重要作用。

(1)協(xié)調(diào)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，使其跟蹤給負(fù)載，體現(xiàn)在監(jiān)督預(yù)測模型里的尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)。

(2)減少發(fā)電系統(tǒng)中的電流突變情況發(fā)生，起到保護(hù)設(shè)備的目的，體現(xiàn)在監(jiān)督預(yù)測模型里增加一個最大功率增量的剛性約束，同時避免電池頻繁充放電。

監(jiān)督預(yù)測控制器監(jiān)督預(yù)測負(fù)荷的步驟：

(1)假設(shè)負(fù)載變化情況已知，即系統(tǒng)總功率Pt已知。

(3)監(jiān)督預(yù)測控制系統(tǒng)每一步(tn=t0+nΔ, n=0,1,2…,t0是初始時刻，Δ為滾動時域每一步的采樣步長)都要對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到預(yù)測到的給定功率，輸出給風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

(4)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測情況及實(shí)際負(fù)荷情況重新滾動優(yōu)化。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

以MATLAB為平臺，針對安徽省滁州市天長縣的氣象條件情況，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在滑模變結(jié)構(gòu)控制器的作用下的工作情況進(jìn)行仿真分析。選擇監(jiān)督預(yù)測控制的采樣時間Δ=0.01秒，預(yù)測時域N=3，風(fēng)力系統(tǒng)給定功率的最大升幅限制在1000W，光伏系統(tǒng)給定功率的最大升幅限制在500W。圖2所示為實(shí)際環(huán)境天氣溫度以及風(fēng)速變化情況，測試時間選為160秒，經(jīng)多次測試取輸出曲線進(jìn)行分析：

注：圖2中第一幅圖為某時某天160秒內(nèi)實(shí)際負(fù)荷的需求曲線；第二幅圖為取樣時間內(nèi)風(fēng)速變化曲線；第三副圖為光照強(qiáng)度的變化曲線；第四幅圖為取樣時間內(nèi)溫度變化曲線。

圖3 基于監(jiān)督預(yù)測的系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.3 The system output power curve based on the monitoring forecast

圖3中第一張圖示：第一條曲線為存在高頻擾動的取樣環(huán)境下風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)出的總功率，虛線為外界總負(fù)荷需求功率曲線，第二條曲線為蓄電池提供的功率曲線。第二幅圖為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率圖：第一條曲線為存在高頻擾動的取樣環(huán)境下風(fēng)力最大能發(fā)出的功率，第二條曲線為其實(shí)際提供給負(fù)荷的功率曲線圖。第三幅圖為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線：第一條曲線為高頻擾動取樣環(huán)境下光伏系統(tǒng)能提供的最大功率，第二條曲線是光伏系統(tǒng)提供的實(shí)際功率。

分析圖3中各曲線，在26秒之前，50秒到65秒，95秒到112秒，135秒之后系統(tǒng)處于第一種工作模式，此時風(fēng)力足夠大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能發(fā)出的最大功率超過實(shí)際負(fù)荷需求，監(jiān)督預(yù)測系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計(jì)原則優(yōu)先選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池都處于關(guān)閉狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會按照監(jiān)督預(yù)測控制器的算法實(shí)行跟蹤負(fù)荷發(fā)電。其他時間段，光伏發(fā)電系統(tǒng)作為補(bǔ)充給負(fù)荷提供功率，不足的時候蓄電池系統(tǒng)開啟(27秒到45秒左右，67秒到88秒左右，113到135秒左右)，此時系統(tǒng)處于第二、第三種發(fā)電模式。通過仿真可以看出，監(jiān)督預(yù)測系統(tǒng)通過反復(fù)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，合理地分配了各子系統(tǒng)的出力狀況，很好地對負(fù)荷進(jìn)行跟蹤發(fā)電。

小結(jié)

本設(shè)計(jì)采用監(jiān)督預(yù)測控制器來合理分配各子系統(tǒng)的發(fā)電，主要考慮發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、功率增幅不能過大等因素，根據(jù)安徽省滁州市天長縣的實(shí)際環(huán)境天氣溫度以及風(fēng)速變化情況進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，監(jiān)督預(yù)測控制算法能很好地對風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)、光伏子系統(tǒng)、蓄電池子系統(tǒng)進(jìn)行分配，很好地完成了負(fù)荷跟蹤，并抑制了最大功率增量，同時避免電池頻繁充放電，起到了很好的控制效果。

[1]Valenciaga F,Puleston P F,Battaiotto P E,et al .Passivity/sliding mode control of a stand-alone hybrid generation system[J].IEEE Proceedings-Control Theory and Applications,2000,147(6).

[2]Valenciaga F,Puleston P F,Battaiotto P E.Power control of a photovoltaic array in a hybrid electric generation system using sliding mode techniques[J]. IEEE Proceedings-Control Theory and Applications,2001,148(6).

[3]肖夏,候建富,王釗.具有MPPT功能的光伏系統(tǒng)仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2013(10):929-933.

[4]蔡國偉,孔令國,楊德友,潘超,孫正龍.大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模與運(yùn)行特性研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2012(1):65-71.

[5]馬振宇,玄兆燕,景會成,趙欣.風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤控制[J].機(jī)械工程與自動化,2017(3):38-39.

[6]陳景龍,李文宏.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電無線電能傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017(2):49-56.

[7]談博,蔡遠(yuǎn)利,史椸.采用變時域監(jiān)督預(yù)測控制的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2016(12):92-98.

[8]李素真,袁鋼,劉向杰.改進(jìn)的監(jiān)督預(yù)測控制算法在IGCC中的應(yīng)用[J].鍋爐技術(shù),2015(2):1-5.

[9]劉金琨.滑模變節(jié)后控制Matlab仿真[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[10]Sasmita Behera,Subhrajit Sahoo,B.B. Pati. A review on optimization algorithms and application to wind energy integration to grid[J] .Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015.

[11]張?zhí)K英,李穎輝.基于新型趨近率的永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)矢量控制[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(4):382-389.

[12]秦燕,李中年,郭亞琴.一種改進(jìn)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法[J].軟件導(dǎo)刊,2016(9):13-16.

Class No.:TM61 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Design of Wind Solar Hybrid Power Generation Based on Supervised Prediction

Liu Qian1，Li Shi2，Liu Xiaosong2，Sun Jing2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Chuzhou Vocational and Technical College, Chuzhou, Anhui 239000,China; 2.Marketing Department, State Grid Corporation of Chuzhou, Chuzhou, Anhui 239000，China)

Wind and solar power generation system based on monitoring and forecasting is proposed for this problem that how to allocate the power of each part of the solar photovoltaic complementary power generation system under high frequency disturbance and varied natural environment. Taking the sliding mode variable structure as a wind power generation system and a photovoltaic power generation system controller, we try to solves the optimization objective function by using the supervised prediction algorithm. The experimental results show that the wind and solar power generation system can not only track the load reasonably, but also limit the output power amplitude of the system and ensure the safety of the equipment.

wind/solar hybrid generation；sliding mode variable structure; predictive control；simulation

劉倩，碩士，講師，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

安徽省省級質(zhì)量工程項(xiàng)目“電氣自動化”特色專業(yè)(編號：2016tszy061)。

1672-6758(2017)08-0036-4

TM61

A