胡文雷，楊潤生，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)光柴儲混合能源互補供電系統(tǒng)作為一種新型集成能源設(shè)備，其突出特點在于將新能源發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)固定站點的風(fēng)光資源條件，利用太陽能、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)形成混合能源互補供電系統(tǒng)，替代或者補充蓄電和柴電所提供的電力，減少對石油資源和國家電網(wǎng)的依賴，具有無污染、無噪聲、節(jié)省柴油燃油消耗等特點，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)運行成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)互補發(fā)電設(shè)備的動態(tài)優(yōu)化組合，提高電能質(zhì)量，使風(fēng)光柴儲混合能源互補供電系統(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時智能控制，將是系統(tǒng)高效、可靠運行的保證，但目前國內(nèi)外對風(fēng)光混合供電控制系統(tǒng)的研究多集中于對系統(tǒng)最大功率輸出和控制器的研究，而對整個供電系統(tǒng)負載需求和系統(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)及負載構(gòu)成。

2 風(fēng)光柴儲混合能源互補供電系統(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)電機產(chǎn)生的交流電能經(jīng)整流后進入斬波器轉(zhuǎn)換成脈沖波，由脈沖變壓器將前級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載[4]。

圖1 典型的風(fēng)光柴儲混合能源互補供電系統(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)能控制器可以多臺并機使用（N+1），也可以和DC-DC光伏控制器并機使用組成風(fēng)光互補的電源。風(fēng)能控制器要實現(xiàn)的主要功能是：實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而間接控制發(fā)電機的輸出電壓，為蓄電池的充電或外接負載提供穩(wěn)定的輸出電壓；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的運行情況，對蓄電池進行充、放電控制；為外接負載供電；負載過流保護功能；具有與中心控制器的通信接口。

2.2 光伏控制

對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；工作點跟蹤平穩(wěn)，振蕩?。浑娐方Y(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；采用模塊化設(shè)計，便于安裝維護；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MPPT適配器，采用MPPT適配器進行最大功率點控制，光伏控制器原理如圖2所示。

最大功率跟蹤的實現(xiàn)實質(zhì)上是一個動態(tài)尋優(yōu)的過程，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。從最大功率點跟蹤研究的進展來看，無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，即擾動觀察法、電導(dǎo)增量法。這兩種方法各有利弊，因此本項目在研究目前各種方法的基礎(chǔ)上，基于擾動法提出改進的控制方法，使其既有擾動法的跟蹤能力，又增加了穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)運行的振蕩，既能提高效率又能縮小成本。

圖2 太陽能控制器原理圖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)前負載大小和風(fēng)光的發(fā)電量及蓄電池的狀態(tài)，利用遠程通訊控制方式自動啟停柴電作為后備電源給負載供電或給蓄電池充電。根據(jù)系統(tǒng)并聯(lián)運行要求需對柴電的AVR、同步調(diào)節(jié)器、負荷分配器的特性進行改進，使其并聯(lián)時電壓、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)、信號處理技術(shù)，研究柴電控制技術(shù)，使其具有自啟動、自切換、自運行、自投入和自停機等功能，并配有各種故障報警和自動保護裝置，具有通訊接口與能量管理系統(tǒng)連接進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)遙控、遙信和遙測，做到無人值守。

2.4 蓄電池控制

針對混合能源互補供電系統(tǒng)中儲能裝置的使用特點，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、無毒或少毒、對環(huán)境無污染。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、對環(huán)境無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控制是通過控制串聯(lián)開關(guān)管的導(dǎo)通脈寬，實現(xiàn)對充電電壓或電流的控制?？梢钥刂瞥潆婋妷夯虺潆婋娏?，可以實現(xiàn)蓄電池的分階段控制，實現(xiàn)按蓄電池特性進行優(yōu)化充電，并可對蓄電池的過充電進行保護，并且擴展實現(xiàn)了以太陽能、風(fēng)能電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時作為變量綜合的充/放電控制[9-10]。

2.5 補償控制

系統(tǒng)根據(jù)用電設(shè)備對供電品質(zhì)和電氣技術(shù)性能指標的要求，采用不同的電氣補償技術(shù)對混合能源互補供電系統(tǒng)進行補償，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)，進而減少和防止由于電能質(zhì)量問題而影響用電設(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)光柴儲并聯(lián)控制

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

在混合能源互補供電系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)電與負荷有功功率的平衡，是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的必要條件，如果不加以控制，直流母線電壓將出現(xiàn)較大波動，使系統(tǒng)無法正常工作。直流母線可直接向負載提供直流電，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。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為太陽能發(fā)電裝置輸出電流；iL系統(tǒng)輸送到負載的電流。

穩(wěn)定直流母線電壓，利用儲能裝置可以有效地補償由于風(fēng)速、光照變化以及負荷變化所引起的母線電壓波動，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)光柴儲混合能源互補供電能量管理控制實現(xiàn)

3.1 多目標優(yōu)化理論

在研究風(fēng)、光、柴、儲等各部件能量管理策略的基礎(chǔ)上，基于多目標優(yōu)化控制理論與方法提出風(fēng)光柴儲混合能源互補供電系統(tǒng)的能量管理策略[11-13]，開展系統(tǒng)指標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。

多目標優(yōu)化控制可以通過線性加權(quán)和法來實現(xiàn)，權(quán)系數(shù)的大小反映每個優(yōu)化指標作用的大小；因此線性加權(quán)和法可以在多個性能指標之間協(xié)調(diào)優(yōu)化，能較好地完成多目標優(yōu)化控制。首先確定系統(tǒng)控制目標，即Fj（x）（j=1，2，Λ，p）表示p個系統(tǒng)性能指標，將該系統(tǒng)性能指標集合作標準化處理得到特征向量：

式中，Bj（x）（j=1，2，Λ，p）為指標基值。

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

再對此目標函數(shù)在多目標規(guī)劃的約束集合R上求最優(yōu)解。由于權(quán)系數(shù)直接反映目標函數(shù)重要程度，一般說來，重要的目標函數(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)的這一特點非常適合模糊算法，因此可以利用模糊推理算法來確定權(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，研究不同的運行控制策略。通過研究提出風(fēng)光柴儲混合能源互補供電系統(tǒng)的能量管理策略，即負載跟隨策略、經(jīng)濟型策略和高效型策略。

3.2 模態(tài)協(xié)調(diào)機制

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、擴展性、穩(wěn)定性的用電設(shè)備系統(tǒng)電氣負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，進一步考慮到系統(tǒng)連續(xù)動態(tài)和離散事件動態(tài)的混雜特性，運用有色Petri網(wǎng)建立整體運行、優(yōu)化控制和協(xié)作交互等系統(tǒng)級模型，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，開展仿真和試驗驗證，從實踐的角度檢驗用電設(shè)備電氣特性隨供電電能質(zhì)量變化的響應(yīng)，負荷結(jié)構(gòu)與電源特性試驗系統(tǒng)方案如圖3所示。一方面利用典型負荷（如小型化的阻感負荷、變頻調(diào)速電機、逆變裝置等）和電子負荷建立綜合負荷模型，研究不同負荷結(jié)構(gòu)和參數(shù)對系統(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，開展極端條件下負荷結(jié)構(gòu)與風(fēng)-光-柴互補供電系統(tǒng)電能質(zhì)量具體指標之間的影響作用關(guān)系，使模態(tài)協(xié)調(diào)與能量控制系統(tǒng)滿足設(shè)備實際負荷用電特性要求。

最后，基于多目標優(yōu)化控制理論設(shè)計系統(tǒng)能量穩(wěn)態(tài)分配和動態(tài)補償有機結(jié)合的模態(tài)協(xié)調(diào)機制，并采用離散-連續(xù)混合控制方法實現(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)實現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計報表、報警和趨勢分析等功能。

4 結(jié)論

本文從工程實際角度出發(fā)，分析混合能源供電系統(tǒng)的各部分的控制特性，基于多目標優(yōu)化理論以及動態(tài)補償技術(shù)通過大量實驗調(diào)整最優(yōu)系統(tǒng)能量管理策略，設(shè)計模態(tài)協(xié)調(diào)與能量管理控制系統(tǒng)，并設(shè)計開發(fā)運行監(jiān)控界面實時監(jiān)控運行狀態(tài)，達到了針對不同用電設(shè)備混合能源供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟的要求。

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

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

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