混合能源互补供电系统能量管理与控制技术研究

胡文雷，杨润生，解璞，张婷婷

（1.军械工程学院电力工程教研室，河北石家庄 050003；2.河北工业大学信息工程学院，天津 300401）

风光柴储混合能源互补供电系统作为一种新型集成能源设备，其突出特点在于将新能源发电技术与传统能源发电技术相结合，根据固定站点的风光资源条件，利用太阳能、风能电源作为供电电源，与柴电、蓄电等多种能源形式互联形成混合能源互补供电系统，替代或者补充蓄电和柴电所提供的电力，减少对石油资源和国家电网的依赖，具有无污染、无噪声、节省柴油燃油消耗等特点，并提高供电系统的安全性、可靠性和连续性[1]。合理的能量管理与控制系统不仅能够提高系统的安全性、稳定性、降低系统运行成本，而且能够实现互补发电设备的动态优化组合，提高电能质量，使风光柴储混合能源互补供电系统成为一种稳定可靠的电源，所以系统优化的能量管理以及实时智能控制，将是系统高效、可靠运行的保证，但目前国内外对风光混合供电控制系统的研究多集中于对系统最大功率输出和控制器的研究，而对整个供电系统负载需求和系统的协调控制和能量管理方面的研究较少[2-8]。

1 风光柴储系统结构

如图1所示系统主要由电源（光伏系统、风电系统、柴电系统）、储能装置（蓄电池组）、变换器、能量管理控制器、监控系统及负载构成。

2 风光柴储混合能源互补供电系统控制器研究

2.1 风能控制

风能控制器从输出性能上可分为两个类型，即蓄电池稳压型和AC-DC稳压输出型。AC-DC风能控制采用开关电源的工作模式，风力发电机产生的交流电能经整流后进入斩波器转换成脉冲波，由脉冲变压器将前级的脉冲电压变换成所需的通讯电压，并经整流稳压后输出给蓄电池和负载[4]。

图1 典型的风光柴储混合能源互补供电系统结构Fig.1 The typical structure of the wind-solar-diesel storage hybrid energy complementary power supply system

AC-DC风能控制器可以多台并机使用（N+1），也可以和DC-DC光伏控制器并机使用组成风光互补的电源。风能控制器要实现的主要功能是：实现对风力发电机的转速进行调节，从而间接控制发电机的输出电压，为蓄电池的充电或外接负载提供稳定的输出电压；根据风力发电机的运行情况，对蓄电池进行充、放电控制；为外接负载供电；负载过流保护功能；具有与中心控制器的通信接口。

2.2 光伏控制

对光伏控制器在性能方面提出如下要求：能追随环境的变化，高速地取得正确的最佳工作点；工作点跟踪平稳，振荡小；电路结构简单，可靠性高；采用模块化设计，便于安装维护；具有与中心控制器的通信接口。

为满足上述要求，本系统在光伏阵列与蓄电池之间插入一个MPPT适配器，采用MPPT适配器进行最大功率点控制，光伏控制器原理如图2所示。

最大功率跟踪的实现实质上是一个动态寻优的过程，MPPT在控制理论方面的研究主要集中在：优化控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制、自适应控制等方面。从最大功率点跟踪研究的进展来看，无论是在电力电子技术应用方面还是在控制理论方面，其研究基础都是基于两种方法之上，即扰动观察法、电导增量法。这两种方法各有利弊，因此本项目在研究目前各种方法的基础上，基于扰动法提出改进的控制方法，使其既有扰动法的跟踪能力，又增加了稳定性，减少了系统运行的振荡，既能提高效率又能缩小成本。

图2 太阳能控制器原理图Fig.2 Schematic diagram of the solar controller

2.3 柴电控制

混合能源互补供电系统中，柴电是保证系统连续可靠工作的后备单元。应可根据当前负载大小和风光的发电量及蓄电池的状态，利用远程通讯控制方式自动启停柴电作为后备电源给负载供电或给蓄电池充电。根据系统并联运行要求需对柴电的AVR、同步调节器、负荷分配器的特性进行改进，使其并联时电压、频率、波形、相位、相序与系统一致。

本系统采用微处理器控制技术、传感技术、信号处理技术，研究柴电控制技术，使其具有自启动、自切换、自运行、自投入和自停机等功能，并配有各种故障报警和自动保护装置，具有通讯接口与能量管理系统连接进行集中监控，实现遥控、遥信和遥测，做到无人值守。

2.4 蓄电池控制

针对混合能源互补供电系统中储能装置的使用特点，作为新型蓄电池要求是：容量高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。本系统采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池均能满足以上性能要求，特别在大放电率放电、放电电压平稳、安全、寿命、对环境无污染等方面目前均是最好的。

充电控制主要分为并联型、串联型和PWM控制。PWM控制是通过控制串联开关管的导通脉宽，实现对充电电压或电流的控制。可以控制充电电压或充电电流，可以实现蓄电池的分阶段控制，实现按蓄电池特性进行优化充电，并可对蓄电池的过充电进行保护，并且扩展实现了以太阳能、风能电压、电流和蓄电池电压、电流、容量同时作为变量综合的充/放电控制[9-10]。

2.5 补偿控制

系统根据用电设备对供电品质和电气技术性能指标的要求，采用不同的电气补偿技术对混合能源互补供电系统进行补偿，避免出现大马拉小车、高性能供电保障系统向低精度设备供电或供电品质不能满足设备要求的现象出现，进而减少和防止由于电能质量问题而影响用电设备性能，使供电系统满足设备用电要求，保障设备效能发挥。

2.6 风光柴储并联控制

在混合能源互补供电系统中，风光柴储各单元分别经相应的控制器与直流母线联接，风光柴储等不同的供电单元并联为负载供电，必须首先稳定直流母线电压；其次根据用电负荷变化，对供电单元进行按比例均流控制，使供电单元的负载均衡。

在混合能源互补供电系统中，系统发电与负荷有功功率的平衡，是系统安全稳定运行的必要条件，如果不加以控制，直流母线电压将出现较大波动，使系统无法正常工作。直流母线可直接向负载提供直流电，也可经DC-DC变换器或PWM逆变器再把电能提供给直流或交流负载使用，因此系统直流母线电压的变化直接影响系统给负载提供电能的质量，因而稳定的直流电压是系统工作可靠性和性能的又一重要指标。直流母线的电压为被控量，使系统直流侧电压稳定在一定范围。其数学模型为：

式中，Udc为直流母线电压；iω为风力发电装置输出电流；iPV为太阳能发电装置输出电流；iL系统输送到负载的电流。

稳定直流母线电压，利用储能装置可以有效地补偿由于风速、光照变化以及负荷变化所引起的母线电压波动，提高系统的稳定性，降低由此而引起的蓄电池的充放电次数。

3 风光柴储混合能源互补供电能量管理控制实现

3.1 多目标优化理论

在研究风、光、柴、储等各部件能量管理策略的基础上，基于多目标优化控制理论与方法提出风光柴储混合能源互补供电系统的能量管理策略[11-13]，开展系统指标与能量管理策略的关系研究，确定不同系统结构及运行方式下系统最优能量管理策略，如光-柴系统能量管理策略、风-柴系统能量管理策略、风-光-柴系统能量管理策略等等，以适应不同系统结构的需要。

多目标优化控制可以通过线性加权和法来实现，权系数的大小反映每个优化指标作用的大小；因此线性加权和法可以在多个性能指标之间协调优化，能较好地完成多目标优化控制。首先确定系统控制目标，即Fj（x）（j=1，2，Λ，p）表示p个系统性能指标，将该系统性能指标集合作标准化处理得到特征向量：

式中，Bj（x）（j=1，2，Λ，p）为指标基值。

其次，再按照所有性能指标的重要程度分别乘以权系数Kj（x）（j=1，2，Λ，p），然后相加作为目标函数即：

再对此目标函数在多目标规划的约束集合R上求最优解。由于权系数直接反映目标函数重要程度，一般说来，重要的目标函数，相应的权系数就要给得大些（≤1）；而不很重要的目标函数，其相应的权系数就要给得小些（≥0）。权系数的这一特点非常适合模糊算法，因此可以利用模糊推理算法来确定权系数向量。

在模糊推理系统中，取系统性能指标Fj（x）为模糊系统的输入量，输出量为权系数Kj（j=1，2，Λ，p）。定义权系数集W={w1，w2，Λ，wm}为m级权系数，则权系数模糊关系矩阵可以表示为：

则权系数可以表示为：

根据用户需求和系统优化控制策略，研究不同的运行控制策略。通过研究提出风光柴储混合能源互补供电系统的能量管理策略，即负载跟随策略、经济型策略和高效型策略。

3.2 模态协调机制

首先，按照适用性、集合性的建模原则建立用电设备各类模型，构建具有开放性、灵活性、扩展性、稳定性的用电设备系统电气负荷特性和电源特性仿真分析系统，并在系统稳态/暂态仿真的基础上，进一步考虑到系统连续动态和离散事件动态的混杂特性，运用有色Petri网建立整体运行、优化控制和协作交互等系统级模型，其次，开展由傅里叶变换、小波变换、矢量变换、分叉理论等组成的适用于独立有限容量电力系统分析的理论体系和分析方法研究，

再次，开展仿真和试验验证，从实践的角度检验用电设备电气特性随供电电能质量变化的响应，负荷结构与电源特性试验系统方案如图3所示。一方面利用典型负荷（如小型化的阻感负荷、变频调速电机、逆变装置等）和电子负荷建立综合负荷模型，研究不同负荷结构和参数对系统电能质量的影响；另一方面利用交/直流电压跌落模拟器、高频噪声模拟器及脉冲群发生器等设备向系统注入干扰信号，开展极端条件下负荷结构与风-光-柴互补供电系统电能质量具体指标之间的影响作用关系，使模态协调与能量控制系统满足设备实际负荷用电特性要求。

最后，基于多目标优化控制理论设计系统能量稳态分配和动态补偿有机结合的模态协调机制，并采用离散-连续混合控制方法实现离散的顶层能量状态转换的决策和底层各单元的连续控制，并基于组态王软件开发如图4所示监控系统实现实时运行数据的采集、统计报表、报警和趋势分析等功能。

4 结论

本文从工程实际角度出发，分析混合能源供电系统的各部分的控制特性，基于多目标优化理论以及动态补偿技术通过大量实验调整最优系统能量管理策略，设计模态协调与能量管理控制系统，并设计开发运行监控界面实时监控运行状态，达到了针对不同用电设备混合能源供电系统的安全稳定、高效经济的要求。

图3 负荷结构与电源特性试验系统组成框图Fig.3 Composition diagram of the load structure and power source test system

图4 风光柴储互补供电监控系统运行界面图Fig.4 The interface of the monitoring system for wind-solar-diesel complementary power supply

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