新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)能量管理與控制研究

安云鵬，趙錦成，劉金寧

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊　050003）

新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)能量管理與控制研究

安云鵬，趙錦成，劉金寧

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊050003）

隨著可再生能源和高效清潔燃料在內(nèi)的新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合供電日漸成為減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率的一種有效途徑。許多發(fā)達(dá)國(guó)家的研究已趨于成熟，但我國(guó)仍處于起步階段。基于此，通過(guò)研究分析大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外聯(lián)合供電系統(tǒng)的發(fā)展與研究概況，全面闡述了系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、功率變換器以及能量管理策略等主要研究?jī)?nèi)容。研究表明，能量管理與控制方法是聯(lián)合供電系統(tǒng)的核心，只有盡可能的滿足多個(gè)約束條件，才能保證聯(lián)合供電系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

聯(lián)合供電系統(tǒng)；能量管理；DC/DC變換；控制

隨著包括風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源在內(nèi)的新型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在滿足負(fù)載功率需求的前提下，聯(lián)合供電日漸成為降低環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率的一種有效途徑。

1　國(guó)內(nèi)外發(fā)展與研究概況

目前，環(huán)境污染和能源緊缺是人類急需解決的兩大難題。利用新能源發(fā)電是實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的有效措施。各種新能源發(fā)電方式各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足，例如，太陽(yáng)能和風(fēng)能能量密度較低，且隨氣候和地區(qū)的差異變化較大，電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)。為解決以上問(wèn)題，常常將兩種或多種新能源結(jié)合使用，構(gòu)成聯(lián)合供電系統(tǒng)，并對(duì)這些能源進(jìn)行合理的功率分配，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化利用。聯(lián)合供電系統(tǒng)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。

將太陽(yáng)能與燃料電池聯(lián)合發(fā)電的想法最早由SalfurRahman 和Kwa-sur Tam于1988年提出。在文中，Salfur Rahman討論了使用燃料電池與光伏機(jī)協(xié)調(diào)發(fā)電的可行性，并描述了聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法。文獻(xiàn)［1］描述了利用太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合系統(tǒng)為同溫層的高空平臺(tái)提供電能的應(yīng)用研究。

而在國(guó)內(nèi)，新能源聯(lián)合供電技術(shù)起步較晚，發(fā)展緩慢。文獻(xiàn)［2］提出一種光伏燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并建立了各元件的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)成本模型，設(shè)計(jì)了能源管理策略以協(xié)調(diào)系統(tǒng)的能源分配，采用高效的蓄電池滿足負(fù)載短期需求，由壽命長(zhǎng)、價(jià)格低的氫氣罐長(zhǎng)期存儲(chǔ)大量能源。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［3］提出了一種風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和燃料電池混合供電系統(tǒng)，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式都比較復(fù)雜，需要進(jìn)一步優(yōu)化與完善。

2　主要研究?jī)?nèi)容

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，主要涉及基本結(jié)構(gòu)，功率變換器以及能量管理等方面。

2.1基本結(jié)構(gòu)

新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)通常采用基于直流母線或者交流母線的分布式結(jié)構(gòu)，圖1（a）給出了一種基于直流母線式的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)，為了協(xié)調(diào)工作，每種能源形式均連接一個(gè)DC/DC變換器，將電能變?yōu)橹绷鬏敵觯⒙?lián)在公共的直流母線上。此外也可將各能源轉(zhuǎn)化的電能變?yōu)榻涣鬏敵觯⒙?lián)到公共的交流母線上，如圖1（b）所示。

與交流母線結(jié)構(gòu)相比，直流母線結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下：

1）直流母線電壓是系統(tǒng)穩(wěn)定與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所以只要控制直流母線電壓恒定即可，無(wú)需考慮相位、頻率等問(wèn)題，控制簡(jiǎn)單可靠；

2）采用直流形式傳輸電能，不用考慮交流電網(wǎng)中的無(wú)功損耗和渦流損耗，從而降低系統(tǒng)損耗；

3）負(fù)載用電不受三相電壓不平衡的影響，供電可靠性增加。

圖1　新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure diagram of the combined power system

綜上所述，隨著直流輸電技術(shù)的快速進(jìn)步以及微電源更加廣泛的應(yīng)用，直流微電網(wǎng)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越受到人們的重視。

2.2DC/DC變換器

新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中DC/DC電路使用較多，依據(jù)其使用位置和承擔(dān)的功能作用有3種類型：發(fā)電單元端DC/DC電路、儲(chǔ)能裝置端DC/DC電路以及負(fù)載端DC/DC電路。

本系統(tǒng)發(fā)電單元主要為光伏電池，其DC/DC電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，主要有升壓（Boost）電路和降壓（Buck）電路。在DC/DC電路設(shè)計(jì)時(shí)，要依據(jù)光伏電池最大功率點(diǎn)電壓和電流對(duì)DC/DC電路參數(shù)作優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的DC/DC變換器要求輸出電壓保持可控，因此閉環(huán)控制中反饋信號(hào)多為輸出電壓；而對(duì)光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)MPPT，DC/DC變換器的控制要求太陽(yáng)能電池輸出最大功率，即變換器輸入電壓穩(wěn)定在太陽(yáng)能電池最大輸出電壓上。當(dāng)系統(tǒng)采取不同的MPPT算法時(shí)，反饋信號(hào)可為變換器的輸入電壓、輸出電流或輸入功率、輸出功率等。

儲(chǔ)能端DC/DC電路用來(lái)連接儲(chǔ)能裝置和直流母線，能量可雙向流動(dòng)，需使用雙向DC/DC電路：當(dāng)系統(tǒng)電能供應(yīng)有盈余時(shí)，直流母線通過(guò)雙向DC/DC電路為蓄電池充電；而當(dāng)電能供應(yīng)有缺額時(shí)，儲(chǔ)能裝置放電，補(bǔ)足不足功率。與傳統(tǒng)的采用兩套單向DC/DC變換器來(lái)達(dá)到能量雙向流動(dòng)的方法相比，雙向DC/DC變換器用同一個(gè)變換器來(lái)控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目少，且可以更加快速地進(jìn)行兩個(gè)方向的功率切換，具有高效率、體積小、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)。

雙向變換器一般可分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式雙向變換器結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，因此在不需要隔離的地方得到廣泛應(yīng)用，目前采用最多的非隔離雙向變換器是Buck/ Boost雙向變換器。該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。

當(dāng)負(fù)載供電電壓和直流母線電壓接近時(shí)，負(fù)荷可以不經(jīng)過(guò)DC/DC電路而直接從直流母線獲取電能，但直流母線電壓值和負(fù)載用電電壓差別較大時(shí)，負(fù)載就需要經(jīng)過(guò)DC/DC電路來(lái)獲取電能，根據(jù)負(fù)載用電電壓和直流母線電壓的關(guān)系，負(fù)載端DC/DC電路使用Boost電路或Buck電路。

2.3能量管理策略

在新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中含有多種電源，它們的輸出特性差異較大。比如，對(duì)于太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，受環(huán)境影響較大，就需要進(jìn)行最大功率跟蹤控制以保證能源最大利用率。對(duì)于蓄電池等儲(chǔ)能裝置，需要進(jìn)行充放電控制以增加它們的使用時(shí)間。為了使多種能源能夠協(xié)調(diào)地工作，制定合理的能量管理策略是至關(guān)重要的。

3　聯(lián)合供電系統(tǒng)能量管理與優(yōu)化控制研究概況

能量管理是在滿足負(fù)載功率需求及電能質(zhì)量的前提下，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部多個(gè)微源與儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量?jī)?yōu)化分配，確保供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，保證系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。文獻(xiàn)［4-5］提出了一種由風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池和蓄電池組成的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)。針對(duì)該系統(tǒng)，通過(guò)控制與光伏電池連接的DC/DC變換器和與風(fēng)機(jī)連接的AC/DC變換器分別實(shí)現(xiàn)光伏電池和風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤，通過(guò)控制與燃料電池相連的DC/DC變換器保證母線電壓的穩(wěn)定，另外通過(guò)一個(gè)中央控制電路根據(jù)母線電壓值以及蓄電池的充放電電流值控制各個(gè)DC/DC變換器是否工作，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入功率和負(fù)載情況工作在不同模式，實(shí)現(xiàn)多種能源的協(xié)調(diào)工作。目前，幾種經(jīng)典的控制算法主要有：基于PQ和V/f的主從控制算法；基于“即插即用”與“對(duì)等”的控制算法；基于功率管理系統(tǒng)的控制算法；基于多代理技術(shù)的分層控制算法。

3.1直流母線整體能量最優(yōu)利用的協(xié)調(diào)控制

直流母線處的輸出曲線特性與單一微源相比復(fù)雜很多，獨(dú)立使用最大功率跟蹤算法很可能工作在偽最大功率點(diǎn)上，會(huì)損失大量可用的能量，因此需要對(duì)直流母線整體能量協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)利用。

對(duì)于直流母線上最大功率的跟蹤，以往通常采用以下幾種方法［6］：

1）全局掃描法。通過(guò)調(diào)整直流母線電壓從0到最大值變化，對(duì)整個(gè)直流母線的輸出功率進(jìn)行掃描，可以確定母線最大功率點(diǎn)。但此方法掃描過(guò)程會(huì)損失較大能量。

2）獨(dú)立最大功率跟蹤。分布式電源根據(jù)各自最大功率跟蹤方法單獨(dú)工作在最大功率點(diǎn)上，統(tǒng)一經(jīng)二極管與直流母線相連，此方法中輸出電壓偏低的電源的能量很難進(jìn)入母線中，也會(huì)造成浪費(fèi)。

3）固定直流母線電壓法。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境參數(shù)等選擇一個(gè)固定的直流母線電壓，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作在一個(gè)相對(duì)輸出功率較大的點(diǎn)，但時(shí)刻采用同樣的參數(shù)不進(jìn)行跟蹤也會(huì)帶來(lái)能量損失。

在分析直流母線輸出功率特性的基礎(chǔ)上，南開(kāi)大學(xué)的趙耀在自己的博士論文中提出了協(xié)調(diào)控制各個(gè)微源的方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種方法確實(shí)能夠提高能量利用率。本算法中首先對(duì)直流母線獲取最多能量的位置進(jìn)行大體判斷，通過(guò)在大體范圍內(nèi)進(jìn)行局部掃描，可以通過(guò)減少掃描范圍而減少能量損失［7］。

3.2多電源“即插即用”及多負(fù)載“突增突減”控制

聯(lián)合供電系統(tǒng)的綜合控制策略包括主從控制和對(duì)等控制，而實(shí)現(xiàn)多電源“即插即用”及多負(fù)載“突增突減”控制需建立在對(duì)等控制基礎(chǔ)上［8］。在這種控制方式中每一個(gè)微源作用是相同的，相互之間并不需要像主從控制那樣進(jìn)行通信以確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，減少了對(duì)通信技術(shù)的依賴［9-10］。每個(gè)電源可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況自主的參與母線電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)有微源接入或者斷開(kāi)連接時(shí)，并不需要對(duì)其他微源進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)多電源“即插即用”的特性，進(jìn)而提高供電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。目前應(yīng)用最廣泛的對(duì)等控制方式為下垂控制。

從下垂特性可知，采用對(duì)等控制時(shí)，只需要測(cè)量輸出端的電壓、電流，就可以獨(dú)立參加到電壓的調(diào)節(jié)中，無(wú)需要整個(gè)系統(tǒng)的通信，某個(gè)電源因?yàn)楣收贤顺鲞\(yùn)行時(shí)，不影響其他電源的運(yùn)行，如果需要增加新的電源，就只需要對(duì)新電源進(jìn)行同等設(shè)置，系統(tǒng)中原來(lái)存在的電源不需要經(jīng)過(guò)改動(dòng)，系統(tǒng)可靠性高。

4　結(jié)　論

全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)和生態(tài)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，解決開(kāi)發(fā)利用能源與保護(hù)好生態(tài)環(huán)境之間的矛盾迫在眉睫。聯(lián)合發(fā)電是最具發(fā)展前途的可再生能源利用途徑之一，也是當(dāng)前能源科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。

通過(guò)研究分析大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)了解了多種聯(lián)合供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展概況，以及系統(tǒng)運(yùn)行中能量管理和優(yōu)化控制的基本原理和方法。在聯(lián)合供電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)微源電氣特性進(jìn)行研究分析，建立瞬時(shí)功率模型，然后制定能量管理策略，重點(diǎn)需要進(jìn)行的就是能量管理與控制中心的研究設(shè)計(jì)。控制模塊借助于對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電管理、對(duì)各微源的出力調(diào)度以及負(fù)荷的控制等，確保系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電與負(fù)載需求的實(shí)時(shí)功率平衡，在防止電池過(guò)充與過(guò)放等約束條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他微電源的優(yōu)化調(diào)度，保證聯(lián)合供電系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］Knaupp W，Mundschau E.Photovoltaic-hydrogen energy systems for stratospheric platforms［M］.Osaka，Japan：World Conference on Photovoltaic Energy Conference（WCPEC），Japan2003.

［2］李春華，朱新堅(jiān)，胡萬(wàn)起.光伏/燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的建模和性能分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（12）：88-93.

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［5］楊為.分布式電源的優(yōu)化調(diào)度 ［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［6］楊洋.微電網(wǎng)能量管理機(jī)制與控制體系的完善［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

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［11］劉健，魏昊焜.分布式電源應(yīng)用若干問(wèn)題探討［J］.供用電，2015（9）：9-12，28.

A review on energy management and optimization control of combined power system

AN Yun-peng，ZHAO Jin-cheng，LIU Jin-ning
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

With the development of new power generation technologies and other renewable energy and clean and efficient fuel，power supply，combined with photovoltaic power generation mainly to reduce environmental pollution，has become an effective way to improve the efficiency of energy utilization and the reliability of power supply.Many developed countries have become mature，but our country is still in its infancy stage.Based on this，through the research of a large number of domestic and foreign literature，the summary of development and research of home and abroad combined power supply system are introduced in detail.And a comprehensive exposition of the basic structure of the system，power converter and energy management strategy is done.The study shows that the energy management and control method is the core of the combined power supply system，only as far as possible to meet multiple constraints，a long-term，stable and economic operation of the combined power supply system can be made.

combined power system；energy management；DC/DC converter；control

TN7

A

1674－6236（2016）03-0001-03

2015-06-25稿件編號(hào)：201506136

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307184）

安云鵬（1991—），男，山西晉城人，碩士研究生。研究方向：聯(lián)合供電系統(tǒng)能量管理與控制。