新能源聯合供電系統能量管理與控制研究

安云鵬，趙錦成，劉金寧

（軍械工程學院 河北 石家莊　050003）

新能源聯合供電系統能量管理與控制研究

安云鵬，趙錦成，劉金寧

（軍械工程學院 河北 石家莊050003）

隨著可再生能源和高效清潔燃料在內的新型發電技術的發展，聯合供電日漸成為減少環境污染、提高能源綜合利用效率的一種有效途徑。許多發達國家的研究已趨于成熟，但我國仍處于起步階段?；诖耍ㄟ^研究分析大量國內外文獻，詳細介紹了國內外聯合供電系統的發展與研究概況，全面闡述了系統基本結構、功率變換器以及能量管理策略等主要研究內容。研究表明，能量管理與控制方法是聯合供電系統的核心，只有盡可能的滿足多個約束條件，才能保證聯合供電系統的長期、穩定、經濟運行。

聯合供電系統；能量管理；DC/DC變換；控制

隨著包括風電、太陽能等可再生能源在內的新型發電技術的發展，在滿足負載功率需求的前提下，聯合供電日漸成為降低環境污染、提高能源綜合利用效率的一種有效途徑。

1　國內外發展與研究概況

目前，環境污染和能源緊缺是人類急需解決的兩大難題。利用新能源發電是實現人類可持續發展的有效措施。各種新能源發電方式各有優點，但也存在不足，例如，太陽能和風能能量密度較低，且隨氣候和地區的差異變化較大，電力供應不穩定、不連續。為解決以上問題，常常將兩種或多種新能源結合使用，構成聯合供電系統，并對這些能源進行合理的功率分配，提高系統的穩定性與靈活性，實現能源優化利用。聯合供電系統在這樣的背景下應運而生。

將太陽能與燃料電池聯合發電的想法最早由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協調發電的可行性，并描述了聯合系統結構和控制方法。文獻［1］描述了利用太陽能燃料電池聯合系統為同溫層的高空平臺提供電能的應用研究。

而在國內，新能源聯合供電技術起步較晚，發展緩慢。文獻［2］提出一種光伏燃料電池聯合發電系統，并建立了各元件的數學模型和系統成本模型，設計了能源管理策略以協調系統的能源分配，采用高效的蓄電池滿足負載短期需求，由壽命長、價格低的氫氣罐長期存儲大量能源。在此基礎上，文獻［3］提出了一種風力發電、光伏發電和燃料電池混合供電系統，但該系統結構和控制方式都比較復雜，需要進一步優化與完善。

2　主要研究內容

近年來，國內外學者針對新能源聯合供電系統進行了大量的研究，主要涉及基本結構，功率變換器以及能量管理等方面。

2.1基本結構

新能源聯合供電系統通常采用基于直流母線或者交流母線的分布式結構，圖1（a）給出了一種基于直流母線式的新能源聯合供電系統，為了協調工作，每種能源形式均連接一個DC/DC變換器，將電能變為直流輸出，并聯在公共的直流母線上。此外也可將各能源轉化的電能變為交流輸出，并聯到公共的交流母線上，如圖1（b）所示。

與交流母線結構相比，直流母線結構優點如下：

1）直流母線電壓是系統穩定與否的唯一標準，所以只要控制直流母線電壓恒定即可，無需考慮相位、頻率等問題，控制簡單可靠；

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

3）負載用電不受三相電壓不平衡的影響，供電可靠性增加。

圖1　新能源聯合供電系統的基本結構Fig.1　Structure diagram of the combined power system

綜上所述，隨著直流輸電技術的快速進步以及微電源更加廣泛的應用，直流微電網技術將會越來越受到人們的重視。

2.2DC/DC變換器

新能源聯合供電系統中DC/DC電路使用較多，依據其使用位置和承擔的功能作用有3種類型：發電單元端DC/DC電路、儲能裝置端DC/DC電路以及負載端DC/DC電路。

本系統發電單元主要為光伏電池，其DC/DC電路根據應用場合不同，主要有升壓（Boost）電路和降壓（Buck）電路。在DC/DC電路設計時，要依據光伏電池最大功率點電壓和電流對DC/DC電路參數作優化設計。傳統的DC/DC變換器要求輸出電壓保持可控，因此閉環控制中反饋信號多為輸出電壓；而對光伏系統來說，為實現MPPT，DC/DC變換器的控制要求太陽能電池輸出最大功率，即變換器輸入電壓穩定在太陽能電池最大輸出電壓上。當系統采取不同的MPPT算法時，反饋信號可為變換器的輸入電壓、輸出電流或輸入功率、輸出功率等。

儲能端DC/DC電路用來連接儲能裝置和直流母線，能量可雙向流動，需使用雙向DC/DC電路：當系統電能供應有盈余時，直流母線通過雙向DC/DC電路為蓄電池充電；而當電能供應有缺額時，儲能裝置放電，補足不足功率。與傳統的采用兩套單向DC/DC變換器來達到能量雙向流動的方法相比，雙向DC/DC變換器用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數目少，且可以更加快速地進行兩個方向的功率切換，具有高效率、體積小、動態性能好等優勢。

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構和控制簡單，因此在不需要隔離的地方得到廣泛應用，目前采用最多的非隔離雙向變換器是Buck/ Boost雙向變換器。該變換器具有結構簡單、效率高等特點。

當負載供電電壓和直流母線電壓接近時，負荷可以不經過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載用電電壓差別較大時，負載就需要經過DC/DC電路來獲取電能，根據負載用電電壓和直流母線電壓的關系，負載端DC/DC電路使用Boost電路或Buck電路。

2.3能量管理策略

在新能源聯合供電系統中含有多種電源，它們的輸出特性差異較大。比如，對于太陽能和風能等可再生能源，受環境影響較大，就需要進行最大功率跟蹤控制以保證能源最大利用率。對于蓄電池等儲能裝置，需要進行充放電控制以增加它們的使用時間。為了使多種能源能夠協調地工作，制定合理的能量管理策略是至關重要的。

3　聯合供電系統能量管理與優化控制研究概況

能量管理是在滿足負載功率需求及電能質量的前提下，對系統內部多個微源與儲能裝置進行能量優化分配，確保供電系統的安全性、穩定性和可靠性，保證系統高效、經濟地運行。文獻［4-5］提出了一種由風能、太陽能、燃料電池和蓄電池組成的新能源聯合供電系統。針對該系統，通過控制與光伏電池連接的DC/DC變換器和與風機連接的AC/DC變換器分別實現光伏電池和風機的最大功率跟蹤，通過控制與燃料電池相連的DC/DC變換器保證母線電壓的穩定，另外通過一個中央控制電路根據母線電壓值以及蓄電池的充放電電流值控制各個DC/DC變換器是否工作，使得系統能夠根據輸入功率和負載情況工作在不同模式，實現多種能源的協調工作。目前，幾種經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“對等”的控制算法；基于功率管理系統的控制算法；基于多代理技術的分層控制算法。

3.1直流母線整體能量最優利用的協調控制

直流母線處的輸出曲線特性與單一微源相比復雜很多，獨立使用最大功率跟蹤算法很可能工作在偽最大功率點上，會損失大量可用的能量，因此需要對直流母線整體能量協調控制，以實現最優利用。

對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。通過調整直流母線電壓從0到最大值變化，對整個直流母線的輸出功率進行掃描，可以確定母線最大功率點。但此方法掃描過程會損失較大能量。

2）獨立最大功率跟蹤。分布式電源根據各自最大功率跟蹤方法單獨工作在最大功率點上，統一經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入母線中，也會造成浪費。

3）固定直流母線電壓法。根據工程經驗、環境參數等選擇一個固定的直流母線電壓，可以保證系統穩定工作在一個相對輸出功率較大的點，但時刻采用同樣的參數不進行跟蹤也會帶來能量損失。

在分析直流母線輸出功率特性的基礎上，南開大學的趙耀在自己的博士論文中提出了協調控制各個微源的方法，并通過仿真驗證了這種方法確實能夠提高能量利用率。本算法中首先對直流母線獲取最多能量的位置進行大體判斷，通過在大體范圍內進行局部掃描，可以通過減少掃描范圍而減少能量損失［7］。

3.2多電源“即插即用”及多負載“突增突減”控制

聯合供電系統的綜合控制策略包括主從控制和對等控制，而實現多電源“即插即用”及多負載“突增突減”控制需建立在對等控制基礎上［8］。在這種控制方式中每一個微源作用是相同的，相互之間并不需要像主從控制那樣進行通信以確定系統運行狀態，減少了對通信技術的依賴［9-10］。每個電源可以根據系統運行狀況自主的參與母線電壓的調節。當有微源接入或者斷開連接時，并不需要對其他微源進行控制，從而實現多電源“即插即用”的特性，進而提高供電系統運行可靠性。目前應用最廣泛的對等控制方式為下垂控制。

從下垂特性可知，采用對等控制時，只需要測量輸出端的電壓、電流，就可以獨立參加到電壓的調節中，無需要整個系統的通信，某個電源因為故障退出運行時，不影響其他電源的運行，如果需要增加新的電源，就只需要對新電源進行同等設置，系統中原來存在的電源不需要經過改動，系統可靠性高。

4　結　論

全球范圍內的能源危機和生態問題日趨嚴重，解決開發利用能源與保護好生態環境之間的矛盾迫在眉睫。聯合發電是最具發展前途的可再生能源利用途徑之一，也是當前能源科學技術基礎研究國際競爭的焦點之一。

通過研究分析大量國內外文獻了解了多種聯合供電系統基本結構和發展概況，以及系統運行中能量管理和優化控制的基本原理和方法。在聯合供電系統的初步設計時，首先需要對系統中各個微源電氣特性進行研究分析，建立瞬時功率模型，然后制定能量管理策略，重點需要進行的就是能量管理與控制中心的研究設計。控制模塊借助于對儲能系統的充放電管理、對各微源的出力調度以及負荷的控制等，確保系統內發電與負載需求的實時功率平衡，在防止電池過充與過放等約束條件下，實現對其他微電源的優化調度，保證聯合供電系統的長期、穩定、經濟運行。

［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，胡萬起.光伏/燃料電池聯合發電系統的建模和性能分析［J］.電網技術，2009，33（12）：88-93.

［3］李鵬，張玲，盛銀波.新能源及可再生能源并網發電規?；瘧玫挠行緩健⒕W技術 ［J］.華北電力大學學報，2009，36（1）：10-14.

［4］徐敏.氫光聯合供電系統的能量管理［D］.南京：南京航空航天大學，2009.

［5］楊為.分布式電源的優化調度 ［D］.合肥：合肥工業大學，2010.

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

［7］趙耀.基于分布式電源的微網控制及運行優化研究［D］.天津：南開大學，2013.

［8］朱本強，金力軍.通用串行總線驅動程序開發［J］.電子科技，2003（7）：42-44.

［9］李煒鍵，孫飛.基于4G通信技術的無線網絡安全通信分析［J］.電力信息與通信技術，2014（1）：127-131.

［10］侯朝勇，莊童，胡娟，等.一種新型的USB通信技術研究［J］.電子設計工程，2014（16）：1-4.

［11］劉健，魏昊焜.分布式電源應用若干問題探討［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：201506136

國家自然科學基金（51307184）

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