分布式风光互补发电系统及其多目标优化控制策略研究.pdf
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1、分布式风光互补发电系统及其多目标优化控制策略 研究 冬 雷 廖晓钟 刘广忱 陈建勇 (北京理工大学 北京 100081) 摘要 新能源领域中的风力发电技术和太阳能发电技术发展非常迅速,风光互补发电方案是独立供电系统的最佳选择。 提出 了一种分布式风光互补发电系统方案,并对其系统的多目标优化控制策略进行了研究。 M ulti-index Opti m ization Control Strategy Based on D istributed PV andW ind Energy Complemental Generation System Dong L ei L iao Xiaozhong L
2、 iu Guangchen Chen Jianyong (B eijing Institute of T echnology,B eijing 100081,China) Abstract The development of stand2alone power supply of distributed PV and w ind energy complemental gener2 ation system is outlined in w ith respect to reliability and marketability.It is focused on the approach o
3、f the gen2 eration system and the control strategy of multi2index optim ization w ith fuzzy pattern. 1 引 言 随着经济的快速发展,能源的消耗逐年增加,常规 能源面临日益枯竭的窘境,迫切需要可再生的新型清 洁能源。 在目前众多可再生能源与新能源技术开发中, 潜力最大、 最具开发价值的是风能和太阳能。 它们是一 种取之不尽、 用之不竭的可再生能源。近年来,风能和 太阳能的利用技术发展迅速, 10年前,世界风光电总 功率不到100万kW ,如今已超过1000万kW。据估 计, 20年内风光电将可满
4、足世界电力需求的10% ,成 为21世纪主要的电源之一。 我国对风力发电和太阳能 发电技术也给予高度重视, 20年来风力发电和太阳能 发电在我国的沿海、 新疆和内蒙等地得到了一定的推 广应用。 由于对环境和能源的重视,世界各国都对新型能 源进行了深入的研究和开发。目前欧洲在这方面处于 领先水平,特别是在风力发电和太阳能发电技术方面 取得了大量成果。欧洲在新能源领域的研究主要集中 于大型并网电场以及相关技术的研究 12。目前风力 发电最大单机容量已经超过了415MW ,而太阳能发 电容量也超过了100kW 1。国外在风光互补方面的研 究却很少 3。风力发电和太阳能发电的独立控制技术 已经成熟,在
5、最大功率点追踪控制(M PPT)、 预测控制 以及系统结构等方面的研究是当前研究热点。国内在 新能源领域的研究困于资金的限制,加上实际需求,主 要集中于风力发电及太阳能发电的控制算法研究和小 型新能源系统的研究,对小型风光互补发电系统的研 究也受到了人们的重视 46。从资料来看国内对小型 风光互补发电系统的研究也仅限于系统的组成与控 制、 设备的选用以及系统仿真等。 太阳能与风能在时间上和地域上天然具有很强的 互补性。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补 发电系统在资源上具有最佳的匹配性,风光互补发电 系统是资源条件较好的独立供电系统。提出一种分布 式风光互补发电系统方案,并对其多目标优化控
6、制策 略进行研究。 第26卷第8期增刊仪 器 仪 表 学 报2005年8月 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 2 分布式风光互补发电系统 分布式风光互补发电系统方案,由风力发电系统、 太阳能电池发电系统、 储能系统、 能源变换系统、 直流 母线及能量管理系统等若干子系统组成,如图1所示。 这种方案的主要优点是:第一,只需对母线电压进行控 制,容易满足系统性能要求,控制算法相对容易。 第二, 由于省去了子系统中的整流部分,因此,系统成本低, 易于推广。
7、第三,采用分布式直流母线控制,系统容易 扩展,可以满足用电设备和发电设备增加的要求。 考虑到目前几乎所有分布式供电系统主要采用交 流母线,需要对电压、 电流、 频率、 相位等多参数进行控 制 7, 并网过程复杂,不易扩展,因此系统采用直流母 线,储能单元分为长期储能单元和短期储能单元。 蓄电 池是长期储能单元的最佳选择,而短期储能单元采用 开关磁阻电机飞轮储能系统。开关磁阻电机具有结构 简单、 成本低、 适合高速运行等特点。由于开关磁阻电 机采用直流供电,从电动状态转换到发电状态仅需要 将导通角后移,因此非常适合作为飞轮储能的核心设 备 8。 利用飞轮储能可以有效地补偿由于风速、 光照变 化以
8、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, 9。 对于系统中的交流用电负荷,采用逆变控制单位集中 供电。 在实际应用中,为了提高系统的适用性,可以非常 方便地利用直流母线进行扩展。例如为了进一步提高 系统的可靠性,保证重要用电设备的正常运行,可以在 直流母线上加装柴油发电机组,并通过系统控制部分 统一进行能量控制。也可以利用DC?DC变换器向直 流用电设备如无整流模块的变频器进行供电,可以降 低系统成本、 防止谐波污染。 图1 分布式风光互补供电系统框图 3 分布式风光互补发电系统的控制策略 由于分布式风光互补发电系统容量较小、 发电量 变化较
9、大、 容量不确定等特点,加上分布式供发电设备 分散,因此对系统的优化控制是系统高质量、 可靠运行 的关键。尽管目前对风力发电和太阳能发电控制方面 研究较多,但是由于这些研究仅考虑对单机设备的优 化,如M PPT控制技术并不能完全适用分布式风光互 补发电系统。因为在负荷较低的时候采用M PPT控制 无疑增加了系统的电应力和机械应力。 此外,在分布式 风光互补发电系统中直流母线电压波动系数、 各发电 设备的负载率、 各发电设备应力系数、 蓄电池的充电状 态(SOC% State of Charge)等控制指标相互影响、 相 互制约。例如,蓄电池和飞轮储能系统作为储能单元, 既可以作为供电设备,又可
10、以成为负载。因此,如何协 调各子系统的关系、 平衡各指标之间的影响,达到综合 性能最优,是亟待解决的问题。 因此,对于分布式风光互补发电系统,不仅仅要对 所有发电单元、 储能单元以及能源变换单元分别进行 优化设计,还需从系统的角度进行优化控制。第一,稳 定直流母线电压,提高系统供电质量是系统控制的首 要任务,为此在系统设计时,利用飞轮储能装置对母线 电压进行动态补偿,可以有效稳定风能和太阳能瞬时 变化对母线电压所造成的影响。 第二,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。第三,既要在负荷较大时,对风力发电机和太 阳能电池采用最大功率点追踪控制(M PPT)模式
11、;又 157 第8期增刊 分布式风光互补发电系统及其多目标优化控制策略研究 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 要在用电负荷较小时,对二者采用 “低应力” 控制模式, 即降低太阳能变换器输出电流以及风力发电机的转 速,而不必进行最大能量捕获,以便延长系统寿命。第 四,提高蓄电池的剩余容量,保证系统供电的可信度。 同时降低蓄电池的充放电次数,防止过充电和过放电。 从而减少蓄电池配置容量,延长蓄电池寿命,降低系统 建设成本和运行成本。 由此可见,分布式风光
12、互补发电系统中存在着多 个目标的整体优化问题,该问题制约了分布式风光互 补发电系统的应用和发展,特别是在对供电品质要求 较高的应用领域,该问题亟待获得解决。 4 多目标优化控制方法 为了解决上述问题,提出了分布式风光互补发电 系统多目标优化控制策略。对上述4个指标进行动态 整体优化,对能量进行智能管理,并对所有子系统进行 高效整合。 从而提高发电系统的供电质量,降低储能系 统,特别是蓄电池的容量。 多目标最优化是近20年来迅速发展起来的一门 新兴学科。 作为最优化的一个重要分支,它主要研究在 某种意义下多个数值目标的同时最优化问题。多目标 最优化在经济、 军事等诸多领域都有广泛应用 10, 目
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- 分布式 风光 互补 发电 系统 及其 多目标 优化 控制 策略 研究
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