【正文】 generating system management and the control, has provided an effective key to the situation. 11 混合發(fā)電能量管理系統(tǒng) 1. 引言 風(fēng)力與太陽能電池發(fā)電組成的混合發(fā)電系統(tǒng)又叫作風(fēng)／光互補系統(tǒng)，由于風(fēng)和太陽能都有一些共同的缺點，如能量密度低、穩(wěn)定性差、 受天氣影響不連續(xù)、有季節(jié)性強弱變化、太陽能日夜間斷等。分別由風(fēng)力和太陽能發(fā)電來供電，其供電的可靠性大大降低。 風(fēng)能、太陽能具有一定的互補性，如白天太陽光強，夜晚風(fēng)多，夏天日照好、風(fēng)弱；冬春季節(jié)風(fēng)大而陽光相對較弱。開發(fā)風(fēng)力一太陽能互補發(fā)電系統(tǒng)，將風(fēng)力與太陽能技術(shù)加以綜合利用，從而構(gòu)成一種互補的可分散布點的新型能源，將是本世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中一個新的 增長點。有條件時通過搭配適當(dāng)容量的蓄電池或接入市電作為備用電源，可使運行費用大大的降低、供電的可靠性大大的提高。 目前國內(nèi)主要針對獨立的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及風(fēng)一光互補發(fā)電控制系統(tǒng)的研究較多。在設(shè)計風(fēng)一光發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用的設(shè)計思路是根據(jù)負(fù)載每天的總耗電量，和由當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)得到的日輻射量來確定太陽能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機的容量，再來確定可再生能源發(fā)電控制裝置的功率和蓄電池容量，但是在混合發(fā)電系統(tǒng)的運行控制和優(yōu)化管理方法方面的研究較少。 由于風(fēng)電機組、太陽能電池陣列的輸出功率和負(fù)荷功率受外界因素 的影響，變動范圍較大，因而對控制和優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)的能量管理也提出了較高的要求。本文針對系統(tǒng)運行的特點設(shè)計了一能量管理系統(tǒng)（ Energy Management System, 簡稱 EMS）來提高系統(tǒng)的運行效率和可靠性。 2. 統(tǒng)的構(gòu)成 本文以華南理工大學(xué)新能源中心 的分散式風(fēng)力一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)為研究景，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖２ 2－ 1 示： 由 12 圖 21 可知，系統(tǒng)包括以下幾部分： 風(fēng)力發(fā)電機及其控制器：共 5 套，風(fēng)機的最大輸出功率 15ｋＷ／臺，風(fēng)力機發(fā)電控制器使風(fēng)力機始終處于最大功率輸出狀態(tài)。 太陽能電池及其發(fā)電控制器：共 5 組，太陽能電池每組峰瓦 3ｋＷ，太陽能發(fā)電控制器使太陽能電池陣列始終處于最大功率輸出狀態(tài)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ Data Acquisition System，簡稱 DAS）：用于采集檢測太陽能電池輸出功率、風(fēng)力發(fā)電機輸出功率、系統(tǒng)直流部分的電壓、負(fù)載功率，并把采集到的系統(tǒng)運行有關(guān)信息，提供能量管理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。 能量管理系統(tǒng)：根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的系統(tǒng)各功能單元運行參數(shù)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效管理和控制。 緩沖電容：實現(xiàn)系統(tǒng)直流部分電壓的平穩(wěn)。 負(fù)載和逆 變器：新能源中心的負(fù)載分類，一類負(fù)載是能源中心辦公和實驗所必須保證的負(fù)載；二類負(fù)載是能源中心的溫室控制等輔助設(shè)施所需的電能，當(dāng)可再生能源輸出電能有多余的能量時，才投入的負(fù)載。系統(tǒng)的負(fù)載和直流部分的連接是通過逆變器來實現(xiàn)的，直流側(cè)經(jīng)過 ＰＷＭ逆變器，轉(zhuǎn)換為電壓恒定、波形良好的交流電能，提供給負(fù)載。 市電控制器：當(dāng)可再生能源提供的電能不能滿足系統(tǒng)一類負(fù)載所需時，由市電來作補充；即把市電作為備用電源，通過并網(wǎng)控制器來控制市電的投入和切除。 在風(fēng)力、太陽能和負(fù)荷構(gòu)成的發(fā)電、用電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速、日照 強度和其它氣候條件的變化，風(fēng)電機組、太陽能電池陣列的輸出功率和負(fù)荷功率都存在著較大范圍的波動，因而對能量管理系統(tǒng)提出了很高的要求。 本文針對正在建設(shè)中的華南理工大學(xué)新能源中心分散式風(fēng)力一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計了一個能量管理系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)電、負(fù)荷用電狀況，來管理系統(tǒng)的供電模式，靈活調(diào)節(jié)各部分供電量的比例。能量管理系統(tǒng)在可再生能源大于負(fù)荷需求時，切斷部分太陽能、風(fēng)電機；可再生能源不能滿足基本負(fù)載要求時，在充分利用可再生能源的前提下，不足部分由市電來進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a充，取系統(tǒng)的最大負(fù)荷為 750ｋＷ . 在供 電系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷有功功率的平衡，是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的必要條件。由于系統(tǒng)的負(fù)荷是由直流電壓經(jīng)逆變器提供的，直流電壓的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)給負(fù)載提供電能的質(zhì)量，在這里取系統(tǒng)直流母線電壓 dcU 為系統(tǒng)的被控量，并取其工作范圍為 192Ｖ－ 240Ｖ，選擇 216Ｖ為直流部分的額定電壓。為了不使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于 復(fù)雜，在這里對蓄電池的處理不予以考慮。即能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 2 所示： 13 dcU , WmP , PVmP , 1LP 和 2LP 分別為系統(tǒng)的直流母線電壓、風(fēng)力機可輸出的最大功率、太陽能電池陣列可輸出的最大功率、系統(tǒng)中一類負(fù)載所需功率和二類負(fù)載所需的功率； WK 和 PVK 分別為系統(tǒng)的風(fēng)力機輸出利用系數(shù)和太陽能電池陣列輸出利用率，即WK 為風(fēng)力機啟用 的臺數(shù)與風(fēng)力機總數(shù)之比 , PVK 為太陽能陣列啟用的組數(shù)和太陽能陣列組總數(shù)之比。取 WK 、 PVK ?［ 0,,1］，則 5 WK 和 5 PVK 分別表示風(fēng)力機啟用的臺數(shù)和太陽能電池陣列啟用的組數(shù)； SK 和 2LK ，分別為市電開關(guān)控制變量和二類負(fù)載的提供率，本文定義 SK 、 2LK 為開關(guān)函數(shù)，取值“０”或“ 1”；當(dāng) SK ＝１表示電網(wǎng)接入混合發(fā)電系統(tǒng)， SK ＝ 0 表示電網(wǎng)從混合發(fā)電系統(tǒng)中切除； 2LK ＝１表示二類負(fù)載接入混合發(fā)電系統(tǒng)投入工作， 2LK ＝０則表示二類負(fù)載從混合發(fā)電系統(tǒng)切除。 針對系統(tǒng)運行的特點，制定以下設(shè)計規(guī)則： （ 1） 規(guī)則一 構(gòu)成混合發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)電機組功率容量較大，因而選擇以風(fēng)電機組供電為主，太陽能電池陣列作為能量微調(diào)部分。 （ 2） 規(guī)則二 根據(jù)系統(tǒng)的工作特點，取直流側(cè)端電壓 dcU 期望值為 216Ｖ，當(dāng)可再生能源可輸出最大功率大于負(fù)載要求時，可再生能源不向電網(wǎng)輸送電能。 （ 3） 規(guī)則三 在這里取直流母線電壓低于 192Ｖ時，通過并網(wǎng)控制器接通電網(wǎng) ，由市電來補充負(fù)載所需短缺部分的電能，并由本文后面章節(jié)介紹的并網(wǎng)控制器使直流母線電壓維持192Ｖ，即 SK ＝１ 當(dāng)吸 ＞２００Ｖ時，關(guān)閉并網(wǎng)控制器，即 SK ＝０ （ 4） 規(guī)則四 14 二類負(fù)載幾：為混合發(fā)電系統(tǒng)中輔助設(shè)施所需的電能，當(dāng)可再生能源輸出電能有多余的能量時，才投入的負(fù)載 。 二類負(fù)載未工作情況下，其負(fù)載功率檢測較困難，為了避免二類負(fù)載的頻繁投徹 ；本文根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載配置情況，設(shè)二類負(fù)載最大功率為 2mLP ，當(dāng) WmP + PVmP ＞ 1lP + 2mLP 把二類負(fù)載投入運行，即 2LK ＝ 1 （ 5） 規(guī)則五 為了提高系統(tǒng)直流部分電壓的穩(wěn)定性，當(dāng)吸＜２０４Ｖ時，把二類負(fù)載從系統(tǒng)中撤出，即 2LK ＝ 0 當(dāng) bcU ＞２３０Ｖ時，自動把二類負(fù)載投入運行，即 2LK ＝ 1 bcU ＞２４０Ｖ時 ，自動切除所有的可再生能源發(fā)電裝置對直流母線進(jìn)行供電，即 WK = PVK = SK =0， 2LK ＝ 1 針對系統(tǒng)多輸入多輸出、變化復(fù)雜的特點，本系統(tǒng)采用智能控制中的模糊控制技術(shù)（ Fuzzy Control, 簡稱ＦＣ）來實現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制；研究并設(shè)計了一種基于分級模糊控制（ Hierarchical Fuzzy Control，簡稱ＨＦＣ）算法的能量管理系統(tǒng)。 3. 模糊控制 模糊集合和模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授 Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ在其 Fuzzy Sets， Fuzzy Algorithm和 Rationale for Fuzzy Control 等著名論著中首先提出一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的智能理論。它的產(chǎn)生不僅拓廣了經(jīng)典數(shù)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而且是使計算機科學(xué)向模擬人類思維方面發(fā)展的重大突破。 模糊集合將人的判斷、思維過程用比較簡單的語言和數(shù)學(xué)形式直接表達(dá)出 來。使得復(fù)雜系統(tǒng)按人類的思維方式進(jìn)行運作和處理成為可能，為模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)，并得到世界各國的學(xué)者和工程技術(shù)人員廣泛的重視和應(yīng)用。 模糊控制通過模糊集合和邏輯推理方法把人的經(jīng)驗形式化，模型化，變成計算機可以接受的控制模型和語言， 讓計算機來代替人來進(jìn)行有效的實時控制。模糊控制器的組成框圖如圖 2－ 3 所示 15 它包括：輸入量模糊化接口，知識庫 （數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫），推理機和解模糊接口 。 （ 1） 模糊化接口 模糊控制器的輸入通常是確定的量，必須要模糊化后，變?yōu)榭刂破魉J(rèn)識的語言或變量才能被控制器使用，模糊化接 口是將確定的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，它也是模糊控制器的輸入接口。 （ 2） 知識庫 知識庫描述形式主要有兩種：數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。 數(shù)據(jù)庫是存放所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度關(guān)系的矢量值；若論域為連續(xù)域，數(shù)據(jù)庫則為相應(yīng)的隸屬函數(shù)。 規(guī)則庫是基于專家知識和有豐富經(jīng)驗的操作人員根據(jù)長期積累的經(jīng)驗，按人的直覺推理的一種語言表示形式。最常用的為 if－ then， else, also, or 等，如 2 維模糊推理規(guī)則可表示為 Ｒ： if（偏差 is a；差變化率 is b；） then（控制量 is c；） 規(guī)則庫就是用來 存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時為 “推理機”提供推理的依據(jù)。 （ 3） 推理和解模糊接口 推理時，控制器推理機根據(jù)輸入的模糊量，經(jīng)模糊控制規(guī)則來求解模糊關(guān)系方程，獲取模糊控制器的模糊控制量。 由推理機獲得的控制量是一個模糊矢量，不能直接被用來控制被控對象，還必須轉(zhuǎn)換成確定的控制量，我們把這一過程稱為解模糊或模糊量的清晰化。通常把推理和輸出端具有把模糊量轉(zhuǎn)化為清晰值的過程稱為解模糊。 4. ＥＭＳ的設(shè)計 本文所設(shè)計的風(fēng)能一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖２－６所示： 16 為了提高可再生能源的利用 效率，在風(fēng)能和太陽能能夠滿足負(fù)載要求的情況下，負(fù)載所需求的能源則由風(fēng)能和太陽能提供；在風(fēng)能和太陽能不能滿足負(fù)載要求時，在充分利用可再生能源的基礎(chǔ)上，負(fù)載所需求的能源由風(fēng)能、太陽能和電網(wǎng)共同提供。 由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)直流母線電壓的變化直接影響系統(tǒng)給負(fù)載提供電能的質(zhì)量和可靠性，因而穩(wěn)定的直流電壓是系統(tǒng)工作可 靠性和性能的一個重要指標(biāo)。取系統(tǒng)直流母線電壓為被控量，由圖 2－ 6 可得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型： 其中 dcU — 直流母線電壓， wi — 風(fēng)力發(fā)電裝置輸出電流， PVi — 太陽能發(fā)電裝置輸出電流，Li — 系統(tǒng)輸送到負(fù)載得電流， Si — 電網(wǎng)輸送電直流部分得電流，Ｃ — 直流平波電容容量。 通常可再生能源發(fā)電裝置的投資較大，為了充分發(fā)揮其發(fā)電的效率，縮短系統(tǒng)成本的回收周期，發(fā)電裝置多采用最大功率輸出為控制目標(biāo)。設(shè)每臺風(fēng)力發(fā)電機和每組太陽能電池陣列都工作在的最大輸出功率狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝置輸出總功率分別為WmP 和 PVmP ，系統(tǒng)對其利用率分別 WK 和 PVK ，則（２－３）式可改寫為 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖２－７所示： 17 由圖２－７可知，系統(tǒng)的輸入量較多，針對風(fēng)力一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)的特點，在這里我們采用分級 模糊控制的策略來對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并設(shè)計一個四級的分級模糊控制器來實現(xiàn)對混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行能量管理和控制。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2－ 8 所示： 系統(tǒng)的負(fù)荷是由直流電能直接提供和經(jīng)逆變器輸出，直流電壓的穩(wěn)定性成為直接影響是系統(tǒng)輸出交流電能質(zhì)量、穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵因素。因而選擇直流部分實際直流電壓dcU 和直流電壓變化量 dcu? ，作為系統(tǒng)的第一級輸入，輸出為直流電壓等效值 1y 1y 是綜合直流電壓 dcU 和直流電壓變化量 dcu? ， 得出 dcU 未來的狀態(tài)。實質(zhì)上，它反映了系統(tǒng)在當(dāng)前直流電壓基礎(chǔ)上，若不改變控制量，則下一個采樣時刻直流側(cè)電壓的預(yù)測值即為 1y ，由于在下一個采用周期到來之前，系統(tǒng)的輸出控制量，經(jīng)模糊推理己發(fā)生改變，因而在這里定義 1y 為系統(tǒng)直流部分電壓的等效 值。 第二級以第一級輸出的直流電壓等效值 1y 和負(fù)荷 LP 作為該級模糊控制器的輸入，輸出2y 取為負(fù)載相對系統(tǒng)能量負(fù)載強度： 18 2y 是綜合負(fù)荷 LP 和負(fù)載直流電壓等效值 1y 得出的一個參變量。當(dāng) 1y 大于期望值時，系統(tǒng)負(fù)荷 所需的能量除了由可再生能源提供外，還有一部分需由直流儲能元件電容，才能降低直流側(cè)電壓，使直流側(cè)電壓 dcU 向期望值方向變化，即負(fù)荷需由可再生能源提供能量被減弱；當(dāng) 1y 小于期望值時，可再生能源除了向系統(tǒng)負(fù)荷提供能量外，還要向直流儲能元件電容補償電能，來提高直流側(cè)電壓，從可再生能源角度來看，所需提供能量在負(fù)載的基礎(chǔ)上被加強：因而在這里定義輸出 2y 為負(fù)載相對系統(tǒng)能量的負(fù)載強度。 第三級 以影響次大的風(fēng)能輸出最大