【正文】 nd can in a solar energy mix electricity generation energy management system management system. The simulation result indicated that, can implemental better management and the control based on the graduation fuzzy controller to the disperserlike wind power solar energy mix generating system, and may obtain the good effect. This also for the many kinds of renewable energies mix generating system management and the control, has provided an effective key to the situation.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(bǔ)系統(tǒng)，由于風(fēng)和太陽能都有一些共同的缺點(diǎn)，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(qiáng)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(bǔ)性，如白天太陽光強(qiáng)，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(duì)較弱。開發(fā)風(fēng)力一太陽能互補(bǔ)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(bǔ)的可分散布點(diǎn)的新型能源，將是本世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)中一個(gè)新的增長點(diǎn)。有條件時(shí)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(yùn)行費(fèi)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(duì)獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及風(fēng)一光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究較多。在設(shè)計(jì)風(fēng)一光發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用的設(shè)計(jì)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(jī)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(yùn)行控制和優(yōu)化管理方法方面的研究較少。由于風(fēng)電機(jī)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(dòng)范圍較大，因而對(duì)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。2. 統(tǒng)的構(gòu)成由圖21可知，系統(tǒng)包括以下幾部分：風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制器：共5套，風(fēng)機(jī)的最大輸出功率15ｋＷ／臺(tái)，風(fēng)力機(jī)發(fā)電控制器使風(fēng)力機(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效管理和控制。緩沖電容：實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(shí)，由市電來作補(bǔ)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(qiáng)度和其它氣候條件的變化，風(fēng)電機(jī)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(dòng)，因而對(duì)能量管理系統(tǒng)提出了很高的要求。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(yùn)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 EMBED 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(duì)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： EMBED , EMBED , EMBED , EMBED 和 EMBED 分別為系統(tǒng)的直流母線電壓、風(fēng)力機(jī)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；EMBED 和 EMBED 分別為系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)輸出利用系數(shù)和太陽能電池陣列輸出利用率，即 EMBED 為風(fēng)力機(jī)啟用的臺(tái)數(shù)與風(fēng)力機(jī)總數(shù)之比, EMBED 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 EMBED 、 EMBED EMBED ［0,,1］，則5 EMBED 和5 EMBED 分別表示風(fēng)力機(jī)啟用的臺(tái)數(shù)和太陽能電池陣列啟用的組數(shù)；EMBED 和 EMBED ，分別為市電開關(guān)控制變量和二類負(fù)載的提供率，針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，制定以下設(shè)計(jì)規(guī)則：（1）規(guī)則一構(gòu)成混合發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組功率容量較大，因而選擇以風(fēng)電機(jī)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(diǎn)，取直流側(cè)端電壓 EMBED 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(shí)，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(shí)，通過并網(wǎng)控制器接通電網(wǎng)，由市電來補(bǔ)充負(fù)載所需短缺部分的電能，并由EMBED ＝１當(dāng)吸 ＞２００Ｖ時(shí)，關(guān)閉并網(wǎng)控制器，即EMBED ＝０（4）規(guī)則四二類負(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(shí)，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 ； ，當(dāng)EMBED + EMBED ＞ EMBED + EMBED 把二類負(fù)載投入運(yùn)行，即EMBED ＝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(shí)，把二類負(fù)載從系統(tǒng)中撤出，即 EMBED ＝0當(dāng) EMBED ＞２３０Ｖ時(shí)，自動(dòng)把二類負(fù)載投入運(yùn)行，即 EMBED ＝1EMBED ＞２４０Ｖ時(shí)，自動(dòng)切除所有的可再生能源發(fā)電裝置對(duì)直流母線進(jìn)行供電，即EMBED = EMBED = EMBED =0， EMBED ＝1針對(duì)系統(tǒng)多輸入多輸出、變化復(fù)雜的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制；研究并設(shè)計(jì)了一種基于分級(jí)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，F(xiàn)uzzy 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(jì)算機(jī)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(yùn)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(yàn)形式化，模型化，變成計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型和語言，讓計(jì)算機(jī)來代替人來進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制。模糊控制器的組成框圖如圖2－3所示 它包括：輸入量模糊化接口，知識(shí)庫 （數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫），推理機(jī)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(shí)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(shí)庫知識(shí)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?yàn)檫B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(shí)和有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)長期積累的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)為 ―推理機(jī)‖提供推理的依據(jù)。（3）推理和解模糊接口推理時(shí)，控制器推理機(jī)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(jī)獲得的控制量是一個(gè)模糊矢量，不能直接被用來控制被控對(duì)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(jì)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(shí)，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(gè)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 EMBED —直流母線電壓， EMBED —風(fēng)力發(fā)電裝置輸出電流， EMBED —太陽能發(fā)電裝置輸出電流， EMBED —系統(tǒng)輸送到負(fù)載得電流， EMBED —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(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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 EMBED 和 EMBED ，系統(tǒng)對(duì)其利用率分別 EMBED 和 EMBED ，則（２－３）式可改寫為 EMBED EMBED 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖２－７所示： 由圖２－７可知，系統(tǒng)的輸入量較多，針對(duì)風(fēng)力一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，在這里我們采用分級(jí)模糊控制的策略來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并設(shè)計(jì)一個(gè)四級(jí)的分級(jí)模糊控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際直流電壓 EMBED 和直流電壓變化量 EMBED ，作為系統(tǒng)的第一級(jí)輸入，輸出為直流電壓等效值 EMBED EMBED 是綜合直流電壓 EMBED 和直流電壓變化量EMBED ， 得出 EMBED 未來的狀態(tài)。實(shí)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(gè)采樣時(shí)刻直流側(cè)電壓的預(yù)測值即為 EMBED ，由于在下一個(gè)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 EMBED 為系統(tǒng)直流部分電壓的等效值。第二級(jí)以第一級(jí)輸出的直流電壓等效值 EMBED 和負(fù)荷 EMBED 作為該級(jí)模糊控制器的輸入，輸出 EMBED 取為負(fù)載相對(duì)系統(tǒng)能量負(fù)載強(qiáng)度： EMBED 是綜合負(fù)荷 EMBED 和負(fù)載直流電壓等效值EMBED 得出的一個(gè)參變量。當(dāng) EMBED 大于期望值時(shí)，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(chǔ)能元件電容，才能降低直流側(cè)電壓，使直流側(cè)電壓 EMBED 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) EMBED 小于期望值時(shí)，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(chǔ)能元件電容補(bǔ)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(qiáng)：因而在這里定義輸出 EMBED 為負(fù)載相對(duì)系統(tǒng)能量的負(fù)載強(qiáng)度。第三級(jí)以影響次大的風(fēng)能輸出最大功率 EMBED 和負(fù)載相對(duì)系統(tǒng)能量強(qiáng)度 EMBED 作為第三級(jí)模糊控制器的輸入，輸出 EMBED 為風(fēng)能的利用率 EMBED ，作為輸出提供給風(fēng)電機(jī)控制器，控制風(fēng)電機(jī)開啟的臺(tái)數(shù)，其中為為 太陽能輸入 EMBED 和風(fēng)機(jī)提供系統(tǒng)相對(duì)能量負(fù)荷強(qiáng)度不足部分 EMBED ＝75 EMBED 一 EMBED EMBED 作為第四級(jí)模糊控制器的輸入，取輸出為為太陽能發(fā)電的利用率 EMBED 即 EMBED 為： 第四級(jí)控制器的輸出 EMBED 和第三級(jí)控制器的輸出 EMBED 作用到發(fā)電控制裝置給負(fù)載供電。當(dāng) EMBED 和 EMBED ，不能滿足負(fù)荷要求，直流部分電壓低于192Ｖ時(shí)，接通電網(wǎng)，由電網(wǎng)和風(fēng)能一太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)共同提供電能；當(dāng)直流部分電壓高于240Ｖ時(shí)，則切斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能發(fā)電裝置向系統(tǒng)供電，直至直流端電壓低于220Ｖ時(shí)再重新投入工作。這樣，通過分級(jí)結(jié)構(gòu)的逐步求精，逐步逼近目標(biāo)函數(shù)，從而達(dá)到理想的控制效果。5. 總結(jié)