新能源联合供电系统能量管理与控制研究

安云鹏，赵锦成，刘金宁

（军械工程学院 河北 石家庄　050003）

新能源联合供电系统能量管理与控制研究

安云鹏，赵锦成，刘金宁

（军械工程学院 河北 石家庄050003）

随着可再生能源和高效清洁燃料在内的新型发电技术的发展，联合供电日渐成为减少环境污染、提高能源综合利用效率的一种有效途径。许多发达国家的研究已趋于成熟，但我国仍处于起步阶段。基于此，通过研究分析大量国内外文献，详细介绍了国内外联合供电系统的发展与研究概况，全面阐述了系统基本结构、功率变换器以及能量管理策略等主要研究内容。研究表明，能量管理与控制方法是联合供电系统的核心，只有尽可能的满足多个约束条件，才能保证联合供电系统的长期、稳定、经济运行。

联合供电系统；能量管理；DC/DC变换；控制

随着包括风电、太阳能等可再生能源在内的新型发电技术的发展，在满足负载功率需求的前提下，联合供电日渐成为降低环境污染、提高能源综合利用效率的一种有效途径。

1　国内外发展与研究概况

目前，环境污染和能源紧缺是人类急需解决的两大难题。利用新能源发电是实现人类可持续发展的有效措施。各种新能源发电方式各有优点，但也存在不足，例如，太阳能和风能能量密度较低，且随气候和地区的差异变化较大，电力供应不稳定、不连续。为解决以上问题，常常将两种或多种新能源结合使用，构成联合供电系统，并对这些能源进行合理的功率分配，提高系统的稳定性与灵活性，实现能源优化利用。联合供电系统在这样的背景下应运而生。

将太阳能与燃料电池联合发电的想法最早由SalfurRahman 和Kwa-sur Tam于1988年提出。在文中，Salfur Rahman讨论了使用燃料电池与光伏机协调发电的可行性，并描述了联合系统结构和控制方法。文献［1］描述了利用太阳能燃料电池联合系统为同温层的高空平台提供电能的应用研究。

而在国内，新能源联合供电技术起步较晚，发展缓慢。文献［2］提出一种光伏燃料电池联合发电系统，并建立了各元件的数学模型和系统成本模型，设计了能源管理策略以协调系统的能源分配，采用高效的蓄电池满足负载短期需求，由寿命长、价格低的氢气罐长期存储大量能源。在此基础上，文献［3］提出了一种风力发电、光伏发电和燃料电池混合供电系统，但该系统结构和控制方式都比较复杂，需要进一步优化与完善。

2　主要研究内容

近年来，国内外学者针对新能源联合供电系统进行了大量的研究，主要涉及基本结构，功率变换器以及能量管理等方面。

2.1基本结构

新能源联合供电系统通常采用基于直流母线或者交流母线的分布式结构，图1（a）给出了一种基于直流母线式的新能源联合供电系统，为了协调工作，每种能源形式均连接一个DC/DC变换器，将电能变为直流输出，并联在公共的直流母线上。此外也可将各能源转化的电能变为交流输出，并联到公共的交流母线上，如图1（b）所示。

与交流母线结构相比，直流母线结构优点如下：

1）直流母线电压是系统稳定与否的唯一标准，所以只要控制直流母线电压恒定即可，无需考虑相位、频率等问题，控制简单可靠；

2）采用直流形式传输电能，不用考虑交流电网中的无功损耗和涡流损耗，从而降低系统损耗；

3）负载用电不受三相电压不平衡的影响，供电可靠性增加。

图1　新能源联合供电系统的基本结构Fig.1　Structure diagram of the combined power system

综上所述，随着直流输电技术的快速进步以及微电源更加广泛的应用，直流微电网技术将会越来越受到人们的重视。

2.2DC/DC变换器

新能源联合供电系统中DC/DC电路使用较多，依据其使用位置和承担的功能作用有3种类型：发电单元端DC/DC电路、储能装置端DC/DC电路以及负载端DC/DC电路。

本系统发电单元主要为光伏电池，其DC/DC电路根据应用场合不同，主要有升压（Boost）电路和降压（Buck）电路。在DC/DC电路设计时，要依据光伏电池最大功率点电压和电流对DC/DC电路参数作优化设计。传统的DC/DC变换器要求输出电压保持可控，因此闭环控制中反馈信号多为输出电压；而对光伏系统来说，为实现MPPT，DC/DC变换器的控制要求太阳能电池输出最大功率，即变换器输入电压稳定在太阳能电池最大输出电压上。当系统采取不同的MPPT算法时，反馈信号可为变换器的输入电压、输出电流或输入功率、输出功率等。

储能端DC/DC电路用来连接储能装置和直流母线，能量可双向流动，需使用双向DC/DC电路：当系统电能供应有盈余时，直流母线通过双向DC/DC电路为蓄电池充电；而当电能供应有缺额时，储能装置放电，补足不足功率。与传统的采用两套单向DC/DC变换器来达到能量双向流动的方法相比，双向DC/DC变换器用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目少，且可以更加快速地进行两个方向的功率切换，具有高效率、体积小、动态性能好等优势。

双向变换器一般可分为隔离式和非隔离式两种。非隔离式双向变换器结构和控制简单，因此在不需要隔离的地方得到广泛应用，目前采用最多的非隔离双向变换器是Buck/ Boost双向变换器。该变换器具有结构简单、效率高等特点。

当负载供电电压和直流母线电压接近时，负荷可以不经过DC/DC电路而直接从直流母线获取电能，但直流母线电压值和负载用电电压差别较大时，负载就需要经过DC/DC电路来获取电能，根据负载用电电压和直流母线电压的关系，负载端DC/DC电路使用Boost电路或Buck电路。

2.3能量管理策略

在新能源联合供电系统中含有多种电源，它们的输出特性差异较大。比如，对于太阳能和风能等可再生能源，受环境影响较大，就需要进行最大功率跟踪控制以保证能源最大利用率。对于蓄电池等储能装置，需要进行充放电控制以增加它们的使用时间。为了使多种能源能够协调地工作，制定合理的能量管理策略是至关重要的。

3　联合供电系统能量管理与优化控制研究概况

能量管理是在满足负载功率需求及电能质量的前提下，对系统内部多个微源与储能装置进行能量优化分配，确保供电系统的安全性、稳定性和可靠性，保证系统高效、经济地运行。文献［4-5］提出了一种由风能、太阳能、燃料电池和蓄电池组成的新能源联合供电系统。针对该系统，通过控制与光伏电池连接的DC/DC变换器和与风机连接的AC/DC变换器分别实现光伏电池和风机的最大功率跟踪，通过控制与燃料电池相连的DC/DC变换器保证母线电压的稳定，另外通过一个中央控制电路根据母线电压值以及蓄电池的充放电电流值控制各个DC/DC变换器是否工作，使得系统能够根据输入功率和负载情况工作在不同模式，实现多种能源的协调工作。目前，几种经典的控制算法主要有：基于PQ和V/f的主从控制算法；基于“即插即用”与“对等”的控制算法；基于功率管理系统的控制算法；基于多代理技术的分层控制算法。

3.1直流母线整体能量最优利用的协调控制

直流母线处的输出曲线特性与单一微源相比复杂很多，独立使用最大功率跟踪算法很可能工作在伪最大功率点上，会损失大量可用的能量，因此需要对直流母线整体能量协调控制，以实现最优利用。

对于直流母线上最大功率的跟踪，以往通常采用以下几种方法［6］：

1）全局扫描法。通过调整直流母线电压从0到最大值变化，对整个直流母线的输出功率进行扫描，可以确定母线最大功率点。但此方法扫描过程会损失较大能量。

2）独立最大功率跟踪。分布式电源根据各自最大功率跟踪方法单独工作在最大功率点上，统一经二极管与直流母线相连，此方法中输出电压偏低的电源的能量很难进入母线中，也会造成浪费。

3）固定直流母线电压法。根据工程经验、环境参数等选择一个固定的直流母线电压，可以保证系统稳定工作在一个相对输出功率较大的点，但时刻采用同样的参数不进行跟踪也会带来能量损失。

在分析直流母线输出功率特性的基础上，南开大学的赵耀在自己的博士论文中提出了协调控制各个微源的方法，并通过仿真验证了这种方法确实能够提高能量利用率。本算法中首先对直流母线获取最多能量的位置进行大体判断，通过在大体范围内进行局部扫描，可以通过减少扫描范围而减少能量损失［7］。

3.2多电源“即插即用”及多负载“突增突减”控制

联合供电系统的综合控制策略包括主从控制和对等控制，而实现多电源“即插即用”及多负载“突增突减”控制需建立在对等控制基础上［8］。在这种控制方式中每一个微源作用是相同的，相互之间并不需要像主从控制那样进行通信以确定系统运行状态，减少了对通信技术的依赖［9-10］。每个电源可以根据系统运行状况自主的参与母线电压的调节。当有微源接入或者断开连接时，并不需要对其他微源进行控制，从而实现多电源“即插即用”的特性，进而提高供电系统运行可靠性。目前应用最广泛的对等控制方式为下垂控制。

从下垂特性可知，采用对等控制时，只需要测量输出端的电压、电流，就可以独立参加到电压的调节中，无需要整个系统的通信，某个电源因为故障退出运行时，不影响其他电源的运行，如果需要增加新的电源，就只需要对新电源进行同等设置，系统中原来存在的电源不需要经过改动，系统可靠性高。

4　结　论

全球范围内的能源危机和生态问题日趋严重，解决开发利用能源与保护好生态环境之间的矛盾迫在眉睫。联合发电是最具发展前途的可再生能源利用途径之一，也是当前能源科学技术基础研究国际竞争的焦点之一。

通过研究分析大量国内外文献了解了多种联合供电系统基本结构和发展概况，以及系统运行中能量管理和优化控制的基本原理和方法。在联合供电系统的初步设计时，首先需要对系统中各个微源电气特性进行研究分析，建立瞬时功率模型，然后制定能量管理策略，重点需要进行的就是能量管理与控制中心的研究设计。控制模块借助于对储能系统的充放电管理、对各微源的出力调度以及负荷的控制等，确保系统内发电与负载需求的实时功率平衡，在防止电池过充与过放等约束条件下，实现对其他微电源的优化调度，保证联合供电系统的长期、稳定、经济运行。

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

［2］李春华，朱新坚，胡万起.光伏/燃料电池联合发电系统的建模和性能分析［J］.电网技术，2009，33（12）：88-93.

［3］李鹏，张玲，盛银波.新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径—微网技术 ［J］.华北电力大学学报，2009，36（1）：10-14.

［4］徐敏.氢光联合供电系统的能量管理［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［5］杨为.分布式电源的优化调度 ［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［6］杨洋.微电网能量管理机制与控制体系的完善［D］.上海：上海交通大学，2011.

［7］赵耀.基于分布式电源的微网控制及运行优化研究［D］.天津：南开大学，2013.

［8］朱本强，金力军.通用串行总线驱动程序开发［J］.电子科技，2003（7）：42-44.

［9］李炜键，孙飞.基于4G通信技术的无线网络安全通信分析［J］.电力信息与通信技术，2014（1）：127-131.

［10］侯朝勇，庄童，胡娟，等.一种新型的USB通信技术研究［J］.电子设计工程，2014（16）：1-4.

［11］刘健，魏昊焜.分布式电源应用若干问题探讨［J］.供用电，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稿件编号：201506136

国家自然科学基金（51307184）

安云鹏（1991—），男，山西晋城人，硕士研究生。研究方向：联合供电系统能量管理与控制。