一種光電混合新能源系統的優化控制方法與流程
2023-10-19 02:41:42
本發明涉及光伏發電、輸配電領域技術領域，特別涉及光電混合新能源系統的控制方法。
背景技術：
太陽能是一種取之不盡用之不竭、無汙染的新型能源，但太陽能同時又有其局限性，比如空間分布不斷變化、間歇性、低密度等，因此對其收集和利用提出了很高的要求。
我國電網現在實行的是分時電價的政策，在用電高峰期間，不但電價高，而且對電網的輸配電的要求更高，集中用電不利於電網的穩定運行。
現在大量的光電-柴油機混合系統在偏遠地區得到了應用，但是由於使用的是化石能源，既不經濟，同時對環境汙染也很大。
太陽能光電系統與電網合併使用剛剛起步，有著很大的發展空間，如何經濟的調動兩種能源，並且合理的供給用戶使用，還需不斷研究。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的一種光電混合新能源系統的優化控制方法，以幫助用戶端節約電費。
本發明光電混合新能源系統的優化控制方法，包括以下步驟：
光電混合新能源系統的優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一、對光電混合新能源系統進行數學建模，所述光電混合新能源系統包括光伏發電系統、電網、整流器、電池、逆變器、用戶端和單片機，所述光伏發電系統依次通過第一光電耦合器和第一開關與整流器串聯，所述電網依 次通過第二光電耦合器和第二開關與整流器串聯，所述整流器、電池、以及逆變器依次串聯，所述逆變器依次通過第三光電耦合器和第三快關與用戶端串聯，所述光伏發電系統依次通過第四光電耦合器和第四開關與用戶端串聯，所述電網依次通過第五光電耦合器和第五開關與用戶端串聯，所述第一光電耦合器、第二光電耦合器、第三光電耦合器、第四光電耦合器、以及第五光電耦合器分別與單片機串聯；所述光電混合新能源系統還包括採集光伏發電系統產生的電量和用戶端消耗的電能的智能電錶和傳感器；所述智能電錶和傳感器將採集的信息輸入給單片機，所述單片機用於對五個光電耦合器進行實時的控制；
所述光電混合新能源系統的數學模型為：
該數學模型為多輸入單數輸出的系統模型，多個輸入端分別是光伏端，電網端和電池端，輸出端是用戶端消耗電能的電費，其中x(t)表示的是各個時段電池的剩餘的電量，u(t)表示的是開關控制矩陣，u(t)＝[u1(t),u2(t),u3(t),u4(t),u5(t)]，B(t)表示的是光伏端、電網端和用戶端對電池進行充放電的關係矩陣，
其中ηc表示的是電池的充電效率，ηD表示的是電池的放電效率，Ppv(t)表示的是光伏端各個時段產生的太陽能電量，PG(t)是電網端各個時段能提供的電量，PL(t)表示的是各個時段用戶端消耗的電能，通過這個關係矩陣，可以得到電池端電能剩餘的數學表達式
其中y(t)表示系統的輸出，即用戶端消耗電能的電費，D(t)表示的是輸出電費與使用電網電量的關係矩陣，D(t)＝[0,ρ(t)PG(t),0,ρ(t)PL(t),0]，ρ(t)表示的是各個時段電網的電價；這樣可以得到用戶端電費的數學表達式為 其中ρ(t)表示的是各個時段電網的電價，其表達式為
ρk(t)表示的是峰值電價，ρo(t)表示的是谷底電價，ρs(t)表示的是標準電價；
對光電混合新能源系統，控制輸入和電池電量的狀態要滿足以下幾點限制要求：
(6)光伏輸出限制：光伏端產生的電能在一個時段內只能給電池充電或者給用戶端供電，第一開關和第二開關不能同時閉合，其數學表達式為：
u1(t)+u5(t)≤1；
(7)需求平衡限制：為了滿足用戶端的需求，三個供電端在每一個時段必有一個處於閉合狀態，且提供的電量應當打大於等於用戶端消耗的電量，其數學表達式為：
(8)充放電限制：為了保證電池能夠安全穩定運行，電池只能單獨進行充電或者放電，充電時至多只有一個供電端對其進行充電，其數學表達式為：
u1(t)+u2(t)+u3(t)≤1
(9)電池電量的界限限制：各個時段電池中的電量應當小於電池的最大容量，且大於電池的最低容量，其數學表達式為：
Smin≤S(t)≤Smax
(10)電池終態限制：為了保證系統能夠穩定的運行，電池每個時刻的電量應當大於等於電池初始狀態的電量，這使得電池每天都能在初始電量的周圍波動， 保證系統穩定運行，其數學表達式為：
S(0)≤S(T)
步驟二、使用matlab的優化工具箱中的bintprog function求得第一開關至第五開關在各個時段的開關狀態，使得目標函數y(t)最小；
步驟三、單片機根據步驟二中的開關狀態對第一開關至第五開關進行控制。
本發明的有益效果：
1、本發明光電混合新能源系統的優化控制方法，簡化了原有複雜的混合動力系統模型，並提出了新的離散開關式混合新能源模型。
2、本發明光電混合新能源系統的優化控制方法，採用最優化開關切換控制對用戶端的目標函數進行優化，相對於以往控制方式，本控制方法能很大的節約用戶端的電費。
附圖說明
圖1為光電混合新能源系統結構示意圖；
圖2為電混合新能源系統的優化控制方法流程圖，控制流程默認24個小時為一個周期，設初始時間T＝0，首先通過加裝在光伏端的智能電錶讀取出該時段光伏端產生的電能，其次再通過用戶端的智能電錶讀取出該時段消耗的電能，將這個兩個數據作為輸入量帶入最優化開關切換控制算法中，使算法對開關U1-U5進行求解，得到最優解後，單片機對該時段的U1-U5進行控制；若T24，此時，根據用戶的選擇，是否對單片機進行復位，若執行復位操作，則結束，若不執行復位操作，則重新使T＝0，執行新一輪的流程。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
本實施例光電混合新能源系統的優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一、對光電混合新能源系統進行數學建模，所述光電混合新能源系 統包括光伏發電系統、電網、整流器、電池、逆變器、用戶端和單片機，所述光伏發電系統依次通過第一光電耦合器和第一開關與整流器串聯，所述電網依次通過第二光電耦合器和第二開關與整流器串聯，所述整流器、電池、以及逆變器依次串聯，所述逆變器依次通過第三光電耦合器和第三快關與用戶端串聯，所述光伏發電系統依次通過第四光電耦合器和第四開關與用戶端串聯，所述電網依次通過第五光電耦合器和第五開關與用戶端串聯，所述第一光電耦合器、第二光電耦合器、第三光電耦合器、第四光電耦合器、以及第五光電耦合器分別與單片機串聯；所述光電混合新能源系統還包括採集光伏發電系統產生的電量和用戶端消耗的電能的智能電錶和傳感器；所述智能電錶和傳感器將採集的信息輸入給單片機，所述單片機用於對五個光電耦合器進行實時的控制；
所述光電混合新能源系統的數學模型為：
該數學模型為多輸入單數輸出的系統模型，多個輸入端分別是光伏端，電網端和電池端，輸出端是用戶端消耗電能的電費，其中x(t)表示的是各個時段電池的剩餘的電量，u(t)表示的是開關控制矩陣，u(t)＝[u1(t),u2(t),u3(t),u4(t),u5(t)]，B(t)表示的是光伏端、電網端和用戶端對電池進行充放電的關係矩陣，
其中ηc表示的是電池的充電效率，ηD表示的是電池的放電效率，Ppv(t)表示的是光伏端各個時段產生的太陽能電量，PG(t)是電網端各個時段能提供的電量，PL(t)表示的是各個時段用戶端消耗的電能，通過這個關係矩陣，可以得到電池端電能剩餘的數學表達式
其中y(t)表示系統的輸出，即用戶端消耗電能的電費，D(t)表示的是輸出電費與使用電網電量的 關係矩陣，D(t)＝[0,ρ(t)PG(t),0,ρ(t)PL(t),0]，ρ(t)表示的是各個時段電網的電價；這樣可以得到用戶端電費的數學表達式為 其中ρ(t)表示的是各個時段電網的電價，其表達式為
ρk(t)表示的是峰值電價，ρo(t)表示的是谷底電價，ρs(t)表示的是標準電價；
對光電混合新能源系統，控制輸入和電池電量的狀態要滿足以下幾點限制要求：
(11)光伏輸出限制：光伏端產生的電能在一個時段內只能給電池充電或者給用戶端供電，第一開關和第二開關不能同時閉合，其數學表達式為：
u1(t)+u5(t)≤1；
(12)需求平衡限制：為了滿足用戶端的需求，三個供電端在每一個時段必有一個處於閉合狀態，且提供的電量應當打大於等於用戶端消耗的電量，其數學表達式為：
(13)充放電限制：為了保證電池能夠安全穩定運行，電池只能單獨進行充電或者放電，充電時至多只有一個供電端對其進行充電，其數學表達式為：
u1(t)+u2(t)+u3(t)≤1
(14)電池電量的界限限制：各個時段電池中的電量應當小於電池的最大容量，且大於電池的最低容量，其數學表達式為：
Smin≤S(t)≤Smax
(15)電池終態限制：為了保證系統能夠穩定的運行，電池每個時刻的電量應當大於等於電池初始狀態的電量，這使得電池每天都能在初始電量的周圍波動，保證系統穩定運行，其數學表達式為：
S(0)≤S(T)
步驟二、使用matlab的優化工具箱中的bintprog function求得第一開關至第五開關在各個時段的開關狀態，使得目標函數y(t)最小；
步驟三、單片機根據步驟二中的開關狀態對第一開關至第五開關進行控制。
本實施例中，為了滿足用戶端的電能需求，其光電混合新能源系統採用了兩種供電模式，在太陽能發電充足的情況下，優先使用太陽能，並將在滿足用戶端使用電能的情況下，將多餘的電能存儲到蓄電池中；在太陽能發電能力不足的情況下，優先使用蓄電池中存儲的電能，若還是不能滿足用戶端對電能的需求，再使用電網中的電能。
在分時電價的收費方式前提下，為了在滿足用戶端用電量需求的同時，使得用戶端的電價最低，就需要系統能根據各個時段的電價和不同模塊的發電量和存儲電量，進行優化選擇來滿足用戶端的用電需求。在實際生活中，人們更多的是用開關來控制哪種電能的使用，本實施例中用開關量來建立系統使得控制效果更真實，效果更好。
本實施例中，光電混合新能源系統在光伏端和用戶端都需要加裝智能電錶和傳感器，用於採集光伏端該時段產生的太陽能電量和用戶端消耗的電能，將採集到的信息輸入給單片機，單片機執行最優化開關切換算法後，對5個光電耦合器進行實時的控制。單片機的5個埠，給光電耦合器發出或者不發出電信號。光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。對於開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對於一般的電子開關來說是很難做到的，但採用光電耦合器就很容易實現。當光電耦合器接收到來自單片機的電信號，就可以閉合對應的開關，未收到單片機的電信號則斷開相應的開關。在執行完這一階段的控制後，通過傳感器來探測光伏端 和用戶端產生和消耗的電能是否發生變化，若發生了變化，智能電錶將重新採集數據發送給單片機，單片機重新執行優化算法，給出新的控制策略，這樣就可以使得系統在最優化的開關切換條件下，不斷根據光伏端和用戶端的變化，實時更新算法，使得系統一直在最優化的控制策略下穩定運行，實現一種閉環控制。
本實施例控制方法採用最優化開關切換控制策略，考慮了各個模塊之間的物理限制條件、系統中電池模塊的初始電量大小、電池的充放電效率的大小等自身內部屬性、以及用戶端最優化電價的目標函數，用matlab的優化工具箱，給出各個開關之間的切換策略，清晰的告訴用戶在什麼時間段，開啟關閉哪一個開關，使用哪一種電能，使得電價最低，能幫助用戶端節約電費50％以上。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。