光伏‑柴油複合型供電系統的控制方法和裝置與流程
2023-05-02 02:29:41 2
本發明涉及電力系統領域，特別是涉及一種光伏-柴油複合型供電系統的控制方法和裝置、計算機設備和存儲介質。
背景技術：
微電網是相對傳統大電網的一個概念，是指多個分布式電源及其相關負載按照一定的拓撲結構組成的網絡，並通過靜態開關關聯至常規電網。由於微電網負荷波動大的特點，柴油發電機的選型一般與微電網尖峰時段負荷相匹配。因此，柴油發電機在非尖峰時段處於輕載狀態，導致其發電效率降低。將光伏發電系統與柴油發電機的並列運行，有效地利用光伏發電系統削峰填谷的特點，從而減少柴油消耗，提高柴油發電機運行效率。
電力系統內負荷端和發電端的有功功率和無功功率須時刻保持平衡，從而保證系統頻率和電壓的穩定性。微電網的能量管理相較傳統大電網更具挑戰性，原因在於微電網不具備大容量的發電設備來保持系統穩定。特別是微電網整合了不可調度的光伏發電系統的情況，而光伏發電系統僅採用傳統的大功率跟蹤控制方式，微電網的穩定性將受到威脅。
為了解決上述問題，常見的方法有：
利用儲能裝置來減小有功功率波動對微電網的不利影響。在微電網內電源輸出的有功功率超過負荷所需有功功率的情況下，多餘的有功功率被存儲在儲能裝置中。反之，當電源輸出的有功功率不能滿足負荷需要的情況下，儲能裝置釋放存儲的有功功率填補微電網有功功率缺口。
利用虛載荷來吸收微電網有功功率，一方面可以在電源輸出有功功率過大的情況下保持微電網有功功率平衡，另一方面則可以在柴油發電機輕載的情況下提高柴油發電機的運行效率。
上述方法能有效地從技術上解決微電網的能量管理問題，但是額外的系統設備勢必增加系統投資，並提高系統維護費用，從而增大了發電成本，微電網的電力用戶將為此付出更多的用電費用。
技術實現要素：
基於此，有必要提供一種能夠降低成本的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法和裝置、計算機設備和存儲介質。
一種光伏-柴油複合型供電系統的控制方法，包括：
獲取並根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行；其中，有功功率調節模式根據光伏系統的輸出功率和存儲的最大功率點為光伏系統預留備用的有功功率；
根據光伏發電系統的運行模式，控制柴油發電機以發電機模式或同步電容器模式運行。
一種光伏-柴油複合型供電系統的控制裝置，包括：光伏發電控制模塊和柴油發電機控制模塊；
所述光伏發電控制模塊，用於獲取並根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行；其中，有功功率調節模式根據光伏系統的輸出功率和存儲的最大功率點為光伏系統預留備用的有功功率；
所述柴油發電機控制模塊，用於根據光伏發電系統的運行模式，控制柴油發電機以發電機模式或同步電容器模式運行。
一種計算機設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上並可在處理器上運行的電腦程式，其特徵在於，所述處理器執行所述程序時實實現上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的步驟。
一種存儲介質，其上存儲有電腦程式，其特徵在於，該程序被處理器執行時，實現上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的步驟。
上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法，根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行，光伏發電系統的輸出功率可在最大功率以下根據微電網系統需要自由調節，從而留有一定的功率餘量參與微電網系統輔助調節功能。該方法能有效延長傳統柴油發電機的運行效率和使用壽命，並提高微電網的頻率和電壓穩定性。此外，該方法在工程運用中無需給微電網額外添加硬體設備，比常用的利用儲能裝置或虛載荷的方法節省前期投入，從而降低發電成本和電力用戶的用電費用。
附圖說明
圖1為一個實施例的一種光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的流程圖；
圖2為一個實施例的光伏發電系統的控制策略的控制流程圖；
圖3為另一個實施例的一種光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的流程圖；
圖4為柴油發電機離合器控制邏輯圖；
圖5為離合器閉合操作過程示例；
圖6為光伏發電系統基於次優最大功率跟蹤控制的頻率調節運行模式示例；
圖7為一個實施例的一種光伏-柴油複合型供電系統的控制裝置的結構框圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種光伏-柴油複合型供電系統的控制方法，包括以下步驟：
s102：獲取並根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行。其中，有功功率調節模式根據光伏系統的輸出功率和存儲的最大功率點為光伏系統預留備用的有功功率。
具體地，光伏發電系統的控制策略如圖2所示，包括以下步驟：
s201：檢測太陽輻照度並預測微電網負荷。
s202：判斷太陽輻照度的變化值是否超過閾值。若是，則執行步驟s203，若否，則執行步驟s204。
s203：獲取光伏發電系統的最大功率點。
具體地，利用導納增量法重新獲取光伏發電系統的最大功率點並存儲至寄存器。增量導納法利用光伏發電系統的功率-電壓特性曲線在最大功率點處的斜率為零，即
實踐中利用一個比例積分(pi)控制器來控制與的誤差獲取最大功率點。本實施例的光伏發電系統的控制方法在最大功率點跟蹤法的基礎上，首先利用導納增量法來獲取光伏發電系統的最大功率點，並根據與的誤差在一定的整定範圍內時認定為最大功率點，並保存此時的功率輸出值至寄存器，為後續次優最大功率跟蹤控制使用。
s204：判斷光伏發電系統實時最大輸出功率是否小於微電網負荷。若是，則執行步驟s205，若否，則執行步驟s206。
具體地，光伏發電系統的輸出功率根據光伏陣列輸出電流和光伏陣列埠電壓計算得到。
所採用的光伏發電系統的特徵是其光伏陣列輸出電流為：
其中，vm為光伏陣列埠電壓，rs為光伏陣列等效電路串聯電阻，is為光電流，這個電流與光照照度成正比，ip、id分別為光伏陣列等效電路旁路電阻rp電流和二極體電流，ir為反響飽和電流，q為基本電荷(1.6×10-19c)，η為p-n結品質因子，k為波茲曼常數(1.38×10-23j/k),t為環境開氏溫度。
光伏發電系統輸出功率ppv為：ppv＝vm×im。
s205：控制光伏發電系統以頻率調節模式運行。具體地，光伏發電系統利用次優最大功率點跟蹤方法根據微電網頻率誤差改變實際功率輸出與負荷平衡。
即，當pmpp＞pload時，控制光伏發電系統以頻率調節模式運行，其中，pmpp為光伏發電系統實時最大輸出功率，pload為微電網實時負荷。
s206：判斷微電網負荷與光伏發電系統實時最大輸出功率的差值是否大於第一設定值。若是，則執行步驟s207，若否，則執行步驟s208。
s207：控制光伏發電系統以最大功率點跟蹤模式運行。這種情況下，柴油發電機的載荷大於其下限值△p。
即當pmpp＜pload-δp時，控制光伏發電系統以最大功率點跟蹤模式運行。其中，△p為與光伏發電系統並列運行的柴油發電機的負荷下限值(第一設定值)，由於柴油發電機輕載條件下運行效率低，該值的設定取決於對柴油發電機運行效率的要求。
s208：控制光伏發電系統以有功功率調節模式運行。
即當pload-δp＜pmpp＜pload時，控制光伏發電系統以有功功率調節模式運行。
若pload＜pmpp+δp，光伏發電系統仍以最大功率點跟蹤模式運行的話，柴油發電機載荷將小於其下限值，從而勢必降低柴油發電機的運行效率。因此，光伏發電系統利用次優最大功率點跟蹤方法減小實際輸出功率，以有功功率調節模式運行，保證柴油發電機運行於其載荷下限值，即光伏發電系統的有功功率輸出值為：ppv＝pload-δp。
在本發明還提出了與光伏發電系統多模式運行狀態相適應的柴油發電機多模式運行方式。柴油同步發電機根據微電網需要以發電機模式運行或同步電容器模式運行。同步發電機通過調節原動機的輸入功率來控制發電機的有功功率輸出，而調節勵磁則用來控制發電機與微電網的無功功率交換。當原動機輸入功率為零且勵磁系統正常工作的情況下，同步發電機則以同步電容器模式運行控制微電網無功功率從而達到調節微電網電壓的目的。
具體地，在步驟s102之後，還包括步驟s104：根據光伏發電系統的運行模式，控制柴油發電機以發電機模式或同步電容器模式運行。
具體地，包括以下三種情況：
第一種：當光伏發電系統以頻率調節模式運行時，控制柴油發電機同步電容器模式運行。
在光伏發電系統以頻率調節模式運行的情況下，其輸出的有功功率滿足了微電網負荷需求。柴油發電機不需要為微電網提供有功功率，而只需要通過與微電網進行無功功率交換來調節微電網電壓。因此，柴油發電機以同步電容器模式運行，耦合柴油機與同步發電機的離合器處於分離狀態。
第二種：當光伏發電系統以有功功率調節模式運行時，控制柴油發電機以發電機模式運行。
在光伏發電系統以有功功率調節調節模式運行的情況下，柴油發電機需要調節微電網頻率和電壓。因此，離合器處於閉合狀態，並且得益於光伏發電系統的有功功率調節，柴油發電機的載荷維持在其載荷下限值。這種運行方式一方面充分利用了太陽能，減少柴油消耗，從而增大經濟效益；另一方面柴油發電機的載荷維持在其載荷下限值也有利於提高其運行效率。
第三種：當光伏發電系統以最大功率點跟蹤模式運行時，控制柴油發電機以發電機模式運行。
在以最大功率點跟蹤模式運行的情況時，光伏發電系統也不具備頻率和電壓調節功能，從而柴油發電機仍以發電機模式運行，柴油機通過離合器的耦合為同步發電機輸入機械功率。
具體地，柴油發電機運行模式的切換藉助於耦合柴油機與同步發電機的離合器實現。
採用的柴油同步發電機的特徵是控制器用二階傳遞函數表示：
其中，t1、t2、t3為時間常數。
柴油機噴油執行機構用三階傳遞函數和延時環節表示：
其中，t4、t5、t6為時間常數，td為延時環節時間常數代表從燃油噴射到產生機械扭矩之間的時間延遲。
柴油發電機轉速可表述為：
其中，hd為柴油機慣性時間常數，td為柴油機機械扭矩，tc傳送給發電機的機械扭矩，可表述為：
其中，hs為同步發電機慣性時間常數，ts為同步發電機電磁轉矩。
同步發電機由同步電容器運行模式切換至發電機模式，離合器需要經過閉合操作，這個過程可以用圖4所示邏輯圖表示。離合器從分離狀態切換至閉合狀態分兩個步驟：
(1)比較微電網負荷pload和光伏發電系統最大功率點跟蹤運行模式下的實時輸出功率pmpp；
(2)計算柴油機轉軸轉速ωd和同步發電機轉軸轉速ωs的差值。
當步驟(1)滿足微電網負荷大於光伏發電系統實時輸出功率(即pmpp＜pload)，且步驟(2)滿足柴油機轉速與同步發電機轉速差值小於第二設定值ε(即|ωd-ωs|＜ε)時，通過一個邏輯與門給鎖存器發出置「1」信號，即離合器閉合操作指令，離合器控制器發出閉合指令。為防止離合器離合操作頻繁啟動，微電網負荷與光伏發電系統輸出功率的比較以及柴油機轉速與同步發電機轉速比較環節後都加入了一個磁滯環節。當微電網負荷與光伏發電系統最大功率點跟蹤條件下的最大可輸出功率比較結果為pmpp＞pload時，鎖存器置「0」，即離合器分離。
圖5所示為離合器閉合的操作過程示例。時間0-1秒的過程中，控制系統檢測到光伏發電系統的即時最大功率點功率不能滿足微電網負荷需求，因而柴油發電機須儘快起動為微電網補充有功功率。柴油機的起動需要進行起動拖動操作，隨之進行點火操作。隨後，柴油機轉速上升。在此過程中，由於微電網有功功率不足，導致同步發電機轉速下降。當柴油機轉速與同步發電機速度的差值滿足式小於第二設定值的時候，離合器閉合，柴油機轉軸與同步發電機轉軸耦合，柴油發電機以發發電機模式運行，在調速系統的控制下，柴油發電機的轉速恢復到額定值。
上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法，根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行，光伏發電系統的輸出功率可在最大功率以下根據微電網系統需要自由調節，從而留有一定的功率餘量參與微電網系統輔助調節功能。該方法能有效延長傳統柴油發電機的運行效率和使用壽命，並提高微電網的頻率和電壓穩定性。此外，該方法在工程運用中無需給微電網額外添加硬體設備，比常用的利用儲能裝置或虛載荷的方法節省前期投入，從而降低發電成本和電力用戶的用電費用。
圖6所示為一個光伏發電系統運行於頻率調節模式的仿真示例，這個仿真分析在matlab/simulink軟體平臺上完成。仿真開始展示的是光伏發電系統在最大功率點控制方法下獲取最大功率值，隨後與微電網負荷相比較。由於最大功率值大於微電網負荷，光伏發電系統切換至頻率調節運行模式，由圖可見光伏發電系統輸出的有功功率與負荷平衡，而柴油發電機側沒有有功功率輸出。實際上，柴油發電機運行於同步電容器模式，微電網的無功功率負荷全部由同步發電機提供。可見，本發明提出的微電網能量管理方法成功實現了光伏發電系統次優最大功率點控制策略，並基於此策略實現了微電網有功功率、無功功率的平衡調節。
如圖7所示，提供一種光伏-柴油複合型供電系統的控制裝置，包括光伏發電控制模塊701和柴油發電機控制模塊702。
所述光伏發電控制模塊701，用於獲取並根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行；其中，有功功率調節模式根據光伏系統的輸出功率和存儲的最大功率點為光伏系統預留備用的有功功率。
所述柴油發電機控制模塊702，用於根據光伏發電系統的運行模式，控制柴油發電機以發電機模式或同步電容器模式運行。
具體地，所述光伏發電控制模塊701包括檢測模塊、獲取模塊、判斷模塊和控制模塊。
所述檢測模塊，用於檢測太陽輻射照度的變化值是否超過閾值。
所述控制模塊，用於當太陽輻射照度的變化值未超過閾值時，若光伏發電系統實時最大輸出功率高於微電網負荷，則控制光伏發電系統以頻率調節模式運行。
所述獲取模塊，用於當太陽輻射照度的變化值超過閾值時，獲取光伏發電系統的最大功率點。
所述判斷模塊，用於若光伏發電系統實時最大輸出功率小於微電網負荷，則判斷微電網負荷與光伏發電系統實時最大輸出功率的差值是否大於第一設定值時。
所述控制模塊，用於若微電網負荷與光伏發電系統實時最大輸出功率的差值大於第一設定值，則控制光伏發電系統以最大功率點跟蹤模式運行；若微電網負荷與光伏發電系統實時最大輸出功率的差值小於設定值，則控制光伏發電系統以有功功率調節模式運行。
在另一個實施例中，所述柴油發電機控制模塊，用於當光伏發電系統以頻率調節模式運行時，控制柴油發電機同步電容器模式運行；當光伏發電系統以有功功率調節模式運行時，控制柴油發電機以發電機模式運行；當光伏發電系統以最大功率點跟蹤模式運行時，控制柴油發電機以發電機模式運行。
其中，柴油發電機運行模式的切換藉助於耦合柴油機與同步發電機的離合器實現，當柴油發電機以同步電容器模式運行時，離合器分離；當柴油發電機以發電機模式運行時，離合器閉合。
上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制裝置，根據太陽輻射照度的變化值、光伏發電系統實時最大輸出功率和微電網負荷，控制光伏發電系統以頻率調節模式、有功功率調節模式或最大功率點跟蹤模式運行，光伏發電系統的輸出功率可在最大功率以下根據微電網系統需要自由調節，從而留有一定的功率餘量參與微電網系統輔助調節功能。該裝置能有效延長傳統柴油發電機的運行效率和使用壽命，並提高微電網的頻率和電壓穩定性。此外，該裝置在工程運用中無需給微電網額外添加硬體設備，比常用的利用儲能裝置或虛載荷的方法節省前期投入，從而降低發電成本和電力用戶的用電費用。
基於上述的實施例，提供一種計算機設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上並可在處理器上運行的電腦程式，處理器執行程序時實現上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的步驟。
基於上述的實施例，提供一種存儲介質，其上存儲有電腦程式，該程序被處理器執行時，實現上述的光伏-柴油複合型供電系統的控制方法的步驟。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。