專利名稱：光柴互補獨立微電網的頻率優化方法
技術領域：
本發明涉及一種微電網頻率優化控制技術，特別涉及一種基于PID策略的光柴互補獨立微電網的頻率優化方法。
背景技術：
隨著全球變暖和化石能源的短缺，人類對新能源的需求日益增加。在各種新能源中，光伏由于其無污染、可再生等優點，是未來滿足電力需求的非常重要的清潔能源。但是光伏發電由于受天氣條件變化的影響輸出功率具有波動性，會對大電網的電能質量如頻率等造成污染。因此，為解決分布式電源接入的問題，協調大電網和分布式電源的矛盾，充分挖掘分布式發電為電網和用戶帶來的價值與效益，在本世紀初，學者們提出了微電網的概念利用先進的電力電子技術，將微電源、負荷、儲能系統及控制裝置等結合，形成一 個單一可控的單元，同時向用戶供給電和熱。微電網既可與大電網聯網運行，也可在電網故障或需要時與主網斷開單獨運行。孤島運行是微網的重要運行模式。在一些偏遠山區、軍事要塞等地方，架設長距離輸電線路成本非常高，經濟性差，而且受地理環境的影響很大。微電網孤島運行模式的出現很好的解決了這些問題，有效地觸及了大電網所不能延伸的地方。孤島模式下運行的微電網可以作為大電網的補充。但是由于微網中存在間歇性新能源，大量的系統問題(電壓波動、頻率偏差等)頻繁出現，這也是當前微網獨立運行時面臨的主要問題。所以，針對微網獨立運行時的特點進行深入研究，為獨立微電網安全、穩定、經濟運行提供理論上和技術上的保障，具有非常重要的現實意義。

發明內容
本發明是針對孤島模式下運行的微電網不穩定的問題，提出了一種光柴互補獨立微電網的頻率優化方法，建立了光柴混合為負荷供電的獨立微電網模型，設計PID補償控制器對柴油發電系統進行有功功率調整，從而實現微網頻率偏差的抑制，改善了微網整體運行過程中的電能質量。本發明的技術方案為一種光柴互補獨立微電網的頻率優化方法,微電網中包括光伏發電和柴油機發電混合供電系統，共同給負載供電，頻率優化方法具體包括如下步驟
aV NRI
I)建立光伏系統數學模型之=-I}-Isk，
β|F
!爐=’ Js=L+AR - 1V)] m ’hk=,其中(和 C
分別是光伏系統中太陽能電池模塊的輸出電流和輸出電壓，Jg是光生電流，Isa是光電池反向飽和電流i是電子電量，/是波爾茲曼常數，J是二極管理想因子，Nf是并聯電池數，％是串聯電池數，Iik是光電池內阻電流，Ior是溫度在^時的飽和電流，I；是光伏陣列的溫度，^是參考溫度，Eg是材料跨越能階所需能量，It是短路電流溫度系數，Ix是太陽能電池模塊的短路電流，Si是日照強度，Rsh是太陽能電池模塊內阻；
2)建立包含柴油機發電系統的傳遞函數模型,其中&是柴油發電機的時間常
數，&是柴油發電機的增益；
3)光伏發電系統采用mppt控制算法獲得最大的新能源功率輸出，微電網的發電功率和負荷差輸入調速器，調速器的輸出響應調節柴油發電機的輸出功率，并通過matlab搭建仿真模塊進行分析；
4)在調速器和柴油機之間增加PID控制器，微電網供電系統輸出和調速器輸出頻率信
號送入PID控制器，PID控制器輸出對柴油機發電頻率進行補償，PID控制器的數學模型滿
足方程w(t) = Kp[A/(t) + — \i\f{z)d-v+TD^^-},其中h是比例控制器增S -是積
.T11A-
分控制增益，G是微分控制器增益。本發明的有益效果在于本發明光柴互補獨立微電網的頻率優化方法，設計PID補償控制器對柴油發電系統進行有功功率調整，通過matlab軟件仿真得到了頻率偏差不超過±0. 02 Hz的良好效果，改善了微網整體運行過程中的電能質量。能夠有效的解決在孤島狀態下微網的頻率偏差問題，并且結構簡單有效，成本較低，方便工程應用。


圖I為微電網的結構示意 圖2為柴油機發電的傳遞函數模型 圖3為微網控制結構模型 圖4為本發明修正后的微網控制結構模型 圖5為微電網中的負荷擾動值仿真 圖6為微網中光伏能源的日照強度仿真 圖7為未優化之前光柴互補的微電網整體運行后的頻率偏差u仿真 圖8為傳統mppt控制作用下得到的光伏輸出功率仿真 圖9為柴油機發電機輸出功率曲線 圖10為本發明優化后微網的頻率偏差曲線 圖11為時間為IOOs優化前后頻率偏差相比較仿真曲線 圖12為時間為500s優化前后頻率偏差相比較仿真曲線 圖13為時間為800s優化前后頻率偏差相比較仿真曲線圖。
具體實施例方式I、考慮混合能源接入的獨立微網的數學建模如圖I所示微電網的結構示意圖，微電網中主要包括光伏2發電和柴油機I發電混合供電系統，共同給負載4供電。太陽能電池模塊對設計逆變器3和控制系統具有重要意義，
太陽能電池模塊的傳統I-V特性、太陽能電池模塊的飽和電流/_隨溫度變化的情況、光電
池內阻電流可以由下面的公式表達
其中4和 分別是太陽能電池模塊的輸出電流和輸出電壓，^是光生電流，I虛是光電池反向飽和電流是電子電量，,是波爾茲曼常數4是二極管理想因子，N,是并聯電池數，是串聯電池數，Ilh是光電池內阻電流，Ior是溫度在&時的飽和電流，Ta是光伏陣列的溫度，&是參考溫度，Es是材料跨越能階所需能量，It是短路電流溫度系數，Ix是太陽能電池模塊的短路電流，Si是日照強度，Rsh是太陽能電池模塊內阻，Rs光伏的輸出功率可由下式得出
= KL
柴油機I發電作為光伏2發電系統互補電源，可以彌補太陽能發電的隨機性和不均勻性。柴油機I發電系統可以用一階時滯傳遞函數表示一^。
JL "I J. ^如圖2所示柴油機發電的傳遞函數模型圖，其中Trf是柴油發電機的時間常數，Ki
是柴油發電機的增益，柴油發電機的額定功率是450KW。2、本發明的利用PID控制策略優化獨立微網頻率控制器的設計原理
由于光伏2發電具有波動性和不可調節性，所以微電網中光伏發電需要與其他可調功率電源配合，本發明的對象是以柴油機I發電為互補電源構建獨立微網，通過兩個算例比較分析驗證本發明對微網頻率穩定的有效性。如圖3所示微網控制結構模型圖，現有的策略中，當光伏2電源輸出的較大波動弓I起微網有功不平衡和頻率大幅偏移，特別是電力系統頻率偏離目標頻率時，基于電力系統一次調頻原理，利用柴油機前端的調速器對發電出力和負荷的偏差的響應，調整有功出力以維持電力系統頻率穩定，但是調頻效果不理想。
如圖4所示本發明修正后的微網控制結構模型圖，本發明的策略中，提出了一種PID負荷頻率補償控制策略，在調速器和柴油機之間增加PID控制器，混合供電系統輸出和調速器輸出頻率信號送入PID控制器，PID控制器輸出對柴油機發電頻率進行補償。PID控制器是由比例、積分、微分項構成，它具有原理簡單、實現容易，適應性強等優點。本發明所
I *dA.f (tl
設計控制器的數學模型滿足方程W.(t) = Κρ[Δ/( )+— \Α/(τ) τ+Τη^-^-]，(
τι ο*4/(1)
是微網頻率偏差)其中是比例控制器增益，&是積分控制增益，b是微分控制器增益。這個控制器的功能是在發電過程中，通過在柴油機I發電單元追加控制器，增加或降低指令信號來控制柴油機I的速度齒輪轉換開關作為對頻率誤差信號的響應，控制柴油機I的轉速來調節其功率輸出，進而控制系統頻率。3、本發明的利用PID控制策略優化光柴獨立微網頻率控制器的設計方法
技術領域：
本發明提出的基于PID控制策略的光柴互補微網的頻率控制器的設計方法，在建立了
微網中的光柴發電系統的數學模型之后，按照下列步驟進行
aVNRI
O建立光伏系統數學模型1}-
Γβ 3 A I Ig. T _ K +NJoR,
= 1Oriy-) exp(——--—)) , I [/ + I (τ — T )]~L , ΓΓ~Ζ。
ΚΙαla gf 13 ^ 10001U Kh2)建立包含柴油機發電系統的傳遞函數模型,其中&是柴油發電機的時間常數，Ki是柴油發電機的增益，柴油機的額定功率是450KW。3)提出兩種頻率優化控制策略。在現有的策略中，對光伏發電系統采用mppt控制算法獲得最大的新能源功率輸出，柴油機發電系統為互補調節能源。在孤島運行模式下，當光伏電源輸出的較大波動引起微網有功不平衡和頻率大幅偏移，特別是電力系統頻率偏離目標頻率時，柴油機發電機組通過調速系統對發電出力和負荷的偏差做出響應，調整有功出力以維持電力系統頻率穩定，這也屬于電力系統頻率的一次調整。并通過matlab搭建仿真模塊進行分析。4)在本發明策略中，提出了一種PID負荷頻率補償控制策略。PID控制器是由比例、積分、微分項構成，它具有原理簡單、實現容易，適應性強等優點，是非常實用的一種控制策略。本文所設計PID控制器的數學模型滿足方程
(t)=Kp[A/(t) +備+其中&是比例控制器增益-是積分控制
T1 %dt
增益，G是微分控制器增益，分別取值為Kp=' I} = 2[I Td = 0.5。這個控制器的功能是在
發電過程中，通過在柴油機發電單元追加控制器，增加或降低指令信號來控制柴油機的速度齒輪轉換開關作為對頻率誤差信號的響應，控制柴油發電機的轉速來調節其功率輸出，進而控制系統頻率。
4、算例分析
本發明考慮的微網結構模型圖如圖3、圖4所示，為了證明所設計頻率控制器的有效性，將通過對微網系統模型進行兩種仿真對比證明。I)現有的策略
微電網中的負荷擾動值仿真圖如圖5所示，圖6是微網中光伏能源的日照強度仿真圖，未優化之前光柴互補的微電網整體運行后的頻率偏差u仿真圖如圖7所示。圖8是傳統mppt控制作用下得到的光伏輸出功率仿真圖。圖8可以看出獲得了最大光伏輸出功率。圖7是微電網中頻率的偏差。從圖7中仿真過程可以看出一開始頻率偏差振幅很大，超過實際工況±0.2 Hz的要求。在20s后，偏差幅度變小，基本上幅值在±0.2 Hz左右，但在運行過程中，隨著微網中負荷的波動較大時 仍然會出現頻率偏差超過±0.2 Hz的情況。所以利用柴油機自動調節補償光伏和負荷功率波動的情況，從整體來看控制效果不理想，而且響應速度較慢。2)本發明策略
在所設計的PID控制器的調節作用下，柴油機發電機輸出功率曲線圖如圖9，優化后微網的頻率偏差曲線圖如圖10。由圖10中看出頻率偏差維持在±0.2 Hz左右，控制達到了預期的效果，而且響應
速度遠比原來的快得多。為了能比較清楚地看到改進后的效果，分別進行了時間為100s、500s,800s的對比仿真曲線分別見圖11，圖12和圖13，可以看出所設計的PID負荷頻率控制器保持頻率偏差在土0.2 Hz左右，即頻率偏差必須以標準值為中心，在規定的范圍內波
動，而且響應速度很快。所的改進控制策略使整個系統高效，而且盡可能少的增加設備，減少浪費，而且維護也更加方便。
權利要求
1.ー種光柴互補獨立微電網的頻率優化方法,微電網中包括光伏發電和柴油機發電混合供電系統，共同給負載供電，其特征在干，頻率優化方法具體包括如下步驟 1)建立光伏系統數學模型
全文摘要
本發明涉及一種光柴互補獨立微電網的頻率優化方法，建立了光柴混合為負荷供電的獨立微電網模型，除了應用調速器的輸出響應調節柴油發電機的輸出功率，同時設計PID補償控制器對柴油發電系統進行有功功率調整，通過matlab軟件仿真得到了頻率偏差不超過±0.02Hz的良好效果,改善了微網整體運行過程中的電能質量。能夠有效的解決在孤島狀態下微網的頻率偏差問題，并且結構簡單有效，成本較低，方便工程應用。
文檔編號H02J9/00GK102868207SQ20121033687
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者米陽, 田越, 王利民, 韓云昊 申請人:上海電力學院