一种风光水互补发电系统的优化调度方法
【专利摘要】本发明涉及一种风光水互补发电系统的优化调度方法，属于新能源互补发电控制【技术领域】。本发明所提供的风光水互补发电系统的优化控制方法包括风力发电的优化调度、光伏发电的优化调度、抽水蓄能的优化调度。其中，风力发电的运行采用最大风能捕获控制策略，光伏发电的运行采用最大功率点跟踪控制，抽水蓄能的运行按给定出力运行。利用该优化方法对风光水互补发电系统的运行进行调度，能最大限度地利用风能资源和太阳能资源，增加系统的运行效益；且提高了系统运行的稳定性。该优化调度方法适用于各种型式的风力发电机、光伏阵列和抽水蓄能机组，具有很好的普适性，可推广应用。
【专利说明】—种风光水互补发电系统的优化调度方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风光水互补发电系统的优化调度方法，属于新能源互补发电控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]专利《风光互补发电储能装置》(申请号:201110048421.8，授权号:CN102116244B)公开了一种风光互补发电储能装置，该装置利用抽水蓄能对风光互补发电系统进行储能，即为风光水互补发电系统。风光水互补发电系统的运行要综合考虑风能资源、太阳能资源、抽水蓄能的性能和负荷特性，因此，系统的优化调度非常重要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种风光水互补发电系统的优化调度方法，以最大限度地利用风能资源和太阳能资源，增加系统的运行效益，提高系统运行的稳定性。
[0004]本发明为解决上述技术问题而提供一种风光水互补发电系统的优化调度方法，该风光水互补发电系统的优化调度包括风力发电的调度、光伏发电的调度和抽水蓄能的调度，其中风力发电的调度采用最大风能捕获控制方法，光伏发电的调度采用最大功率点跟踪控制方法，抽水蓄能的调度采用给定出力运行控制，
[0005]所述风力发电的调度采用最大风能捕获控制方法的步骤如下:
[0006]I)通过实验测定该风电场中各典型风速下风力发电机组输出的功率和发电机转速之间的关系，将上述关系存储到相应的计算机控制系统中，并根据上述关系确定每种典型风速下的最佳输出功率以及最佳输出功率所对应的发电机转速；
[0007]2)在风力发电机开机时刻，检测当前风电场风速，控制风力发电机组输出的功率等于该风速所属典型风速下最佳输出功率，调整风力发电机转速使之达到最佳输出功率所对应的转速；
[0008]3)在风力发电机运行过程中，实时检测风电场风速，判断当前风速是否处于上一时刻风速所在的典型风速范围内，如果是，控制风力发电机组按照上一时刻所在典型风速对应的最佳输出功率运行；
[0009]4)否则，控制风力发电机组按照当前风速所属的典型风速下当前发电机转速对应的功率输出，同时调整发电机转速，使之达到当前风速所属的典型风速下最佳输出功率所对应的发电机转速，此时该风力发电机的输出功率就是当前风速所属的典型风速下最佳输出功率；
[0010]所述光伏发电采用最大功率点跟踪控制的步骤如下:
[0011]A)通过实验测定各典型光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，即光伏阵列的电流和电压的关系，并根据上述关系确定最大功率输出点以及最大功率输出点对应的负载；
[0012]B)检测光照强度，判断当前光照强度是否处于上一时刻所在的典型光照强度范围内，如果是，控制光伏阵列按照上一时刻所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，并保持负载与上一时刻所在的典型光照强度的最大功率输出点对应的负载；
[0013]C)否则，控制光伏阵列按照当前时刻所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，同时调整负载，使之等于当前时刻所在的典型光照强度输出特性曲线上最大功率输出点所对应的负载值，此时光伏阵列输出功率就是该光照强度对应的最大输出功率；
[0014]所述抽水蓄能采用给定出力运行控制的步骤如下:
[0015]a)判断给定的出力即风光水互补发电系统的净负荷Ppl是否大于0，净负荷Ppl是系统的负荷值与风力发电量和光伏发电量之和的差值；
[0016]b)如果给定的出力大于0，即Ppl > 0，则控制抽水蓄能机组运行在水轮机工况，如果给定的出力小于0，即Ppl < 0，则控制抽水蓄能机组运行在水泵工况。
[0017]所述的运行在水轮机工况的抽水蓄能机组如果其净负荷Ppl小于抽水蓄能机组的水轮机工况的启动功率和停机功率Ppttl时，控制抽水蓄能机组不运行；如果净负荷Ppl大于等于抽水蓄能机组的水轮机工况的启动功率和停机功率Ppttl而小于抽水蓄能机组的水轮机工况的额定功率Pptfe时，控制抽水蓄能机组按净负荷功率Ppl运行在水轮机工况；如果净负荷Ppl大于等于抽水蓄能机组的水轮机工况的额定功率Pptfe时，控制抽水蓄能机组按水轮机工况的额定功率Pptfe运行。
[0018]所述的运行在水泵工况的抽水蓄能机组如果其净负荷Ppl小于抽水蓄能机组的水泵工况的额定功率Ppt一控制抽水蓄能机组不运行；如果其净负荷Ppl不小于抽水蓄能机组的水泵工况的额定功率Ppt…控制抽水蓄能机组按水泵工况的额定功率Pptlff运行。
[0019]本发明的有益效果是:本发明所提供的风光水互补发电系统的优化控制方法包括风力发电的优化调度、光伏发电的优化调度、抽水蓄能的优化调度。其中，风力发电的运行采用最大风能捕获控制策略， 光伏发电的运行采用最大功率点跟踪控制，抽水蓄能的运行按给定出力运行。利用该优化方法对风光水互补发电系统的运行进行调度，能最大限度地利用风能资源和太阳能资源，增加系统的运行效益，且提高了系统运行的稳定性。该优化调度方法适用于各种型式的风力发电机、光伏阵列和抽水蓄能机组，具有很好的普适性，可推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是最大风能捕获控制策略分析示意图
[0021]图2是最大功率点跟踪控制算法分析不意图；
[0022]图3是本发明实施例中某一天的风速曲线示意图；
[0023]图4是本发明实施例中风力发电机组采用最大风能捕获控制后的输出功率曲线图；
[0024]图5是本发明实施例中某一天的太阳辐射量曲线图；
[0025]图6是本发明实施例中光伏阵列采用最大功率跟踪控制后的输出功率曲线图；
[0026]图7是本发明实施例中净负荷曲线图；
[0027]图8是本发明实施例抽水蓄能机组的输出功率曲线图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。[0029]本发明公开了一种风光水互补发电系统的优化调度方法，该方法包括风力发电的优化调度、光伏发电的优化调度和抽水蓄能的优化调度。风力发电的运行采用最大风能捕获控制，光伏发电的运行采用最大功率点跟踪控制，抽水蓄能的运行按给定出力运行。
[0030]对于一台确定的风力机，在风速和桨叶转角一定时，总存在一个最佳叶尖速比A opt对应着一个最大的风能利用系数Cpmax，此时风力机的能量转换效率最高。对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的转速下，才会获得最大的能量转换效率。风力机的叶片有定桨距和变桨距两种形式。对于定桨距的风力机，除了采用可控制的变速运行外，一般在额定风速以下恒速运行时，Cp常常会偏离其最佳值，使输出功率有所降低，而超过额定风速后，则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。对于变桨距的风力机，通过调节桨距可使Cp在额定风速以下最大限度地接近最佳值，从而捕获到最大的风能以得到较多的能量输出，超过额定风速以后，通过改变桨距减小Cp值，使输出功率保持在其额定值上。所以，为获得最大的风能利用，实际运行时最好通过调节桨距来保证风力机运行在最大功率曲线上。因此，在任何风速下，只要调节风力机转速，使其叶尖线速度与风速之比、保持不变，且都满足、=X _，就可以维持风力机在Cpmax下运行，这就是风力机最大风能捕获的原理，最大风能捕获控制方法具体步骤如下:
[0031]1.风力发电采用最大风能捕获控制过程通过实验测定该风电场中各典型风速下风力发电机组输出功率和发电机转速之间的关系，将上述关系存储到相应的计算机控制系统中，并根据上述关系确定每种典型风速下的最佳功率以及最佳功率所对应的发电机转速；
[0032]2.在风力发电机开机时刻，检测当前风电场风速，控制风力发电机组输出的功率等于该风速所属典型风速下最佳输出功率，调整风力发电机转速使之达到最佳输出功率所对应的转速；
[0033]3.在风力发电机运行过程中，实时检测风电场风速，判断当前风速是否处于上一时刻风速所在的典型风速范围内，如果是，控制风力发电机组按照上一时刻所在典型风速对应的最佳输出功率运行；
[0034]4.否则，控制风力发电机组按照当前风速所属的典型风速下当前发电机转速对应的功率输出，同时调整风力机转速，使之达到当前风速所属的典型风速下最佳功率所对应的转速，此时该风力发电机的输出功率就是当前风速所属的典型风速下最佳功率。
[0035]本实施例中风力发电采用最大风能捕获控制过程如图1所示，其中，纵坐标P表示风力发电机的输出功率，横坐标n表示风力发电机的转速，V表示风速，单条曲线表示的含义为:当风速分别为vl，v2, v3时，风力发电机的输出功率与其转速的关系，这是由风力机本身的特性所决定的，P_是最优功率曲线。假设风力机原来在风速V2下稳定运行在b点，对应着该风速下的最优发电机转速n2和最优输出功率P2,此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时刻风速突然升高至V3，风力机马上就会由b点跳至V3风速下的功率曲线上的d点运行，其输出机械功率由P2突变至Pd。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程之后，发电机仍运行在b点，此时发电机输入的机械功率大于发电机输出的功率，功率的不平衡将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着V3风速下功率曲线的dc轨迹和最优功率曲线的be轨迹运行。当分别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点c时,功率将重新达到平衡。此时,转速稳定在对应于风速V3下的最优转速n3,风力机输出最优的机械功率P3。同理,如果风速从高到低变化时，最大风能捕获过程和转速的调节过程与上述过程相反。
[0036]光伏发电采用最大功率点跟踪控制是通过实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下光伏阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样，即使光伏电池的结温升高使得光伏阵列的输出功率减少，系统仍能运行在当前工况下的最佳状态，其具体控制过程如下:
[0037]1.通过实验测定各典型光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，即光伏阵列的电流和电压的关系，并根据上述关系确定最大功率输出点以及最大功率输出点对应的负载；
[0038]2.检测光照强度，判断当前光照强度是否处于上一时刻速所在的典型光照强度范围内，如果是，控制光伏阵列按照上一时刻速所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，并保持负载与上一时刻所在的典型光照强度的最大功率输出点对应的负载；
[0039]3.否则，控制光伏阵列按照当前时刻速所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，光伏阵列的输出功率为当前时刻光照强度所在的典型光照强度输出特性曲线在上一时刻负载所对应的功率，同时调整负载，使之等于当前时刻速所在的典型光照强度输出特性曲线上最大功率输出点所对应的负载值，此时光伏阵列输出功率就是该光照强度对应的最大输出功率。
[0040]本实施例中最大功率点跟踪控制的原理如图2所示，假定图中曲线I和曲线2为两不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率输出点，并假定某一时刻，系统运行在A点。当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性曲线由曲线I上升为曲线2时，此时如果保持负载I不变，系统将运行在A’点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点，应将系统的负载特性由负载I变至负载2，以保证系统运行在新的光照强度下的最大功率点B。同样，如果光照强度变化使光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线I，则相应的工作点由B点变化到B’点，应相应的调整负载2至负载1，以保证系统在光照强度减小的情况下应运行在最大功率点A。
[0041]抽水蓄能的运行按给定出力运行，其控制过程如下，给定的出力即为风光水互补发电系统的净负荷Ppl，净负荷即系统的负荷值与风力发电量和光伏发电量之和的差值。假定Pptfe为抽水蓄能机组的水轮机工况的额定功率，Pptpr为抽水蓄能机组的水泵工况的额定功率，Pptti为抽水蓄能机组的水轮机工况的启动功率和停机功率。
[0042]分两种情况讨论:
[0043](I)当Ppl > 0 (用符号Pplp表示)时，抽水蓄能机组运行在水轮机工况，再分三种情况讨论:
[0044]①当Pplp < Ppttl时，抽水蓄能机组不运行；
[0045]②当Ppttl ( Pplp < Ppttr时，抽水蓄能机组按净负荷功率Ppl运行在水轮机工况；
[0046]③当Pptta ( Pplp时，抽水蓄能机组按水轮机工况的额定功率Pptfe运行。
[0047](2)当Ppl < 0 (用符号Ppld表示)时，抽水蓄能机组运行在水泵工况，再分两种情况讨论:
[0048]①当Ppld < Pptpr时，抽水蓄能机组不运行；
[0049]②当Ppld≤Pptpr时，抽水蓄能机组按水泵工况的额定功率Pptlff运行。
[0050]其中，抽水蓄能机组按净负荷功率Ppl运行在水轮机工况的具体控制方式如下:[0051]①跟踪复合系统的净负荷Ppl ；
[0052]②根据水轮机工况的数学模型，计算水轮机水头H，流量Q，导叶开度％ ；
[0053]③按导叶开度aQ控制。
[0054]实施例一
[0055]我们以某风光水互补发电系统为例，假设风力发电机的容量为700kW,光伏阵列的容量为800kW，抽水蓄能机组的容量为420kW，利用该优化方法对系统的运行进行调度。
[0056](I)风力发电的优化调度:
[0057]风速数据每隔15分钟采集一次，如图3所示为一天的风速数据。根据本发明提出的最大风能捕获控制策略对风力发电机的运行进行控制，得到风力发电机的输出功率如图4所示。
[0058](2)光伏发电的优化调度:
[0059]太阳辐射量数据每隔15分钟采集一次，如图5所示。本发明提出的最大功率点跟踪控制对光伏阵列进行控制，得到光伏阵列输出功率曲线如图6所示。
[0060](3)抽水蓄能的优化调度
[0061]系统净负荷曲线如图7所示。根据本发明提出的抽水蓄能的优化调度方法，得到抽水蓄能机组的输出功率变化曲线如图8所示，图中，正值表示可逆式水泵水轮机运行在水轮机工况，负值表示可逆式水泵水轮机运行在水泵工况。
[0062]抽水蓄能机组可以采用按流量运行，或按出力运行。由于本系统是平衡风力发电和光伏发电之和与负荷之间的平衡，因此抽水蓄能机组采用按出力运行，为此，文中提出了净负荷的概念，即净负荷为系统的负荷值与风力发电量和光伏发电量之和的差值。净负荷同时兼顾了风能资源、太阳能资源和负荷的变化规律，为系统中抽水蓄能机组的运行提供了能量依据。相比较其他的运行方式，这种运行方式能最大限度地利用风能资源和太阳能资源，并且，抽水蓄能机组也能充分地平衡风力发电和光伏发电之和与负荷之间的平衡，即抽水蓄能充分利用风力发电和光伏发电之和供给负荷多余的电能抽水，也能根据风力发电和光伏发电之和供给负荷不足电能值进行发电。
【权利要求】
1.一种风光水互补发电系统的优化调度方法,其特征在于，该风光水互补发电系统的优化调度包括风力发电的调度、光伏发电的调度和抽水蓄能的调度，其中风力发电的调度采用最大风能捕获控制方法，光伏发电的调度采用最大功率点跟踪控制方法，抽水蓄能的调度采用给定出力运行控制， 所述风力发电的调度采用最大风能捕获控制方法的步骤如下: 1)通过实验测定该风电场中各典型风速下风力发电机组输出的功率和发电机转速之间的关系，将上述关系存储到相应的计算机控制系统中，并根据上述关系确定每种典型风速下的最佳输出功率以及最佳输出功率所对应的发电机转速； 2)在风力发电机开机时刻，检测当前风电场风速，控制风力发电机组输出的功率等于该风速所属典型风速下最佳输出功率，调整风力发电机转速使之达到最佳输出功率所对应的转速； 3)在风力发电机运行过程中，实时检测风电场风速，判断当前风速是否处于上一时刻风速所在的典型风速范围内，如果是，控制风力发电机组按照上一时刻所在典型风速对应的最佳输出功率运行； 4)否则，控制风力发电机组按照当前风速所属的典型风速下当前发电机转速对应的功率输出，同时调整发电机转速，使之达到当前风速所属的典型风速下最佳输出功率所对应的发电机转速，此时该风力发电机的输出功率就是当前风速所属的典型风速下最佳输出功率； 所述光伏发电采用最大功率点跟踪控制的步骤如下: A)通过实验测定各典型光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，即光伏阵列的电流和电压的关系，并根据上述关系确定最大功率输出点以及最大功率输出点对应的负载； B)检测光照强度，判断当前光照强度是否处于上一时刻所在的典型光照强度范围内，如果是，控制光伏阵列按照上一时刻所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，并保持负载与上一时刻所在的典型光照强度的最大功率输出点对应的负载； C)否则，控制光伏阵列按照当前时刻所在的典型光照强度对应的输出特性曲线输出，同时调整负载，使之等于当前时刻所在的典型光照强度输出特性曲线上最大功率输出点所对应的负载值，此时光伏阵列输出功率就是该光照强度对应的最大输出功率； 所述抽水蓄能采用给定出力运行控制的步骤如下: a)判断给定的出力即风光水互补发电系统的净负荷Ppl是否大于O，净负荷Ppl是系统的负荷值与风力发电量和光伏发电量之和的差值； b)如果给定的出力大于O，即Ppl> O，则控制抽水蓄能机组运行在水轮机工况，如果给定的出力小于O，即Ppl < O，则控制抽水蓄能机组运行在水泵工况。
2.根据权利要求1所述的风光水互补发电系统的优化调度方法，其特征在于，所述的运行在水轮机工况的抽水蓄能机组如果其净负荷Ppl小于抽水蓄能机组的水轮机工况的启动功率和停机功率Ppttl时，控制抽水蓄能机组不运行；如果净负荷Ppl大于等于抽水蓄能机组的水轮机工况的启动功率和停机功率Ppttl而小于抽水蓄能机组的水轮机工况的额定功率Ppto时，控制抽水蓄能机组按净负荷功率Ppl运行在水轮机工况；如果净负荷Ppl大于等于抽水蓄能机组的水轮机工况的额定功率Pptfe时，控制抽水蓄能机组按水轮机工况的额定功率Pptfe运行。
3.根据权利要求1所述的风光水互补发电系统的优化调度方法，其特征在于，所述的运行在水泵工况的抽水蓄能机组如果其净负荷Ppl小于抽水蓄能机组的水泵工况的额定功率Pptltt，控制抽水蓄能机组不运行；如果其净负荷Ppl不小于抽水蓄能机组的水泵工况的额定功率Pp_，控制抽水蓄能机组按水泵工况的额定功率Pptlff运行。
【文档编号】G05F1/67GK103488236SQ201310247419
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】任岩, 陈德新, 顾波, 任林茂, 张汉敏, 刘清欣, 吴利乐 申请人:华北水利水电大学