专利名称：光柴互补独立微电网的频率优化方法
技术领域：
本发明涉及一种微电网频率优化控制技术，特别涉及一种基于PID策略的光柴互补独立微电网的频率优化方法。
背景技术：
随着全球变暖和化石能源的短缺，人类对新能源的需求日益增加。在各种新能源中，光伏由于其无污染、可再生等优点，是未来满足电力需求的非常重要的清洁能源。但是光伏发电由于受天气条件变化的影响输出功率具有波动性，会对大电网的电能质量如频率等造成污染。因此，为解决分布式电源接入的问题，协调大电网和分布式电源的矛盾，充分挖掘分布式发电为电网和用户带来的价值与效益，在本世纪初，学者们提出了微电网的概念利用先进的电力电子技术，将微电源、负荷、储能系统及控制装置等结合，形成一 个单一可控的单元，同时向用户供给电和热。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。孤岛运行是微网的重要运行模式。在一些偏远山区、军事要塞等地方，架设长距离输电线路成本非常高，经济性差，而且受地理环境的影响很大。微电网孤岛运行模式的出现很好的解决了这些问题，有效地触及了大电网所不能延伸的地方。孤岛模式下运行的微电网可以作为大电网的补充。但是由于微网中存在间歇性新能源，大量的系统问题(电压波动、频率偏差等)频繁出现，这也是当前微网独立运行时面临的主要问题。所以，针对微网独立运行时的特点进行深入研究，为独立微电网安全、稳定、经济运行提供理论上和技术上的保障，具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明是针对孤岛模式下运行的微电网不稳定的问题，提出了一种光柴互补独立微电网的频率优化方法，建立了光柴混合为负荷供电的独立微电网模型，设计PID补偿控制器对柴油发电系统进行有功功率调整，从而实现微网频率偏差的抑制，改善了微网整体运行过程中的电能质量。本发明的技术方案为一种光柴互补独立微电网的频率优化方法,微电网中包括光伏发电和柴油机发电混合供电系统，共同给负载供电，频率优化方法具体包括如下步骤
aV NRI
I)建立光伏系统数学模型之=-I}-Isk，
β|F
!爐=’ Js=L+AR - 1V)] m ’hk=,其中(和 C
分别是光伏系统中太阳能电池模块的输出电流和输出电压，Jg是光生电流，Isa是光电池反向饱和电流i是电子电量，/是波尔兹曼常数，J是二极管理想因子，Nf是并联电池数，％是串联电池数，Iik是光电池内阻电流，Ior是温度在^时的饱和电流，I；是光伏阵列的温度，^是参考温度，Eg是材料跨越能阶所需能量，It是短路电流温度系数，Ix是太阳能电池模块的短路电流，Si是日照强度，Rsh是太阳能电池模块内阻；
2)建立包含柴油机发电系统的传递函数模型,其中&是柴油发电机的时间常
数，&是柴油发电机的增益；
3)光伏发电系统采用mppt控制算法获得最大的新能源功率输出，微电网的发电功率和负荷差输入调速器，调速器的输出响应调节柴油发电机的输出功率，并通过matlab搭建仿真模块进行分析；
4)在调速器和柴油机之间增加PID控制器，微电网供电系统输出和调速器输出频率信
号送入PID控制器，PID控制器输出对柴油机发电频率进行补偿，PID控制器的数学模型满
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 -是积
.T11A-
分控制增益，G是微分控制器增益。本发明的有益效果在于本发明光柴互补独立微电网的频率优化方法，设计PID补偿控制器对柴油发电系统进行有功功率调整，通过matlab软件仿真得到了频率偏差不超过±0. 02 Hz的良好效果，改善了微网整体运行过程中的电能质量。能够有效的解决在孤岛状态下微网的频率偏差问题，并且结构简单有效，成本较低，方便工程应用。
图I为微电网的结构示意 图2为柴油机发电的传递函数模型 图3为微网控制结构模型 图4为本发明修正后的微网控制结构模型 图5为微电网中的负荷扰动值仿真 图6为微网中光伏能源的日照强度仿真 图7为未优化之前光柴互补的微电网整体运行后的频率偏差u仿真 图8为传统mppt控制作用下得到的光伏输出功率仿真 图9为柴油机发电机输出功率曲线 图10为本发明优化后微网的频率偏差曲线 图11为时间为IOOs优化前后频率偏差相比较仿真曲线 图12为时间为500s优化前后频率偏差相比较仿真曲线 图13为时间为800s优化前后频率偏差相比较仿真曲线图。
具体实施例方式I、考虑混合能源接入的独立微网的数学建模如图I所示微电网的结构示意图，微电网中主要包括光伏2发电和柴油机I发电混合供电系统，共同给负载4供电。太阳能电池模块对设计逆变器3和控制系统具有重要意义，
太阳能电池模块的传统I-V特性、太阳能电池模块的饱和电流/_随温度变化的情况、光电
池内阻电流可以由下面的公式表达
其中4和 分别是太阳能电池模块的输出电流和输出电压，^是光生电流，I虚是光电池反向饱和电流是电子电量，,是波尔兹曼常数4是二极管理想因子，N,是并联电池数，是串联电池数，Ilh是光电池内阻电流，Ior是温度在&时的饱和电流，Ta是光伏阵列的温度，&是参考温度，Es是材料跨越能阶所需能量，It是短路电流温度系数，Ix是太阳能电池模块的短路电流，Si是日照强度，Rsh是太阳能电池模块内阻，Rs光伏的输出功率可由下式得出
= KL
柴油机I发电作为光伏2发电系统互补电源，可以弥补太阳能发电的随机性和不均匀性。柴油机I发电系统可以用一阶时滞传递函数表示一^。
JL "I J. ^如图2所示柴油机发电的传递函数模型图，其中Trf是柴油发电机的时间常数，Ki
是柴油发电机的增益，柴油发电机的额定功率是450KW。2、本发明的利用PID控制策略优化独立微网频率控制器的设计原理
由于光伏2发电具有波动性和不可调节性，所以微电网中光伏发电需要与其他可调功率电源配合，本发明的对象是以柴油机I发电为互补电源构建独立微网，通过两个算例比较分析验证本发明对微网频率稳定的有效性。如图3所示微网控制结构模型图，现有的策略中，当光伏2电源输出的较大波动弓I起微网有功不平衡和频率大幅偏移，特别是电力系统频率偏离目标频率时，基于电力系统一次调频原理，利用柴油机前端的调速器对发电出力和负荷的偏差的响应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定，但是调频效果不理想。
如图4所示本发明修正后的微网控制结构模型图，本发明的策略中，提出了一种PID负荷频率补偿控制策略，在调速器和柴油机之间增加PID控制器，混合供电系统输出和调速器输出频率信号送入PID控制器，PID控制器输出对柴油机发电频率进行补偿。PID控制器是由比例、积分、微分项构成，它具有原理简单、实现容易，适应性强等优点。本发明所
I *dA.f (tl
设计控制器的数学模型满足方程W.(t) = Κρ[Δ/( )+— \Α/(τ) τ+Τη^-^-]，(
τι ο*4/(1)
是微网频率偏差)其中是比例控制器增益，&是积分控制增益，b是微分控制器增益。这个控制器的功能是在发电过程中，通过在柴油机I发电单元追加控制器，增加或降低指令信号来控制柴油机I的速度齿轮转换开关作为对频率误差信号的响应，控制柴油机I的转速来调节其功率输出，进而控制系统频率。3、本发明的利用PID控制策略优化光柴独立微网频率控制器的设计方法
技术领域：
本发明提出的基于PID控制策略的光柴互补微网的频率控制器的设计方法，在建立了
微网中的光柴发电系统的数学模型之后，按照下列步骤进行
aVNRI
O建立光伏系统数学模型1}-
Γβ 3 A I Ig. T _ K +NJoR,
= 1Oriy-) exp(——--—)) , I [/ + I (τ — T )]~L , ΓΓ~Ζ。
ΚΙαla gf 13 ^ 10001U Kh2)建立包含柴油机发电系统的传递函数模型,其中&是柴油发电机的时间常数，Ki是柴油发电机的增益，柴油机的额定功率是450KW。3)提出两种频率优化控制策略。在现有的策略中，对光伏发电系统采用mppt控制算法获得最大的新能源功率输出，柴油机发电系统为互补调节能源。在孤岛运行模式下，当光伏电源输出的较大波动引起微网有功不平衡和频率大幅偏移，特别是电力系统频率偏离目标频率时，柴油机发电机组通过调速系统对发电出力和负荷的偏差做出响应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定，这也属于电力系统频率的一次调整。并通过matlab搭建仿真模块进行分析。4)在本发明策略中，提出了一种PID负荷频率补偿控制策略。PID控制器是由比例、积分、微分项构成，它具有原理简单、实现容易，适应性强等优点，是非常实用的一种控制策略。本文所设计PID控制器的数学模型满足方程
(t)=Kp[A/(t) +备+其中&是比例控制器增益-是积分控制
T1 %dt
增益，G是微分控制器增益，分别取值为Kp=' I} = 2[I Td = 0.5。这个控制器的功能是在
发电过程中，通过在柴油机发电单元追加控制器，增加或降低指令信号来控制柴油机的速度齿轮转换开关作为对频率误差信号的响应，控制柴油发电机的转速来调节其功率输出，进而控制系统频率。
4、算例分析
本发明考虑的微网结构模型图如图3、图4所示，为了证明所设计频率控制器的有效性，将通过对微网系统模型进行两种仿真对比证明。I)现有的策略
微电网中的负荷扰动值仿真图如图5所示，图6是微网中光伏能源的日照强度仿真图，未优化之前光柴互补的微电网整体运行后的频率偏差u仿真图如图7所示。图8是传统mppt控制作用下得到的光伏输出功率仿真图。图8可以看出获得了最大光伏输出功率。图7是微电网中频率的偏差。从图7中仿真过程可以看出一开始频率偏差振幅很大，超过实际工况±0.2 Hz的要求。在20s后，偏差幅度变小，基本上幅值在±0.2 Hz左右，但在运行过程中，随着微网中负荷的波动较大时 仍然会出现频率偏差超过±0.2 Hz的情况。所以利用柴油机自动调节补偿光伏和负荷功率波动的情况，从整体来看控制效果不理想，而且响应速度较慢。2)本发明策略
在所设计的PID控制器的调节作用下，柴油机发电机输出功率曲线图如图9，优化后微网的频率偏差曲线图如图10。由图10中看出频率偏差维持在±0.2 Hz左右，控制达到了预期的效果，而且响应
速度远比原来的快得多。为了能比较清楚地看到改进后的效果，分别进行了时间为100s、500s,800s的对比仿真曲线分别见图11，图12和图13，可以看出所设计的PID负荷频率控制器保持频率偏差在土0.2 Hz左右，即频率偏差必须以标准值为中心，在规定的范围内波
动，而且响应速度很快。所的改进控制策略使整个系统高效，而且尽可能少的增加设备，减少浪费，而且维护也更加方便。
权利要求
1.ー种光柴互补独立微电网的频率优化方法,微电网中包括光伏发电和柴油机发电混合供电系统，共同给负载供电，其特征在干，频率优化方法具体包括如下步骤 1)建立光伏系统数学模型
全文摘要
本发明涉及一种光柴互补独立微电网的频率优化方法，建立了光柴混合为负荷供电的独立微电网模型，除了应用调速器的输出响应调节柴油发电机的输出功率，同时设计PID补偿控制器对柴油发电系统进行有功功率调整，通过matlab软件仿真得到了频率偏差不超过±0.02Hz的良好效果,改善了微网整体运行过程中的电能质量。能够有效的解决在孤岛状态下微网的频率偏差问题，并且结构简单有效，成本较低，方便工程应用。
文档编号H02J9/00GK102868207SQ20121033687
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者米阳, 田越, 王利民, 韩云昊 申请人:上海电力学院