本发明涉及微电网控制技术领域，尤其涉及一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法。
背景技术：
目前林区已建成生态观测站、森林防火监测站等多采用光伏—蓄电池供电系统，弥补了受地理条件限制无法利用传统大电网供电的不足。然而，现有光伏和蓄电池供电系统电能的输出容易受光照条件影响，比如在夏季遇到长时间的阴雨天气或冬季日照时间较短时，光伏电池-蓄电池系统往往不能够为所接负载提供持续的电力，这样就会造成生态观测站或者森林防火监测站由于电力供应不足而无法正常工作。
为了解决上述光伏—蓄电池供电系统存在的问题，通过就地利用林区其他能源来保障电能持续供应是一种可行的途径之一。事实上，在林区通常有丰富的生物质能源，包括森林抚育作业的剩余物、木材加工剩余物、木耳菌废弃菌袋等，这便为发展生物质能发电创造了条件。区别于光伏发电，生物质能发电具有持续稳定的优势，但是在目前技术条件下单独使用生物质发电存在运行效率较低(增加运行成本)的问题。
微电网中存在多种不同类型分布式电源时，根据分布式电源的特性，如何有序、合理地协调控制各分布式电源的功率输出，实现微电网多能互补与能量优化管理，是提高微电网供电可靠性的重要手段。
在微电网能量管理控制策略方面，通过对现有技术文献的检索发现，徐四勤等提出一种独立光伏发电直流电网能量管理控制策略，它是把蓄电池组和隔离型双向dc/dc变换器作为能量主调控单元，以此确保系统直流母线电压稳定，但该策略对蓄电池容量要求较高；孙腾超等针对光储微电网系统，全面分析了微电网在不同运行状态下的工作模式，通过对负荷进行了分类，提出在光储输出不足时会将普通负载切除；陈玄一等提出的独立风光互补发电系统的能量管理策略，将风能和太阳能的输出功率之和与负荷功率进行比较，将系统的运行状态分为6种模式，该策略也容易受到天气条件的影响。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法，可提高孤网运行林区微电网的供电可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法，包括：
光伏电池、蓄电池以及生物质能电源均连接于直流母线上；根据光伏电池的间歇性与随机波动性因素，在计及蓄电池使用寿命和生物质能运行成本的基础上，采用优先利用太阳能以蓄电池为主，保障功率实时平衡，最后利用生物质能的能量管理控制方式。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够最大化地利用太阳能资源，在保障蓄电池使用寿命的前提下充分发挥其实时功率调节能力，并考虑林区微电网运行成本的情况下利用生物质能电源确保整个林区微电网系统不间断供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的生物质能与太阳能互补的林区微电网系统的供电拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法仿真结果图；
图4为本发明实施例提供的生物质太阳能互补林区微电网各分布式电源控制框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制方法，该方法将生物质能与太阳能相结合，在最大程度地利用太阳能-蓄电池供电的系统基础上，充分发挥生物质能电源的作用，确保负荷能够持续供电的情况下，有效降低林区微电网的运行成本。
本发明实施例中，光伏电池、蓄电池以及生物质能电源均连接于直流母线上；具体如图1所示的生物质能与太阳能互补的林区微电网系统，在此林区微电网系统光伏电池和蓄电池分别通过buck斩波电路和boost/buck双向斩波电路与直流母线连接；而由生物质能发电的微型燃气轮机经ac/dc整流器连接于直流母线上。
本发明所设计的能量管理优化策略中电源和负荷之间满足的动态功率平衡方程如下式所示：
ppv+pbat+pbiomass＝pload。
上式中，ppv表示光伏电池实际所能够输出功率，它主要受光照度、蓄电池容量和实际负荷大小所影响；pbat表示蓄电池实际所能够输出功率，林区微电网实际运行过程中pbat的值是动态变化的；pbiomass表示生物质能提供的功率，其值也是动态变化的；pload为负载功率，其值主要由林区微电网中实际负荷大小决定。
为了确保任何情况下林区微电网系统都能够为负载提供不间断电力供应，本发明实施例中，根据光伏电池的间歇性与随机波动性因素，在计及蓄电池使用寿命和生物质能运行成本的基础上，采用优先利用太阳能，以蓄电池为主保障功率实时平衡，最后利用生物质能的能量管理控制方式。
本发明实施例中，对于光伏电池部分，主要通过比较其实际输出电压(upv)与最小工作电压(upv-min)，判断光伏电池开通或关断；在开通工作模式下，根据实际负荷的用电需求，光伏电池工作方式分为最大功率追踪模式和恒压模式。在最大功率追踪模式下，光伏电池输出电能的大小受光照度影响；而在恒压模式下，光伏电池输出电能的大小受林区微电网中实际负荷影响。
对于蓄电池部分，为了保证其使用寿命，设定了蓄电池过放和过充保护。即通过比较蓄电池实际输出电压(ubat)与过充电压(ubat-max)或者过放电压(ubat-min)的大小，决定蓄电池工作或不工作。当蓄电池输出电压大于过充电压或者小于过放电压时，蓄电池部分不工作。在本发明所设计能量管理控制策略中蓄电池部分的工作方式分为关断模式、充电模式和放电模式等三种。
对于生物质能发电部分，为了尽可能地降低由于生物质能电源投运而导致的林区微电网运行成本增加，生物质能电源只有在光储系统输出的功率不满足负荷需求情况下才投运，在本发明所设计能量管理控制方案中生物质发电部分的工作方式分为关断模式、恒压控制和功率控制等三种。在恒压模式下，生物质能电源输出的功率主要由林区微电网中实际负荷大小决定；而在功率控制模式下，生物质能电源输出的功率不仅受林区实际负荷大小影响，还会受林区微电网中光伏电池或蓄电池的实际输出功率影响。
通过对上述光伏电池、蓄电池和生物质能电源不同工作状态进行组合，并结合林区微电网的实际运行情况，为了达到多元互补，优化利用太阳能的目的，对微电网系统进行协调控制，具体划分出了八种工作模式：
模式ⅰ：由生物质能单独供电。
假设由于天气条件长时间没有光照，且蓄电池输出电压已经达到过放电压时，此时为了保护蓄电池，蓄电池应从微电网中切出。林区微电网系统中负荷又要依靠由生物质能电源进行恒压供电，以维持在负荷波动情况下直流母线电压稳定。该模式下，对应的动态功率平衡方程为：
pbiomass＝pload。
模式ⅱ：由光伏电池与生物质能同时供电。
假设有光照，但是光伏所能够输出的功率不能满足负载的需求，且蓄电池输出电压已达到其过放电压时，生物质能电源将投入，且应工作于功率控制模式，以补充光伏电池输出功率不足的部分，光伏工作则应工作最大功率追踪的模式。此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
ppv+pbiomass＝pload。
模式ⅲ：由光伏电池单独供电同时为蓄电池充电。
假设有足够强的光照，即光伏电池所能够输出功率大于负载功率，且蓄电池电压小于等于过充电压时，生物质能电源将不投入运行，而光伏工作在最大功率追踪模式下，给负载供电的同时为蓄电池充电。此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
ppv＝pload+pbat；
模式ⅳ：由光伏电池单独供电。
系统工作在模式ⅲ下，若蓄电池电压达到过充电压时，转换到模式ⅳ。此时为保证系统功率平衡，光伏电池有最大功率追踪模式切换为恒压模式，生物质能电源和蓄电池都不工作。此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
ppv＝pload。
模式ⅴ：由光伏电池与蓄电池同时供电。
假设有光照，但是光伏所能够输出的功率不能满足负载的需求，而蓄电池实际输出电压尚未达到其过放电压时，光伏工作于最大功率追踪模式，蓄电池工作于放电模式，生物质能电源不工作，微电网系统中实际负荷主要由光伏和蓄电池供电。该模式下，对应的动态功率平衡方程为：
ppv+pbat＝pload。
模式ⅵ：由光伏电池、蓄电池以及生物质能同时供电。
系统工作在模式ⅴ，当光伏电池与蓄电池输出功率之和不能满足实际负荷时，光伏、蓄电池和生物质同时为负载供电，光伏工作在最大功率追踪模式，蓄电池工作于恒压放电模式，生物质发电部分进行功率控制。在此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
ppv+pbat+pbiomass＝pload。
模式ⅶ：由蓄电池单独供电。
系统工作在模式ⅴ，由于云层遮挡等原因光照度突然减弱为0，蓄电池实际输出电压仍尚未达到其过放电压时，林区微电网中负荷将由蓄电池单独供电，生物质能电源不工作。此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
pbat＝pload。
模式ⅷ:由蓄电池与生物质能同时供电。
系统工作在模式ⅶ，当蓄电池输出功率小于负载功率时，由蓄电池和生物质一起为负载供电，蓄电池工作于恒电压放电模式，生物质能电源工作于恒功率控制模式，光伏电池不工作。此模式下，对应的动态功率平衡方程为：
pbat+pbiomass＝pload。
当蓄电池电压达到过放电压时，转换到模式ⅰ。在模式ⅰ下，若生物质燃料不足时，为保障整个林区微电网系统仍能不断电运行，将切除部分非重要负荷(具体的可以根据实际情况来确定)。
以上针对这八种模式进行的介绍，下面附图2来介绍结合具体策略来选择相应模式的流程。
如图2所示，主要过程如下：
首先，对各项参数进行检测、计算。
然后，将光伏电池的实际输出电压与其最小工作电压相比较，如果实际输出电压较大，则光伏电池处于工作模式；反之，处于关断模式。
一、光伏电池处于工作模式
1、当光伏电池处于工作模式，且光伏电池实际所能够输出功率大于负载功率时：
1)若蓄电池电压大于其过充电压，光伏电池工作于恒压模式，生物质能和蓄电池都不工作，林区微电网系统处于模式ⅳ。
2)若蓄电池电压小于等于其过充电压时，光伏电池工作于最大功率追踪模式，蓄电池工作于充电模式，林区微电网系统处于模式ⅲ。
2、当光伏电池处于工作模式，且光伏电池实际所能够输出功率小于负载功率时：
1)若蓄电池电压大于过放电压，且光伏电池实际所能够输出功率与蓄电池实际所能够输出功率之和大于负载功率，光伏电池工作于最大功率追踪模式，蓄电池工作于放电模式，林区微电网系统处于模式ⅴ。
2)若蓄电池电压大于过放电压，且光伏电池实际所能够输出功率与蓄电池实际所能够输出功率之和小于等于负载功率，光伏电池工作与最大功率追踪模式，蓄电池工作于放电模式，生物质能工作于功率控制模式，林区微电网系统处于模式ⅵ。
3)若蓄电池电压小于等于过放电压，光伏电池工作与最大功率追踪模式，生物质能工作于功率控制模式，林区微电网系统处于模式ⅱ。
二、光伏电池处于关断模式。
1、当光伏电池处于关断模式，且蓄电池电压小于过放电压时，生物质能工作于恒压控制模式，林区微电网系统处于模式ⅰ。
2、当光伏电池处于关断模式：
1)若蓄电池实际所能够输出功率等于负载功率时，林区微电网系统处于模式ⅶ。
2)若蓄电池实际所能够输出功率小于负载功率时，蓄电池工作于放电模式，生物质能工作于功率控制模式，林区微电网系统处于模式ⅷ，之后，当蓄电池电压达到过放电压时，林区微电网系统转换到模式ⅰ，在模式ⅰ下若生物质能不足，切除预定的非重要负荷。
为了验证本发明所提的一种生物质能与太阳能互补的林区微电网能量管理控制策略，利用pscad进行仿真分析，假设微电网系统中蓄电池初始工作电压大于过放电压小于过充电压。过放电压ubat-min为40v，过充电压ubat-max为60v，光伏最小工作电压upv-min为120v，直流母线电压ubus为100v。
为能模拟林区不同季节、不同光照条件、考虑不同季节林区生物质特性，进行以下三种工况仿真：
工况1：模拟夏季光照良好情况下，微网系统一昼夜的工作情况：
初始光照强度为0，系统处于工作模式ⅷ，5s开始逐渐增加光照强度至800w/m2，随着光伏输出的不断增加，生物质发电和蓄电池的输出不断减小，工作模式先由ⅷ转换为ⅵ再转换为ⅴ。当光伏输出功率大于负载功率时，切换为工作模式ⅲ。15s时减小光照强度，当光照强度减小到使光伏输出功率小于负载功率时，光伏与蓄电池同时给负载供电，系统运行在模式ⅴ。到19.5s时光照强度减小至0，此时系统由蓄电池单独给负载供电，系统运行在模式ⅶ，直至24s时仿真结束。仿真结果如图3(a)所示。
工况2：模拟夏季阴雨、光照条件较差，生物质燃料不足情况下，微网系统一昼夜的工作情况：
初始光照强度为0，7s开始逐渐增加光照强度至350w/m2随着光伏输出的不断增加，生物质发电和蓄电池的输出不断减小，工作模式先由ⅷ转换为ⅵ再转换为ⅴ。到蓄电池达到过放电压时，将蓄电池关断，由光伏与生物质部分为负载供电，系统运行在模式ⅱ。10s时将光照逐渐减低至100w/m2，直到光照消失前，系统一直工作在模式ⅱ。18s将光照降低至0，由生物质单独供电，系统工作在工作模式ⅰ。考虑到夏季林木生物质较少，20.5s时为保障系统的供电可靠性，将部分负载切除。24s时仿真结束。仿真结果如图3(b)所示。
工况3：模拟冬季日照时间较短、光照强度较弱、生物质燃料充足情况下，微网系统一昼夜的工作情况：
初始光照强度为0，系统处于工作模式ⅷ，当蓄电池电压达到过放电压时，将蓄电池断开，有生物质部分给负载供电，系统运行在工作模式ⅰ。7.5s开始逐渐增加光照强度至450w/m2，有光伏和生物质同时给负载供电，系统运行在工作模式ⅱ。当光伏输出功率大于负载功率时，由光伏发电给负载供电同时给蓄电池充电，系统运行在工作模式ⅲ。14s开始逐渐降低光照强度，当光伏输出功率小于负载功率时，由蓄电池和光伏同时给负载供电，系统运行在工作模式ⅴ。16.6s时光照降为0。由蓄电池与生物质同时供电，系统运行在工作模式ⅷ。直到蓄电池达到过放电压时退出运行，由生物质单独给负载供电，系统运行在工作模式ⅰ。24s时仿真结束。仿真结果如图3(c)所示。
另一方面，生物质太阳能互补林区微电网各分布式电源控制原理可参见如图4；其中：图4(a)为光伏发电mppt控制框图；图4(b)为光伏发电恒压控制框图；图4(c)为蓄电池恒压控制框图；图4(d)为生物质发电恒压控制框图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。