技术领域本发明属于新能源控制与应用技术领域，尤其涉及一种基于监督预测控制的风光互补发电系统功率协调控制方法。
背景技术：
随着科学技术的日新月异，新能源发展越来越迅速，目前已初具规模。未来很长一段时期内，各类新能源发电将迎来大规模发展时期。但从目前各类新能源发展的技术成熟度和成本来看，风力发电和太阳能光伏发电无疑最具发展潜力。中国幅员辽阔，有着广袤的土地，太阳能资源和风能资源丰富，采用新能源发电前景广阔。以风力发电、太阳能光伏发电为代表的新能源发电将成为解决化石能源枯竭以及环境污染、气候变化等问题的关键，新能源电力的规模化开发利用将是大势所趋。风电、太阳能发电区别于传统发电的一个重要特征在于它的随机波动性。由于产生电力的一次能源来自于自然界空气的流动和太阳光的辐射，不仅不可储存，而且受到季节、气候和时空等的影响，具有很强的随机波动性和间歇性。采用风光互补发电技术可以平抑新能源电力的随机波动性、间歇性。风光互补发电系统合理地结合了这几种资源。夏天，日照量充足但风力资源有限，冬天，风力资源很充足但太阳能资源缺乏。一般来说，白天太阳能资源充足，而风力资源相对贫乏；夜晚，风力资源就比较丰富，但太阳能资源接近为零。在风光互补发电系统中，风能和太阳能的优缺点正好能够互补，使得风光互补系统更加具有现实性和优势。但目前常规风光互补发电系统的控制方法仍然存在着不足，这导致新能源发电输出功率波动大，存在峰谷现象明显、输出功率与外界负荷不匹配、风光互补发电电流突变、蓄电池频繁充放电等问题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于监督预测控制的风光互补发电系统功率协调控制方法，包括如下步骤：步骤1：分别根据风力发电、光伏发电、蓄电池储能的工作原理建立风力发电子系统、光伏发电子系统、蓄电池储能子系统这三个数学模型，并根据这三个数学模型建立风光互补发电系统的数学模型；步骤2：设计第一滑模变结构控制器，使风力发电子系统在风力充足的情况下功率输出跟踪给定值；设计第二滑模变结构控制器，使风力发电子系统在风力不足的情况下处于最佳叶尖速比，并以最大输出功率运行；步骤3、设计第三滑模变结构控制器，使光伏发电子系统在光照充足的情况下输出功率跟踪负荷需求；设计第四滑模变结构控制器，使光伏发电子系统在光照不足的情况下实现最大功率点跟踪控制；步骤4：基于风力发电为主、光伏发电为辅、蓄电池为补充的控制目标，设计监督预测控制器，实现风力充足、风力不足光照充足、风力和光照均不足这三种情况下的第一滑模变结构控制器与第二滑模变结构控制器的控制模式切换、第三滑模变结构控制器与第四滑模变结构控制器的控制模式切换、以及蓄电池开关的控制。所述第一滑模变结构控制器的表达式为：其中，uI为风力发电子系统在风力充足的情况下的控制率，Rs为同步发电机电阻，iq和id分别为转子坐标系中的q轴和d轴的定子电流，f1、f2、f3、g1、g2、g3分别均为系统定义变量，φm为转子磁链矢量，ωe为电角速度，γ和ξmax为系统设计参数，sw1(x)为风力子系统在风力充足的情况下选取的滑模面，为sw1对x的偏导，x为系统状态变量。所述第二滑模变结构控制器的表达式为：中间变量其中，uII为风力发电子系统在风力不足的情况下的控制率，λopt为最佳叶尖速比，Ct(λopt)为风力机的扭矩系数，sw2为风力子系统工作在风力不足的情况下选取的滑模面，ρ为空气密度，A为风轮扫过的面积，R为叶轮半径，P为风机的极数，f1、f2、f3、g1、g2、g3分别均为系统定义变量，iq为转子坐标系中的q轴的定子电流，φm为转子磁链矢量，ωe为电角速度，γ和ξmax为系统设计参数，为对x的偏导，x为系统状态变量。所述第一滑模变结构控制器与第二滑模变结构控制器的控制模式切换的表达式为：中间变量ωeSW为风力发电子系统工作模式切换点的电角速度，Pwref为风力发电子系统的输出功率，ωe为电角速度，iq和id分别为转子坐标系中的q轴和d轴的定子电流，Rs为同步发电机电阻，λopt为最佳叶尖速比，Ct(λopt)为风力机的扭矩系数，ρ为空气密度，A为风轮扫过的面积，R为叶轮半径，P为风机的极数；当ωe≥ωeSW，则风力充足，采用第一滑模变结构控制器，当ωe＜ωeSW，则风力不足，采用第二滑模变结构控制器。所述第三滑模变结构控制器的表达式为：为光伏阵列的端口电压的导数，ipv和vpv分别为光伏电池对应的输出电流和电压，C为降压变换器的电气参数，is为注入直流总线的电流，vb为直流母线电压，upv为光伏发电子系统的开关控制信号，h1为光伏发电子系统在光照充足的情况下所选取的滑模面，iL为负载电流。所述第四滑模变结构控制器的表达式为：upv为光伏发电子系统的开关控制信号，h2为光伏发电子系统在光照不足的情况下所选取的滑模面，ipv和vpv为光伏电池对应的输出电流和电压。所述第三滑模变结构控制器与第四滑模变结构控制器的控制模式切换的表达式为：upv为光伏发电子系统的开关控制信号，ipv和vpv为光伏电池对应的输出电流和电压，Psref为光伏发电子系统的输出功率，h1为光伏发电子系统在光照充足的情况下所选取的滑模面，h2为光伏发电子系统在光照不足的情况下所选取的滑模面，iL为负载电流，is为注入直流总线的电流。所述蓄电池开关在蓄电池发电量达到蓄电池容量前自动断开以防损坏蓄电池。所述基于风力发电为主、光伏发电为辅、蓄电池为补充的控制目标的目标函数为：其中，x为系统状态变量，Pwref为风力发电子系统的输出功率，Psref为光伏发电子系统的输出功率，Pt为电网总负荷，α为抑制风力发电系统和光伏发电系统的输出功率与总负荷之差的系数，为光伏发电子系统的功率输出惩罚系数，ζ为抑制蓄电池波动系数。所述监督预测控制器为：Pwref((j+1)Δ)-Pwref(jΔ)≤dPwmaxPsref((j+1)Δ)-Psref(jΔ)≤dPsmax其中，Pwref为风力发电子系统的输出功率，Psref为光伏发电子系统的输出功率，S(Δ)为分段函数方程组，Δ为步长，是未来时刻的风光互补发电系统的预测状态量，为给定功率的正定的目标函数，dPwmax和dPsmax分别为在一个步长内风力发电子系统和光伏发电子系统的输出功率的最大允许增量，Pwmax(τ)和Psmax(τ)分别为未来时刻风力发电子系统和光伏发电子系统的最大输出功率，N是预测时域，j＝0,.....,N-1，为系统状态模型，和为利普希茨矢量方程，u(τ)为控制输入，为控制率，x(tk)是风光互补发电系统在tk时刻的测量值。本发明的有益效果在于：本发明针对风力发电子系统、光伏发电子系统在不同气候条件下建立满足不同控制模式下的滑模变结构控制器，并基于风力发电为主，光伏发电为辅，蓄电池必要时补充的原则，设计监督预测控制器，协调风光互补发电系统的出力，让系统的输出功率跟踪外界负荷，同时分别限制风光发电子系统的最大功率增量，尽量减小风光互补发电系统的电流突变，避免蓄电池的频繁充放电，可以起到保护发电设备，增加设备使用寿命的作用；实现了平滑风力发电、太阳能发电输出功率，减小电站输出波动的效果；并实现削峰填谷，接受更多的新能源电力；跟踪计划出力曲线，参与电网频率调节。附图说明图1为风光互补发电系统示意图。图2为风力发电子系统原理图。图3为光伏发电子系统原理图。图4为蓄电池储能系统原理图。图5为监督预测控制器原理。图6a～6d为不同外界气象条件和相应时间下负荷需求图。图7a～7c为风光互补发电系统监督预测控制的控制效果图。图8a～8d为极端外界气象条件和相应时间下负荷需求图。图9a～9c为极端外界气象条件下的风光互补发电系统监督预测控制的控制效果。具体实施方式下面结合附图，详细说明实施方案。本发明提出了一种基于监督预测控制的风光互补发电系统功率协调控制方法，具体实施步骤如下：步骤1：建立风光互补发电系统的数学模型；风光互补发电系统分三个相互的独立子系统：风力发电子系统、光伏发电子系统、蓄电池储能子系统，如附图1所示。步骤1包括如下子步骤：子步骤A1：根据风力发电子系统(如附图2)的工作原理建立数学模型为：其中，Rs为同步发电机电阻，iq和id分别为转子坐标系中的q轴和d轴的定子电流，φm为转子磁链矢量，ωe为电角速度，v为有效风速，Cp(λ)为实际风能利用系数，P为发电机的极数，R为同步发电机电阻，uω为控制信号，Tt为风轮叶片所产生的机械转矩，J为叶轮的转动惯量，vb为直流母线上的电压，λ为风轮叶尖速比，L为电感。子步骤A2：根据光伏发电子系统(如附图3)的工作原理建立数学模型为：其中，Iph＝(Isc+KI(T-Tr))λ/100,np为光伏电池并联数,Iph为在参考的光照强度下的光电流，Irs为光伏电池暗饱和电流，ipv和vpv为光伏电池对应的输出电流和电压，q为电子电荷量，K是玻尔兹曼常数，T为热力学温度即绝对温度，Ac是半导体电池的p-n结常数(无量纲常数，光伏电池结构不同参数也会变化，大概在1到5之间)。另外，光伏电池暗饱和电流Irs和光生电流Iph由光照强度和工作温度决定的，Ior为在参考温度Tr下的光伏电池暗饱和电流，Ego为光伏电池中半导体的间隙能量，Isc为在标准测试条件(温度为25℃，光照强度1000W/m2)下光伏电池的短路电流，KI为短路电流的温度系数，λ为光照强度，单位是mM/cm2，is为注入直流总线的电流，C和L为降压变换器的电气参数(DC/DC变换器亦称直流斩波器)，upv为光伏发电子系统的开关控制信号。子步骤A3：根据蓄电池储能系统(如附图4)的工作原理建立数学模型为：其中，Eb为蓄电池电压源，Rb为等效蓄电池串联电阻，Cb为等效蓄电池串联电容，is是注入直流母线电流，iL为负载电流，ib为蓄电池的电流，为蓄电池电容上的电压的导数，vb是直流母线上的电压，uw为控制信号，iq和id分别为转子坐标系中的q轴和d轴的定子电流。子步骤A4：根据步骤A1-A3各子系统的数学模型建立风光互补发电系统的数学模型:其中，ns为光伏电池串联数，Ac为半导体电池p-n结常数，Eb为蓄电池等效电压源，vc为蓄电池电容上的电压，Rb为蓄电池等效电阻。将模型改写成下面的紧凑的形式：h(x)＝0其中，u＝[uwupv]，f(x)＝[fwfsfc]，g(x)＝[gwgs]，h(x)＝[hshc]，其中xw为风力发电子系统的状态变量，xs为光伏发电子系统的状态变量，uw和upv分别为风力发电子系统和光伏发电子系统的控制信号，fw和fs以及gw和gs均为系统模型的向量函数，fc为系统模型的标量函数，hs和hc为系统控制率，为简洁起见，省略f(x)和g(x)的明确形式。步骤2：针对风力发电子系统设计滑模变结构控制器；步骤2包括如下子步骤：子步骤B1：风能充足时，风力发电子系统的发电能力高于负载的需求，设计第一滑模变结构控制器，使风力发电子系统的功率输出跟踪给定值。此时，风力发电子系统的输出功率为：选取滑模面：选取控制输入为：其中，子步骤B2：风能不足时，系统的最大发电能力小于负载的需求，设计第二滑模变结构控制器，使风力发电子系统处于最佳叶尖速比，并以最大输出功率运行。此时，风力发电子系统的最大输出功率为：选取滑模面：选取控制输入为：其中，子步骤B3：综合步骤B1和B2，建立风力发电子系统两种工作模式的切换控制器：中间变量ωeSW为风力发电子系统工作模式切换点的电角速度，Pwref为风力发电子系统的输出功率，ωe为电角速度，iq和id分别为转子坐标系中的q轴和d轴的定子电流，Rs为同步发电机电阻，λopt为最佳叶尖速比，Ct(λopt)为风力机的扭矩系数，ρ为空气密度，A为风轮扫过的面积，R为叶轮半径，P为风机的极数；当ωe≥ωeSW，则风力充足，采用第一滑模变结构控制器，当ωe＜ωeSW，则风力不足，采用第二滑模变结构控制器。步骤3：针对光伏发电子系统设计滑模变结构控制器；步骤3包括如下子步骤：子步骤C1：外界光照和温度条件让光伏发电系统的发电能力高于负载的需求，设计第三滑模变结构控制器，使光伏发电系统输出功率跟踪负荷需求。此时，光伏发电子系统的输出功率为：Ps＝vbis选取滑模面：h1＝iL-is选取控制输入为：子步骤C2：光照和环境温度不能让光伏发电系统满足Psref，设计第四滑模变结构控制器，使光伏发电系统实现最大功率点跟踪(MPPT)控制。光伏阵列输出功率：pv＝vpvipv由光伏电池的特性可知，光伏阵列工作在最大输出功率状态时：取切换函数为：按照等速趋近律，取开关控制信号为：子步骤C3：综合步骤C1和C2，建立光伏发电子系统两种工作模式的切换控制器：步骤4：根据风力和光伏的发电成本，基于风力发电为主，光伏发电为辅，蓄电池必要时补充的原则，设计监督预测控制器。步骤2和步骤3设计的风力发电子系统和光伏发电子系统的滑模变结构控制器负责控制系统跟踪监督预测控制器给定的功率，如附图5所示。基于以上原则，按照气象条件，把风光互补发电分为三个模式：模式一：风力足够，风力发电系统可以满足外界负荷需求。此时，用风力发电子系统来跟踪外界负荷需求，光伏发电子系统处于停止状态，蓄电池在储存能量。这种模式一直维持到总负荷超过风力发电子系统的最大发电能力，超过这个界限的时候，系统将切换到第二种模式。模式二：风力不足，光伏发电开机。风力发电系统处于最大功率发电状态，不足的负荷分配给光伏发电系统。在这种状态下，需要风力发电系统和光伏发电系统共同来满足总的负荷需求。需要注意的是，模式一和模式二中，蓄电池都没有启用。所以，一旦外界负荷需求超过当时气象条件下，混合发电系统的最大功率时，系统将切换到模式三。模式三：风力和光照都不足。这种模式下，风力发电子系统和光伏发电子系统都处于其最大功率发电的状态。另外，为了响应外界负荷需求，蓄电池开始放电。我们假设蓄电池容量足够大，可以短时间提供足够多的能量。如果发电时间过长，超过了蓄电池容量，这时候需求蓄电池断开以防损坏。当然，这种情况尽量不要发生，在设计这个系统的时候就要考虑系统的装机容量，将这种情况减少到最小。按照这个要求，我们来定义目标函数。其表达是如下：第一部分α(Pt-Pwref-Psref)2所代表的意思是抑制风力发电系统和光伏发电系统的输出功率与总负荷之差，风光互补发电系统的输出功率要尽最大可能的满足外界的负荷需求。在此系数α的权值要调到相对较大，以使目标函数优先考虑外界负荷需求。但会有无数种可能的Pwref和Psref组合满足第一部分最小化，为了是目标函数寻优有唯一确定解，因而在第二部分加入了对光伏发电子系统的功率输出的惩罚。是为了在相应的气象条件下，让风力发电子系统处于优先发电的状态，光伏发电只有在风力发电不足的情况下配合其发电。第三部分ΔPb是蓄电池的变化量，目的是抑制蓄电池电量的波动，避免蓄电池的频繁地开关。综上，设计监督预测控制器为：Pwref((j+1)Δ)-Pwref(jΔ)≤dPwmaxPsref((j+1)Δ)-Psref(jΔ)≤dPsmax其中，是未来时刻的风光互补发电系统的预测状态量，是一个关于子系统给定功率的正定的目标函数，dPwmax和dPsmax是在一个步长内给定功率Pwref和Psref的最大允许增量，N是预测时域，j＝0,.....,N-1，x(tk)是在tk时刻的测量值，定义和是上述优化问题在τ∈[0,NΔ]的最优解。采用本发明方法对本实施例中风光互补发电系统进行仿真，系统各个参数如表1所示：表1实施例中风光互补发电系统的参数假设系统处于实时变化的气象条件中。仿真时间为180s，附图6给出了外界气象条件和相应时间下负荷需求。图6a中曲线表示风速大小，图6b中曲线表示光照强度的大小，图6c中曲线表示温度的变化情况，图6d中曲线表示外界的负荷需求：开始时Pt＝2500W，t＝15s时给定功率下降至Pt＝2000W，t＝45s时给定功率上升至Pt＝3500W，t＝60s时给定功率上升至Pt＝5000W，t＝100s时给定功率下降至Pt＝3500W，t＝150s时给定功率上升至Pt＝4000W。附图7给出了在外界气象条件不断变化的情况下，风光互补发电系统监督预测控制的控制效果：图7a中点线表示外界总的负荷需求，实线表示风力发电子系统和光伏发电子系统的功率输出总和，虚线是蓄电池的输出功率。他们彼此协调，合力满足变化的负荷。在图7b中，点线表示在相应的风速情况下，风力发电子系统的最大功率输出值，实线表示对应时间下风力发电子系统的实际功率输出值。图7c中点线表示的是光伏发电子系统在对应日照强度和温度下的最大功率输出值，实线表示的是对应时间下光伏发电子系统实际功率输出值。在62s-94s，121s-126s，158s-178s风光互补发电系统能提供足够电量，满足负载需要，此时蓄电池处于关闭状态。而在其他时间，负载太大，以至于当时气象条件下的风光互补发电系统的最大发电能力，都不足以满足需求。这时，监督预测控制器驱动风光互补系统按照他们的最大能力发电，并且启动蓄电池满足短期的电力缺口。假设这些气象条件参数，像风速、光照和温度，在一个采样周期内的变化是微不足道或者说是可以忽略不计的。这种假设前提，在绝大部分情况下都是合理可接受的。但是考虑到一些极端的气象条件存在，我们还需要验证系统在严苛的自然条件下的鲁棒性。譬如遭遇短时雷暴雨，强风或者积雨云，风速和光照都会发生强烈的高频扰动。同样地，仿真时间为180s，附图8给出了外界气象条件和相应时间下负荷需求。图8a表示风速大小，图8b表示光照强度的大小，图8c表示温度的变化情况，可以看出自然条件(风速、光照强度、温度)都出现了高频扰动，图8d表示外界的负荷需求：开始时Pt＝2500W，t＝15s时给定功率下降至Pt＝2000W，t＝25s时给定功率上升至Pt＝3500W，t＝60s时给定功率上升至Pt＝5000W，t＝100s时给定功率下降至Pt＝3500W，t＝150s时给定功率上升至Pt＝4000W。附图9给出了在外界气象条件不断变化，并且风速、光照强度和温度都出现了高频扰动时，风光互补发电系统监督预测控制的控制效果：图9a中点线是外界总的负荷需求，实线是风力发电子系统和光伏发电子系统的功率输出总和，虚线是蓄电池的输出功率。图9b中，点线表示的是在相应的风速情况下，风力发电子系统的最大功率输出值，实线表示的是对应时间下风力发电子系统的实际功率输出值。图9c中点线表示的是光伏发电子系统在对应日照强度和温度下的最大功率输出值，实线表示的是对应时间下光伏发电子系统实际功率输出值。结果显示，系统在外界自然条件高频扰动的情况下，显示了很好的鲁棒性。尽管子系统的最大可发功率也随气象条件强烈波动，但监督预测控制系统还是很好的保证了负载的跟踪效果。此实施例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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。