多端口DC-DC變換器型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的分布式模型預(yù)測(cè)控制

張 怡，劉 洋

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

1 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能是兩種重要的可再生清潔能源，由于兩種能源之間地域分布相隔較遠(yuǎn)且受到晝夜變化、自然因素等外界條件的影響而決定其各個(gè)輸出功率的大小，單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電會(huì)導(dǎo)致發(fā)電和用電負(fù)荷的不均衡[1]。

因其風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在自然條件下具有互補(bǔ)性，以至于利用以風(fēng)光互補(bǔ)混合系統(tǒng)去發(fā)電成為一種必然的選擇且對(duì)現(xiàn)代電力行業(yè)具有重要的研究?jī)r(jià)值[2]。

模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control，MPC）是近幾年提出用來(lái)解決系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的方法，該方法能夠很好地對(duì)約束問(wèn)題進(jìn)行在線的處理[3-4]。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的逐步完善，集中式控制和分散式控制的方法對(duì)于局限且系統(tǒng)之間沒(méi)有信息交流的弊端現(xiàn)象，導(dǎo)致了系統(tǒng)在優(yōu)化方面的耗時(shí)大、效率低，逐步地被分布式的思想所替代[5-7]。

分布式MPC是將集中式的控制方法劃分為多個(gè)關(guān)聯(lián)度很高的子系統(tǒng)，增強(qiáng)集中式系統(tǒng)中無(wú)通訊交流或交流少的缺陷且為每個(gè)子系統(tǒng)都設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的控制器去優(yōu)化和調(diào)節(jié)[8]。

針對(duì)大規(guī)模且地理分散的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，提出用分布式模型預(yù)測(cè)控制策略對(duì)其進(jìn)行控制和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，把多端口雙向DC-DC變換器運(yùn)用到風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中。

實(shí)驗(yàn)研究證明，該方法能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)功率平衡要求且優(yōu)化效率高、時(shí)間短。

2 多端口DC-DC變換器型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)

多端口DC-DC變換器型的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)由風(fēng)力、光伏和蓄電池三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 多端口DC-DC變換器型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Multi-Port DC-DC Converter Type Wind-Solar Complementary System Structure Diagram

圖中：iw、is—風(fēng)力和光伏發(fā)電子系統(tǒng)的輸出電流；uw、us—風(fēng)力渦輪機(jī)和光伏板的控制信號(hào)（DC/DC整流器的占空比）；ib、iL—電池和負(fù)荷的輸入電流。

其中，風(fēng)力和光伏發(fā)電去解決系統(tǒng)中多數(shù)情況下的負(fù)荷需求，當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)共同發(fā)電超出負(fù)荷需求時(shí)，剩余的能量會(huì)提供給電池組[9]。而風(fēng)力和光伏子系統(tǒng)發(fā)出的功率滿足不了系統(tǒng)的負(fù)荷需求時(shí)，電池組會(huì)進(jìn)行必要的補(bǔ)充。

2.1 風(fēng)力子系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、一個(gè)多極永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG），整流器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。

風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可描述如下：

2.2 光伏子系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電子系統(tǒng)包括由多個(gè)光伏板組成的光伏面板陣列和DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中DC/DC 整流器把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。數(shù)學(xué)模型描述如下：

2.3 蓄電池模型

蓄電池組作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的第三個(gè)子系統(tǒng)，不僅能在風(fēng)力和光伏正常發(fā)電維持系統(tǒng)負(fù)荷端功率平衡條件下儲(chǔ)存其兩個(gè)系統(tǒng)剩余的能量，還能在風(fēng)光兩者供給能量不足的條件下提供自身的能量去滿足負(fù)荷端的需求。其結(jié)構(gòu)為一個(gè)電壓源Eb串聯(lián)一個(gè)電阻Rb和一個(gè)電容cb模型如下：

式中：fc(xw，xs，vc)—非線性標(biāo)量函數(shù)。

3 分布式模型預(yù)測(cè)控制器

單個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：

4 仿真實(shí)驗(yàn)

整個(gè)仿真過(guò)程中，取預(yù)測(cè)時(shí)域Np=10，控制時(shí)域Nc=10，采樣時(shí)間Ts=10ms，仿真時(shí)間為260s，外界環(huán)境條件，如圖2所示。

圖2 外界環(huán)境Fig.2 External Environment

光照強(qiáng)度在（55～70）MW/cm2之間平穩(wěn)運(yùn)行，溫度在（25～35）℃之間波動(dòng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速在（5～15）m/s之間小幅波動(dòng)，負(fù)荷需求在60s 由（3.5～4.3）MW，在100s 跌落到4MW，在150s 跌落到3.7MW，最后在190s又升至4.3MW。

風(fēng)力和光伏的輸出功率，如圖3所示。從圖3中可以看出當(dāng)風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)的輸出功率最大化時(shí)也不能滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求，此時(shí)，光伏發(fā)電去補(bǔ)充且效果很好，蓄電池只有在（200～240）s進(jìn)行必要的補(bǔ)充。蓄電池的輸出功率，如圖4所示。

圖3 風(fēng)力和光伏的輸出功率Fig.3 Output Power of Wind and Photovoltaic System

圖4 蓄電池的輸出功率Fig.4 Output Power of Bank System

為了對(duì)比分布式模型預(yù)測(cè)控制和其他控制方法，分別對(duì)風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)做了一個(gè)（2000～4000）W 和光伏發(fā)電系統(tǒng)從（800～400）W的階躍響應(yīng)，其控制效果，如圖5所示。

圖5 風(fēng)力、光伏發(fā)電子系統(tǒng)輸出功率效果圖Fig.5 Output Power Control Effect Comparison Chart of Wind and Solar

研究結(jié)果表明，分布式模型預(yù)測(cè)控制相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制方法效果好很多，但略差于集中式控制方法。

從表1可以看出，在260s的仿真優(yōu)化過(guò)程中，隨著優(yōu)化時(shí)間的變長(zhǎng)，分布式的優(yōu)化效率明顯強(qiáng)于集中式，而且優(yōu)化時(shí)間越長(zhǎng)，其效果越明顯。

表1 分布式和集中式模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化時(shí)間對(duì)比Tab.1 Distributed and Centralized Model Predictive Control Optimization Time Comparison

綜上所述，在針對(duì)大規(guī)模的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，運(yùn)用分布式模型預(yù)測(cè)控制去優(yōu)化和調(diào)節(jié)效果好、速率高。

5 結(jié)論

針對(duì)大規(guī)模且地理分散的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)缺少通訊交流，提出基于模型預(yù)測(cè)控制的方法設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)的控制器去合理分配各個(gè)子系統(tǒng)的輸出功率。

針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中風(fēng)力、光伏和蓄電池三個(gè)子系統(tǒng)之間都要都要通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的DC-DC 變換器才能實(shí)現(xiàn)功率交流，進(jìn)而維持整個(gè)系統(tǒng)功率平衡的現(xiàn)狀，提出把多端口DC-DC變換器運(yùn)用到該系統(tǒng)中去。

最后，通過(guò)仿真證明了該方法在保證各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊交流的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠安全的運(yùn)行，且對(duì)于傳統(tǒng)的控制方法，優(yōu)化效果好且速率高。