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CN109980692B - 一种多能源互补的分布式发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种多能源互补的分布式发电系统及其控制方法 Download PDF

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CN109980692B CN201910383158.4A CN201910383158A CN109980692B CN 109980692 B CN109980692 B CN 109980692B CN 201910383158 A CN201910383158 A CN 201910383158A CN 109980692 B CN109980692 B CN 109980692B
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Abstract

本发明公开了一种多能源互补的分布式发电系统，包括相互并联设置的固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置；固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置均通过直流母线给用户侧负载供电；其中，固体燃料电池分别通过DC/DC斩波器N1和加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，储能装置通过DC/DC双向变换器N3与直流母线连接，风力发电装置通过AC/DC整流器N4与直流母线连接，太阳能发电装置通过DC/DC斩波器N5与直流母线连接，直流母线通过DC/AC逆变器N6给用户端负载供电。

Description

一种多能源互补的分布式发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种分布式发电系统，特别涉及一种多能源互补的分布式发电系统，还涉及上述分布式发电系统的控制方法。
背景技术
能源危机与环境污染是21世纪最重要的话题，解决人类能源问题以及人类赖以生存的环境污染问题是21世纪最重要的社会发展目标。综合国际发展来看，新能源，如太阳能、风能受到气象条件的限制，必须与储能技术结合。然而，目前的储能技术成本高昂，难以大规模实现储电或者储热。一种有效的方法就是多能互补，将太阳能与生物质能源有效的结合，构成能源互补系统，可有效减小储能系统的容量。然而，太阳能是随机变化的，仅仅具有一定的互补性，要达到稳定的能源输出，还需要与其它的能源再次耦合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多能源互补的分布式发电系统，该分布式发电系统能够充分利用电能，使负载所需功率和输出功率达到平衡，不仅可实现稳定的电能输出，实现对负载供电的稳定性，而且还能将多余的电能存储在储能装置中。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种多能源互补的分布式发电系统，包括相互并联设置的固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置；固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置均通过直流母线给用户侧负载供电；其中，固体燃料电池分别通过DC/DC斩波器N1和加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，储能装置通过DC/DC双向变换器N3与直流母线连接，风力发电装置通过AC/DC整流器N4与直流母线连接，太阳能发电装置通过DC/DC斩波器N5与直流母线连接，直流母线通过DC/AC逆变器N6给用户端负载供电。
其中，固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置还通过直流母线给电网供电，直流母线通过并网DC/AC逆变器N7给电网供电。
其中，还包括控制器，控制器的采集端分别采集固体燃料电池的温度、电网的电压、用户端的需求功率、固体燃料电池的输出功率、风力发电装置的输出功率、太阳能发电装置的输出功率以及储能装置的吸收或输出功率；控制器的输出端口分别与DC/DC斩波器N1的控制端口、加热DC/DC斩波器N2的控制端口、DC/DC双向变换器N3的控制端口、AC/DC整流器N4的控制端口、DC/DC斩波器N5的控制端口、DC/AC逆变器N6的控制端口以及DC/AC逆变器N7的控制端口连接。
其中，固体燃料电池的输出回路上设有电力二极管D1，太阳能发电装置的输出回路上设有电力二极管D2。
其中，固体燃料电池包括燃料进口和氧化剂进口，固体燃料电池通过燃料进口与碳氢燃料储蓄罐连接，固体燃料电池与碳氢燃料储蓄罐的连接管道上设有电控阀门K1；固体燃料电池通过氧化剂进口与氧化剂储蓄罐连接，固体燃料电池与氧化剂储蓄罐的连接管道上设有电控阀门K2；电控阀门K1和电控阀门K2分别通过电缆与控制器连接。
其中，储能装置为十个，十个储能装置相互并联后通过DC/DC双向变换器与直流母线连接；其中，每一路储能装置的输出回路上均设有电磁继电器，每个输出回路上的电磁继电器均通过电缆与控制器连接。
上述多能源互补的分布式发电系统的控制方法，具体为：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；设储能装置的吸收或输出功率为P4；已知用户侧的需求功率P0；
第一步，控制器时时检测电网电压U，当控制器检测到电网电压U剧烈波动时，控制DC/AC逆变器N7断开，使整个系统处于孤岛运行模式；
第二步，在第一步的前提下，控制器再检测固体燃料电池的温度T，当控制器检测到固体燃料电池的温度T小于T规小时，控制加热DC/DC斩波器N2接通，使系统给固体燃料电池1加热；当控制器检测到固体燃料电池的温度T大于T规大时，控制加热DC/DC斩波器N2断开，使系统停止给固体燃料电池加热；
第三步，在第二步的前提下，控制器最后检测P0和P合的功率差Pe；当控制器检测到P0＜P1+P2+P3，先控制储能装置并联的数量为最大，同时控制储能装置处于充电状态，此时检测P4大小，若P0+P4＜P1+P2+P3，控制DC/AC逆变器N7接通，使得系统通过直流母线向电网供电；若P0+P4>P1+P2+P3，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量；当控制器检测到P0>P1+P2+P3，先控制储能装置的并联数量为最大，同时控制储能装置处于放电状态，控制器检测P4大小，若P0>P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7接通，使电网给系统直流母线供电；若P0＜P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量。
其中，通过模糊控制算法计算出在充电或放电过程中所需并联的储能装置的数量，具体如下：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；已知用户侧的需求功率P0，设两者的功率差Pe＝P0-P合；
(1)确定输入输出变量
输入变量：
x1：功率差Pe；
x2：储能装置的吸收或输出功率P4；
输出变量：
u：储能装置并联的数量Num；
(2)设计输入输出变量论域
各输入变量的基本论域设计为(-pkw，pkw)，吸收功率为负，输出功率为正，输出数量基本论域设计为(-10，10)，充电为负，放电为正，通过归一化处理的尺度变换统一转化为基本论域[-10，+10]，将这个变化量分为7个语言变量E，即正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)；隶属度函数采用三角形函数；若最终解模糊得出输出论域值为y，则Num＝|[y]|，若y>0则控制并联储能装置发电，反之则控制并联储能装置充电；
(3)设计模糊控制规则
设计模糊控制规则的原则是当没有功率差或者储能装置吸收、输出功率为零时，不需要储能装置；当功率差小时，合理控制储能装置数量；当功率差大时，尽量控制储能装置数量为大；
模糊控制规则为：
(4)解模糊
解模糊采用加权平均法进行解模糊。(模糊规则得到的是NB、ZO、PB等这样的模糊变量，这样的模糊变量，控制器是没有办法识别出来了，经过加权平均法解模糊就可以得到控制器所需要的模拟量控制信号)。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明分布式发电系统采用多种新型能源为负载供电，本发明系统能够充分利用电能，使负载所需功率和输出功率达到平衡，不仅可实现稳定的电能输出，实现对负载供电的稳定性，而且还能将多余的电能存储在储能装置中。
附图说明
图1为本发明分布式发电系统的系统结构原理图；
图2为本发明分布式发电系统中固体燃料电池的结构示意图；
图3为本发明分布式发电系统的模糊控制器输出变量的隶属度函数图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1～2所示，本发明多能源互补的分布式发电系统，包括相互并联设置的固体燃料电池(SOFC)1、储能装置6、风力发电装置4和太阳能发电装置5；固体燃料电池1、储能装置6、风力发电装置4和太阳能发电装置5均通过直流母线给用户侧负载供电；其中，固体燃料电池1分别通过DC/DC斩波器N1和加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，储能装置6通过DC/DC双向变换器N3与直流母线连接，风力发电装置4通过AC/DC整流器N4与直流母线连接，太阳能发电装置5通过DC/DC斩波器N5与直流母线连接，直流母线通过DC/AC逆变器N6给用户端负载供电；固体燃料电池1、储能装置6、风力发电装置4和太阳能发电装置5还可通过直流母线给电网供电，直流母线通过并网DC/AC逆变器N7给电网供电；固体燃料电池1的输出回路上设有电力二极管D1，太阳能发电装置的输出回路上设有电力二极管D2。
本发明多能源互补的分布式发电系统还包括控制器7，控制器7的采集端分别采集固体燃料电池1的温度T、电网的电压U、用户端的需求功率P0、固体燃料电池1的输出功率P1、风力发电装置4的输出功率P2、太阳能发电装置5的输出功率P3以及储能装置6的吸收或输出功率P4；控制器7的输出端口分别与DC/DC斩波器N1的控制端口C1、加热DC/DC斩波器N2的控制端口C2、DC/DC双向变换器N3的控制端口C3、AC/DC整流器N4的控制端口C4、DC/DC斩波器N5的控制端口C5、DC/AC逆变器N6的控制端口C6以及DC/AC逆变器N7的控制端口C7连接。
其中，固体燃料电池1由电池正极1-1、电池负极1-2、氧化剂出口1-3、燃料出口1-4、燃料进口1-5、氧化剂进口1-6、加热棒1-7、防护保温层1-8和电池堆本体1-9组成；电池堆本体1-9外包裹有防护保温层1-8，加热棒1-7通过加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，电池正极1-1和电池负极1-2与直流母线连接，固体燃料电池1通过燃料进口1-5与碳氢燃料储蓄罐2连接，固体燃料电池1与碳氢燃料储蓄罐2的连接管道上设有电控阀门K1；固体燃料电池1通过氧化剂进口1-6与氧化剂储蓄罐3连接，固体燃料电池1与氧化剂储蓄罐3的连接管道上设有电控阀门K2；电控阀门K1和电控阀门K2分别通过电缆与控制器7连接。
本发明系统中储能装置6为十个，十个储能装置6相互并联后通过DC/DC双向变换器N3与直流母线连接；其中，每一路储能装置6的输出回路上均设有电磁继电器，每个输出回路上的电磁继电器均通过电缆与控制器7连接。
控制器7通过对DC/DC斩波器N1控制端口C1的控制，实现对DC/DC斩波器N1通断的控制；通过对加热DC/DC斩波器N2控制端口C2的控制，实现对加热DC/DC斩波器N2通断的控制；通过对DC/DC双向变换器N3控制端口C3的控制，实现对储能双向DC/DC变换器N3能量传输方向的控制，即间接的控制并联型储能装置6的吸收或输出功率P4；通过对AC/DC整流器N4控制端口C4的控制，实现对AC/DC整流器N4通断的控制；通过对DC/DC斩波器N5控制端口C5的控制，实现对DC/DC斩波器N5通断的控制；通过对DC/AC逆变器N6控制端口C6的控制，实现对DC/AC逆变器N6通断的控制；通过对DC/AC逆变器N7控制端口C7的控制，实现对DC/AC逆变器N7通断的控制；通过对电控阀门K2控制端口C8的控制，实现对电控阀门K2通断的控制；通过对电控阀门K1控制端口C9的控制，实现对电控阀门K1通断的控制；通过对储能装置6控制端口C10的控制，实现对储能装置6并联数量的控制，储能装置6的最大并联数量为10。
本发明多能源互补的分布式发电系统的控制方法，控制方法遵循以下规则：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；设储能装置的吸收或输出功率为P4；已知用户侧的需求功率P0；
规则一
控制器时时检测电网电压U，当控制器检测到电网电压U剧烈波动时，控制DC/AC逆变器N7断开，使整个系统处于孤岛运行模式；
规则二
在规则一的前提下，控制器再检测固体燃料电池的温度T，当控制器检测到固体燃料电池的温度T小于T规小时，控制加热DC/DC斩波器N2接通(固体燃料电池中的加热棒1-7通电后开始加热)，使系统给固体燃料电池1加热；当控制器检测到固体燃料电池的温度T大于T规大时，控制加热DC/DC斩波器N2断开(固体燃料电池中的加热棒1-7断电后停止加热)，使系统停止给固体燃料电池加热；
规则三
在规则二的前提下，控制器最后检测P0和P合的功率差Pe；当控制器检测到P0＜P1+P2+P3，先控制储能装置并联的数量为最大，同时控制储能装置处于充电状态，此时检测P4大小，若P0+P4＜P1+P2+P3，控制DC/AC逆变器N7接通，使得系统通过直流母线向电网供电；若P0+P4>P1+P2+P3，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量；当控制器检测到P0>P1+P2+P3，先控制储能装置的并联数量为最大，同时控制储能装置处于放电状态，控制器检测P4大小，若P0>P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7接通，使电网给系统直流母线供电；若P0＜P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量。
其中，确定最佳需要并联的储能装置6的数量的模糊算法，具体如下：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；已知用户侧的需求功率P0，设两者的功率差Pe＝P0-P合；
(1)确定输入输出变量
输入变量：
x1：功率差Pe；
x2：储能装置的吸收或输出功率P4；
输出变量：
u：储能装置并联的数量Num；
(2)设计输入输出变量论域
各输入变量的基本论域设计为(-pkw，pkw)，吸收功率为负，输出功率为正；输出数量基本论域设计为(-10，10)，充电为负，放电为正；通过归一化处理的尺度变换统一转化为基本论域[-10，+10]，将这个变化量分为7个语言变量E，即正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)；如图3所示，隶属度函数采用三角形函数；若最终解模糊得出输出论域值为y，则Num＝|[y]|，若y>0则控制储能装置6发电，反之则控制储能装置6充电；
(3)设计模糊控制规则
设计模糊控制规则的原则是当没有功率差或者储能装置吸收、输出功率为零时，不需要储能装置；当功率差小时，合理控制储能装置数量；当功率差大时，尽量控制储能装置数量为大；
模糊控制规则为：
(4)解模糊
解模糊采用加权平均法进行解模糊。例如最终解出来的论域值y＝-2.4，则控制并联储能装置6充电，且数量Num＝|[-2.4]|＝2。

Claims (2)

1.一种多能源互补的分布式发电系统的控制方法，其特征在于：所述系统包括相互并联设置的固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置；固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置均通过直流母线给用户侧负载供电；其中，固体燃料电池分别通过DC/DC斩波器N1和加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，储能装置通过DC/DC双向变换器N3与直流母线连接，风力发电装置通过AC/DC整流器N4与直流母线连接，太阳能发电装置通过DC/DC斩波器N5与直流母线连接，直流母线通过DC/AC逆变器N6给用户端负载供电；固体燃料电池、储能装置、风力发电装置和太阳能发电装置还通过直流母线给电网供电，直流母线通过并网DC/AC逆变器N7给电网供电；还包括控制器，控制器的采集端分别采集固体燃料电池的温度、电网的电压、用户端的需求功率、固体燃料电池的输出功率、风力发电装置的输出功率、太阳能发电装置的输出功率以及储能装置的吸收或输出功率；控制器的输出端口分别与DC/DC斩波器N1的控制端口、加热DC/DC斩波器N2的控制端口、DC/DC双向变换器N3的控制端口、AC/DC整流器N4的控制端口、DC/DC斩波器N5的控制端口、DC/AC逆变器N6的控制端口以及DC/AC逆变器N7的控制端口连接；
固体燃料电池包括燃料进口和氧化剂进口，固体燃料电池通过燃料进口与碳氢燃料储蓄罐连接，固体燃料电池与碳氢燃料储蓄罐的连接管道上设有电控阀门K1；固体燃料电池通过氧化剂进口与氧化剂储蓄罐连接，固体燃料电池与氧化剂储蓄罐的连接管道上设有电控阀门K2；电控阀门K1和电控阀门K2分别通过电缆与控制器连接；固体燃料电池还包括电池正极、电池负极、电池堆本体、加热棒以及包裹在电池堆本体外的防护保温层；加热棒通过加热DC/DC斩波器N2与直流母线连接，电池正极和电池负极与直流母线连接；储能装置为十个，十个储能装置相互并联后通过DC/DC双向变换器与直流母线连接；其中，每一路储能装置的输出回路上均设有电磁继电器，每个输出回路上的电磁继电器均通过电缆与控制器连接；
上述控制方法，具体为：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；设储能装置的吸收或输出功率为P4；已知用户侧的需求功率P0；
第一步，控制器时时检测电网电压U，当控制器检测到电网电压U剧烈波动时，控制DC/AC逆变器N7断开，使整个系统处于孤岛运行模式；
第二步，在第一步的前提下，控制器再检测固体燃料电池的温度T，当控制器检测到固体燃料电池的温度T小于T规小时，控制加热DC/DC斩波器N2接通，使系统给固体燃料电池1加热；当控制器检测到固体燃料电池的温度T大于T规大时，控制加热DC/DC斩波器N2断开，使系统停止给固体燃料电池加热；
第三步，在第二步的前提下，控制器最后检测P0和P合的功率差Pe；当控制器检测到P0<P1+P2+P3，先控制储能装置并联的数量为最大，同时控制储能装置处于充电状态，此时检测P4大小，若P0+P4<P1+P2+P3，控制DC/AC逆变器N7接通，使得系统通过直流母线向电网供电；若P0+P4>P1+P2+P3，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量；当控制器检测到P0>P1+P2+P3，先控制储能装置的并联数量为最大，同时控制储能装置处于放电状态，控制器检测P4大小，若P0>P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7接通，使电网给系统直流母线供电；若P0<P1+P2+P3+P4，则控制并网DC/AC逆变器N7断开，且通过模糊控制算法计算出所需并联的储能装置的数量；
通过模糊控制算法计算出在充电或放电过程中所需并联的储能装置的数量，具体如下：
设固体燃料电池的输出功率P1、风力发电装置的输出功率P2、太阳能发电装置的输出功率P3之和为P合，即P合＝P1+P2+P3；已知用户侧的需求功率P0，设两者的功率差Pe＝P0-P合；
(1)确定输入输出变量
输入变量：
x1：功率差Pe；
x2：储能装置的吸收或输出功率P4；
输出变量：
u：储能装置并联的数量Num；
(2)设计输入输出变量论域
各输入变量的基本论域设计为(-pkw，pkw)，吸收功率为负，输出功率为正，输出数量基本论域设计为(-10，10)，充电为负，放电为正，通过归一化处理的尺度变换统一转化为基本论域[-10，+10]，将这个变化量分为7个语言变量E，即正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM、负大NB；隶属度函数采用三角形函数；若最终解模糊得出输出论域值为y，则Num＝|[y]|，若y>0则控制并联储能装置发电，反之则控制并联储能装置充电；
(3)设计模糊控制规则
设计模糊控制规则的原则是当没有功率差或者储能装置吸收、输出功率为零时，不需要储能装置；当功率差小时，合理控制储能装置数量；当功率差大时，尽量控制储能装置数量为大；
模糊控制规则为：
(4)解模糊
解模糊采用加权平均法进行解模糊。
2.根据权利要求1所述的多能源互补的分布式发电系统的控制方法，其特征在于：固体燃料电池的输出回路上设有电力二极管D1，太阳能发电装置的输出回路上设有电力二极管D2。
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