CN102170168A - 一种风光柴发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光柴发电系统的控制方法，以解决现有技术中能量控制不智能化的局限，风光柴发电系统的控制方法包括以下步骤：读取气象信息数据，负载数据L和蓄电池数据；预测风力发电机最大出力W和光伏电池发电的最大出力S；计算净负载，并根据净负载数据进入风光柴发电系统的不同运行模式，所述运行模式中包括风力发电机运行状态、光伏电池运行状态、柴油机运行状态和蓄电池运行状态。采用本发明技术方案，实现风光柴互补系统的协调优化和智能控制，有效地提高风电和光伏发电的利用率。

Description

一种风光柴发电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及发电系统的控制技术，尤其涉及一种用于通信基站的风光柴互补发电系统控制的技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人们对即时通信的需求也迅速膨胀起来。为了满足通信网络建设的需求，通过对光伏电池、风力发电机和蓄电池的有效组合构成风光互补供电系统，逐步解决缺电地区或者外电引入使通信基站造价偏高的问题。

随着风力发电以及光伏发电技术的日趋成熟，控制器的控制策略成为风光互补系统的关键因素。目前的控制策略比较保守，在风光资源都较好的时候，通常只会考虑风电出力或者光伏出力，以匹配负载功率。这样，为了保证系统供电的可靠性，风力发电机、光伏电池必须过量配置，裕度留取过大，通常系统容量是负荷的2-3倍。另外，由于目前控制器功能设计的不合理，风力发电机或光伏电池发出的电很少直接给负载供电，而是经过蓄电池，这样蓄电池就处于不断的充放电状态，大大降低了蓄电池的使用寿命。综上可知，控制策略和能量控制器是造成风光互补发电系统工程造价高的主要原因，严重制约着其广泛应用。

发明内容

本发明实施例提供一种用于通信基站的风光柴发电系统的控制方法，以解决现有技术中风光互补供电系统的容量过大，控制策略不合理的问题。

一种用于通信基站的风光柴发电系统的控制方法，(发明内容等权利要求 确认后对应添加)

采用本发明技术方案，在通信基站的风光柴互补发电系统中，通过应用新型传感器，采集实时气象信息进行功率预测，在综合考虑风力发电、光伏电池阵列、蓄电池和柴油机特性的基础上，提出基于风光信息，风力发电以及光伏发电协调优化、智能控制的策略，实现风光柴互补系统的协调优化和智能控制，有效地提高风电和光伏发电的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例中风光柴互补发电系统结构示意图；

图2为本发明实施例中风光柴互补发电系统运行状态及转换关系示意图；

图3为本发明实施例中蓄电池充放电控制流程图；

图4为本发明实施例中风光柴系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细的描述。

如图1所示，风光柴互补发电系统的发电来源包括风力发电机1，光伏电池2和柴油发电机3，其中风力发电机1和光伏电池2分别将风能和光能转化为不稳定的交、直流电，经能量转换后将电能输送至蓄电池4和负载，负载包括直流负荷5和交流负荷6。

具体地，风力发电机1把风能转化为不稳定的交流电后经过风力机整流控制器7后传输到直流母线10，光伏电池2把光能转化为不稳定的直流电后经过光伏控制器8传输到直流母线10，直流母线10通过直流输出控制器11可以为直流负荷5提供电源，另外直流母线10通过DC-AC转换器12，交流输出控制器13可以为交流负荷6提供电源。

蓄电池4用以存贮电能，在风力发电机1和光伏电池2电力不足时为负载供电。柴油发电机3作为备用电源，在风力发电机和光伏电池混合发电无法正 常工作的情况下(如连续的阴雨天或无风天气等)向负载供电。柴油发电机3可直接向交流负荷6提供三相正弦交流电，也可以经过逆变器14连接到直流母线10，通过直流母线10实现对蓄电池4充电，以防止蓄电池4长时间处于缺电状态而降低使用寿命。

在该系统中，中央能量管理器15是重要的系统控制器件，风力机整流控制器5，光伏控制器6，柴油发电机3，逆变器14和蓄电池4均连接到中央能量管理器15，中央能量管理器15还连接有直流输出控制器，交流输出控制器和DC-AC转换器。

风力发电机1中包含有风力传感器101，风力传感器101用于采集实时的风力信息，并将采集到的实时风力信息经过风力机整流控制器5传输到中央能量管理器15，中央能量管理器5进行风力功率预测。

风力发电机1有四种状况，分别为最大功率跟踪控制状态(简称为MPPT)、负载功率跟踪控制状态(简称为LPTC)、限速运行状态和停运状态。根据风力传感器101采集到的实时风力信息比如风速，以及负载大小，风力发电机1在四种状况之间可以进行转换，具体为在额定风速范围内，当负载比较大时，风力发电机处于最大功率跟踪控制状态，能够有效提高风能利用率，当负载比较小时，风力发电机处于负载功率跟踪控制状态，能够有效实现系统能量平衡，当风速超过额定风速时，风力发电机处于限速运行状态，当风速低于额定风速时，风力发电机处于停运状态。

光伏电池2中包含有光传感器202，光传感器202用于采集实时的光信息，并将采集到的光信息经过光伏控制器传输到中央能量管理器15，中央能量管理器15进行光功率预测。

光伏电池2有三种状况，分别为最大功率跟踪控制状态(简称为MPPT)、负载功率跟踪控制状态(简称为LPTC)和停运状态。根据光传感器202采集到的实时光信息比如光照指数、太阳辐射强度以及负载大小，光伏电池2在三种状况之间可以进行转换，具体为在额定太阳辐射强度范围内，当负载比较大 时，光伏电池处于最大功率跟踪控制状态，能够有效提高光能利用率，当负载比较小时，光伏电池处于负载功率跟踪控制状态，能够有效实现系统能量平衡，当太阳辐射强度低于额定强度时，光伏电池处于停运状态。

实施例中，风光柴互补发电系统采集实时气象信息和系统信息，在综合考虑风力发电、光伏电池发电、蓄电池和柴油机特性的基础上，采用智能控制方法实现风光柴互补的优化协调。

如图2所示，根据风速、光照和负载的实时数据，风光柴互补发电系统存在多种运行状态和模式，风光柴发电系统包括的四种基本模式有只有可利用风、只有可利用光照、同时有可利用风和可利用光照、无可利用风和可利用光照，这四种模式的具体状况如下：

S1只有可利用风，当风光柴系统根据风力传感器采集到的风力信息和光传感器采集到的光信息，判断为只有可利用风时，则启动风力发电机，停运光伏电池。风力发电机根据实时的风力信息和负载大小，可在最大功率跟踪控制状态、负载功率跟踪控制状态和限速运行状态之间进行转换，蓄电池可处于充电状态或者放电状态，柴油机可处于运行状态或者停运状态。

在本实施例风光柴发电系统，S1只有可利用风的具体运行模式包括如图2所示的编号为1-6，共有6种具体运行模式。

S2只有可利用光照，当风光柴系统根据风力传感器采集到的风力信息和光传感器采集到的光信息，判断为只有可利用光照时，则光伏电池启动，停运风力发电机。光伏电池根据实时的光照信息和负载大小，可在最大功率跟踪控制状态和负载功率跟踪控制状态两者之间进行转换，蓄电池可处于充电状态或者放电状态，柴油机可处于运行状态或者停运状态。

在本实施例风光柴发电系统，S2只有可利用光照的具体运行模式包括如图2所示的编号为15-19，共有5种具体运行模式。

S3同时有可利用风和可利用光照，当风光柴系统根据风力传感器采集到的风力信息和光传感器采集到的光信息，判断为有可利用风和可利用光照时，则 启动风力发电机和光伏电池。风力发电机根据实时的风力信息和负载大小，可在最大功率跟踪控制状态、负载功率跟踪控制状态、限速运行状态和停运状态之间进行转换，光伏电池根据实时的光照信息和负载大小，可在最大功率跟踪控制状态和负载功率跟踪控制状态之间进行转换，蓄电池可处于充电状态或者放电状态，柴油机可处于运行状态或者停运状态。

在本实施例风光柴发电系统，S3同时有可利用风和可利用光照的具体运行模式包括如图2所示的编号为7-14，共有8种具体运行模式。

S4无可利用风和可利用日照，当风光柴系统根据风力传感器采集到的风力信息和光传感器采集到的光信息，判断为无可利用风和可利用光照时，则停运风力发电机和光伏电池。蓄电池可处于充电状态或者放电状态，柴油机可处于运行状态或者停运状态。

在本实施例风光柴发电系统，S4无可利用风和可利用光照的具体运行模式包括如图2所示的编号为20-22，共有3种具体运行模式。

风光柴发电系统可通过传感器采集实时气象信息，以及读取整个系统信息比如负载信息和蓄电池信息，预测风力发电机的最大出力和光伏电池的最大出力，在综合考虑风力发电、光伏电池阵列、蓄电池和柴油机特性的基础上，把发电单元各个状态进行合理组合，就构成了各种系统运行模式和具体的运行状态。在风光信息或负载变化的时候，各个运行状态之间可进行相互转换，这样可有效提高风电和光伏发电的利用率，实现风光柴互补发电系统的协调优化和智能控制。风光柴发电系统实施例的具体控制方法如图4所示，

风光柴发电系统的控制方法如下：

步骤401，读取数据信息，包括气象信息、负载数据和蓄电池数据；

风光柴发电系统读取的气象信息有风力信息和光信息，风力信息可具体是风速，光信息可具体是太阳辐射强度，当然，风力信息和光信息也可以采用其他的可量化的信息数据。

除了气象信息外，风光柴发电系统还读取蓄电池数据U和负载数据L。

步骤402，预测风力发电机和光伏电池的最大出力，并判断蓄电池的充放电状态。

风光柴发电系统根据所读取的气象信息进行预测，具体为根据所读取的风力信息预测风力发电机的最大出力W，根据所读取的光信息预测光伏电池发电的最大出力S，风力发电机和光伏电池发电的最大出力的预测方法可采用最大功率跟踪方法，也可以事先绘制出风力发电机和光伏电池的最大功率曲线，然后通过查表法，查找出风力发电机在上一个步骤中所读取的相应风速下的最大出力以及光伏电池在上一个步骤中所读取的相应太阳辐射强度下的最大出力。

判断蓄电池的充放电状态，根据蓄电池的电压U判断蓄电池充放电状态，蓄电池充放电状态可设置为R，R是0表示蓄电池处于放电状态，R是1表示蓄电池处于充电状态。蓄电池的充放电控制方法可以采用回差电压法，由于存在电压回差滞环，可避免控制器在蓄电池端电压的临界点进行频繁切换，同时通过设定电压限值，也可避免柴油机的频繁启动和停止。

蓄电池的放电终止电压设置为Umin，蓄电池的启动放电电压设置为Umax，

蓄电池的控制流程如图3所示，

步骤301，判断R是否为1

当R是1，进入步骤302，当R不是1，进入步骤303；

步骤302，判断蓄电池的电压U是否大于蓄电池的启动放电电压Umax，

若判断为是，即蓄电池的电压U大于蓄电池的启动放电电压Umax，则蓄电池可用于放电。

若判断为否，即蓄电池的电压U不大于蓄电池的启动放电电压Umax，则蓄电池不可用于放电，启动柴油机为蓄电池充电。

步骤303，判断蓄电池的电压U是否大于蓄电池的放电终止电压Umin，

若判断为是，即蓄电池的电压U大于蓄电池放电终止电压Umin，则蓄电池可用于放电。

若判断为否，即蓄电池的电压U不大于蓄电池的放电终止电压Umin，则蓄电池不可用于放电，启动柴油机为蓄电池充电。

判断蓄电池的充放电状态可在该步骤中进行，也可以在下面的步骤中进行，各步骤之间的前后次序仅是为了方便描述，在具体实施例中对各步骤之间的前后次序并没有具体的限制。

步骤403，计算净负载Ln，

净负载设置为Ln，Ln＝L-S-W，即净负载的值是由负载数据L减去上一个步骤预测的光伏电池发电最大出力S，再减去上一个步骤预测的风力发电机最大出力W。

步骤404，根据净负载的正负值，风光柴系统进入相应的运行模式；

当净负载Ln为正值，则此时风力发电机和光伏电池不能满足负载的需求，则进入到步骤405；

当净负载Ln不为正值，则此时风力发电机和光伏电池可以满足负载的需求，则进入到步骤411。

步骤405，判断光伏电池发电的最大出力S是否大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，即S＞Smin。

判断为是，即光伏电池发电的最大出力S大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，则表明光伏电池可发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为有光照的模式。有光照的模式可具体为S2只有可利用光照模式，S3有可利用风和可利用光照模式。

判断为否，即光伏电池发电的最大出力S不大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，则表明光伏电池不可以发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为无光照的模式。无光照的模式可具体为S1只有可利用风模式，S4无可利用风和可利用光照模式。

本实施例中首先判断光照条件，因为光伏电池发电的成本比较高，优先考虑光伏发电可有效提高光伏发电的利用率，在本实施例中也不限于首先判断光 照条件，该系统也可以首先判断风力条件。

步骤406，判断风力发电机的最大出力W是否大于风力发电机启用的功率限值Wmin，即W＞Wmin。

判断为是，即风力发电机的最大出力W大于风力发电机启用的功率限值Wmin，则表明风力发电机可发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为有风的模式。若上一步骤405的判断结果为是，则具体进入到S3有可利用风和可利用光照的模式。在优化的实施例中，可以更进一步地细化风电柴发电系统的运行模式，即继续进入到步骤407。若上一步骤405的判断结果为否，则具体进入到S1只有可利用风的模式。在优化的实施例中，可以更进一步地细化风电柴发电系统的运行模式，即继续进入到步骤409。

判断为否，即风力发电机的最大出力W不大于风力发电机启用的功率限值Wmin，则表明风力发电机不可以发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为无风的模式。若上一步骤405的判断结果为是，则具体进入到S2只有可利用光的模式。在优化的实施例中，可以更进一步地细化风电柴发电系统的运行模式，即继续进入到步骤408。若上一步骤405的判断结果为否，则具体进入到S4无可利用风和可利用光照的模式。在优化的实施例中，可以更进一步地细化风电柴发电系统的运行模式，即继续进入到步骤410。

步骤407，判断净负载Ln是否大于启动柴油机的功率限值Ld，即Ln＞Ld。

判断为是，即净负载Ln大于启动柴油机的功率限值Ld，则启动柴油机，进入图2中编号为14的具体运行模式，风力发电机和光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于运行状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，即净负载Ln不大于启动柴油机的功率限值Ld，则蓄电池放电，进入图2中编号为12的具体运行模式，风力发电机和光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于停运状态，蓄电池处于放电状态。

步骤408，判断负载L减去光伏电池发电的最大出力S后是否大于启动柴油机的功率限值Ld，即L-S＞Ld。

判断为是，即负载L减去光伏电池发电的最大出力S后大于启动柴油机的功率限值Ld，则启动柴油机供电，进入到图2中编号为18的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于运行状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，即负载L减去光伏电池发电的最大出力S后不大于启动柴油机的功率限值Ld，则蓄电池放电，进入图2中编号为16的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于停运状态，蓄电池处于放电状态。

步骤409，判断负载L减去风力发电机最大出力W后是否大于启动柴油机的功率限值Ld，L-W＞Ld

判断为是，即负载L减去风力发电机最大出力W后大于启动柴油机的功率限值Ld，则启动柴油机，进入图2中编号为6的具体运行模式，风力发电机处于MPPT运行状态，光伏电池处于停运状态，柴油机处于运行状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，即负载L减去风力发电机最大出力W后不大于启动柴油机的功率限值Ld，则蓄电池放电，进入图2中编号为4的具体运行模式，风力发电机处于MPPT运行状态，光伏电池处于停运状态，柴油机处于停运状态，蓄电池处于放电状态。

步骤410，判断负载L是否大于启动柴油机的功率限值Ld，即L＞Ld。

判断为是，即负载L大于启动柴油机的功率限值Ld，则启动柴油机供电进入图2中编号为20的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于停运状态，柴油机处于运行状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，负载L不大于启动柴油机的功率限值Ld，则蓄电池放电，进入图2中编号为21的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于停运状态，柴油机处于停运状态，蓄电池处于放电状态。

步骤411，判断负载L是否小于光伏电池发电的最大出力S，即L＜S。

判断为是，即负载L小于光伏电池发电的最大出力S，则进入图2中编号为7的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于LPTC运行状态，柴油机处于停运状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，即负载L不小于光伏电池发电的最大出力S，则进入步骤412。

步骤412，判断光伏电池发电的最大出力是否大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，即S＞Smin。

判断为是，光伏电池发电的最大出力大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，则表明光伏电池可发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为有光照的模式。有光照的模式可具体为S2只有可利用光照模式，S3有可利用风和可利用光照模式。可继续进入步骤413。

判断为否，即光伏电池发电的最大出力S不大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，则表明光伏电池不可以发电使用，对应的风光柴发电系统的运行模式为无光照的模式。可继续进入步骤414。

步骤413，判断风力发电机的最大出力W是否大于风力发电机启用的功率限值Wmin，即W＞Wmin。

判断为是，即风力发电机的最大出力W大于风力发电机启用的功率限值Wmin，则表明风力发电机可发电使用，进入图2中编号为9的具体运行模式，风力发电机处于LPTC运行状态，光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于停行状态，蓄电池处于充电状态。

判断为否，即风力发电机的最大出力W不大于风力发电机启用的功率限值Wmin，则表明风力发电机不可发电使用，进入图2中编号为16的具体运行模式，风力发电机处于停运状态，光伏电池处于MPPT运行状态，柴油机处于运行状态，蓄电池处于放电状态。

步骤414，判断风力发电机的最大出力W是否大于负载L，即W＞L。

若判断为是，即风力发电机的最大出力W大于负载L，则进入图2中编号为1的具体运行模式，风光柴发电系统的运行模式为风力发电机处于LPTC运 行状态，光伏电池处于停运状态，柴油机处于停行状态，蓄电池处于充电状态。

若判断为否，即风力发电机的最大出力W不大于负载L，则进入图2中编号为4的具体运行模式，风光柴发电系统的运行模式为风力发电机处于MPPT运行状态，光伏电池处于停运，柴油机处于停行状态，蓄电池处于放电状态。

本发明实施例在通信基站的风光柴互补发电系统中，通过应用新型传感器，采集实时气象信息进行功率预测，在综合考虑风力发电、光伏电池阵列、蓄电池和柴油机特性的基础上，实现风光柴互补系统的协调优化和智能控制，有效地提高风电和光伏发电的利用率。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，还可以做出若干改进和润饰，或者依本发明权利要求所做出等同变化，这些改进和润饰以及技术特征的等同变化仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取气象信息数据，负载数据L和蓄电池数据；

预测风力发电机最大出力W和光伏电池发电的最大出力S；

计算净负载，并根据净负载数据进入风光柴发电系统的不同运行模式，所述运行模式中包括风力发电机运行状态、光伏电池运行状态、柴油机运行状态和蓄电池运行状态。

2.如权利要求1所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述的气象信息数据包括风力信息数据和光照信息数据，所述的风力信息数据是风速，所述的光照信息数据是太阳辐射强度。

3.如权利要求1所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述风光柴发电系统的不同运行模式包括四种模式，分别为只有可利用风的模式、只有可利用光照的模式、有可利用风和可利用光照的模式、无可利用风和可利用光照的模式。

4.如权利要求1所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述风力发电机运行状态有最大功率跟踪控制状态MPPT、负载功率跟踪控制状态LPTC、限速运行和停运四种状态，所述光伏电池的运行状态有最大功率跟踪控制状态MPPT、负载功率跟踪控制状态LPTC和停运三种状态，所述柴油机运行状态有运行和停运两种状态，所述蓄电池运行状态有充电和放电两种状态。

5.如权利要求3所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述只有可利用风的模式中，所述光伏电池处于停运状态，风力发电机处于非停运状态。

6.如权利要求3所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述只有可利用光照的模式中，所述风力发电机处于停运状态，光伏电池处于非停运状态。

7.如权利要求3所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述有可利用风和可利用光照的模式中，所述光伏电池处于非停运状态。

8.如权利要求3所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，所述无可利用风和可利用光照的模式中，所述光伏电池和风力发电机均处于停运状态。

9.如权利要求1所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，还包括步骤：若净负载为正值，判断光伏电池发电的最大出力S是否大于光伏电池发电启用的功率限值Smin，

若判断为是，则风光柴发电系统的运行模式为有光照的模式，可以是只有可利用光照模式、有可利用风和可利用光照模式，

若判断为否，则风光柴发电系统的运行模式为无光照的模式，可以是只有可利用风模式，无可利用风和可利用光照模式。

10.如权利要求9所述的风光柴发电系统的控制方法，其特征在于，还包括步骤：继续判断风力发电机的最大出力W是否大于风力发电机启用的功率限值Wmin，

若上一步骤为是，继续判断为是，则风光柴发电系统的运行模式为有可利用风和可利用光照的模式，

若上一步骤为是，继续判断为否，则风光柴发电系统的运行模式为只有可利用光的模式；

若上一步骤为否，继续判断为是，则风光柴发电系统的运行模式为只有可利用风的模式，

若上一步骤为否，继续判断为否，则风光柴发电系统的运行模式为无可利用风和可利用光照的模式。

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