CN102384039A - 一种混合风光互补抽水蓄能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合风光互补抽水蓄能系统包括风光互补单元、控制器、直流负载、交流负载、逆变器和抽水蓄能单元；风光互补单元包括风力发电机组和光伏阵列；抽水蓄能单元包括可逆式水泵水轮机组、上水池和下水池；所述控制器包括风光互补控制器，数字信号处理器芯片，电压/电流采样电路，电压/电流互感器组，断路器驱动电路和三个断路器。本发明将传统风光互补系统储能装置——蓄电池组用抽水蓄能发电系统代替，并在抽水蓄能单元使用可逆式水泵水轮机抽水或发电，并应用分段积分法对抽水蓄能单元的上水池进行能量的监控控制。本发明解决了使用蓄电池组价格昂贵，寿命短，环境污染等缺点，提高系统稳定性和供电可靠性，降低系统建设和运营成本。

Description

一种混合风光互补抽水蓄能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源应用技术领域，特别涉及一种混合风光互补抽水蓄能系统及其控制方法。

背景技术

当前，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点。化石燃料价格的不断攀升、温室效应问题的不断突出以及当前能源需求的不断加大使得人们对新能源应用的研究热情空前的高涨。风能和太阳能资源作为一种清洁、高效的可再生能源得到了众多研究者的青睐。但是，风能和太阳能资源也具有不稳定性和不连续性的特点，风光互补系统的出现一定程度的解决了风能和太阳能资源的这一缺点，同时，风光互补系统中存储装置的应用也进一步的增加了系统的稳定性。在风光互补系统中，传统的电能存储转置多采用蓄电池组，但蓄电池组具有成本高，寿命短，不易维护，以及蓄电池可能酸液泄露造成环境污染等特点，增加了系统的运营成本，影响了系统的可靠性。

时下，对蓄电池相关技术的研究正如火如荼的进行，蓄电池制造工艺、材料，蓄电池的充放电管理控制等技术日新月异，但其仍然不能从根本上解决电能的大容量经济有效存储，严重制约了风光互补系统的发展与应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种混合风光互补抽水蓄能系统及其控制方法。在条件允许的情况下，在风光互补系统中加入抽水蓄能系统，取代传统的风光互补系统中所使用的电能存储装置——蓄电池组，用于能量的存储与控制，这样就形成了混合风光互补抽水蓄能系统。

本发明的混合风光互补抽水蓄能系统包括风光互补单元、控制器、直流负载、交流负载、逆变器和抽水蓄能单元，其中风光互补单元包括风力发电机组和光伏阵列，抽水蓄能单元包括可逆式水泵水轮机组、上水池和下水池。水泵水轮机组置于上、下水池之间，当抽水蓄能单元处于发电状态时，上水池放水，冲击水泵水轮机组，水流入下水池，抽水时，水泵水轮机组从下水池抽水至上水池。所述的抽水蓄能单元中，用于向上水池抽水以及使用上水池中的水进行发电的装置采用同一种设备——可逆式水泵水轮机；抽水蓄能单元所使用的可逆式水泵水轮机组包括直流可逆式水泵水轮机和交流可逆式水泵水轮机，抽水时既可以使用直流电供电去驱动直流可逆式水泵水轮机抽水，又可以使用交流电供电去驱动交流可逆式水泵水轮机抽水，发电时既可以使用直流可逆式水泵水轮机组发出直流电以满足直流负载需求，又可以使用交流可逆式水泵水轮机发出交流电满足交流负载需求。

所述控制器包括风光互补控制器，数字信号处理器(DSP)芯片，电压/电流采样电路，电压/电流互感器组，断路器驱动电路和三个断路器。风光互补控制器输出端分别接三个断路器，DSP输出的控制信号经断路器驱动电路连接至三个断路器，控制断路器的开合，电压/电流互感器组输出端连接至电压/电流采样电路输入端，电压/电流采样电路输出端接至DSP，电压/电流互感器组输入端相连至三个断路器的输出端，采样转换三个断路器输出端的电压/电流信号。

所述的混合风光互补抽水蓄能系统，系统中的直流负载和交流负载采用两端供电的模式，直流负载的供电电源可以为来自风光互补部分风力发电机组和光伏阵列所发直流电，也可以来自于抽水蓄能部分直流可逆式水泵水轮机组所发直流电；交流负载的供电电源既可以为经逆变器后所得交流电，又可以为抽水蓄能单元交流可逆式水泵水轮机所发交流电。系统中直流负载和交流负载使用双电源供电模式，保证了系统的稳定性与可靠性。

本系统的具体连接是：风力发电机组和光伏阵列的输入端分别连接控制器的输入端，控制器的输出端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组的输入端和逆变器的输入端，逆变器的输出端分别连接交流可逆式水泵水轮机组的输入端和交流负载，直流可逆式水泵水轮机组的输出端连接直流负载，交流可逆式水泵水轮机组的输出端连接交流负载。控制器的风光互补控制器输入端分别接风力发电机组的输出端和光伏阵列的输出端，控制器的风光互补控制器的输出端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组和逆变器输入端，控制器的电压/电流互感器组输入端连接到交流可逆式水泵水轮机的输出端。

本发明混合风光互补抽水蓄能系统的控制方法，主要完成的任务依次是：光伏阵列的最大功率追踪、风力发电机组的最大功率追踪、抽水蓄能发电单元的协调配合储能及发电、抽水蓄能单元中上水池的能量状态监测和控制。

先配置风力发电机组和光伏阵列的功率总容量和上水池所蕴含水能的功率总容量，配置过程如下：

系统的初始成本花费为

C＝pP_PV+wP_W+sP_s                                               (1)

式中，p为光伏阵列总容量，P_PV为单位瓦数太阳能电池价格，w为风力发电机组总容量，P_W为风力发电机组单位功率造价，s为抽水蓄能单元中上水池蕴含水能的功率总容量，P_s为抽水蓄能单元中上水池功率容量的单位功率造价。

系统的约束条件为

LP(p，w，s)＝T_k                                          (2)

式中，T_k为系统允许的电能缺失小时数，式(2)表示在允许的电能缺失小时数为T_k的情况下，光伏阵列总容量p、风力发电机组总容量w、抽水蓄能单元中上水池蕴含水能的功率总容量s之间的关系，系统要求在满足约束条件的情况下，系统的初始成本花费C最小，因此，构造Lagrange函数如下：

L＝pP_PV+wP_W+sP_s+λ[LP(p，w，s)-T_k]                       (3)

式中，λ为Lagrange算子，将L分别对p、w、s和λ求偏微分，并令各偏微分项为零，可得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{PV}}+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂p}=0\\ P_W+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂w}=0\\ P_s+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂s}=0\\ \mathrm{LP}(p,w,s)-T_k=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过解非线性方程组(4)，得到满足系统可靠性指标T_k的p_opt(最佳光伏阵列总容量)、w_opt(最佳风力发电机组总容量)和s_opt(抽水蓄能单元最佳容量)。

本发明的控制方法具体按以下步骤进行：

步骤1：风力发电机组和光伏阵列在控制器的作用下分别按照相应的最大功率追踪方法进行最大功率追踪，获取最大的风电能和光电能；

所述的光伏阵列的最大功率追踪原理如下：

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子，空穴对经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的I-U特性和太阳辐射强度、光伏电池的温度T有极大关系，I＝f(S，U，T)。由光学理论，光伏电池的等效数学模型可以表示为：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\left\{\exp \right[\frac{q(U+R_{S}I)}{\mathrm{nkT}}]-1\}-\frac{U+R_{s}I}{R_{\mathrm{sh}}}---\left(5\right)$

式中：I——光伏电池输出电流(工作电流)；

I₀二极管反向饱和电流，I_ph光生电流；

q电子的电荷量，q＝1.6×10¹⁹C；

U——光伏电池输出电压(工作电压)；

R_S光伏电池的串联电阻；

n二极管特性因子，k波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K；

R_sh光伏电池的并联电阻。

根据光伏电池的电器特性，可以得出相同T不同光照S和相同S不同T时光伏电池的I-U和P-U特性曲线。

光伏电池的最大功率追踪的原理是在不同的光照和温度条件下，寻求最优的光伏电池工作点，即最优的输出电压和输出电流，从而获得最大输出功率的过程。最大功率追踪方法比较常用的有恒定电压控制法(Constant VoItage Tracking简称CVT)、扰动观测法(Perturbationand Ob servation Method简称P&O)、导纳增量法(Incremental conductance method简称IncCond)基于梯度变步长的导纳增量法等，以及将智能控制算法，如神经网络、模糊控制、粒子群算法等与以上方法相结合的算法。

本发明所述的风力发电机组的最大功率追踪原理如下：

根据空气动力学中的贝兹理论，风力发电机的发电功率与风速的三次方成正比，风力发电机输出功率P(t)的表达式为：

$P\left(t\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{C}_P{\left[v\left(t\right)\right]}^3---\left(6\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωR}}{v\left(t\right)}---\left(7\right)$

式中：ρ——空气密度，kg/m³；

v(t)——风速，m/s；

A——风力发电机扫过的面积，m²；

C_P——风能利用系数(一般取C_P＝1/2～2/5，最大可达0.59)，它是叶尖速与风速之比λ和桨距角α的函数；

ω——风力发电机机械角速度；

R——风力发电机叶轮半径。

由式(6)和(7)可以得出，风力发电机的输出功率P(t)为风力发电机角速度ω、风力发电机桨距角α和风速v(t)三者的函数。风力发电机的最大功率追踪原理即根据实时风速的不同，调节控制风力发电机角速度ω及桨距角α，以获得最大风能利用系数C_Pmax，进而得到风力发电机最大输出功率P_max(t)。

步骤2：在t时刻，判断系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和与用来逆变的直流电能P_ACload(t)/η_C及直流负载的电能需求P_DCload(t)之和：若P_W(t)+P_PV(t)＝P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，则系统抽水蓄能单元不工作，结束；否则，执行步骤4；

步骤3：若P_W(t)+P_PV(t)＞P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，抽水蓄能单元工作于抽水模式，启动可逆式水泵水轮机向上水池抽水，执行步骤4；若P_W(t)+P_PV(t)＜P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，抽水蓄能单元工作于发电模式，启动可逆式水泵水轮机将上水池中水的重力势能转换为电能，转至步骤5；

步骤4：判断在t时刻，上水池所蕴含的水能E(t)是否等于上水池已设定的可利用的蕴含能量最小值E_max：若E(t)＝E_max，则抽水蓄能单元的抽水模式停止，停止向上水池抽水，风力发电机工作于“低应力”模式，风力发电机组不再追踪最大功率，结束；否则，转至步骤3；

步骤5：判断在t时刻，E(t)＝E_min是否成立；若成立，则抽水蓄能单元的发电模式停止，根据系统中负载的重要性程度，相应的切除单元负载，结束；否则，转至步骤3；

步骤6：结束，转步骤2。

所述步骤4中，抽水蓄能单元上水池所蕴含能量多少的判断采用分段积分的方法，为了系统的经济性，抽水蓄能部分上水池的设计容量不会无限大，存在可利用能量的最大值E_max和可利用能量最小值E_min，下水池一般选用河流或者湖泊，无容量限制，在系统出现电能缺口或电能过剩时，抽水蓄能单元开始工作，上水池所蕴含的水能发生变化：

假设系统在(t₁，t₂)时段出现电能缺口，抽水蓄能单元工作在发电模式，上水池的水能转换为电能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₁)，在t(t∈(t₁，t₂))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_1\right)-{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{ACg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt}+{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{DCg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt},$ P_ACg(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，P_DCg(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，η_g可逆式水泵水轮机工作在发电模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_min时，上水池无可利用能量，抽水蓄能发电单元的发电模式停止；假设系统在(t₃，t₄)时段出现电能过剩，抽水蓄能部分工作在抽水模式，剩余电能用来向上水池抽水，转化为上水池中水的重力势能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₃)，在t(t∈(t₃，t₄))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_3\right)+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{ACp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt}+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{DCp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt},$ P_ACp(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，P_DCp(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，η_p为可逆式水泵水轮机工作在抽水模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_max时，上水池所含能量达到最大极限值，上水池达到容量极限，抽水蓄能发电部分的发电模式停止，同时对光伏阵列和风力发电机组采用“低应力”控制模式，即适当降低光伏阵列的输出功率和风力发电机组中风机的转速。

有益效果：本发明将传统风光互补系统中储能装置——蓄电池组用抽水蓄能发电系统代替，并在抽水蓄能单元使用可逆式水泵水轮机用于抽水或发电，同时，应用分段积分法对抽水蓄能单元的上水池进行能量的监控控制。本发明解决了使用蓄电池组价格昂贵，寿命短，以及可能造成环境污染等缺点，提高了系统的稳定性和供电的可靠性，降低了系统建设和运营成本。

附图说明

图1本发明实施例的系统结构图；

图2本发明实施例的控制器的结构图；

图3本发明实施例的光伏电池等效电路图；

图4本发明实施例的光伏电池的I-U和P-U特性曲线，其中(a)是相同T不同光照时的I-U曲线，(b)是相同T不同光照时的P-U曲线，(c)是相同光照S不同温度时的I-U曲线，(d)是相同光照S不同温度时的P-U曲线；

图5本发明实施例的系统控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步解释。

本发明的混合风光互补抽水蓄能系统，包括风光互补单元、控制器、直流负载、交流负载、逆变器和抽水蓄能单元，结构如图1所示，风光互补单元包括风力发电机组和光伏阵列，风力发电机组采用型号为SN-1000W的功率为1KW的小型风力发电机，数量为3台；光伏阵列采用型号为STP260S-24/Vb的光伏板，选用此型号的光伏板数量为6块，光伏板之间采用混连的方式连接，即分为2组，每组3块，每组中3块光伏板串联连接，然后2组再并联连接；

抽水蓄能单元包括可逆式水泵水轮机组、上水池和下水池。可逆式水泵水轮机组采用1KW直流可逆式水泵水轮机组和1.5KW交流式可逆水泵水轮机组各一个。

直流负载使用1KW直流电动机，交流负载使用一组单个功率为300W的灯泡10个，逆变器选用维斯特型号为HDN-3000VA的3KW逆变器。

控制器包括风光互补控制器，数字信号处理器(DSP)芯片，电压/电流采样电路，电压/电流互感器组，断路器驱动电路和三个断路器，结构如图2所示。本实施例中控制器的电压互感器选用TR1140-1C，电流互感器选用TR0140-1C，DSP芯片采用TMS320F2812，放大器采用TL084，风光互补控制器采用型号为WSC3K09-108的风光互补控制器。

控制器采集的电压电流信号经过电压互感器TR1140-1C和电流互感器TR0140-1C二次互感变换后，电压/电流采样电路将经过电压、电流互感器变换后的信号经过由放大器TL084组成的跟随器电路、放大电路和偏置电路，调理成0～+3.3V范围的电压输入到DSP进行A/D转换，A/D转换将这些信号转换为数据量，DSP芯片根据这些数据量，按照相应的算法进行计算，根据不同的计算结果判定系统所处的不同状态，进而控制A2端、A3端、A4端所连接的断路器的开合。

本系统中各个单元的连接方式是为风力发电机组和光伏阵列的输入端分别连接控制器的输入端，控制器的输出端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组的输入端和逆变器的输入端，逆变器的输出端分别连接交流可逆式水泵水轮机组的输入端和交流负载，直流可逆式水泵水轮机组的输出端连接直流负载，交流可逆式水泵水轮机组的输出端连接交流负载，如图1所示。控制器A0端接风力发电机组的输出端，控制器A1端连接光伏阵列的输出端，控制器的A2端、A3端、A4端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组和逆变器输入端，控制器的A5端连接到交流可逆式水泵水轮机的输入端，用于采集交流可逆式水泵水轮机组的输入电压和电流。

本发明方法具体按以下步骤进行：

步骤1：风力发电机组和光伏阵列在控制器的作用下分别按照相应的最大功率追踪方法进行最大功率追踪，获取最大的风电能和光电能；

所述的光伏阵列的最大功率追踪原理如下：

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子，空穴对经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的I-U特性和太阳辐射强度、光伏电池的温度T有极大关系，I＝f(S，U，T)。由光学理论，光伏电池的等效数学模型可以表示为：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\left\{\exp \right[\frac{q(U+R_{S}I)}{\mathrm{nkT}}]-1\}-\frac{U+R_{s}I}{R_{\mathrm{sh}}}---\left(5\right)$

式中：I——光伏电池输出电流(工作电流)；

I₀二极管反向饱和电流，I_ph光生电流；

q电子的电荷量，q＝1.6×10¹⁹C；

U——光伏电池输出电压(工作电压)；

R_S光伏电池的串联电阻；

n二极管特性因子，k波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K；

R_sh光伏电池的并联电阻。

由公式(5)所得的光伏电池的等效电路图如图3所示。

根据光伏电池的电器特性，可以得出相同T不同光照S和相同S不同T时光伏电池的I-U和P-U特性曲线如图4(a)～(d)所示。

步骤2：在t时刻，判断系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和与用来逆变的直流电能P_ACload(t)/η_C及直流负载的电能需求P_DCload(t)之和：若P_W(t)+P_PV(t)＝P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，即在t时刻，系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和刚好能够提供用于逆变以满足交流负载电能需求的直流电能P_ACload(t)/η_C需求和直流负载P_DCload(t)的电能需求，则系统抽水蓄能单元不工作，结束；否则，执行步骤3；

由于发电环境的不断变化，以及负载的连续波动，系统发电量的变化不可能完全跟随系统负载的变化，抽水蓄能单元不工作的情况存在的时间是极其短暂的；

步骤3：若P_W(t)+P_PV(t)＞P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，即在t时刻，系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和超过提供用于逆变以满足交流负载电能需求的直流电能P_WCload(t)/η_C需求和直流负载P_DCload(t)的电能需求，出现了电能的过剩，此时抽水蓄能单元工作于抽水模式，启动可逆式水泵水轮机向上水池抽水，执行步骤4；若P_W(t)+P_PV(t)＜P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，即在t时刻，系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和不足以提供用于逆变以满足交流负载电能需求的直流电能P_ACload(t)/η_C需求和直流负载P_DCload(t)的电能需求，出现了系统的电能缺口，抽水蓄能单元工作于发电模式，启动可逆式水泵水轮机将上水池中水的重力势能转换为电能，转至步骤5；

风光互补单元剩余的直流电优先用于驱动所有的直流可逆式水泵水轮机向上水池抽水，如果还有剩余，剩余的直流电经逆变后驱动交流可逆式水泵水轮机向上水池抽水；

步骤4：判断在t时刻，上水池所蕴含的水能E(t)是否等于上水池已设定的可利用的蕴含能量最大值E_max：若E(t)＝E_max，则抽水蓄能单元的抽水模式停止，停止向上水池抽水，风力发电机工作于“低应力”模式，风力发电机组不再追踪最大功率，结束；否则，转至步骤3；

步骤5：判断在t时刻，E(t)＝E_min是否成立；若成立，则抽水蓄能单元的发电模式停止，根据系统中负载的重要性程度，相应的切除单元负载，结束；否则，转至步骤3；

步骤6：结束，转步骤2。

所述步骤4中，抽水蓄能单元上水池所蕴含能量多少的判断采用分段积分的方法，抽水蓄能单元上水池存在可利用能量的最大值E_max和可利用能量最小值E_min，下水池一般选用河流或者湖泊，无容量限制，在系统出现电能缺口或电能过剩时，抽水蓄能单元开始工作，上水池所蕴含的水能发生变化：

假设系统在(t₁，t₂)时段出现电能缺口，抽水蓄能单元工作在发电模式，上水池的水能转换为电能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₁)，在t(t∈(t₁，t₂))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_1\right)-{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{ACg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt}+{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{DCg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt},$ P_ACg(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，P_DCg(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，η_g可逆式水泵水轮机工作在发电模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_min时，上水池无可利用能量，抽水蓄能发电单元的发电模式停止；假设系统在(t₃，t₄)时段出现电能过剩，抽水蓄能部分工作在抽水模式，剩余电能用来向上水池抽水，转化为上水池中水的重力势能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₃)，在t(t∈(t₃，t₄))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_3\right)+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{ACp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt}+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{DCp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt},$ P_ACp(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，P_DCp(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，η_p为可逆式水泵水轮机工作在抽水模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_max时，上水池所含能量达到最大极限值，上水池达到容量极限，抽水蓄能发电部分的发电模式停止，同时对光伏阵列和风力发电机组采用“低应力”控制模式，即适当降低光伏阵列的输出功率和风力发电机组中风机的转速，而不必进行最大能量的捕获，以延长装置的使用寿命。

Claims (3)

1.一种混合风光互补抽水蓄能系统，其特征在于：包括风光互补单元、控制器、直流负载、交流负载、逆变器和抽水蓄能单元；

所述风光互补单元包括风力发电机组和光伏阵列；

所述抽水蓄能单元包括可逆式水泵水轮机组、上水池和下水池，水泵水轮机组置于上、水池之间，所述可逆式水泵水轮机组，包括直流可逆式水泵水轮机和交流可逆式水泵水轮机；

所述控制器包括风光互补控制器，数字信号处理器(DSP)芯片，电压/电流采样电路，电压/电流互感器组，断路器驱动电路和三个断路器；风光互补控制器输出端分别接三个断路器，DSP输出的控制信号经断路器驱动电路连接至三个断路器，控制断路器的开合，电压/电流互感器组输出端连接至电压/电流采样电路输入端，电压/电流采样电路输出端接至DSP，电压/电流互感器组输入端相连至三个断路器的输出端；

系统具体连接是：风力发电机组和光伏阵列的输入端分别连接控制器的输入端，控制器的输出端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组的输入端和逆变器的输入端，逆变器的输出端分别连接交流可逆式水泵水轮机组的输入端和交流负载，直流可逆式水泵水轮机组的输出端连接直流负载，交流可逆式水泵水轮机组的输出端连接交流负载，控制器的风光互补控制器输入端分别接风力发电机组的输出端和光伏阵列的输出端，控制器的风光互补控制器的输出端分别连接直流负载、直流可逆式水泵水轮机组和逆变器输入端，控制器的电压/电流互感器组输入端连接到交流可逆式水泵水轮机的输出端。

2.权利要求1所述的混合风光互补抽水蓄能系统的控制方法，其特征在于：

先配置风力发电机功率总容量、光伏阵列功率总容量和上水池所蕴含水能的功率总容量，确定系统容量配置，具体过程如下：

系统的初始成本花费为

C＝pP_PV+wP_W+sP_s                                          (1)

式中，p为光伏阵列总容量，P_PV为单位瓦数太阳能电池价格，w为风力发电机组总容量，P_W为风力发电机组单位功率造价，s为抽水蓄能单元中上水池蕴含水能的功率总容量，P_s为抽水蓄能单元中上水池功率容量的单位功率造价；

系统的约束条件为

LP(p，w，s)＝T_k                                           (2)

式中，T_k为系统允许的电能缺失小时数，式(2)表示在允许的电能缺失小时数为T_k的情况下，光伏阵列总容量p、风力发电机组总容量w、抽水蓄能单元中上水池蕴含水能的功率总容量s之间的关系，系统要求在满足约束条件的情况下，系统的初始成本花费C最小，因此，构造Lagrange函数如下：

L＝pP_PV+wP_W+sP_s+λ[LP(p，w，s)-T_k]                    (3)

式中，λ为Lagrange算子，将L分别对p、w、s和λ求偏微分，并令各偏微分项为零，可得方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{PV}}+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂p}=0\\ P_W+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂w}=0\\ P_s+\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{LP}(p,w,s)}{\∂s}=0\\ \mathrm{LP}(p,w,s)-T_k=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过解非线性方程组(4)，得到满足系统可靠性指标T_k的最佳光伏阵列总容量p_opt、最佳风力发电机组总容量w_opt和抽水蓄能单元中上水池的最佳功率容量s_opt；

混合风光互补抽水蓄能系统控制方法按如下步骤进行：

步骤1：风力发电机组和光伏阵列在控制器的作用下分别按照相应的最大功率追踪方法进行最大功率追踪，获取最大的风电能和光电能；

步骤2：在t时刻，判断系统风力发电机组输出电能P_W(t)和光伏阵列所输出电能P_PV(t)之和与用来逆变的直流电能P_ACload(t)/η_C及直流负载的电能需求P_DCload(t)之和：若P_W(t)+P_PV(t)＝P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，则系统抽水蓄能单元不工作，结束；否则，执行步骤4；

步骤3：若P_W(t)+P_PV(t)＞P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，抽水蓄能单元工作于抽水模式，启动可逆式水泵水轮机向上水池抽水，执行步骤4；若P_W(t)+P_PV(t)＜P_ACload(t)/η_C+P_DCload(t)，抽水蓄能单元工作于发电模式，启动可逆式水泵水轮机将上水池中水的重力势能转换为电能，转至步骤5；

步骤4：判断在t时刻，上水池所蕴含的水能E(t)是否等于上水池已设定的可利用的蕴含能量最大值E_max：若E(t)＝E_max，则抽水蓄能单元的抽水模式停止，停止向上水池抽水，风力发电机工作于“低应力”模式，风力发电机组不再追踪最大功率，结束；否则，转至步骤3；

步骤5：判断在t时刻，E(t)＝E_min是否成立；若成立，则抽水蓄能单元的发电模式停止，根据系统中负载的重要性程度，相应的切除单元负载，结束；否则，转至步骤3；

步骤6：结束，转步骤2。

3.根据权利要求2所述的混合风光互补抽水蓄能系统的能量控制方法，其特征在于：所述步骤4中上水池所蕴含的水能多少的判断采用分段积分的方法，抽水蓄能单元上水池的设计容量存在可利用能量的最大值E_max和可利用能量最小值E_min，下水池一般选用河流或者湖泊，无容量限制，在系统出现电能缺口或电能过剩时，抽水蓄能单元开始工作，上水池所蕴含的水能发生变化：

假设系统在(t₁，t₂)时段出现电能缺口，抽水蓄能单元工作在发电模式，上水池的水能转换为电能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₁)，在t(t∈(t₁，t₂))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_1\right)-{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{ACg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt}+{\∫}_{t_1}^{t_2}{P}_{\mathrm{DCg}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_g\mathrm{dt},$ P_ACg(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，P_DCg(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输出端输出功率，η_g可逆式水泵水轮机工作在发电模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_min时，上水池无可利用能量，抽水蓄能发电单元的发电模式停止；

假设系统在(t₃，t₄)时段出现电能过剩，抽水蓄能部分工作在抽水模式，剩余电能用来向上水池抽水，转化为上水池中水的重力势能，在本时段开始时上水池所蕴含的能量为E(t₃)，在t(t∈(t₃，t₄))时刻，上水池的所蕴含的能量为 $E\left(t\right)=E\left(t_3\right)+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{ACp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt}+{\∫}_{t_3}^{t_4}{P}_{\mathrm{DCp}}\left(t\right)/{\mathrm{\η}}_p\mathrm{dt},$ P_ACp(t)为在t时刻系统检测交流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，P_DCp(t)为在t时刻系统检测所得直流可逆式水泵水轮机组输入端所消耗功率，η_p为可逆式水泵水轮机工作在抽水模式时的能量转换效率，当E(t)＝E_max时，上水池所含能量达到最大极限值，上水池达到容量极限，抽水蓄能发电部分的发电模式停止，同时对光伏阵列和风力发电机组采用“低应力”控制模式，即适当降低光伏阵列的输出功率和风力发电机组中风机的转速。

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