面向樓宇直流微網(wǎng)ADR能源管理與能效優(yōu)化研究.pdf

1、能源危機日益嚴重，可再生能源亟待開發(fā)利用，風、光等能源的波動性和突變性引起的低轉(zhuǎn)換率是急需解決的問題。電力供需平衡是電力系統(tǒng)運行調(diào)度的核心議題，風電、光伏等清潔低碳可再生能源發(fā)電的快速增長給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運行調(diào)度和控制模式帶來的嚴峻挑戰(zhàn)是必須面對的。國際上有學者提出基于自動需求響應（ADR）促進電力平衡的概念，通過構(gòu)建樓宇直流微網(wǎng)，就地消納可再生能源，減小風、光等可再生能源對交流主網(wǎng)的滲透率受限的壓力，緩解當前新能源富裕地區(qū)的棄風棄光現(xiàn)

2、象。在自動需求響應模式下，電力用戶可根據(jù)電網(wǎng)的價格機制和電網(wǎng)供配電規(guī)定，依據(jù)不同時段主動調(diào)整用電負荷分配，實現(xiàn)在電網(wǎng)規(guī)則指導下，達到電網(wǎng)供需平衡和移峰填谷的目標。目前自動需求響應的相關研究主要集中在調(diào)度機制以及定價策略方面，樓宇負荷具有動態(tài)非線性和強耦合特征，但在不影響居民正常生活的條件下負荷調(diào)度受到了限制，因而目前的自動需求響應模式涉及到的控制方法和調(diào)度方式無法直接應用到樓宇直流微網(wǎng)中。
　　本論文將樓宇直流微網(wǎng)的各種負荷納入電

3、力系統(tǒng)調(diào)度體系，并在電力能源供需平衡中實現(xiàn)自動需求響應及能源高效管理。研究的思路是基于用電間歇與連續(xù)共存的負荷特征，建立ADR負荷調(diào)度與居民負荷間的關聯(lián)，在保證用戶舒適度約束前提下，可達到用電經(jīng)濟性目標與供電穩(wěn)定目標的樓宇負荷調(diào)度方法，減小用電成本并提高風、光可再生能源的發(fā)電功率和轉(zhuǎn)換效率，促進智能電網(wǎng)穩(wěn)定運行和可再生能源消納。論文具體研究內(nèi)容包括：
　　1.軟磁材料開關磁阻風電直流微源建模和能效優(yōu)化。研究了軟磁材料開關磁阻風電直

4、流微源的工作機理，建立其數(shù)學模型，分析了相關損耗產(chǎn)生的原因及其對效率的影響程度；提出了低風速段電流軟斬波控制和高風速段角度位置控制的功率變換器聯(lián)控方法，進行開關磁阻風力發(fā)電機本體能效的優(yōu)化；采用非線性分段動態(tài)自適應控制方法，最終實現(xiàn)微源的能效優(yōu)化。控制方法包括：1)依據(jù)風輪功率捕獲機理，得到最大風能特征，研究變擾動步長爬山搜索法，實現(xiàn)額定風速內(nèi)動態(tài)非線性最大風能追蹤自適應控制。2)提出低風速段全區(qū)升壓勵磁模式，實施短時段恒壓勵磁和長時段

5、風速自適應變壓勵磁，維持高運動反電動勢和大勵磁相電流，增加發(fā)電功率。3)在功率變換器中引入Z源網(wǎng)絡，實現(xiàn)勵磁升壓，提高超低風速段勵磁電流變化率；突出其切入風速低、啟動轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)勢，加大總發(fā)電功率，實現(xiàn)能效優(yōu)化。
　　2.禁帶寬度太陽能光伏直流微源建模和能效優(yōu)化。針對傳統(tǒng)太陽能電池建模需提供開路電壓、短路電流、最大功率點電壓和電流等眾多參數(shù)的弊端，省去隨光照強度和污斑陰影變化需進行動態(tài)修改的繁瑣，研發(fā)一種禁帶寬度的太陽能電池通用模型

6、，無需頻繁修改參數(shù)，便可適合不同材料和變化環(huán)境的條件。具體包括：1)分析不同環(huán)境對太陽能電池輸出電壓和輸出功率的影響，以及傳統(tǒng)最大功率跟蹤( MPPT)控制中“木桶原則”導致總輸出功率降低的原因；采用變步長擾動電導增量觀察法的MPPT獨立控制，使光照強度、污斑和陰影動態(tài)變化環(huán)境下每個電池都能輸出最大功率，使通過串/并聯(lián)方式組成的光伏陣列總輸出功率最大。2)針對多電池的光伏陣列輸出功率可能穩(wěn)定在一個局部最優(yōu)的缺陷，在可能追蹤局部功率極值點

7、時，啟動粒子群算法，使光伏陣列的工作電壓出現(xiàn)在最大功率點所在鄰域內(nèi)，通過變擾動步長增量電導觀測法快速穩(wěn)定地跟蹤最大功率點，進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。
　　3.樓宇直流微網(wǎng)母線電壓分級控制與能源管理。設計新型單電感多輸入直流變換器(MIDDC)拓撲，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個單輸入變換器，允許多個分布式可再生能源單獨或同時給樓宇負荷供電；分析MIDDC連續(xù)模式和斷續(xù)模式下的電壓、電流和功率關系，根據(jù)伏秒平衡原理，合理選擇諧振電感和嵌位電容，研究有

8、源嵌位軟開關技術(shù)，實現(xiàn)MIDDC各個開關管的零電壓開通/關斷，降低開關損耗；提出基于直流母線電壓變化量的6級協(xié)調(diào)控制策略，確保在聯(lián)網(wǎng)模式和孤島模式及擾動下穩(wěn)定運行，提高可靠性，在一定程度上降低成本，實現(xiàn)分布式能源和樓宇負荷的“即插即用”。
　　4.樓宇直流微網(wǎng)可再生能源消納和ADR負荷優(yōu)化調(diào)度。針對智能樓宇電力調(diào)度存在的高度非線性、多約束、高維度特征，研究樓宇直流微網(wǎng)在價格需求響應基礎上的負荷優(yōu)化調(diào)度:綜合可中斷設備、可轉(zhuǎn)移設備、

9、發(fā)電設備、充電設備、儲能設備等不同類型負荷用電規(guī)律，以用戶不滿意度、用戶日電費、用電功率峰谷差最小，使用風、光能源最多，進行多目標綜合優(yōu)化?；诜肿觿永碚摻⒂秒娫O備日調(diào)度編碼和樓宇負荷優(yōu)化調(diào)度模型，將非線性約束條件進行線性化轉(zhuǎn)換；通過加入懲罰項保證優(yōu)化結(jié)果，改進并構(gòu)建樓宇直流微網(wǎng)ADR問題的雙重結(jié)構(gòu)編碼分子動理論優(yōu)化模型，進行多種用戶實例求解，實現(xiàn)動態(tài)全局最優(yōu)化，比較其他全局優(yōu)化算法，該結(jié)果具有較好的用電成本節(jié)省和負荷調(diào)峰效果，提高可