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(jī)日益嚴(yán)重，可再生能源亟待開發(fā)利用，風(fēng)、光等能源的波動(dòng)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(yùn)行調(diào)度的核心議題，風(fēng)電、光伏等清潔低碳可再生能源發(fā)電的快速增長(zhǎng)給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度和控制模式帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是必須面對(duì)的。國(guó)際上有學(xué)者提出基于自動(dòng)需求響應(yīng)（ADR）促進(jìn)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(fēng)、光等可再生能源對(duì)交流主網(wǎng)的滲透率受限的壓力，緩解當(dāng)前新能源富裕地區(qū)的棄風(fēng)棄光現(xiàn)

2、象。在自動(dòng)需求響應(yīng)模式下，電力用戶可根據(jù)電網(wǎng)的價(jià)格機(jī)制和電網(wǎng)供配電規(guī)定，依據(jù)不同時(shí)段主動(dòng)調(diào)整用電負(fù)荷分配，實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)規(guī)則指導(dǎo)下，達(dá)到電網(wǎng)供需平衡和移峰填谷的目標(biāo)。目前自動(dòng)需求響應(yīng)的相關(guān)研究主要集中在調(diào)度機(jī)制以及定價(jià)策略方面，樓宇負(fù)荷具有動(dòng)態(tài)非線性和強(qiáng)耦合特征，但在不影響居民正常生活的條件下負(fù)荷調(diào)度受到了限制，因而目前的自動(dòng)需求響應(yīng)模式涉及到的控制方法和調(diào)度方式無(wú)法直接應(yīng)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(fù)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)需求響應(yīng)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(fù)荷特征，建立ADR負(fù)荷調(diào)度與居民負(fù)荷間的關(guān)聯(lián)，在保證用戶舒適度約束前提下，可達(dá)到用電經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)與供電穩(wěn)定目標(biāo)的樓宇負(fù)荷調(diào)度方法，減小用電成本并提高風(fēng)、光可再生能源的發(fā)電功率和轉(zhuǎn)換效率，促進(jìn)智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和可再生能源消納。論文具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.軟磁材料開關(guān)磁阻風(fēng)電直流微源建模和能效優(yōu)化。研究了軟磁材料開關(guān)磁阻風(fēng)電直

4、流微源的工作機(jī)理，建立其數(shù)學(xué)模型，分析了相關(guān)損耗產(chǎn)生的原因及其對(duì)效率的影響程度；提出了低風(fēng)速段電流軟斬波控制和高風(fēng)速段角度位置控制的功率變換器聯(lián)控方法，進(jìn)行開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)本體能效的優(yōu)化；采用非線性分段動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制方法，最終實(shí)現(xiàn)微源的能效優(yōu)化?？刂品椒òǎ?)依據(jù)風(fēng)輪功率捕獲機(jī)理，得到最大風(fēng)能特征，研究變擾動(dòng)步長(zhǎng)爬山搜索法，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速內(nèi)動(dòng)態(tài)非線性最大風(fēng)能追蹤自適應(yīng)控制。2)提出低風(fēng)速段全區(qū)升壓勵(lì)磁模式，實(shí)施短時(shí)段恒壓勵(lì)磁和長(zhǎng)時(shí)段

5、風(fēng)速自適應(yīng)變壓勵(lì)磁，維持高運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)和大勵(lì)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(luò)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁升壓，提高超低風(fēng)速段勵(lì)磁電流變化率；突出其切入風(fēng)速低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)勢(shì)，加大總發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化。
　　2.禁帶寬度太陽(yáng)能光伏直流微源建模和能效優(yōu)化。針對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池建模需提供開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓和電流等眾多參數(shù)的弊端，省去隨光照強(qiáng)度和污斑陰影變化需進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改的繁瑣，研發(fā)一種禁帶寬度的太陽(yáng)能電池通用模型

6、，無(wú)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(duì)太陽(yáng)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(dǎo)致總輸出功率降低的原因；采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)電導(dǎo)增量觀察法的MPPT獨(dú)立控制，使光照強(qiáng)度、污斑和陰影動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下每個(gè)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(duì)多電池的光伏陣列輸出功率可能穩(wěn)定在一個(gè)局部最優(yōu)的缺陷，在可能追蹤局部功率極值點(diǎn)

7、時(shí)，啟動(dòng)粒子群算法，使光伏陣列的工作電壓出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)所在鄰域內(nèi)，通過變擾動(dòng)步長(zhǎng)增量電導(dǎo)觀測(cè)法快速穩(wěn)定地跟蹤最大功率點(diǎn)，進(jìn)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(jí)控制與能源管理。設(shè)計(jì)新型單電感多輸入直流變換器(MIDDC)拓?fù)?，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個(gè)單輸入變換器，允許多個(gè)分布式可再生能源單獨(dú)或同時(shí)給樓宇負(fù)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(guān)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(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)MIDDC各個(gè)開關(guān)管的零電壓開通/關(guān)斷，降低開關(guān)損耗；提出基于直流母線電壓變化量的6級(jí)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(dòng)下穩(wěn)定運(yùn)行，提高可靠性，在一定程度上降低成本，實(shí)現(xiàn)分布式能源和樓宇負(fù)荷的“即插即用”。
　　4.樓宇直流微網(wǎng)可再生能源消納和ADR負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度。針對(duì)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(jià)格需求響應(yīng)基礎(chǔ)上的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度:綜合可中斷設(shè)備、可轉(zhuǎn)移設(shè)備、

9、發(fā)電設(shè)備、充電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備等不同類型負(fù)荷用電規(guī)律，以用戶不滿意度、用戶日電費(fèi)、用電功率峰谷差最小，使用風(fēng)、光能源最多，進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化?；诜肿觿?dòng)理論建立用電設(shè)備日調(diào)度編碼和樓宇負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型，將非線性約束條件進(jìn)行線性化轉(zhuǎn)換；通過加入懲罰項(xiàng)保證優(yōu)化結(jié)果，改進(jìn)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(dòng)理論優(yōu)化模型，進(jìn)行多種用戶實(shí)例求解，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(fù)荷調(diào)峰效果，提高可