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混合发电能量管理系统
1. 摘要
风能与太阳能电池的发电一起作用时，组成的发电系统也叫作风和光的互补系统，但是风能、太阳能都有共同的缺点，比如能量的密度比较低、稳定性不好、受天气影响、有季节性强弱变化、太阳能有白天与黑夜的差别等。但是利用太阳能与风能一起供电，其供电的可靠性程度大大的降低。
风能、太阳能它们之间能够形成互补，比如白天太阳光照的强度大，但是夜晚风多，夏天日照比较好、风力则比较弱；冬天与春天的风比较大但是它们的阳光相对其他时候来说比较弱。研发风力和太阳能之间能够互补的发电系统，通过把风能与太阳能的技术联合起来利用，才能够形成相对之间互补的可以分散开来布点的新能源，这将会是本世纪能源结构当中一个新的增长点。所以在条件允许的情况下通过搭配适当容量的蓄电池或者接入市电作为备用电源，能够将运行费的成本大大的降低、供电的依靠性大幅度的提高。
当下国内主要对独立的风力发电、光伏发电、风与光互补发电控制系统的研究比较多。设计风与光发电的系统当中，我们广泛采用的设计思路是由负载每天的总耗电量来设计形成的。我们将当地气象数据得到的日辐射量的结果来确定太阳能电池阵列、风力发电机的容量，可以进一步来确定可再生能源发电控制装置的功率大小和蓄电池容量，不过我们在混合发电系统的运行控制方面、优化管理方法方面的研究还是比较缺少的。
因为风电机组、太阳能电池阵列的输出功率和负荷功率受到外界因素的影响会比较大，所以对控制与优化发电系统的能量管理方面的要求会比较高。所以本论文对系统运行的特点设计了一套能量管理的系统以此来提高系统的运行效率和可靠性。
关键词：风能；太阳能；发电系统；控制
2. 系统的组成
本文是以分散式风力与太阳能混合发电系统为研究背景， 系统包含以下部分：
风力发电机及其控制器：是15KW /台最大出风力的微风机，风力机发电控制器使风力机始终处于最大功率输出的状态。
太阳能电池及其发电控制器：共5组，太阳能电池每组峰值瓦3 k W，太阳能发电控制器使太阳能电池阵列处于最大工作率输出状态。
数据采集系统:(数据采集系统，简称DAS）其适用于电压，负载功率收集检查太阳能电池输出功率，风力机输出功率，系统直流部分，并将相关信息传递给收集的系统，提供能量并且管理系统来进行分析处理。
能量管理系统：根据数据提供的系统单元运动参数的每个功能，来对系统和控制执行有效的管理。
缓冲电容：实现系统直流部分电压的平稳。
负载和反转：新的能量中心负载分类，一种负载是能量中心工作和实验中必须保证的负载; 另一种负载则是能量中心辅助设施等的电能所需求得负载，这是一种当可再生能源输出电能具有不必要的能量时，才能投入的负载。 系统负载和直接组件连接，直流侧通过PWM反相实现变压为电压恒定，形成分布良好的交流电能，并且提供负载。
城市给或触电控制器：当什么时候可再生能源提供的电能满足系统需求的负荷时，则会给予或得到城市的电能来补充; 即把城市给予或获得电能当做行动备用电源，并且通过组合网络控制器控制城市用电的来奉献和切除。
在风力发电中，太阳能和负荷构成发电系统中的电力，由于风速，日照强度等各种气候条件的变化的影响，所以风电机组，太阳能电池阵列输出和负载功率都具有相对较宽的波动范围，因此我们对能量管理系统的管理提出了非常高的要求。
本文从正在建设华南技术大学新能源中心分散器式风力发电太阳能组合发电系统来说，设计了一套能源的管理系统，根据系统发电，负荷使用电力条件，管理系统的供电模式会灵活的调整各部分供电量比例。能量管理系统大于可再生能源时的负载需求时，将会切断太阳能部分和风电机; 而当可再生能源不能满足基本负荷的需求时，我们在充分利用可再生能源前提下，当部分不足时可以由城市的电能来进行补充，系统最大负荷为750 kW。
在电源系统中，系统发电和负载有功功率的平衡，是系统安全稳定运动的基本条件。 由于系统负载是由反相后的Divulgate提供的，所以直流电压的稳定将会直接影响系统向负载提供电能的质量，这里采用系统直流电压的方式来达到控制系统的数量的目的，并取其工作区得电压范围为192 V - 240V，直接元件额定电压的选择216 V。 为了不使系统的结构太复杂，我们在这里处理的时候没有考虑到蓄电池。
,,,和分别为系统的直流母线电压、风力机可输出的最大功率、系统在太阳能电池阵列的直流系统中的一个类型负载电源和两个负载需要的功率。
和分别为系统的风力机输出利用系数和太阳能电池阵列输出系统风力机的利用率，即为风力机启用的台数与风力机总数之比,对于为太阳能阵列使用的数量和太阳能阵列集合总量。取、［0,0.2,0.4,0.6,0.8,1］，则5和5 表示风力发电机正在使用的设定数量和太阳能电池阵列分别使用的数量；
和，分别为市电开关控制变量和二类负载的提供率，本文定义、为开关函数，取值“０”或“1”；当＝１表示带刺铁丝网连接到混合物中发电时，＝0表示带电有刺网线从混合物发电系统切断； ＝１意味着两个负载连接到混合物中以产生电力系统的奉献工作，＝０味着两个负载产生电力从混合物中切除系统。
针对系统运动的特点，拟定以下设计规则：
（1）规则一
微风的电力工程的能力构成了与系统发电相结合的能力是越来越大的，因此选择以微风电气工程的电源为主要能源，太阳能电池阵是能量微调的部分。
（2）规则二
根据系统的工作特性，取直流侧端电压期望值为216Ｖ，当可再生能源可输出最大工作功率大于负载请求时，可再生能源可以不向电网传输电能 。
（3）规则三
当直流发电机的电压低于192V时，可以通过并入控制器接通电网，由城市电力补充负载需要较短的部分电能，以及本文介绍的合并控制器 后面使直流发电机电压保持192V，即
＝１
当吸引gt; 200 V时，闭合合并控制器，然后即
＝０
（4）规则四
二类负载几： 为辅助设施所需的电力中的混合物产生电力的系统，可再生能源输出电功率何时包含过剩的能量，即可投入的负载。
在两种负载的工作状态下，其负载功率检查没有那么困难，为了避免两种负载频繁抛掷; 本文根据系统的负载处置情况，假设二类负载最大功率为，当
＞
把二类负载投入运行，即
＝1
（5）规则五
为了增强系统直流分量电压，当吸引lt;204 V时，稳定性从系统中提取两种负载，即 ＝0
当＞２３０Ｖ时，把二类负载投入自动运行，即
＝1
＞２４０Ｖ时，将自动切除所有可再生能源电力设施对直流发电机进行供电，即
===0，＝1
细微系统的输入多输出，考虑系统的变化复杂特性，本系统在智能控制中使用模糊控制技术（Fuzzy Control，简称FC）来实现对系统的管理和控制; 研究设计了一种基于分级模糊控制（Hierarchical Fuzzy Control，简称HFC）算法的能量管理系统管理系统。
3. 模糊控制
模糊控制概念的模糊集是由加利福尼亚州美国大学着名的LA Z adeh教授在其模糊集，模糊算法和模糊控制的理由等著名中首先提出一种是完全不同于传统的数学和控制理论智能理论。它的产生不仅发展了广泛的古典数学基础，而且导致人类在计算机科学模拟人类思想方面发展上取得了的重大突破。
模糊集合通过聚集出人的判断、思维过程用简单的语言和数学形式表达出来。 使复杂的系统有能力来按照人类的方式来进行操作和处理的，为=模糊控制器的形成奠定基础，并使国际社会学者和工程技术人员的广泛价值和应用。
模糊控制通过模糊集与逻辑推理方法的人的经验形式化，模拟，转化控制模型和计算机可以接受的语言，让计算机更换人进行有效的实时控制。
（1）模糊化接口
模糊控制器的输入通常是已经确定的量，因此必须要模糊化后，才能变为控制器所认识的语言或变量才能被控制器使用，模糊化接口是将确定的输入量转化为模糊量，它也是模糊控制器的输入接口。
（2）知识库
知识库描述形式主要有两种：数据库和规则库。
数据库是存放所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度关系的矢量值；如果论域为连续域，数据库则为相应的隶属函数。
规则库是基于专家知识和有丰富经验的操作人员根据长期积累的经验，用过按照人类的直觉来推理的一种语言表示形式。最常用的为if－then，else, also, or等，如2维模糊推理规则可表示为
Ｒ：if（偏差is a；差变化率is b；） then（控制量is c；）
规则库就是用来存放全部模糊控制规则，在推理时为 “推理机”提供推理的依据。
（3）推理和解模糊接口
推理时，控制器推理机根据输入的模糊量，经过模糊控制规则来求解模糊关系方程，将会获取模糊控制器的模糊控制量。
由推理机获得的控制量是一个模糊矢量，将不能直接被用来控制被控对象，还必须转换成确定的控制量，我们把这一过程称为解模糊或模糊量的清晰化。所以我们通常把推理和输出端具有把模糊量转化为清晰值的过程称为解模糊。
- ＥＭＳ的设计
为了提高可再生能源的利用效率，在风能和太阳能可满足负载要求的条件下，负载则由风能和太阳能提供要求的能量; 所以在风能和太阳能不能满足负载要求的情况下，可以利用井可再生能源的基础，将负载由风能，太阳能和带电的铁丝网一起提供需要的能量。
系统直流发电机的电压变化直接影响系统为负载提供电能质量和可靠性，因此稳定的直流电压是系统运行可靠性和性能的重要目标。 系统的数学模型为：
其中—母线直流电压，—风电装备输出电流，—太阳能发电以配备输出电流，，—系统输送到负载得电流，—带电的带刺铁丝网传输给予或得到电击直流部分得到电流，C电流的电容。
通常因为再生能源电力设施投资较大，所以为了充分显示其发电效率，降低系统成本回收循环，电力设施使用最大工作率输出作为控制目标。 假设每个风力发电机和每组太阳能电池阵列工作在峰值功率输出条件下，风力发电和太阳能发电装置输出总功率分别为和，系统对其利用率分别和，则（２－３）式可改写为
系统输入值较大，鉴于风力发电太阳能混合发电系统的特点，采用分级模糊控制在这里我们进行系统的控制进行控制，设计四级分级模糊控制器 实现混合发电系统进行能源管理和控制。
系统的负担是直接由直流电源提供，搜易通过逆向改变机器输出，直流电压的稳定性是直接影响系统输出交流电功率量，稳定性和可靠性的关键因素。所以选择直流的一部分实际直流电压和直流电压变化量，因此作为系统的第一级输入，输出为直流电压等效值为。
是一种全面的直流电压和测量直流电压变化量， 得出未来的状态。它实际上反映了系统在电流直流电压的基础上，你如果还不改变控制量的话，那么下一次采样时间直流侧电压的估计值将会为，因为在下一个通过采样周期到来之前， 输出控制系统数量，是理性逻辑上由于个人事故的微弱变化，因此在这里定义的为系统直流部分电压的等效值。
第二级是基于第一级输出的直流电压等效值的和负荷的作为该级模糊控制器的输入量，输出的取值为负载相对系统能量负载强度：
是一种综合负荷和负载直流电压等效值得出的一个三次参变量。当大于期望值时，系统负荷所需的能量除了来自可再生能源的提供以外，另外还有一部分需要由直流储能元件电容，然后才能降低直流侧电压，使直流侧电压向期望值方向变化，那么负荷需由可再生能源提供能量将会被逐渐减弱；当小于期望值时，可再生能源会除了向系统负荷提供能量外，仍然希望向直流储能元件电容补偿电能，以此来提高直流侧电能电压，从可再生能源角度来看，所需提供能量将会在负载的基础上被加强：因而在这里将定义输出为负载相对系统能量的负载强度。
X额定输出最大功率以影响次大的风能输出的最大功率为和负载相对系统的能量强度为作为第三级模糊控制器的输入，输出为风能的利用率为，通过输出提供给微风电工程控制器，来达到控制设定为微风电气工程开放数目，其中之一为
太阳能的输入和风速机提供的系统相对能量负荷的强度短缺部分为＝75一作为第四级模糊控制器的输入，所以取输出量为太阳能发电的利用率 即为：
第四级控制器的输出量和第三级控制器的输出量作用到发电控制装置以此来给负载供电。而当和，
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