面向楼宇直流微网ADR能源管理与能效优化研究

摘要

能源危机日益严重，可再生能源亟待开发利用，风、光等能源的波动性和突变性引起的低转换率是急需解决的问题。电力供需平衡是电力系统运行调度的核心议题，风电、光伏等清洁低碳可再生能源发电的快速增长给传统的电力系统运行调度和控制模式带来的严峻挑战是必须面对的。国际上有学者提出基于自动需求响应（ADR）促进电力平衡的概念，通过构建楼宇直流微网，就地消纳可再生能源，减小风、光等可再生能源对交流主网的渗透率受限的压力，缓解当前新能源富裕地区的弃风弃光现象。在自动需求响应模式下，电力用户可根据电网的价格机制和电网供配电规定，依据不同时段主动调整用电负荷分配，实现在电网规则指导下，达到电网供需平衡和移峰填谷的目标。目前自动需求响应的相关研究主要集中在调度机制以及定价策略方面，楼宇负荷具有动态非线性和强耦合特征，但在不影响居民正常生活的条件下负荷调度受到了限制，因而目前的自动需求响应模式涉及到的控制方法和调度方式无法直接应用到楼宇直流微网中。
　　本论文将楼宇直流微网的各种负荷纳入电力系统调度体系，并在电力能源供需平衡中实现自动需求响应及能源高效管理。研究的思路是基于用电间歇与连续共存的负荷特征，建立ADR负荷调度与居民负荷间的关联，在保证用户舒适度约束前提下，可达到用电经济性目标与供电稳定目标的楼宇负荷调度方法，减小用电成本并提高风、光可再生能源的发电功率和转换效率，促进智能电网稳定运行和可再生能源消纳。论文具体研究内容包括：
　　1.软磁材料开关磁阻风电直流微源建模和能效优化。研究了软磁材料开关磁阻风电直流微源的工作机理，建立其数学模型，分析了相关损耗产生的原因及其对效率的影响程度；提出了低风速段电流软斩波控制和高风速段角度位置控制的功率变换器联控方法，进行开关磁阻风力发电机本体能效的优化；采用非线性分段动态自适应控制方法，最终实现微源的能效优化。控制方法包括：1)依据风轮功率捕获机理，得到最大风能特征，研究变扰动步长爬山搜索法，实现额定风速内动态非线性最大风能追踪自适应控制。2)提出低风速段全区升压励磁模式，实施短时段恒压励磁和长时段风速自适应变压励磁，维持高运动反电动势和大励磁相电流，增加发电功率。3)在功率变换器中引入Z源网络，实现励磁升压，提高超低风速段励磁电流变化率；突出其切入风速低、启动转矩小的优势，加大总发电功率，实现能效优化。
　　2.禁带宽度太阳能光伏直流微源建模和能效优化。针对传统太阳能电池建模需提供开路电压、短路电流、最大功率点电压和电流等众多参数的弊端，省去随光照强度和污斑阴影变化需进行动态修改的繁琐，研发一种禁带宽度的太阳能电池通用模型，无需频繁修改参数，便可适合不同材料和变化环境的条件。具体包括：1)分析不同环境对太阳能电池输出电压和输出功率的影响，以及传统最大功率跟踪( MPPT)控制中“木桶原则”导致总输出功率降低的原因；采用变步长扰动电导增量观察法的MPPT独立控制，使光照强度、污斑和阴影动态变化环境下每个电池都能输出最大功率，使通过串/并联方式组成的光伏阵列总输出功率最大。2)针对多电池的光伏阵列输出功率可能稳定在一个局部最优的缺陷，在可能追踪局部功率极值点时，启动粒子群算法，使光伏阵列的工作电压出现在最大功率点所在邻域内，通过变扰动步长增量电导观测法快速稳定地跟踪最大功率点，进一步提高光电转换效率。
　　3.楼宇直流微网母线电压分级控制与能源管理。设计新型单电感多输入直流变换器(MIDDC)拓扑，代替传统的多个单输入变换器，允许多个分布式可再生能源单独或同时给楼宇负荷供电；分析MIDDC连续模式和断续模式下的电压、电流和功率关系，根据伏秒平衡原理，合理选择谐振电感和嵌位电容，研究有源嵌位软开关技术，实现MIDDC各个开关管的零电压开通/关断，降低开关损耗；提出基于直流母线电压变化量的6级协调控制策略，确保在联网模式和孤岛模式及扰动下稳定运行，提高可靠性，在一定程度上降低成本，实现分布式能源和楼宇负荷的“即插即用”。
　　4.楼宇直流微网可再生能源消纳和ADR负荷优化调度。针对智能楼宇电力调度存在的高度非线性、多约束、高维度特征，研究楼宇直流微网在价格需求响应基础上的负荷优化调度:综合可中断设备、可转移设备、发电设备、充电设备、储能设备等不同类型负荷用电规律，以用户不满意度、用户日电费、用电功率峰谷差最小，使用风、光能源最多，进行多目标综合优化。基于分子动理论建立用电设备日调度编码和楼宇负荷优化调度模型，将非线性约束条件进行线性化转换；通过加入惩罚项保证优化结果，改进并构建楼宇直流微网ADR问题的双重结构编码分子动理论优化模型，进行多种用户实例求解，实现动态全局最优化，比较其他全局优化算法，该结果具有较好的用电成本节省和负荷调峰效果，提高可再生能源消纳比例。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3楼宇直流微网构造与能效优化方法

1.4论文的结构安排

第2章 软磁材料SRG风电直流微源建模与能效优化

2.1 引言

2.2工作原理与数学建模

2.3 SRG本体能效优化

2.4 分段非线性SRG风电微源能效优化控制

2.5 实验验证

2.6本章小结

第3章 禁带宽度光伏直流微源建模与能效优化

3.1 引言

3.2工作原理与数学模型

3.3 光伏直流微源建模与能效优化

3.4 改进PSO分步MPPT微源能效优化

3.5 实验验证

3.6 本章小结

第4章 楼宇直流微网母线电压分级控制与能源管理

4.1引言

4.2新型多输入直流变换器拓扑优化

4.3母线电压分级控制和能量管理

4.4实验验证

4.5本章小结

第5章 楼宇直流微网ADR问题与负荷调度优化

5.1 引言

5.2楼宇负荷建模及ADR问题求解

5.3 改进分子动理论优化算法及楼宇负荷调度优化

5.4实验验证

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读博士学位期间完成的主要工作