（机械电子工程专业论文）典型海岛多能互补发电站负载分配技术的研究.pdf

典型海岛多能互补发电站负载分配：技术的矽f 究 捅斐 风能和潮流能是大自然中可再生能源里重要的组成部分。在现代社会利用自然资 源发电对于改善能源结构、推动生态环境建设和解决边远地区用电问题都具有十分重 要的意义。 本文引入能量管理集成控制思想，主要探讨和研究多能互补发电站的能量管理负 载分配控制策略，以期达到独立运行发电系统的管理优化和运行可靠的目的。根据独 立运行海岛上电力系统的特点，首先分析了发电系统的结构组成，系统包括小型的风 力机和潮流能机、永磁同步发电机、整流器、直流变换电路、蓄电池、逆变器和海水 淡化、垃圾处理及海岛居民生活用电三种负载。在此基础上建立了基于负载分配和负 载跟踪两个模糊控制器的能量管理系统，利用直流斩波电路变换特性和母线接触器的 开关控制，对海岛上多台发电装置和多种用电负载进行能源管理和分配，达到电力资 源自动化调度和资源高效利用的目的。 本文对系统关键装置及升压电路的特性进行了分析，内容包括风力机功率输出特 性、b o o s t 变换电路特性、变换电路在能量管理中的功能以及蓄电池剩余容量计算， 为负载分配的设计提供了理论依据和技术支持。为提高资源转换效率、最大限度利用 电力资源和尽量减少储能装置的使用次数，本文对风机变速恒频下最大功率跟踪进行 了探讨研究，并确定了海岛居民生活负载优先考虑、蓄电池储存系统多余电能的能源 管理规则。 根据独立运行电力系统的风水资源和居民生活用电意愿具有较大随机性、居民生 活用电优先保证以及负载分配具有非线性不易建立模型的特点，本文拟在模糊理论的 基础上建立负载分配控制器，将人工能源管理经验融入到模糊控制器中。即通过对当 前风水速的采集，获得当前状态下所能发出的最大电力能源，结合蓄电池实时s o c 状 态，来进行当前最佳负载投切方案的分配实施以及发电装置的功率控制、蓄电池的充 放状态控制。由于系统融合实际管理经验，利用模糊算法进行分配，系统具有较高的 鲁棒性，能很好地降低干扰和参数变化带来的影响，系统的适应能力较强，具有较高 的智能水平。 为验证模糊控制策略，建立了基于s i m u l i n k s i m p o w e ：r s y s t e m 的模型和f u z z yl o g i c c o n t r o l e r ，并给出了相应的仿真结果。其结果表明，在不同的资源情况下，能够及时 制定出负载分配状态，且通过负载跟踪能够保证电力系统的供需功率处于平衡状态。 在此过程中，实现了资源的最大跟踪和电能的最大利用，达到了借助储能装置保障居 哈尔滨一 程大学硕士学位论文 民生活对电能的持续需求的目的，从而验证了能量管理模糊控制方案的正确性和可行 性，并在仿真中对模糊数据库和规则库进行了一定的训练和优化。 最后，本文针对大型复杂的电力系统的能量管理进行了新的理论研究。将多a g e n t 技术引用到发电站能源管理系统中，将各个发电装置、储能装置和用电设备管理分成 相应若干个a g e n t ，通过设计适当的策略使之既能自主运行达到自身愿望，又能通过 交互与彼此的协作来实现直流母线端电压稳定的系统共同目标。这为m a s 分布式问 题求解及智能控制理论的扩展应用提供了应用基础，具有一定的创新意义。 关键词：多能互补发电；模糊控制；负载分配；能量管理；最大功率跟踪 a b s t r a c t 4 i h ee n e r g yo fw i n da n dt i d a lc u r r e n ta r et h e m 1 3 s t ：i m p o r t a n tp a r to ft h er e n e w a b l e e n e r g y ，a n dn o w a d a y se n e r g yu s i n gi sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v ee n e r g ys t r u c t u r e ，p r o m o t e t h ed e v 引o p m e n to fe c o l o g ya n d e n v i r o n m e n ta sw e l lt os o l v et h ee l e c t r i c i t yp r o b l e mi nt h e r e m o t er e g i o n s p o w e rm a n a g e m e n ti n t e g r a t i o nc o n t r o lc o n c e p t h a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i s p a p e r ， e n e r g ym a n a g e m e n ta n dl o a dd is t r i b u t i o no fc o m p l e m e n t a r yp o w e rs t a t i o nh a sb e e n r e s e a r c h e di no r d e rt or e a l i z et h es y s t e m - o p t i m a lm a n a g e m e n ta n dr e l i a b l ep e r f - o 硼a n c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p i c a li s l a n di n d e p e n d e n to p e r a t i n gp o w e rs y s t e m ， t h es y s t e mi sc o n s i s to fs m a l lw i n dt u r b i n ea n dt r e n dp o w e r m a c h i n e ，p e n n a n e n tm a g n e t s s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，r e c t i f i e r ，d cc o n v e r t e r ，b a t t e r y ，i n v r e r t e ra n ds e a w a t e rd e s a l i n a t i o n g a r b a g ed i s p o s a la l o n ga sw e l la sd o m e s t i cl o a d t h ep u r p o s ei sa u t o m a t i o na n d e f f i c i e n c v o f p o w e rs o u r c em a n a g e m e n tb yd e s i g n i n gf u z z yc o n t r o ls y s ：t e m f 1 r s t ，i nt h ep a p e rt h ek e yd e v i c ea n dc o n t r o lc i r c u i ti sa n a l y z e df o rt e c h n i c a ls u p p o r t o nt h el o a dd i s t r i b u t i o n i n a d d i t i o n ，t h et e c h n i q u eo fn l a x i m u mp o w e rp o i n ta n dt h e t r a c k i n gt ol o a dr e q u i r e di sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h er a n d o m n e s so ft h er e n e w a b l ei 】a r m 。er e s o u r c ea n dp o w e rd e m a n d c o n s c l o u s n e s se v e nm o r et h en o n l i n e a r i t yo fl o a dd i s t r i b u t i n g ，t h et h e o r yo f f u z z yc o n t r o li s a d o p t e dt od e s i g nt h em a n a g e m e n ta n dl o a dd i s t r i b u t i o n s o l u t i o n s t h r o u g ht h ew i n d ，sa 1 1 d t i d a lc u r r e n ts p e e d s c o l l e c t i o n ，t h em a xe l e c t r i ce n e r g yo nt h ec u r r e n ts t a t ec o u l db e e s t i m a t e d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h eb a t t e r ys t a t e ，t h ec o r r e ，c tm a d t i m e l yd e c i s i o nw i l lb em a d e b yt h ec o n t r o l l e r b e c a u s eo ft h ef u z z ya l g o r i t h m i ca p p r o a c h ，t h es y s t e mh a sh i g h r o b u s t n e s s ， a n dc o u l db ev e r yw e l lt or e d u c et h e e f f e c tb yi n t e r f e r e n 【c eo rp a r a m e t e r sc h a f l g e t h e a d a p t a b i l i t yi sa l s oe n h a n c e ds oa st ot h ec o n t r o l l e rh a ss o m el e v e lo f i n t e l l i g e n c e i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o n t r o ls t r a t e g y ，t h es y s t e mm o d e l sa n df l c a r ee s t a b l i s h e do n t h em a t l a ba n ds i m p o w e r s y s t e m s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa 】? eg i v e ni nt h i sp a p e r ，t h e r e s u l t i sr e a s o n a b l e ，w h i c hs h o w st h a tt h ec o n t r o l l e r sa c h i e v et h er e q u i r e m e n ta n dp u r p o s e o ft h e s y s t e m f i n a l l y ，an e wt h e o r yr e s e a r c h ，m a st e c h n o l o g y ，i sr a i s e d a l lp o w e r g e n e r a t i o na n d l o a di sd i v i d e di n t os e v e r a l a g e n t s ，w h i c hc a na c h i e l , r et h e i ro w nw i s h e st h r o u g ht h e ；i i i i i i i i i i 尘垒堑望垒皇篁垒圣兰兰垡兰圣二i i i i 一一i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 。 a u t 。n 。m 、，a n da l s 。c a nr e a l i z et h es y s t e m 。b j e c t i v eb yt h e i ri n t e r a c t i 。n a n dc o o p e r a t i o n t h i sk i n ( 【p r o b l e ms 。l v i n gb r i n g san e wp r a c t i c ea p p l i c a t i o n ，a n dh a s c e r t a i ni n n o v a t i v a l u e k e yw o r d s ：c o m p l e m e n t a r yp o w e rg e n e r a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；l o a d d i s t r i b u t i o n ；e n e r g y m a n a g e m e n t ；m p p t 第l 蕈绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 赢i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题的目的及意义 地球上的能量来源于太阳，在经历了上亿年的能量转换后形成了现在我们所见的能 量表现形式。在任何历史时期，利用现有能源都是地球文明生存的最基本要素，到人类 所处的现代社会能源更是成为国家国民经济和社会文明发展的重要物质基础，其利用方 式和转换效率已成为社会文明发展水平的标志。目前世界上有超过7 5 的能量来自石油、 煤碳和天然气等矿物燃料，这种供应人类常规能源所需的燃料是地球经过上百万年的生 态系统转换所留下的能量储备，这些能量形式转换周期非常长，其储量对能源高速开发 利用的现代社会来说是非常有限的。而且这些矿石燃料的燃烧给人类赖以生存的环境和 生态平衡带来了灾难性的破坏和影响。目前社会形势下，随着全国工业化的飞速发展， 在对矿物能源需求愈来愈大，如果不采取积极措施寻找其他能量转换方式和开发新能源 利用策略，能源问题将严重威胁到人类社会的生存和发展。当前，出于对一次性矿物石 化燃料能源储量的日渐匮乏以及低碳、环保概念的逐步深化，目前世界各国都把开发新 型的可再生能源以改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境作为一种重要战略措施 纳入国家发展计划【1j 。 风能、太阳能、海洋能等可再生能源储量巨大、分布广泛、开发利用无污染。如何 利用这些资源转变成现代信息社会普遍所需的电能受到各国普遍重视。一些海岛和偏僻 地区由于地理特点，离主电网较远或电网难于架设，加之其能量转换技术欠缺，居民生 活水平落后，难于进行工业生产，而海岛自然资源时常较为丰富，因此开发利用海岛可 再生资源一举多得。然风水太阳能这些自然资源对气候非常敏感，其能量密度小，随机 性较强，难以作为稳定的能源输出或者要付出相当大的代价才能实现。因此本文将从自 然能源和现代社会赖以生存的电能转换方式即发电技术来重点研究如何提高系统利用 效率及系统稳定运行控制的问题。在使用多台风机和潮流能联合互补发电系统的结构基 础上，利用模糊控制技术对负载分配进行了策略研究，引用多a g e n t 技术搭建系统平台， 并对系统运行控制进行了分析探讨，在m a t l a b s i m u l i n k 平台上进行了模拟仿真。其能 量管理系统结构的优化及负载分配策略的正确合理性都是亟待验证的关键问题。 合理的能量管理控制技术不仅能够增加发电系统的安全稳定性、保证系统发电出力 的经济性，而且还能提高电能质量，保护发电设备，延长蓄电池储能设备的寿命，进而使 得利用可再生资源发电成为一种稳定可靠的能源转换方式。因此实用性集成分散式互 补发电系统的研制及能量管理系统的研究，不仅符合我国的新能源发展政策，而且还为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 偏远海岛地区实现小型化，分散控制，高效利用，环保电能的自给供应提供了一条有效 的途径和管理方法。 本舌文将从新的角度研究一种海岛多能互补发电站的能量管理系统，旨在最大限度 利用可再生自然资源，合理分配海岛上多重负载，开展新型可再生能源的研究和探讨， 这既可解决能源危机及污染问题，又能丰富拓展自然资源互补发电站理论技术的相关应 用，具聿手重要的科学意义和创新意义。 1 2 互补发电站能量管理系统的国内外研究概况 近年来，随着社会经济的快速发展，以可再生能源为主的发电技术得到了越来越多 的应用，有的地区甚至已成为电力供应系统不可或缺的补充。与大电网系统结合和地区 独立发f 王运行称为新世纪电力工业和能源产业的两个重要发展方向。在偏远地域和海岛 地区，独立离网式发电由于较高层次地利用自然资源的特点，来进行最大限度利用资源 和互补j 乏电，正逐渐成为该地区能量转换的重要方式，为当地居民和工业生产提供了能 源支持。这为大规模多能互补、分布式发电站的管理提供了实践依据和探索意义。作为 新兴可持续发展能源，风能和潮流能具有取之不尽、用之不竭的优势。但是风能和潮流 能两者都具有能量密度低，受季节、气候和地理位置等因素影响的特点，具有不稳定性。 通过观察发现两者变化趋势不同，我们可以扬长避短，因地制宜，互补利用，发挥出各 自最大的作用，采用风- - z 日- 妃匕、太阳能和潮流能的互补发电是解决自然资源不稳定问题的一 个很好的措施，两种方式及多种方式组合发电，在时间上和地理上实现能：量之问的相互 补充，：i i 仅可以提供稳定的电能输出，还能使系统对蓄能系统的容量要求大为减! 少。 1 2 1 ：g - * l 发电站能量管理系统国外研究概况 从世界来看，欧洲的大型风力发电设备主宰这世界市场。据欧洲风力! 工业协会和美 国风力： 业协会发表的一项统计成果显示，欧洲十五国的风电产量占全世：界总风力发电 量的四：子之三，在2 0 1 0 年全世界总的风力发电总量达到1 0 万兆瓦。 目前国外对互补发电站的研究主要集中在电力系统体系结构的优化设计、底层设备 的控制以及提高系统的供电稳定性技术上。在加拿大，r o yb i l l i n t o n 和r a j e s hk a r k i y 研 究了小型风力和太阳能发电系统的可靠性和成本计算及混合发电的扩容问题，并指出根 据负载：阳资源资源条件合理配置发电系统是提高可靠性和减少系统成本的重要途径e ： 西班牙乙a r a g o z a 大学学者r o d o l f od u f ol o p e z 等人用c + + 语言开打了一套用于互补发电 系统的基于遗传算法的优化系统，并对位于所在城市的光柴互补发电系统：进行了设计和 优化；澳大利亚m e l b o u r n e 大学学者b d s h a k y a 等人设计了一种压缩氢气储能的风光 第1 覃绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i 互补发电系统，并分析了系统的技术可行性 3 】；美国m o n t a n a 大学d b n e l s o n 等人开发 了用于配置互补发电系统单机容量和数量的计算机程序，对比分析了采用燃料电池和氢 气储能的发电系统和采用蓄电池储能的发电系统【4 】。 1 2 2 互补发电站能量管理的国内研究现状 在我国从事独立能源发电的研究比较多，主要集中在内蒙古，青藏高原地区，从事 互补发电技术的研究很少。在1 9 9 8 到和2 0 0 0 年，在长江源自然保护站分别安装了两套 独立运行的风光互补发电系统，以用来解决当地的生活和工作用电，这是最早利用互补 发电的实例。2 0 0 4 年南澳5 4 m w 、l o o k w p 风光互补发电站成功并入当地l o k v 电网，是我 国第一个正式投入商业化运行的互补发电站系统。 在可再生资源发电学术研究中，中科院广州能源研究所艾斌等人提出了一套利用计 算机辅助设计进行风光互补发电系统结构优化的方法。中国科学院电工研究所许洪华等 人讨论了一种互补发电系统的非线性优化方法，且采用遗传算法搜索确定系统的最优配 置方案【5 j 。合肥工业大学茹美琴等人设计了一套风光互补发电系统，根据负载、当前自 然资源、风机和光伏电池的成本与功率对系统结构进行了优化设计，节约了费用，为互 补发电站的系统优化提供了经验【6 1 。华南理工大学的张淼、王波等人提出一种基于分级 模糊算法的风光互补发电系统的能量管理控制系统，并作出了一定的研究【7 , 8 1 。总体说 来对于这方面的研究资料比较少，处于起步阶段。但是能量管理的正确性和负载分配的 合理性是推动互补发电电力系统广泛应用的核心技术，具：有非常重要的意义。尤其在国 家加大投入和给以相应的政策扶持的前提下，互补发电系统能量管理( 负载分配) 系统 的研究具有重大的研究价值和广阔的应用前景。 1 3 风力潮流能发电系统发展现状 1 3 1 独立运行小型互补发电系统 按照容量的大小可将发电机组分为：大型1 0 0 k w 以上，中型l o k w l o o k w ，小型 1 1 0 k w 和微型5 0 1 0 0 0 w 9 1 。小型发电系统因为安装方便、机动性高、控制技术相对成 熟，目前已得到广泛应用。 小型发电系统能量利用结构上通常有两种运行方式： ( 1 ) 独立运行方式 此方式又称离网运行方式，通常是用一台或多台风力发电机或潮流能发电机向一户 或一片区域提供电力，并用蓄电池储能，以保证无风时的持续用电。 ( 2 ) 互补运行方式 哈尔滨：【程大学硕士学位论文 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 风刀发电系统和潮流能发电系统，或者与其他如光伏发电系统相结合，向一个单位 或海岛供电。 独玉e 运行互补性发电系统是远离电网的边远偏僻农村、牧区、海岛和特殊地区解决 基本用f l 问题的的主要运行方式，具有以下优点【1 0 】： 机动性高，安装方便。可根据需要随时安装且安装简单，解决日常用电问题。 互补能源使用多元化，小型发电机可与多种不同的可再生能源相组合，方便稳 定可靠。 发电效率高，并且可以根据需要调节发电量。 减少对环境的冲击和污染。 在节能减排的大形势下，为新型能源的发展提供了一种途径，其利用自然资源 的互补j 乏电将成为趋势。 1 3 2 发电系统的控制技术 可再生自然资源具有能量密度小、分布广泛、随机性强的特点。根据流体动力学的 研究，风能和水能具有的较大随机性和不确定性会导致风力发电机输出电能的频率、电 压产生跟随变化，在实际运行中需要对电能进行控制和整定】。同时由于发电机和一些 电力电二产装置的复杂性和有些系统模型的控制技术仅适合于某些特定的电力系统，加上 风水发电机组通常在边远地区，海上或海岛，一般是无人值班，只能远程监控，这就对 发电机组的控制系统的匹配及可靠性提出了较高的要求。 通j 苦在风力发电系统中，电力系统要求发电机的输出频率和电网的频率保持一致。 以此为参照，目前改善和调节电能即使之输出频率恒定的方法主要有两种： ( 1 ) 恒频恒速：一般采用普通的同步发电机或异步发电机，通过补偿电容并入电网， 由于发电机输出电能的频率与电机极对数和电机转速有关，因此要使频率不变，就得保 持发电机的转速恒定。所以这种方式下就得以牺牲风能利用率的代价来保持发电机转速 不变。 ( 2 ) 变速恒频：变速恒频发电系统的发电机目前较多采用的是双馈感应发电机，在 低于额定风速时，风力机按照优化的桨距角定桨距运行，由发电机的控制系统来控制其 转速，调节风机运行的叶尖速比，实现最大风能的跟踪捕获。在额定风速以上运行时， 需由控制系统通过调节桨距角来改变风能利用系数，从而来控制风力机的转速和输出功 率，防上风机由于超出极限转速而发生事故。 当前，为了提高风机的发电效率，改善输出电能的质量，降低成本，实现稳定可靠 4 第1 苹绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 眚i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 的安全运行，风力发电的控制技术和方法正向着大容量、变转速、直驱化以及微风发电 智能化等方向发展【1 2 】。 1 3 3 电力电子技术及设备 电能是不可储存的能源，为了对由可再生能源发出的电能加以利用，必须经过适当 的控制方式将这些电能储存起来或者输送到主电网中。，在这个过程中，风力发电机和潮 流能发电机的选型和电力电子技术的选择应用就显得非常关键。 电力电子技术本质上是一种电力变换技术，它主要是利用各种功率半导体器件，对 当前电能进行实时变换，内容包括电压、电流、波形和频率等方面的变换，以使变换后 的电能能够符合或者满足各种不同的用电负载的使用要求。当前电力电子技术能够迅速 发展，不仅是电力半导体功率器件的发展的功劳，还有功率变换电路的拓扑结构技术的 应用、脉宽调制技术、信号处理技术和计算机仿真技术等方面的贡献。 现代电力电子技术开始于上世纪中期，起源于晶闸管的发明，在其之后又出现了可 关断晶闸管g t o 、v - m o s f e t 、绝缘双极性门级晶体管g t r 、以及i g b t 、i g c t 等更 为先进的功率开关器件。随着新型器件的涌现，其电气特性、可靠性和稳定性也在不断 的提高，配之各种先进的控制方法如空问矢量软控制开关技术和p w m 调制技术，电力 电能变换的效率和质量将得到更进一步的提升。 1 4 模糊逻辑控制技术发展与现状 控制论的创始人维纳教授在谈到人胜过最完善的机器人是说过：“人具有运用模糊 概念的能力 【1 3 1 。这说明了人与电脑之间的最本质的区别：人具有善于判断和处理模糊 概念的能力。“模糊”相对于“精确”，普遍存在于人类思维和语言交流中，是一种人对 概念外延的主观理解上的不确定的表现。 此外，模糊逻辑控制由于综合了专家的操作经验和知识，具有不依赖被控对象的精 确数学模型，其设计简单、易于控制和掌握、抗干扰能力强、响应动作速度快、便于应 用，且对系统参数的变化有较强的鲁棒性等特点，在上世纪后半叶已得到了广泛的研究 并开始了实际应用，尤其在经典控制理论和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的 作用。新世纪以来，模糊数学理论及模糊控制应用研究不断深入，取得了一系列成功的 应用和理论成果，在电力系统、自动控制、信号处理、模式识别、通信等领域得到了广 泛的应用。目前，模糊控制已成为智能控制的一个主要分支。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l i i r ai i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l 4 1 模糊控制技术的应用现状 由于在一般传统的控制领域里，系统动态模式的精确度是控制系统好坏的关键因 素，这勃需要系统动态的信息愈加的详细。然而对于复杂的系统，比如变量太多的系统， 往往难于正确描述系统的动态和其数学模型，这就降低了其控制精确性。起初人们在实 际应用中用各种传统方法来简化系统动态，但结果都不尽理想。在模糊理论提出后，人 们便尝试着用模糊数学理论来处理这些复杂的控制问题。 1 9 6 5 年，美国加州大学伯克利分校的计算机专家l o f t y z a d e h 提出了“模糊与模糊 逻辑 的概念，模糊的根本在于区分布尔逻辑和清晰逻辑，用来定义那些含糊不清，无 法量化或精确化的问题；模糊逻辑填补了特殊事物在取样分析方面的空白 1 4 1 。在以模糊 逻辑为基础的模糊理论里，模糊集合中特定事物具有独特的隶属度，他可以处在是” 与“非”之问。模糊控制就是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法，对一些多变量 的且非线性变化的、难于精确控制的数学模型，依据操作者的实际经验和知识积累，以 模糊集合理论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制方法。模 糊控制能够避开对象的数学模型( 如状态方程或传递函数等) ，对复杂、非线性甚至不 确定的系统进行有效的控制。它对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加 工，总垒；成相应的知识库，从中提炼出关于输入输出的控制规则，用一系列多维的模糊 条件语句构造系统的模糊语言控制模型。模糊控制器的主要特点是它是一种基于语言变 量的控制器，主要关心控制系统的输入和输出。它的控制系统体系结构如图1 1 所示。 模糊控制嚣 图1 1 模糊控制系统框图 作：勺人工智能的一种新研究领域，模糊控制吸收借鉴了传统设计方法和其他新技术 的精华，在诸多领域取得了长足的进展。自从1 9 7 4 年英国的m a m d a n i 首次将模糊逻辑 用于蒸汽机的控制后，模糊控制在工业过程控制、机器人、交通运输等方面取得了广泛 而有效晌应用，在新兴的电力电子和自动化控制系统中，有些专家在线性：功放的假设条 件下，把模糊控制应用于伺服电机控制中，在把模糊控制系统与p i d 及模型参考自适应 控制( r a c ) 进行比较后证明了模糊控制方法的优越性【l 川。另有专家开发了应用于矢量 控制感应电机传动系统的模糊自适应控制器。 6 第1 蕈绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 南i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 模糊控制作为一项正在发展的新兴技术，目前在大多数专家主要把精力放在应用系 统的研究上并取得了相当的成果，然后在理论研究和系统分析上还是相对落后的，甚至 一些学者质疑其理论依据和有效性。也可以说模糊控制和实践的结合仍有待进一步探 索，其发展前景还是十分诱人的。总结来说模糊控制在四十多年的发展中，模糊控制有 一些局限性：控制精度低，性能不高，稳定性较差；理论体系不完整；自适应能力低。 鉴于此弱点，模糊控制与一些其他新技术比如神经网络和遗传算法相结合，向更高层次 的应用发展拓展了巨大的空间。 1 4 2 模糊控制的意义 “模糊”在现实中多有体现，比如人之间的交流，对某事物的描述或概念表达。模 糊推理从一定层次上模拟了人的思维过程，是一门综合性的信息应用技术。在全球信息 化浪潮的推动下，必将在未来的时问里对经济的迅猛发展注入新的活力。有专家认为， 工业控制的下一代智能基础是模糊控制，神经网络、混：淹理论等理论为支柱的人工智能。 随着模糊控制理论研究的日益完善和深入，应用范围的日益扩大和配套软硬件的研发制 造，模糊控制将给工控领域的发展开辟光明的应用前景，这也给研究人员提出了更大的 挑战和任务。 1 4 3 模糊控制的知识库 1 模糊集合与隶属度函数 模糊语言是指带有界限不明确的词汇，比如“高”、“比较好”、“天气热”这些主观性 很强的词汇。模糊性是一种不确定性，主要是人为的主观理解上的差异。模糊集合是指 具有某个模糊概念随描述属性的对象的全体。 对普通集合来说，一个元素的对于集合的所属关系是明确的，“是”或者“不是”。而 对模糊集合来讲，一个元素不能明确的说“属于”或“不属于”，而是用它隶属该集合的程 度，一般用o 1 之间的数来表示。在模糊控制理论中用来表述元素属于某集合程度的函 数称为隶属度函数。 定义：，给定论域e ，e 到闭区间 o ，1 】的任一映射爿： 4 ：eo 0 ，1 】 e 专p 爿( p ) 它确定了e 的一个模糊子集，记为么。p4 是模糊子集么的隶属函数，a ( p ) 为元 素e 隶属于彳的程序，简称为隶属度。( p ) 的值越接近：【，表明e 属于4 的程序越大； 反之，隶属程度都越小。论域e 所致的是所有讨论的元素的全体。 哈尔滨：j ：程大学硕士学位论文 i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 模糊集合表示方法有多种，通常用的是将其所有的元素以及其相应的隶属度表示出 来。女口i ( 1 1 ) 弄口( 1 2 ) ： 儿( e 1 ) t 1 4 ( p 2 ) 心( e 。 、 离散型： 彳= 一+ 一+ + 一 ( 、l 一1 ) e 1e ，e 连续型：a = ( 卜2 ) 2 模糊唔言变量 语 芋室用来思维信息交流的的工具。语言可以分为自然语言和形式语言。如人常用 的语言属于自然语言，计算机常用的语言是形式语言。自然语言中有很多的陈述句通常 带有带刁亍主观色彩的模糊性词汇，如“他个子高”、“天气比较热”等。但这并不妨碍人之 间的理解和交流。形式语言则具有严格的语法规则和语义不存在任何带有模糊性的精确 性的语言。 语言变量是自然语言中的词或句，它的取值不是通常的数，是用模糊语言表示的模 糊集合。如气温可以看做模糊语言变量，它的取值不是具体的度数，而是高、比较低” 等模糊t 言表示的模糊集合。 一个语言变量是由一个五元组( x ，t ( x ) ，u ，g m ) 来表示，其中x 是变量的名称；u 是所讨论的变量的论域；t ( x ) 是语言变量的取值的集合；g 为语言值所产生的规则；m 为语言值得定义规则，如隶属函数。 从定义上看，语言变量和我们熟悉的数值变量不一样，数值变量的取值为精确的值； 语言变量的取值为模糊量。他描述的事一个复杂的难于定义的模糊现象。 3 模糊化运算 模糊化运算是将输入的值映射到模糊论域上的模糊集合。模糊控制器对测量到的清 晰准确值进行数据模糊化是模糊控制的首要任务。一般有单点模糊和三角形模糊两种方 法。若输入量数据是准确的，则通常将其模糊化为单点模糊集合。若输入量数据存在随 机测量的噪声，则此时的模糊化运算相当于将随机量变换成模糊两，其隶属函数一般为 三角形或铃形函数。 通常的转换为输入量的尺度转换，将其变换到要求的论域范围。方法可线性可非线 性。如将 a ，b 区间的精确量x 转换成 - n ，+ n 区间的离散量y ( 模糊量) ，其中n 为p r d , 于 2 的正整数，有如下公式： y = 2 n x 一( d + b ) 2 ( b a ) ( 1 3 ) 4 模糊知识库 模湖控制器中的知识库由两部分组成：数据库和控制规则库。数据库是存放所有输 第1 覃绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 入、输出变量的量化因子以及模糊集合的隶属函数，其中隶属函数有数值描述表和函数 描述两种方法。规则库是基于专家知识和操作人员积累的经验，按照人的推理的一种语 言表达方式。模糊控制规则库是由“i f - t h e n ”型的条件语句所构成，它是定性的而不是定 量的，将局部的“条件”与局部的“结果”联系起来，如二维模糊推理规则可以表示为 r ：i f ( 偏差i sa ；偏差变化率i sb ；) t h e n ( 控制量i sc ；) 常用的还有e l s e 、e l s e 、o r 等词。 规则库是用来存放控制系统全部的模糊控制规则，作为“推理机”推理的依据。其建 立方法一般有基于专家的经验和控制工程知识，基于操作人员的实际控制过程，基于过 程的模糊模型，基于自学习这四种。 5 模糊推理和清晰化计算 典型的二维模糊控制器为两个输入一个输出的。该模糊控制规则的一般形式为： r ：i fx li sa 1a n dx 2i sa 2 ，t h e nyi sb ； 其模糊推理为 拿2 ( a l a 2 ) 。r ( 1 - 4 ) 其中。为模糊关系合成运算符，r 是模糊蕴含关系，是推理的前提，条件是a l 和 a 2 ，推理结果是b 。 模糊推理的结果b 是模糊集，执行控制的时必须经过反模糊处理，转换成清晰的结 果，通常清晰化的通用方法有两种： ( 1 ) 最大隶属度法( m o m ) 这种方法是考擦输出量模糊集合b 的隶属度函数只有一个极大值，取此最大值所对 应的输出点为清晰值，即存在： b ( y o ) 肛b ( y ) ( 1 - 5 ) 此时y 。就是输出的清晰量。 若同时出现有多个点的隶属度最大，则分为最大隶属度取最小值法( s o m ) 、最大隶 属度取最大值方法( i o m ) 、中位数法( b i s e c t o r ) 。 ( 2 ) 加权平均法( c e n t r o i d ) 这种方法应用较为普遍。由于类似于重心的计算，也称重心法。它是通过运算取 p b ( y ) 的加权平均值为y 的清晰值，如下式： 9 哈尔滨：f ：程大学硕士学位论文 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i k m a x 少口( 川 y 。= 去 二一 ( 卜6 ) 如( y ) 模糊控制系统是由模糊控制器和被控对象组成。模糊控制器是整个系统的核心，一 个模糁控制系统的性能好坏主要取决于模糊控制器的结构、所采用的合成推理算法、模 糊规见以及模糊决策的方法。模糊控制器的组成通常由四部分组成：模糊化接口、模糊 。竺臣团巫叵 - _ 口銮墅亟1 叫压圈亟殛生 r 苣皇一 l 豳豳i | 知识库 i 根据以上步骤，可初步设计出一个模糊控制器。对于初始设计可先模拟，若控制性 1 5 本论文的内容和章节安排 本沧文的主要工作是在模糊控制的基础上探讨风能、潮流能互补发电站的能量管理 系统( 也叫负载分配系统，能量管理从概念上讲包含负载分配，以下以能量管理来概称) ， 以一种全新的思路来建立互补发电站的能量管理系统，根据对风水资源的检测，以当前 电能输出为基准，对系统采取和制定适当的运行方式、合理的负载分配方案，用控制策 略实现互补发电站的优化、稳定、安全运行，此外还探讨了风机的最大功率跟踪控制方 式和蓄赵池充放电控制策略，最后在m a t l a b 上进行建模和仿真；最后将多a g e n t 技术 l o 第1 章绪论 引入到电力系统负载分配中，多a g e n t 技术是指将风光和潮流能发电子系统作为分散的 能量( 微电源) 管理系统，利用a g e n t 来做能量系统的代理，通过多个a g e n t 之间的交 互协作来实现能量管理。全文章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的目的和意义。概述了风能、潮流能以及互补发电系 统的国内外研究发展情况，并且简述了当前发电站系统的发展现状，介绍了模糊控制相 关理论和发展前景，最后简要说明了本文的研究内容和章2 青安排。 第二章分析了风水互补发电系统的结构和特点，对风：匀机功率输出特性、b o o s t 电 路运行以及控制策略进行了分析，对蓄电池s o c 的计算提出了研究方法，为能量管理系 统的运行提供理论基础和技术支持。 第三章提出了集成控制模式下电力系统的特点，分析了电力系统能量流动和各电力 设备的工作状态，设计了基于模糊控制的负载分配和负载跟踪两个控制器，并给出了初 始的模糊知识库和算法。其中负载分配根据当前资源所能发出的最大功率来决定负载投 切状态，负载跟踪主要是解决电力系统的电压稳定以及生活负载的波动造成的供需不平 衡问题。 第四章对独立运行发电站电力系统的核心技术最：穴功率跟踪和蓄电池充放电控制 进行了研究。提出了变步长m p p t 方法和双向变换器控制蓄电池充放电技术。 第五章在m a t l a b s i m u l i n k 基础上建立了电力系统的模型，验证了最大风能捕获原 理，并对模糊控制知识库进行了适当优化，对负载分配和负载跟踪控制器进行了仿真调 试，得出了相关结论。 最后对全文进行了总结，并提出了有待进一步研究的问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第2 章独立运行互补发电站系统原理 本章将结合当前电力系统的特点和电