CN103427441A - 一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，该装置包括发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元；发电单元包括风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A／D转换器、RAM和微处理器；并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机。使用本发明的装置大大地提高了分布式新能源发电与并网的可靠性，有效地减小了独立的风能发电和独立的太阳能发电的电压波动较大的不足，同时也提高了配电网的安全性。

Description

一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法

技术领域

本发明属于新能源发电与电气技术领域，涉及一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法。

背景技术

随着中国经济和科学技术的快速发展，我国的新能源发电呈现出快速发展态势，尤其是风力和太阳能发电技术日趋受到重视。在我国的新能源并网装机总容量中，风电并网容量位居榜首。然而，单一的风能或单一的太阳能在无风和阴雨天以及恶劣的气候条件下均无法保证电能的连续供应，因而单一风能发电或单一的太阳能发电具有间歇性、随机性、可调度性差的特点。在电网接纳能力不能自行调理的情况下，大规模新能源发电并网会造成配电网中电能质量的下降，影响用电设备以及威胁用户的生命安全，因此为了保证配电网的稳定性，需保证新能源发电的稳定性以及接入电网的可靠性。目前研究的风光互补技术，虽然能一定程度上减少风能和太阳能发电的输出电压的波动，但需要储能蓄电池不断地充放电来维持，而蓄电池的长期不断充放电将减少蓄电池使用寿命，进而将给***稳定性带来一定的风险。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法。

本发明的技术方案：

一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，包括：

发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元；

发电单元包括：风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端均连接直流汇流单元的输入端，直流汇流单元的输出端连接逆变器的输入端；

发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A／D转换器、RAM和微处理器；传感器模块的输入端分别连接风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端；传感器模块有4组，且每组传感器模块包括温度传感器、风速传感器、气压传感器和光强传感器，各传感器模块分别与其对应的各发电单元置于同一环境，各传感器的输出端连接数据采样模块的输入端；电压互感器的输入端和电流互感器的输入端均连接直流汇流单元的输出端，电压互感器的输出端及电流互感器的输出端均连接数据采样模块的输入端；数据采样模块包括多路开关、采样保持电路和可编程增益控制放大器，多路开关的输入端作为数据采样模块的输入端分别连接各传感器的输出端、电压互感器的输出端和电流互感器的输出端，多路开关的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接可编程增益控制放大器的输入端，可编程增益控制放大器的输出端作为数据采样模块的输出端连接A／D转换器的输入端；A／D转换器的输出端分别连接RAM的输入端和微处理器的输入端，微处理器的输出端分别连接多路开关的地址选择端、采样保持电路的控制端、可编程增益控制放大器的控制端、A／D转换器的控制端、RAM的控制端、燃料电池发电单元的输入端及燃气轮机发电单元的输入端；

逆变器的输出端连接线路滤波器的输入端；线路滤波器的输出端连接断路器的输入端；断路器的输出端接入电网；

并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机；信号采集模块的输入端分别连接逆变器的输出端及电网的输入端，信号采集模块的输出端连接信号调制模块的输入端；信号调制模块的输出端连接DSP处理单元的输入端；DSP处理单元的输出端分别连接断路器的控制端、逆变器的输入端及上位机的输入端。

风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元均独立发电，风能发电单元及太阳能发电单元为主发电单元，燃气轮机发电单元及燃料电池发电单元为补偿发电单元。

发电端反馈式控制单元实时检测直流汇流单元的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率，根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，实时调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，以补偿实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差。

并网端断路控制单元实时采集逆变器与并网点间的电压信号和电流信号，根据并网条件及并网稳定性系数判断是否并网并根据判断结果控制断路器的通断。

信号采集模块包括多个交流电压互感器和多个交流电流互感器。

采用分布式混合新能源的发电与并网控制装置来控制分布式混合新能源发电与并网的方法，包括如下步骤：

步骤1：发电单元开始发电，通过逆变器、线路滤波器及断路器输送到电网；

步骤2：发电端反馈式控制单元实时采集和处理发电单元的环境参数及发电单元输出的电压、输出的电流和输出的功率；

步骤2-1：传感器模块实时采集发电单元的环境参数，包括：光强、风速、气压和温度，并将采集到的环境参数传送给数据采样模块；同时，电压互感器采集发电单元输出的电压信号并传送给数据采样模块，电流互感器采集发电单元输出的电流信号并传送给数据采样模块；

步骤2-2：数据采样模块对从传感器模块接收的环境参数数据、电压信号和电流信号进行保持和放大处理，并将处理后的数据发送给A/D转换器；

步骤2-3：A/D转换器对从数据采样模块接收的处理后的环境参数数据、电压信号和电流信号进行A/D转换，并将转换后的数字量发送给微处理器；

步骤3：微处理器计算发电单元的实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，并根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤3-1：微处理器计算直流汇流单元的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；

步骤3-2：微处理器根据实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，产生调整燃气轮机的气体体积流速的调整信号、燃料电池的燃料电池组数的调整信号及每组燃料电池数的调整信号，并将调整信号传送至燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤3-3：燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根据调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数；即通过燃料电池的输出电压、输出电流、输出功率和燃气轮机的输出电压、输出电流、输出功率对风能和太阳能的输出电压、输出电流、输出功率进行补偿，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；

步骤4：根据采集到的发电单元的多组环境参数值及额定值，采用BP神经网络预测下一时刻的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，微处理器根据这些差值产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速和燃料电池发电单元的燃料电池组数及每组燃料电池数对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤4-1：根据采集到的多组光强、风速、气压、温度的参数值及额定电压值、额定电流值、额定功率值，采用BP神经网络预测下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值；

步骤4-2：根据BP神经网络预测出的下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值，微处理器产生调整信号，并将该调整信号发送给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤4-3：燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根据调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数，以调整燃气轮机发电单元的输出电压、输出电流、输出功率和燃料电池发电单元的输出电压、输出电流、输出功率，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，得到补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率；

步骤5：补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经逆变器输出至线路滤波器且进行滤波，滤波后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经断路器传输至电网；

步骤6：并网端断路控制单元实时采集和处理逆变器输出端的电压信号和电流信号、并网点的电压信号和电流信号；

步骤6-1：信号采集模块采集逆变器输出的3相电压信号、逆变器输出的3相电流信号、并网点的3相电压信号和并网点的3相电流信号，并将这些信号传送给信号调制模块；

步骤6-2：信号调制模块对从信号采集模块接收的电压信号和电流信号进行滤波处理，并将处理后的电压信号和电流信号传送给DSP处理单元；

步骤7：DSP处理单元根据从信号调制模块接收的电压信号和电流信号计算电压偏差，三相不平衡度和频率偏差；

步骤8：根据并网条件判断是否可以并网：是，DSP处理单元产生控制信号控制断路器合闸进行并网，并执行步骤10，否，则执行步骤9；

步骤9：DSP处理单元产生PWM波，对逆变器输出电压及输出频率进行调节以满足并网条件，执行步骤6；

步骤10：DSP处理单元将计算出的电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值及当前并网状态传送给上位机，由上位机实时显示电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值和当前并网状态；

步骤11：根据逆变器输出端至断路器输出端间传输线路的传输电压、传输电流、传输功率、传输频率，进行并网稳定性评估，所述并网稳定性的评估方法具体如下：

步骤11-1：计算从逆变器输出端到断路器输出端的传输线路上的传输电压平均值、传输电流平均值、传输功率平均值、传输频率偏差；

步骤11-2：计算电压方差、电流方差、功率方差；

步骤11-3：计算稳定性系数S(u，i，p，f)：

$S(u,i,p,f)=\frac{\mathrm{\αD}\left(u\right)+\mathrm{\βD}\left(i\right)+\mathrm{\γD}\left(p\right)}{\sqrt[3]{D{\left(u\right)}^2+D{\left(i\right)}^2+D{\left(p\right)}^2}}+\mathrm{\δ\Δf}---\left(1\right)$

式中，

S为稳定性系数；u为电压，V；i为电流，A；p为功率，W；f为频率，Hz；α，β，γ，δ为权重系数；D(u)为电压方差；D(i)为电流方差；D(p)为功率方差；Δf为频率偏差，Hz；

步骤11-4：DSP处理单元将计算出的稳定性系数传送给上位机输出，工作人员根据稳定性系数与稳定性等级判断并网稳定性；

所述稳定性等级如下：

(1)若0≤S≤0.2，则***十分稳定，可以安全并网；

(2)若0.2<S≤0.5，则***稳定性良好，可以安全并网；

(3)若0.5<S≤1，则***稳定性较差，需谨慎并网；

(4)若S>1，则***稳定性差，不能并网；

步骤12：若并网稳定性等级为安全并网等级，则继续保持并网状态；若并网稳定性等级为谨慎并网等级或不能并网等级，则执行步骤6，同时工作人员检查输电线路、逆变器线路、滤波器及断路器。

有益效果：本发明的分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法与现有技术相比较有以下优势：

1、本发明面向新能源对象广，不局限于某一种新能源发电并网的控制；

2、本发明有效地减小了独立的风能发电和独立的太阳能发电的电压波动较大的不足；

3、本发明的安全性能高，采用发电端和并网端双重控制的策略，大大地提高了分布式新能源发电与并网的可靠性，同时也提高了配电网的安全性；

4、本发明采用了传感器对光强、风速、气压、温度环境参数进行采集，灵敏度好，准确度高，并采用BP神经网络对发电情况进行预测，有效减少了发电端的处理调节时间，提高并网效率；

5、本发明在并网端对***稳定性进行了评估，增加了***稳定性的可监测性，并采用DSP数字信号处理器对数据进行处理，提高了效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的分布式混合新能源的发电与并网控制装置的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的发电端反馈式控制单元的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的DSP外部扩展电路与DSP处理单元连接关系示意图；

图4为本发明一种实施方式的分布式混合新能源的发电与并网控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本实施方式的分布式新能源混合发电与并网的控制装置，如图1所示，包括：发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元；发电单元的输出端连接发电端反馈式控制单元的输入端，同时发电单元的输出端还连接逆变器的输入端，发电端反馈式控制单元的输出端连接发电单元的燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元的输入端；逆变器的输出端连接线路滤波器的输入端；线路滤波器的输出端连接断路器的输入端；断路器的输出端接入电网。

发电单元包括：风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元，如图1所示；风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元彼此独立发电，风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端均连接直流汇流单元的输入端，直流汇流单元的输出端连接逆变器的输入端；直流汇流单元采用型号为NYT-PV-D的直流配电柜，逆变器采用型号为YXSG-15KTL的三相隔离式并网逆变器，线路滤波器采用型号为SPA4-30A/0.4的有源电力滤波器，断路器采用型号为ZW32-12系列的户外交流高压真空断路器。

发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A/D转换器、RAM和微处理器，如图2所示；传感器模块包括：用于采集发电单元所处环境的光强I的光强传感器、用于采集发电单元所处环境的风速V的风速传感器、用于采集发电单元所处环境的气压Q的气压传感器和用于采集发电单元所处环境的温度T的温度传感器；光强传感器的型号为TSL2561，风速传感器选用型号为LE2152的金属风速传感器，气压传感器的型号为GQY-1D，温度传感器选用型号为DHT11型温湿度传感器；各传感器模块与对应的发电单元置于同一环境，各传感器的输出端连接数据采样模块的输入端；电压互感器采用JDZ-3型号，用于采集直流汇流单元输出端的电压U₀，电压互感器的输入端连接直流会流单元的输出端；电流互感器采用LDJ2-10型号，用于采集直流汇流单元输出端的电流I₀，电流互感器的输入端连接直流汇流单元的输出端；电压互感器的输出端及电流互感器的输出端均连接数据采样模块的输入端；数据采样模块包括多路开关、采样保持电路和可编程增益控制放大器；多路开关的型号为74153，采样保持电路的型号为通用型LF398，可编程增益控制放大器的型号为LH0084；多路开关的输入端分别连接传感器模块的输出端、电压互感器的输出端和电流互感器的输出端，多路开关的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接可编程增益控制放大器的输入端，可编程增益控制放大器的输出端作为数据采样模块的输出端连接A／D转换器的输入端；A／D转换器的型号为ADC0801；微处理器采用型号为8087的微处理器；A／D转换器的输出端通过八位数据总线接入RAM和微处理器的输入端，微处理器的输出端通过控制总线分别连接多路开关的地址选择端、采样保持电路的控制端、可编程增益控制放大器的控制端、A／D转换器的控制端、RAM的控制端、燃料电池发电单元的输入端及燃气轮机发电单元的输入端；

并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机，如图1所示。信号采集模块的输入端分别连接逆变器的输出端及电网的输入端，信号采集模块的输出端连接信号调制模块的输入端；信号调制模块的输出端连接DSP处理单元的输入端；DSP处理单元的输出端分别连接断路器的控制端、逆变器的输入端及上位机的输入端；DSP外部扩展电路通过外部扩展接口连接DSP处理单元；上位机输出结果。信号采集模块包括6个彼此独立工作的交流电压互感器和6个彼此独立工作的交流电流互感器；电压互感器的型号为JDZ-3，用于采集逆变器输出端三相电压信号u_a1、u_b1、u_c1及并网点处的三相电压信号u_a2、u_b2、u_c2；电流互感器的型号为LDJ2-10，用于采集逆变器输出端的三相电流信号i_a1、i_b1、i_c1及并网点处的三相电流信号i_a2、i_b2、i_c2。信号调制模块包括12个带通滤波电路，用于分别对采集到的三相电压信号u_a1、u_b1、u_c1、u_a2、u_b2、u_c2，三相电流信号i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2进行滤波处理。滤波后的电压信号u_a1、u_b1、u_c1和电流信号i_a1、i_b1、i_c1分别输入到DSP处理单元的A／D接口的ADCIN0～ADCIN5引脚，滤波后的电压信号u_a2、u_b2、u_c2和电流信号i_a2、i_b2、i_c2分别输入到DSP外部扩展存储器6264的数据输入引脚D₀～D₅。DSP处理单元采用TMS320LF2407A芯片，用于对三相电压信号u_a1、u_b1、u_c1和三相电流信号i_a1、i_b1、i_c1进行分析计算，得到电压偏差、三相不平衡度、频率偏差，并与并网规则进行比较后产生的PWM波由DSP处理单元的PWM1引脚输出到逆变器，实现对逆变器的调节与控制，同时DSP处理单元的IOPC2引脚输出控制信号控制断路器的合闸与断闸。DSP处理单元的TMS320LF2407A芯片还根据调制后的三相电压u_a1、u_b1、u_c1、u_a2、u_b2、u_c2，三相电流i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2计算稳定性系数。

DSP外部扩展电路为6264型号的存储器，如图3所示。6264存储器的13位地址总线引脚A₀～A₁₂接入DSP处理单元的13位地址总线引脚A₀～A₁₂，6264存储器的

引却接入DSP处理单元的

引脚，6264存储器的

引脚接入DSP处理单元的

引脚。

采用上述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置来控制分布式混合新能源发电与并网的方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤1：发电单元开始发电，通过逆变器、线路滤波器及断路器输送到电网；

步骤2：发电端反馈式控制单元实时采集和处理发电单元的环境参数及发电单元输出的电压、输出电流和输出功率；

步骤2-1：传感器模块实时采集发电单元的环境参数，包括：光强L、风速V、气压Q和温度T，并将采集到的环境参数传送给数据采样模块；同时，电压互感器采集发电单元输出端的电压信号U₀并传送给数据采样模块，电流互感器采集发电单元输出的电流信号I₀并传送给数据采样模块；

步骤2-2：数据采样模块对从传感器模块接收的环境参数数据、电压信号和电流信号进行保持和放大处理，并将处理后的数据发送给A／D转换器；

步骤2-3：A／D转换器对从数据采样模块接收的处理后的环境参数数据、电压信号和电流信号进行A／D转换，并将转换后的数字量发送给微处理器；

步骤3：微处理器计算发电单元的实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，并根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤3-1：微处理器计算直流汇流单元的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；

步骤3-2：微处理器根据实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，产生调整燃气轮机的气体体积流速Q_f的调整信号、燃料电池的燃料电池组数N_s的调整信号和每组燃料电池数N_cell的调整信号，并将调整信号传送给控制总线给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤3-3：燃气轮机发电单元根据控制总线发送来的调整信号调整气体体积流速Q_f，同时燃料电池发电单元根据控制总线发送来的调整信号调整燃料电池组数N_s及每组燃料电池数N_cell；

由于风能、太阳能受天气影响较大，不易人为控制，故通过调整燃气轮机的气体体积流速Q_f和燃料电池的每绯燃料电池数N_cell、燃料电池组数N_s，以使低实际输出电压与额定输出电压的差值ΔU，实际输出电流与额定输出电流的差值ΔI，实际输出功率与额定输出功率的差值ΔP降低到最小，进而补偿风能、太阳能发电单元受天气因素影响而波动的输出电压、输出电流、输出功率，减少传输线路的波动性。

燃气轮机的输出功率P_out的计算式为式(1)、输出电压U_out的计算式为式(2)、输出电流I_out的计算式为式(3)：

$P_{\mathrm{out}}=Q_f{\left(\mathrm{HV}\right)}_s{\mathrm{\&eta;}}_t\left(\frac{\mathrm{PS}}{{\mathrm{PS}}_S}\right)\left(\frac{T_S}{T}\right)---\left(1\right)$

式中，

Q_f是燃料气体的气体体积流速，m³／h；(HV)_S是在标准大气压和标准温度下燃料气体的热率，Btu³／m³；PS是气体气压，psi；T是气体温度，K；PS_S是标准大气压，psi；T_S为标准温度，K；η_t为总效率。

$U_{\mathrm{out}}=\sqrt{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{out}}}---\left(2\right)$

式中，

R为燃气轮机内部电阻，Ω。

$I_{\mathrm{out}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{out}}}{R}}---\left(3\right)$

由于通常情况下热率(HV)_S、气体气压PS、气体温度T、标准大气压PS_S、标准温度T_S、燃气轮机内部电阻R是不变的，因此可以通过调整气体体积流速Q_f，进而达到调整其输出功率P_out、输出电压U_out、输出电流I_out的目的。燃料电池的输出电流I_FU的计算式为式(4)、输出电压U_FU的计算式为式(6)、输出功率P_FU的计算式为式(7)

$I_{\mathrm{FU}}=\frac{{2\mathrm{FU}}_f{H}_c}{N_{\mathrm{cell}}{N}_s}---\left(4\right)$

式中，

F为法拉第常数；N_cell为每组燃料电池数；N_s为***中燃料电池组数；H_c为燃料电池中燃料气体的电-化反应速度；U_f为在燃料电池内部发生化学反应的燃料，是燃料气体在燃料电池中输入口和输出口的摩尔量，mol；U_f的计算公式如式(5)所示。

$U_f=\frac{H_{\mathrm{in}}-H_{\mathrm{out}}}{H_{\mathrm{in}}}=\frac{H_c}{H_{\mathrm{in}}}---\left(5\right)$

式中，

H_in为氢气在燃料电池中的输入口的摩尔量，mol；H_out为氢气在燃料电池中的输出口的摩尔量，mol；

U_FU=N_cellN_sU_N         (6)

式中，

U_N为单个燃料电池的输出电压，V。

P_FU=I_FUU_FU       (7)

式(4)中，由于法拉第常数F、燃料气体的电-化反应速率H_c、摩尔量U_f、单个燃料电池的输出电压U_N通常是固定的，所以可以通过调整每组燃料电池数N_cell和燃料电池组数N_s来调整其输出电流I_FU、输出电压U_FU、输出功率P_FU。

在调整完参数后，通过燃料电池和燃气轮机的输出电压、输出电流、输出功率对风能和太阳能的输出电压、输出电流、输出功率进行补偿，有效降低ΔU，ΔI，ΔP，减少输电***的波动性，有效的提高***的稳定性。

步骤4：根据采集到的发电单元的多组环境参数值及额定值，采用BP神经网络预测下一时刻的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，微处理器根据这些差值产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速和燃料电池发电单元的燃料电池组数及每组燃料电池数对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤4-1：根据采集到的多组光强、风速、气压、温度的参数值及额定电压值、额定电流值、额定功率值，采用BP神经网络预测下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值；

神经网络通过学习(改变各神经元的连接权值)，从而具有预测的功能，神经网络学习规则是：

Δw_ij＝ηr[w_ij(t)，X(t)，d_j(t)]X(t)      (8)

式中：

η为网络的学习速率；r为学习信号；w_ij(i=1，2，...，n，j=1，2，...，k)为神经元之间连接的权重；X(t)为t时刻的输入数组；d为网络的期望值；

其中，学习信号：

$r=(d-w_{\mathrm{ij}}X)f^{\&prime;}\left(w_{\mathrm{ij}}^T{w}_{\mathrm{ij}}\right),---\left(9\right)$

因此，网络的权值改变函数是：

$\mathrm{\&Delta;}{w}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\&eta;}(d-w_{\mathrm{ij}}X)f^{\&prime;}\left(w_{\mathrm{ij}}^T{w}_{\mathrm{ij}}\right)X\left(t\right)---\left(10\right)$

则：

$w_{\mathrm{ij}}(t+1)=w_{\mathrm{ij}}\left(t\right)+\mathrm{\&eta;}(d-w_{\mathrm{ij}}X)f^{\&prime;}\left(w_{\mathrm{ij}}^T{w}_{\mathrm{ij}}\right)X\left(t\right)---\left(11\right)$

综上：神经网络的预测输出函数为：

式中，

为阀值函数，

是双极性S函数。

BP神经网络的网络学习按如下步骤进行：

步骤4-1-1：对光强I、风速V、气压Q、温度T进行归一化处理；

步骤4-1-2：归一化后的数据作为BP神经网络学习样本数据，额定电压、额定电流、额定功率作为检验网络准确性的样本检验数据；

步骤4-1-3：将检验通过的BP网络结构导入微处理器，对下一时刻新能源发电单元的实际输出电压、输出电流、输出功率与额定输出电压、输出电流、输出功率的差值进行预测，实现对实际输出电压与额定输出电压之差值、实际输出电流与额定输出电流之差值和实际输出功率与额定输出功率之差值的预测。

步骤4-2：根据BP神经网络预测出的下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值，微处理器产生调整信号，并将该调整信号发送给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤4-3：燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根据调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数，以调整燃气轮机发电单元的输出电压、输出电流、输出功率和燃料电池发电单元的输出电压、输出电流、输出功率，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，得到补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率；

步骤5：补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经逆变器输出至线路滤波器且进行滤波，滤波后的信号经断路器传输至电网；

步骤6：并网端断路控制单元实时采集和处理逆变器输出端的电压信号和电流信号、并网点的电压信号和电流信号；

步骤6-1：信号采集模块采集逆变器输出端的3相电压信号u_a1、u_b1、u_c1，并网点的3相电压信号u_a2、u_b2及u_c2，逆变器输出端的3相电流信号i_a1、i_b1、i_c1和并网点的3相电流信号i_a2、i_b2、i_c2，并将这些信号传送给信号调制模块；

步骤6-2：信号调制模块从信号采集模块接收的电压信号u_a1、u_b1、u_c1、u_a2、u_b2、u_c2和电流信号i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2进行滤波处理，并将经过滤波处理后的信号u_a1、u_b1、u_c1、i_a1、i_b1、i_c1传送给DSP处理单元，信号u_a2、u_b2、u_c2、i_a2、i_b2、i_c2传送给DSP外部扩展电路；

步骤7：DSP处理单元根据从信号调制模块接收的电压信号和电流信号计算电压偏差，三相不平衡度和频率偏差；

步骤7-1：计算电压偏差ΔU％，即实际电压与额定电压之差与额定电压之比；

$\mathrm{\&Delta;U}(\%)=\frac{U-U_N}{U_N}\&times;100\%---\left(13\right)$

式中，U为采集到的实际电压，V；U_N为电网的额定电压，V；

步骤7-2：计算三相不平衡度ε_U，即三相电压的负序分量与三相电压的正序分量的比值

${\mathrm{\&epsiv;}}_U=\frac{U_2}{U_1}\&times;100\%---\left(14\right)$

式中，

U₂为三相电压的负序分量，V；U₁为三相电压的正序分量，V。

步骤7-3：计算频率偏差Δf，实际频率与电网的额定频率之差，即

Δf=f-f_N                 (15)

式中，

f为采集到的实际频率，HZ；f_N为电网的额定频率，HZ；

步骤8：根据并网条件判断是否可以并网，是，DSP处理单元产生控制信号控制断路器合闸进行并网，并执行步骤10，否，则执行步骤9；

并网条件为：

(1)逆变输出电压偏差ΔU(％)应在-3％～7％；

(2)逆变输出三相不平衡度ε_U应小于1.3％；

(3)逆变输出频率偏差Δf不超过0.2Hz；

步骤9：DSP处理单元产生PWM波，对逆变器进行调节，调节其输出电压及频率以满足并网条件，执行步骤6；

步骤10：DSP处理单元将计算出的电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值及当前并网状态传送给上位机，由上位机实时显示电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值和当前并网状态；

步骤11：根据逆变器输出端至断路器输出端间传输线路的传输电压、传输电流、传输功率、传输频率，进行并网稳定性评估，所述并网稳定性的评估方法具体如下：

步骤11-1：计算从逆变器输出端到断路器输出端的传输线路上的传输电压平均值、传输电流平均值、传输功率平均值、传输频率偏差；

电压、电流、功率的采样路数均为6路，采样点为逆变器输出端、并网点处的6个电压值，逆变器输出端、并网点处的6个电流值，逆变器输出端、并网点处的6个功率值；

步骤11-2：计算电压方差、电流方差、功率方差；

步骤11-3：计算稳定性系数S(u，i，p，f)：

$S(u,i,p,f)=\frac{\mathrm{\&alpha;D}\left(u\right)+\mathrm{\&beta;D}\left(i\right)+\mathrm{\&gamma;D}\left(p\right)}{\sqrt[3]{D{\left(u\right)}^2+D{\left(i\right)}^2+D{\left(p\right)}^2}}+\mathrm{\&delta;\&Delta;f}---\left(16\right)$

式中，

S(u，i，p，f)为稳定性系数；u为电压，V；i为电流，A；p为功率，W；f为频率，Hz；D(u)为电压方差；D(i)为电流方差；D(p)为功率方差；α，β，γ，δ为权重系数，其中α在电压偏差范围0％～5％取值，β在三相不平衡度偏差范围0～1.3％取值，γ取值为1与传输线路的标准功率因数sinθ的差值，取值区间为0％～15％，δ在频率偏差范围0％～1％取值。

步骤11-4：DSP处理单元将计算出的稳定性系数传送给上位机输出，工作人员根据稳定性系数与稳定性等级判断并网稳定性；

所述稳定性等级如下：

(1)若0≤S≤0.2，则***十分稳定，可以安全并网

(2)若0.2＜S≤0.5，则***稳定性良好，可以安全并网

(3)若0.5＜S≤1，则***稳定性较差，需谨慎并网

(4)若S＞1，则***稳定性差，不能并网

步骤12：若并网稳定性等级为安全并网等级，则继续保持并网状态；若并网稳定性等级为谨慎并网等级或不能并网等级，则执行步骤6，同时工作人员检查输电线路、逆变器线路、滤波器及断路器。

Claims (6)

1.一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于：包括：

发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元；

所述发电单元包括：风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端均连接直流汇流单元的输入端，直流汇流单元的输出端连接逆变器的输入端；

所述发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A／D转换器、RAM和微处理器；传感器模块的输入端分别连接风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端；传感器模块有4组，且每组传感器模块包括温度传感器、风速传感器、气压传感器和光强传感器，各传感器模块分别与其对应的各发电单元置于同一环境，各传感器的输出端连接数据采样模块的输入端；电压互感器的输入端和电流互感器的输入端均连接直流汇流单元的输出端，电压互感器的输出端及电流互感器的输出端均连接数据采样模块的输入端；数据采样模块包括多路开关、采样保持电路和可编程增益控制放大器，多路开关的输入端作为数据采样模块的输入端分别连接各传感器的输出端、电压互感器的输出端和电流互感器的输出端，多路开关的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接可编程增益控制放大器的输入端，可编程增益控制放大器的输出端作为数据采样模块的输出端连接A／D转换器的输入端；A／D转换器的输出端分别连接RAM的输入端和微处理器的输入端，微处理器的输出端分别连接多路开关的地址选择端、采样保持电路的控制端、可编程增益控制放大器的控制端、A／D转换器的控制端、RAM的控制端、燃料电池发电单元的输入端及燃气轮机发电单元的输入端；

所述逆变器的输出端连接线路滤波器的输入端；线路滤波器的输出端连接断路器的输入端；断路器的输出端接入电网；

所述并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机；信号采集模块的输入端分别连接逆变器的输出端及电网的输入端，信号采集模块的输出端连接信号调制模块的输入端；信号调制模块的输出端连接DSP处理单元的输入端；DSP处理单元的输出端分别连接断路器的控制端、逆变器的输入端及上位机的输入端。

2.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于：所述风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元均独立发电，风能发电单元及太阳能发电单元为主发电单元，燃气轮机发电单元及燃料电池发电单元为补偿发电单元。

3.根据权利要求1所述的分布式混合新能源发电与并网控制装置，其特征在于：所述发电端反馈式控制单元实时检测直流汇流单元的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率，根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，实时调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，以补偿实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差。

4.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于：所述并网端断路控制单元实时采集逆变器与并网点间的电压信号和电流信号，根据并网条件及并网稳定性系数判断是否并网并根据判断结果控制断路器的通断。

5.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于：所述信号采集模块包括多个交流电压互感器和多个交流电流互感器。

6.采用权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置来控制分布式混合新能源发电与并网的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：发电单元开始发电，通过逆变器、线路滤波器及断路器输送到电网；

步骤2：发电端反馈式控制单元实时采集和处理发电单元的环境参数及发电单元输出的电压、输出的电流和输出的功率；

步骤2-1：传感器模块实时采集发电单元的环境参数，包括：光强、风速、气压和温度，并将采集到的环境参数传送给数据采样模块；同时，电压互感器采集发电单元输出的电压信号并传送给数据采样模块，电流互感器采集发电单元输出的电流信号并传送给数据采样模块；

步骤2-2：数据采样模块对从传感器模块接收的环境参数数据、电压信号和电流信号进行保持和放大处理，并将处理后的数据发送给A／D转换器；

步骤2-3：A／D转换器对从数据采样模块接收的处理后的环境参数数据、电压信号和电流信号进行A／D转换，并将转换后的数字量发送给微处理器；

步骤3：微处理器计算发电单元的实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，并根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤3-1：微处理器计算直流汇流单元的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；

步骤3-2：微处理器根据实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，产生调整燃气轮机的气体体积流速的调整信号、燃料电池的燃料电池组数的调整信号及每组燃料电池数的调整信号，并将调整信号传送至燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤3-3：燃气轮机发电单元根掘调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根掘调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数；即通过燃料电池的输出电压、输出电流、输出功率和燃气轮机的输出电压、输出电流、输出功率对风能和太阳能的输出电压、输出电流、输出功率进行补偿，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；

步骤4：根掘采集到的发电单元的多组环境参数值及额定值，采用BP神经网络预测下一时刻的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，微处理器根掘这些差值产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速和燃料电池发电单元的燃料电池组数及每组燃料电池数对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；

步骤4-1：根据采集到的多组光强、风速、气压、温度的参数值及额定电压值、额定电流值、额定功率值，采用BP神经网络预测下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值；

步骤4-2：根据BP神经网络预测出的下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值，微处理器产生调整信号，并将该调整信号发送给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；

步骤4-3：燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根掘调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数，以调整燃气轮机发电单元的输出电压、输出电流、输出功率和燃料电池发电单元的输出电压、输出电流、输出功率，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，得到补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率；

步骤5：补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经逆变器输出至线路滤波器且进行滤波，滤波后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经断路器传输至电网；

步骤6：并网端断路控制单元实时采集和处理逆变器输出端的电压信号和电流信号、并网点的电压信号和电流信号；

步骤6-1：信号采集模块采集逆变器输出的3相电压信号、逆变器输出的3相电流信号、并网点的3相电压信号和并网点的3相电流信号，并将这些信号传送给信号调制模块；

步骤6-2：信号调制模块对从信号采集模块接收的电压信号和电流信号进行滤波处理，并将处理后的电压信号和电流信号传送给DSP处理单元；

步骤7：DSP处理单元根据从信号调制模块接收的电压信号和电流信号计算电压偏差，三相不平衡度和频率偏差；

步骤8：根据并网条件判断是否可以并网：是，DSP处理单元产生控制信号控制断路器合闸进行并网，并执行步骤10，否，则执行步骤9；

步骤9：DSP处理单元产生PWM波，对逆变器输出电压及输出频率进行调节以满足并网条件，执行步骤6；

步骤10：DSP处理单元将计算出的电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值及当前并网状态传送给上位机，由上位机实时显示电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值和当前并网状态；

步骤11：根掘逆变器输出端至断路器输出端间传输线路的传输电压、传输电流、传输功率、传输频率，进行并网稳定性评估，所述并网稳定性的评估方法具体如下：

步骤11-1：计算从逆变器输出端到断路器输出端的传输线路上的传输电压平均值、传输电流平均值、传输功率平均值、传输频率偏差；

步骤11-2：计算电压方差、电流方差、功率方差；

步骤11-3：计算稳定性系数S(u，i，p，f，)：

$S(u,i,p,f)=\frac{\mathrm{\&alpha;D}\left(u\right)+\mathrm{\&beta;D}\left(i\right)+\mathrm{\&gamma;D}\left(p\right)}{\sqrt[3]{D{\left(u\right)}^2+D{\left(i\right)}^2+D{\left(p\right)}^2}}+\mathrm{\&delta;\&Delta;f}---\left(1\right)$

式中，

S为稳定性系数；u为电压，V；i为电流，A；p为功率，W；f为频率，Hz；α，β，γ，δ为权重系数；D(u)为电压方差；D(i)为电流方差；D(p)为功率方差；Δf为频率偏差，Hz；

步骤11-4：DSP处理单元将计算出的稳定性系数传送给上位机输出，工作人员根据稳定性系数与稳定性等级判断并网稳定性；

所述稳定性等级如下：

(1)若0≤S≤0.2，则***十分稳定，可以安全并网；

(2)若0.2＜S≤0.5，则***稳定性良好，可以安全并网；

(3)若0.5＜S≤1，则***稳定性较差，需谨慎并网；

(4)若S＞1，则***稳定性差，不能并网；

步骤12：若并网稳定性等级为安全并网等级，则继续保持并网状态；若并网稳定性等级为谨慎并网等级或不能并网等级，则执行步骤6，同时工作人员检查输电线路、逆变器线路、滤波器及断路器。

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