独立运行直流微网配置方案优化及协调控制研究

The configuration optimization and coordinated control technology of stand-alone DC microgrid are studied in this project to improve its economy and power supply reliability and promote its application for supplying electricity to herdsmen settlement in Inner Mongolia. The main research contents include the followings. (1) Configuration optimization: the mathematical models and economic models of PV-wind power generation system, battery-ultracapacitor hybrid energy storage device and active load are established based on the different control strategies, respectively. The optimal configurations of different power sources in DC microgrid are then solved based on wind-solar energy resources and optimization objective of minimum composite cost; (2) Coordinated control: according to the operation status of micro source, energy storage device and load, coordinated control strategy of the converters under different operating conditions is studied to ensure the reliable operation of stand-alone DC micro-grid; (3) Experimental study: the simulation model and the related experimental setup of a stand-alone DC micro-grid are developed, and, the correctness and feasibility of the configuration optimization and the coordinated control technology proposed in the project are verified by the simulation and experimental study. The solving of these technologies provides the necessary theoretical fundamentals and technical support for the application of stand-alone DC microgrid, and is of important theoretical significance and practical value.

本项目研究为内蒙古地区牧民聚居点供电的独立运行直流微网的配置方案优化和协调控制技术，以提高其经济性和可靠性，促进其推广应用。主要研究内容包括：（1）配置方案优化研究，建立不同控制策略下风、光发电系统，蓄电池、超级电容混合储能装置和主动负荷的数学和经济性模型，根据风、光资源情况，以总成本最小为优化目标，求解直流微网最优配置方案；（2）协调控制研究，根据微源、储能装置及负荷的运行状态，研究不同工况下各变换器的协调控制策略，确保独立运行直流微网可靠运行；（3）实验研究，建立独立运行直流微网仿真模型及实验平台，通过仿真和实验研究验证所论方案优化和协调控制技术的正确性和可行性。这些问题的解决为直流微网的推广应用提供必要的理论依据及技术支撑，具有重要的理论意义及应用价值。

为了降低独立运行直流微网投资及运维成本、优化各微源工作性能、提高电能质量和供电可靠性，本项目对其配置方案优化和协调控制技术开展了研究。主要研究成果如下：.（1）直流微网配置方案优化研究.综合考虑经济性、可靠性、环保性三个优化目标及功率平衡、分布式电源输出功率限制、分布式电源装机数量限制、储能荷电状态运行范围限制、储能时序变化等相关约束条件，建立了微电网多目标容量优化配置模型，提出了基于 SPEA2 的邻近点参考搜索算法（Search algorithm referencing adjacent points based on SPEA2，SARAP）进行求解。时间复杂度分析和收敛性分析表明，SARAP 算法运算速度远快于枚举法，运算结果接近真实Pareto最优解集。.（2）直流微网协调控制策略研究.①为了提高直流微电网用户侧用电的满意度，提出了一种计及可靠性、舒适性和经济性在内的能量管理协调控制策略。.②提出了一种考虑光照强度的变化趋势的预判协调控制策略。.③提出了一种基于模糊逻辑自适应下垂系数算法的多储能SOC均衡控制策略。.④提出了一种基于虚拟直流发电机的风机后级变换器控制策略。.⑤提出了一种基于近似二阶扩展卡尔曼滤波（ASEKF）的锂离子电池SOC估计方法。.⑥提出了一种自适应无迹卡尔曼滤波（AUKF）的SOC估计方法。.⑦建立了直流微网仿真模型及实验系统，通过仿真和实验研究验证所论控制策略的正确性和可行性。.（3）延伸研究.为了进一步提高直流微电网的运行可靠性，项目组对光伏发电功率短期预测开展了研究，提出了一种改进的基于精英反向策略的麻雀搜索算法（EOSSA）优化极限学习机（ELM）的光伏短期输出功率预测模型、一种基于变分模态分解（VMD）和灰狼优化算法（GWO）优化 Elman 神经网络的光伏输出功率短期预测模型。