本發(fā)明涉及的是一種電力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置及其風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有風(fēng)、浪、儲獨立單元均能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率輸出以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，其調(diào)頻能力在響應(yīng)速度和連續(xù)工作時間等方面有所差異，受響應(yīng)速度、支撐深度、功率穩(wěn)定性等因素限制，單獨的儲能組網(wǎng)或風(fēng)-浪組網(wǎng)方案無法應(yīng)對海島微網(wǎng)多變的工作環(huán)境，難以保障穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有控制方法未對海島微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化建模，各單元的相互作用機(jī)理不明晰，無法考慮系統(tǒng)的綜合運行性能的不足，以及現(xiàn)有的聯(lián)合發(fā)電裝置采用電氣側(cè)功率耦合的方式，不僅增加功率控制的難度，還由于引入換流器損失機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量，不利于海島環(huán)境下的系統(tǒng)穩(wěn)定，以及儲能單元和風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置在響應(yīng)速度和支撐深度上均存在一定的局限性，難以單獨承擔(dān)海島微網(wǎng)調(diào)頻任務(wù)的缺陷，提出一種風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置及其風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，通過無換流器的風(fēng)浪儲多能源組網(wǎng)結(jié)構(gòu)保留旋轉(zhuǎn)元件的慣量支撐能力，能夠有效降低風(fēng)能和波浪能的波動性，使其參與海島微網(wǎng)調(diào)頻的同時，耦合風(fēng)浪儲功率響應(yīng)及支撐的優(yōu)勢，實現(xiàn)多能源聯(lián)合參與微網(wǎng)調(diào)頻，有效提高海島微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能和生存能力。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明涉及一種風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置，包括：風(fēng)電單元、波浪能單元以及能量耦合單元，其中：通過聯(lián)軸器相連的風(fēng)電單元和波浪能單元均采用液壓傳動的形式驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)做功，二者通過聯(lián)軸器固定連接以耦合疊加風(fēng)浪功率，經(jīng)過機(jī)械能-液壓能-機(jī)械能-電能的能量轉(zhuǎn)化過程為海島微網(wǎng)供能。

4、所述的聯(lián)軸器為擁有剛度和阻尼的旋轉(zhuǎn)工件，其等效模型為慣量-彈簧-阻尼，通過扭轉(zhuǎn)形變吸收兩側(cè)的扭矩差值實現(xiàn)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡。

5、所述的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置漂浮于海上捕集風(fēng)浪能量并轉(zhuǎn)化就地轉(zhuǎn)化為電能。

6、本發(fā)明涉及一種基于上述風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，針對風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)狀態(tài)空間模型構(gòu)造微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測模型，當(dāng)發(fā)生越限時，通過預(yù)測未來n步馬達(dá)開度和下垂系數(shù)的最優(yōu)調(diào)整值并執(zhí)行其中的第1步指令后更新系統(tǒng)狀態(tài)量，當(dāng)頻率偏移量恢復(fù)到限制以內(nèi)后不再調(diào)節(jié)馬達(dá)開度，僅對下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

7、所述的海島微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型包括：

8、①系統(tǒng)頻率、馬達(dá)開度和儲能下垂系數(shù)三者的狀態(tài)空間方程以及

9、②系統(tǒng)頻率其中：pm、pb、pl、f分別為風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置輸出功率、儲能單元輸出功率、負(fù)荷需求功率以及系統(tǒng)頻率；tm為液壓馬達(dá)等效時間常數(shù)，h為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，f0、δf為頻率參考值和系統(tǒng)頻率偏差，soc、wb為儲能荷電狀態(tài)和容量，ωout為聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速；i為與矩陣a同維度的單位矩陣，ts為系統(tǒng)采樣周期，k為采樣時刻。x，u，y分別代表狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量；a，bu，bd，c分別代表離散時域下的狀態(tài)矩陣、控制量輸入矩陣、非控制量輸入矩陣以及輸出矩陣，下標(biāo)c代表連續(xù)時域下對應(yīng)的矩陣。

10、所述的微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測模型具體為：

11、其中：y(k+n|k)和u(k)分別為n步預(yù)測區(qū)間內(nèi)的輸出預(yù)測序列和控制量序列，sx，su，sd分別代表狀態(tài)預(yù)測矩陣、控制量預(yù)測矩陣和非控制量預(yù)測矩陣，δ代表兩個采樣時間內(nèi)的狀態(tài)量差值。

12、技術(shù)效果

13、本發(fā)明挖掘風(fēng)-浪-儲多能源響應(yīng)速度和支撐深度互補(bǔ)特性，通過耦合儲能單元快速響應(yīng)及風(fēng)-浪發(fā)電單元高功率長時間輸出的特性；對海島微網(wǎng)狀態(tài)空間進(jìn)行精細(xì)化建模，厘清影響系統(tǒng)綜合運行特性的系統(tǒng)變量及其相互作用機(jī)理，并選取其中的關(guān)鍵變量進(jìn)行精確約束；構(gòu)造包括：對系統(tǒng)頻率偏差、馬達(dá)開度增量以及下垂系數(shù)偏差進(jìn)行懲罰的mpc代價函數(shù)，以最小代價函數(shù)為系統(tǒng)運行優(yōu)化目標(biāo)，能兼顧功率分配和頻率優(yōu)化的多重控制目標(biāo)；設(shè)計不同場景下的自適應(yīng)代價函數(shù)，以減小功率裕度差值、降低頻率超調(diào)為優(yōu)化目標(biāo)，動態(tài)調(diào)節(jié)馬達(dá)開度增量權(quán)重的大小，實現(xiàn)風(fēng)-浪-儲多電源功率的均衡分配和頻率動態(tài)優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明耦合風(fēng)-浪-儲多電源在頻率支撐方面的優(yōu)勢，拓寬系統(tǒng)響應(yīng)微網(wǎng)頻率波動的時間尺度，提高海島微網(wǎng)的穩(wěn)定性能和生存能力；能夠有效考慮系統(tǒng)復(fù)雜狀態(tài)約束和運行約束，兼顧功率分配和頻率優(yōu)化的多重控制目標(biāo)；能根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差，自適應(yīng)調(diào)整馬達(dá)開度增量的權(quán)重的絕對大小，當(dāng)頻率偏差降低時，提高馬達(dá)開度增量的權(quán)重系數(shù)，降低風(fēng)-浪馬達(dá)響應(yīng)頻率動態(tài)偏差的靈敏度，從而實現(xiàn)風(fēng)浪功率的快速響應(yīng)，并有效避免頻率超調(diào)；能夠根據(jù)風(fēng)浪當(dāng)前功率裕度，自適應(yīng)調(diào)整馬達(dá)開度增量權(quán)重的相對大小，權(quán)重大的電源將在功率變化的過程中增加或減少更少的功率，從而減小風(fēng)浪單元的功率裕度差值，實現(xiàn)多電源功率的均衡分配。

技術(shù)特征：

1.一種風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置，其特征在于，包括：風(fēng)電單元、波浪能單元以及能量耦合單元，其中：通過聯(lián)軸器相連的風(fēng)電單元和波浪能單元均采用液壓傳動的形式驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)做功，二者通過等效為慣量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的聯(lián)軸器固定連接以耦合疊加風(fēng)浪功率，經(jīng)過機(jī)械能-液壓能-機(jī)械能-電能的能量轉(zhuǎn)化過程為海島微網(wǎng)供能；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置，其特征是，所述的波浪能單元包括：若干并聯(lián)的帶有單向閥的雙向液壓缸以及與聯(lián)軸器相連的液壓馬達(dá)，其中：向液壓缸補(bǔ)集波浪能，經(jīng)單向閥整流回路驅(qū)動可變排量液壓馬達(dá)；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置，其特征是，所述的雙向液壓缸和液壓馬達(dá)之間設(shè)有充氣式蓄能器、泄壓閥和液壓池，通過壓縮內(nèi)部空氣平抑回路中流量和壓強(qiáng)的快速變化，降低輸出功率波動，當(dāng)回路內(nèi)的壓強(qiáng)超過泄壓閥設(shè)定閾值時，多余的能量以液壓能的形式排出系統(tǒng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置，其特征是，所述的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置輸出功率及儲能單元系統(tǒng)頻率具體為：其中：pm、pb、pl、f分別為風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置基于馬達(dá)開度增量的參考值δs*的輸出功率、儲能單元輸出功率、負(fù)荷需求功率以及系統(tǒng)頻率；tm為液壓馬達(dá)等效時間常數(shù)，h為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，s代表微分環(huán)節(jié)；

5.一種基于權(quán)利要求1-4中任一所述風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征在于，針對風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)狀態(tài)空間模型構(gòu)造微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測模型，當(dāng)發(fā)生越限時，通過預(yù)測未來n步馬達(dá)開度和下垂系數(shù)的最優(yōu)調(diào)整值并執(zhí)行其中的第1步指令后更新系統(tǒng)狀態(tài)量，當(dāng)頻率偏移量恢復(fù)到限制以內(nèi)后不再調(diào)節(jié)馬達(dá)開度，僅對下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，所述的海島微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，所述的微網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測模型具體為：其中：y(k+n|k)和u(k)分別為n步預(yù)測區(qū)間內(nèi)的輸出預(yù)測序列和控制量序列，sx，su，sd分別代表狀態(tài)預(yù)測矩陣、控制量預(yù)測矩陣和非控制量預(yù)測矩陣，δ代表兩個采樣時間內(nèi)的狀態(tài)量差值，

8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，具體包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，步驟②中所述的系統(tǒng)代價函數(shù)，具體為：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，步驟⑤中所述的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換是指：考慮到馬達(dá)開度以及下垂系數(shù)快速大幅變化會引起輸出功率過響應(yīng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，此外，被控量和變化速度均有一定限制，結(jié)合代價函數(shù)以及各物理量約束，系統(tǒng)頻率暫態(tài)過程優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為以被控量增量δu(x)為優(yōu)化變量的約束優(yōu)化問題，具體為：其中：x′(k)為未定義為控制量的系統(tǒng)狀態(tài)量，如pi、λ、μ等，pb0和rb0為儲能單元額定輸出功率和額定爬坡率，kp和kr為輸出功率和爬坡率修正系數(shù)；

11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制方法，其特征是，所述的輸出功率受儲能單元荷電狀態(tài)soc約束，為分段線性函數(shù)形式，具體為：其中：a，b均為儲能輸出約束參數(shù)。

12.一種實現(xiàn)權(quán)利要求5-11中任一所述方法的風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置的風(fēng)-浪-儲海島微網(wǎng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：分別與狀態(tài)監(jiān)測裝置和執(zhí)行裝置相連的dsq控制器，該dsq控制器包括：數(shù)據(jù)存儲模塊、空間矩陣更新模塊、控制判定模塊、求解計算模塊和指令更新模塊，其中：狀態(tài)監(jiān)測裝置實時采集系統(tǒng)頻率、電壓，風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置內(nèi)的回路壓強(qiáng)、流量、馬達(dá)開度、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速以及儲能單元的荷電狀態(tài)、下垂系數(shù)等信息，并與時間序列集成形成離散的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)存儲模塊按時間存儲系統(tǒng)狀態(tài)信息，并根據(jù)精度需求向控制器傳輸系統(tǒng)狀態(tài)信息，空間矩陣更新模塊根據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息以及預(yù)先設(shè)定好的權(quán)重整定函數(shù)更新權(quán)值矩陣，控制判定模塊根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前頻率偏差值，選擇執(zhí)行的調(diào)頻指令并下發(fā)到求解計算模塊，求解計算模塊根據(jù)更新后的權(quán)值矩陣以及預(yù)先設(shè)定好的代價函數(shù)和系統(tǒng)約束，將優(yōu)化約束問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題求解，并選取控制量的第一步增量為最優(yōu)增量，指令更新模塊根據(jù)求解的控制量最優(yōu)增量更新馬達(dá)開度和下垂系數(shù)的參考指令，執(zhí)行裝置根據(jù)參考指令信息，控制伺服機(jī)構(gòu)和電子模塊調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)開度和儲能下垂系數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
一種風(fēng)浪聯(lián)合發(fā)電裝置及其風(fēng)?浪?儲海島微網(wǎng)控制方法，該發(fā)電裝置包括：風(fēng)電單元、波浪能單元以及能量耦合單元，其中：通過聯(lián)軸器相連的風(fēng)電單元和波浪能單元均采用液壓傳動的形式驅(qū)動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)做功，二者通過聯(lián)軸器固定連接以耦合疊加風(fēng)浪功率，經(jīng)過機(jī)械能?液壓能?機(jī)械能?電能的能量轉(zhuǎn)化過程為海島微網(wǎng)供能。本發(fā)明通過無換流器的風(fēng)浪儲多能源組網(wǎng)結(jié)構(gòu)保留旋轉(zhuǎn)元件的慣量支撐能力，能夠有效降低風(fēng)能和波浪能的波動性，使其參與海島微網(wǎng)調(diào)頻的同時，耦合風(fēng)浪儲功率響應(yīng)及支撐的優(yōu)勢，實現(xiàn)多能源聯(lián)合參與微網(wǎng)調(diào)頻，有效提高海島微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性能和生存能力。

技術(shù)研發(fā)人員：黃文燾,徐威武,邰能靈,王杰,張宇陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17