基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)及其優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，屬于 風(fēng)電利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)速的變化使風(fēng)機(jī)輸出功率具有波動性，嚴(yán)重影響風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。雖然可 以通過控制機(jī)組槳距角的變化來調(diào)節(jié)輸出的波動功率，但是這種控制方式只能在高風(fēng)速時 有效，且需要浪費一部分風(fēng)力資源，在風(fēng)速比較低或無風(fēng)的情況下該控制方式就不具有實 用性，因此風(fēng)力資源間歇性的特點對風(fēng)機(jī)輸出功率具有直接的影響。采用儲能技術(shù)可以改 善風(fēng)力資源間歇性引起的負(fù)面影響。將一定容量的儲能裝置應(yīng)用到風(fēng)電系統(tǒng)中，能夠平抑 風(fēng)電波動功率，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)地運行。
[0003] 本發(fā)明以基于超級電容器和蓄電池的雙饋式風(fēng)電儲能系統(tǒng)為研究對象，基于混合 儲能系統(tǒng)的電流變化率和其荷電狀態(tài)，設(shè)計一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制策略，對混合儲 能裝置的PID控制參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化。經(jīng)過仿真驗證該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)平抑風(fēng)電波動功 率，儲能裝置荷電狀態(tài)轉(zhuǎn)變適中，避免了過度充放電的狀況，從而有利于提高儲能裝置的使 用壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 發(fā)明目的
[0005] 為了解決風(fēng)電并網(wǎng)對大電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響以及現(xiàn)有控制策略的局限性，本發(fā)明 提出了一種風(fēng)力發(fā)電儲能系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，通過平抑風(fēng)電系統(tǒng)波動功率來改善并網(wǎng)電能 質(zhì)量，提高風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高能源的利于率以及儲能裝置的使用壽命。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)，其特征在于：由超級電容器和蓄電 池組成的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器連接雙饋電 機(jī)，電網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并聯(lián)，超級電容器和蓄電池分別 采用雙向DC/DC變換器連接。
[0008] 混合儲能系統(tǒng)采用高通濾波器對系統(tǒng)波動功率進(jìn)行分解，超級電容器和蓄電池的 雙向DC/DC變換器的電流控制環(huán)內(nèi)，分別采用模糊神經(jīng)PID控制器，取代了傳統(tǒng)采用的PI 控制器。
[0009] -種如上所述基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于： 對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化；首先，將電流誤差、電流誤差變化率和儲能原件的荷 電狀態(tài)作為模糊神經(jīng)控制器的輸入變量；其次，采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對系統(tǒng)輸入的 隸屬函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速率和動量因子進(jìn)行改進(jìn)，使模糊神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)控制器較傳統(tǒng)控制器具有高效性。
[0010] 優(yōu)點及效果
[0011] 本發(fā)明提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能優(yōu)化系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點：
[0012] 1、根據(jù)超級電容器與蓄電池功能互補(bǔ)性組成混合儲能裝置，通過對波動功率進(jìn)行 合理分配，使儲能裝置的使用壽命得到提高。
[0013] 2、將混合儲能元件并聯(lián)在雙饋電機(jī)直流側(cè)，較傳統(tǒng)儲能裝置采用逆變器進(jìn)行并 網(wǎng)，節(jié)省了逆變控制系統(tǒng)，使風(fēng)電儲能控制系統(tǒng)的復(fù)雜性減小。
[0014]3、混合儲能元件并通過雙向變流器進(jìn)行控制，使其對儲能元件充放電控制更具有 靈活性。
[0015] 4、對儲能元件電流控制環(huán)中采用模糊神經(jīng)PID控制方式，較傳統(tǒng)控制方式具有較 強(qiáng)的魯棒性，使風(fēng)電儲能系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量以及系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。
【附圖說明】
[0016] 圖1基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制框圖；
[0018] 圖3為模糊神經(jīng)PID控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖5為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后訓(xùn)練比較圖；
[0021] 圖6為控制系統(tǒng)含擾動信號階躍響應(yīng)對比曲線；
[0022] 圖7為風(fēng)電機(jī)組輸出功率1^和風(fēng)電并網(wǎng)功率匕示意圖；
[0023] 圖8為超級電容器和蓄電池的功率波動圖；
[0024] 圖9為超級電容器和蓄電池的荷電狀態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0026] -種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)，其特征在于：由超級電容器1和蓄 電池2組成的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器3的直流側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器4連 接雙饋電機(jī)，電網(wǎng)側(cè)變流器3連接電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)變流器3與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器4并聯(lián)，由超級電 容器1和蓄電池2分別采用雙向DC/DC變換器5連接。
[0027] 混合儲能系統(tǒng)采用高通濾波器對系統(tǒng)波動功率進(jìn)行分解，由超級電容器1和蓄電 池2的雙向DC/DC變換器的電流控制環(huán)內(nèi)，分別采用模糊神經(jīng)PID控制器，取代了傳統(tǒng)采用 的PI控制器。
[0028] 一種如上所述基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化方法，對模糊神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化；首先，將電流誤差、電流誤差變化率和儲能原件的荷電狀態(tài)作為模 糊神經(jīng)控制器的輸入變量；其次，采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對系統(tǒng)輸入的隸屬函數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化；最后，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速率和動量因子進(jìn)行改進(jìn)，使模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器較傳 統(tǒng)控制器具有高效性。
[0029] 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)，工作原理如下：
[0030] 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。將超級電容器和 蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)，儲能元件分別采用雙 向DC/DC變換器連接，使控制風(fēng)電功率輸入輸出更具有靈活性。
[0031] 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率比系統(tǒng)輸出功率參考值高時，混合儲能系統(tǒng)吸收多余的 能量；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率比系統(tǒng)輸出功率參考值低時，混合儲能系統(tǒng)將存儲的能量 釋放出來彌補(bǔ)電網(wǎng)功率需求。因此采用這種方式能有效地平抑風(fēng)電系統(tǒng)輸出的波動功率， 使風(fēng)電輸出的功率更加平滑，保證并網(wǎng)電能質(zhì)量。
[0032] 圖2為基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制框圖?；旌蟽δ芟到y(tǒng)主要 用于吸收和補(bǔ)償風(fēng)機(jī)輸出的波動功率與并網(wǎng)目標(biāo)參考功率P 4g的差值PH，則PH為混合 儲能系統(tǒng)有功功率吸收和補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)值。
[0033] 選取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的直流側(cè)輸出波動功率為P#令風(fēng)電并網(wǎng)功率Pg的低頻 分量P 4g為并網(wǎng)目標(biāo)參考功率。超級電容器功率調(diào)節(jié)迅速且適于頻繁充放電，因此將其用 于補(bǔ)償PH中的高頻分量，而蓄電池儲能容量較大功率調(diào)節(jié)速度慢，將其用于補(bǔ)償PH中的低 頻分量。采用高頻率濾波器對P H進(jìn)行功率分解，得到超級電容器功率參考值P 4s。和蓄電池 功率參考值P 4b。分別將超級電容器功率參考值P 和蓄電池功率參考值P 4b與相對應(yīng) 的儲能裝置的電壓參考值的比值作為雙向dc/dc變流器的調(diào)制電流參考值r s。、i 4b，并與 其反饋值is。、ib進(jìn)行比較，經(jīng)過PID控制器計算出儲能裝置對應(yīng)變流器開關(guān)的占空比。
[0034] 混合儲能模糊神經(jīng)PID控制器：
[0035] 模糊神經(jīng)PID控制器是由改進(jìn)粒子群算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制器和被控對象 所構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0036] 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理
[0037] 圖4為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)圖，其采用五層基于Mamdani模型。
[0038] 第一層主要有三個輸入量，分別為電流誤差e，誤差變化率（和儲能裝置荷電狀 態(tài)變化率6。第二層對輸入量進(jìn)行模糊化，且 mi=m2=m3=3,含有9個節(jié)點，其中每個節(jié)點代 表一個模糊語言值，采用高斯函數(shù)來求出每個輸入量屬于模糊語言值的隸屬度。
【主權(quán)項】
1. 一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)，其特征在于；由超級電容器（1)和蓄 電池（2)組成的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器（3)的直流側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器 (4)連接雙饋電機(jī)，電網(wǎng)側(cè)變流器（3)連接電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)變流器（3)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（4)并 聯(lián)，超級電容器（1)和蓄電池（2 )分別采用雙向DC/DC變換器（5 )連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)，其特征在于：混合 儲能系統(tǒng)采用高通濾波器對系統(tǒng)波動功率進(jìn)行分解，超級電容器（1)和蓄電池（2)的雙向 DC/DC變換器的電流控制環(huán)內(nèi)，分別采用模糊神經(jīng)PID控制器，取代了傳統(tǒng)采用的PI控制 器。
3. -種如權(quán)利要求1或2所述基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其 特征在于：對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化；首先，將電流誤差、電流誤差變化率和儲 能原件的荷電狀態(tài)作為模糊神經(jīng)控制器的輸入變量；其次，采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對 系統(tǒng)輸入的隸屬函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速率和動量因子進(jìn)行改進(jìn)，使 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器較傳統(tǒng)控制器具有高效性。
【專利摘要】本發(fā)明主要是涉及一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電混合儲能優(yōu)化系統(tǒng)，包括混合儲能系統(tǒng)和儲能元件，由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器連接雙饋電機(jī)，電網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器并聯(lián)，儲能元件分別采用雙向DC/DC變換器連接。根據(jù)超級電容器和蓄電池在功能上的互補(bǔ)性，將其并聯(lián)在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的直流側(cè)。并采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對混合儲能系統(tǒng)PID控制參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化，能夠提高儲能裝置的使用壽命。
【IPC分類】H02J3-28, G06Q10-04, G06Q50-06, H02J3-38
【公開號】CN104659798
【申請?zhí)枴緾N201310590180
【發(fā)明人】盧蕓, 趙永來
【申請人】沈陽工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2013年11月20日