光伏SSB蓄电池微电网中电力质量与能耗管理的集成优化

2026-08-06 17:03:41

由于天气条件的间歇性、可再生能源（RES）如光伏（PV）系统等电力电子设备的整合，以及电力需求的波动性，有效的能源管理策略至关重要。电池储能（BES）有助于在变化条件下维持微电网（MG）内的稳定性和平衡。PV系列有源电源滤波器（APF）通过解决这些挑战提升了电力质量（PQ）。本研究在光伏电池MG系统内提出了一种全面的方法。增强扰动与观测（EP&O）最大功率点追踪（MPPT）算法相比增量导电率（INC）和基础P&O方法，在追踪最大功率点（MPP）方面表现出更优越的稳定性、鲁棒性和准确性。此外，拟议的能源管理系统（EMS）优化了光伏、电气系统（BES）和电网之间的电力分配，确保负载需求管理的高效性。PV系列APF有效缓解了PQ问题，如不平衡、下陷、膨胀电压和谐波。它将总谐波失真（THD）降低到0.67%到0.7%之间。模拟结果证实了这些集成解决方案在提升机动系统内EMS和PQ方面的有效性。

简介

在没有可靠电力供应的地区，化石燃料和柴油发电机往往被高度依赖，这加剧了污染并加速了气候变化。2022年，全球燃料燃烧产生的二氧化碳排放量达到338亿吨，凸显了应对这些环境挑战的紧迫性。全球大部分能源仍来自化石燃料，包括煤炭、石油和天然气，这些排放的温室气体助长了全球变暖。2020年，全球能源消费主要由石油（31.2%）、煤炭（27.2%）和天然气（24.7%）组成，可再生能源（RES）仅占5.7%[[1]，[2]，[3]]。可再生能源对可持续发展至关重要，因为它们生产清洁能源并减少温室气体排放。光伏（PV）和风力涡轮机（WT）是可再生能源的例子，它们能够显著减少排放。通过整合光伏系统和水电等可再生能源技术，可以缓解传统化石燃料发电的环境影响，助力全球应对气候变化和推动更可持续能源未来的努力[4]。从传统的化石燃料同步发电机向基于逆变器的可再生能源系统转型，对于减缓气候变化影响和推动可持续能源实践至关重要。分布式发电系统（DGS），如沼气、生物质能、湿地和光伏系统，为减少温室气体排放并应对传统化石燃料发电的挑战提供了可持续解决方案。这些分布式能源资源的整合提升了能源可持续性，并减轻了气候变化的影响[[5]， [6]， [7]]。截至2020年底，全球RES总装机容量已超过750 GW，显示出显著增长。然而，RER产生的不稳定能源生产对电力质量（PQ）和电网稳定性构成挑战[1]。

MG是集成小规模能源生产商和可再生能源系统的地方化电力系统，为有限的消费者提供可靠的电力。这些系统可单独运行或与主电网联合运行，相较传统公用电网提供更高的能源效率和环境效益[8,9]。它们带来多项优势，包括可靠性、可再生能源整合、能源效率、成本节约、韧性、地方经济发展和环境效益。然而，实施MG面临诸如技术复杂性、监管挑战、财务障碍、运营问题、社区参与、扩展性限制、间歇性问题、复杂控制系统、监管障碍、缺乏明确法规、高初期成本、监管壁垒、技术复杂性、可扩展性问题、网络安全风险、有限的认知度以及维护要求等挑战[[10]， [11]， [12]]。

在PQ领域，多位作者记录了多种方法，旨在检测和分类不同的PQ事件，文献文献[[13]、[14]、[15]、[16]]中有所强调。PQ异常如电压下降和膨胀常见于较弱且较小的机械管中。电压失真和不平衡在孤立运行中更可能发生，而电压下降则常见于并网模式[17]。讨论的PQ缓解方法包括滤波器、控制器、补偿器、FACT设备、机器学习工具（MLT）和调谐器。这些策略对于控制谐波、调节功率以及确保电力系统网络中的电压稳定至关重要。滤波器是电气系统中不可或缺的组成部分，有助于管理谐波、电压波动和负载均衡等各种问题。它们通过控制谐波、调整实际功率和中性电流，并消除闪烁和不平衡等电压干扰来工作。滤波器对于通过最小化电压偏差、下陷和膨胀来保持电力系统的稳定性和效率至关重要[[18]， [19]， [20]]。
有源功率滤波器（APF）用于中功率应用，以主动解决电压陷波、电压失真和功率因数增强等问题[21]。这些滤波器，包括电力电子连接和被动存储单元（如电容和电感），具有快速的动态响应、小尺寸以及纠正非线性负载和谐波无功功率需求的能力。通过在源频率注入与相反相位的实际功率，APF有效抑制谐波分量，并有助于改善电气系统中的整体PQ[22]。

本文献综述将探讨两个主要领域：质量改善和能量管理。值得注意的是，现有文献通常将PQ改进和EMS分别讨论，因此它们将在不同章节中单独讨论。

本文献综述的第一部分将聚焦于混合能源系统中的能源管理。
在[23]中，作者讨论了黑寡妇优化（BWO）在MG中优化EMS以实现成本效益和电池调度的应用。他们提出了一种智能系统，利用光伏系统和BES来优化发电调度、降低成本并提升电网可靠性，考虑电池发电成本、二氧化碳排放成本和可靠性指数等因素。在参考文献[3]中，本研究讨论了住宅需求侧管理混合型RES的设计与预测控制。它整合了光伏、风能和生物电力等可再生能源，高效满足能源需求，同时减少温室气体排放和成本。作者强调EMS策略和优化技术对于经济可行且环保的能源系统设计至关重要。在参考文献[24]中，作者提出了针对具备RES和BES系统的专业消费者建筑改进的EMS。其目标是降低运营成本并延长BES的使用寿命。该策略结合了非线性电池劣化模型和灵活的负载转移方案。来自一栋商业建筑的实时数据显示，BESS单元的财务盈利能力显著提升，寿命延长。IEMS通过高效利用可再生资源，优化运营效率并促进可持续实践。在参考文献[25]中，作者讨论了一篇研究论文，介绍了一种混合技术，称为GOA-SNN策略，用于优化具需求响应的光伏-柴油电池系统中的日间EMS。该策略结合了羚羊优化算法（GOA）和尖峰神经网络（SNN），通过减少人工干预并利用先进通信，提升EMS结果。目标是通过在24小时控制范围内确定最佳激励和电源指令，改善混合能源系统（RES）的运行。在参考文献[26]中，作者提出了一个整合光伏系统、水电系统和BES等RES的MG框架。他们引入了控制层（CL）和EMS层（EMS-L），使用粒子群优化和麻雀搜索算法等优化算法。该双层系统优化了MG性能，相较传统方法实现了显著的成本降低。这些层的协同整合使能量流动动态能够细致控制，提升MG的作战效能。在参考文献[27]中，作者利用机器学习技术优化了混合电网连接的可再生能源系统，整合燃料价格动态和电池耗尽成本，以平衡可持续能源使用和成本效益。他们利用遗传算法和嵌套学习框架增强电力控制、监控消耗，并在系统内动态生成电力。在参考文献[28]中，作者讨论了交流MG系统的去中心化控制和功率管理，该系统包括BES单元、基于DFIG的WT和基于逆变器的资源。他们提出一种网格形成模式，所有电源均以电压控制运行，保持发电与用电的平衡。在参考文献[29]中，作者讨论了利用鲸鱼优化算法优化直流机车混合ESS的容量和成本。他们发现，结合电池和超级电容器相比仅使用电池，项目成本可降低12.01%，提升系统生命周期成本效益。在参考文献[1]中，作者讨论了一篇关于控制混合DC/AC中RES的研究论文。他们提出一个控制站Rategy用于调节直流总线电压，改善可再生电力供应，并确保电网故障期间MG的可靠运行。在参考文献[30]中，作者提出了一种针对电网独立混合可再生能源系统与混合储能的新型电力管理控制策略。PDO-MACNN方法结合了PDO算法和多尺度注意力卷积神经网络，优化逆变器控制器参数并预测系统性能。该方法最大限度地减少了全谐波失真（THD），保持了有功功率稳定性，并有效调节直流链路电压，优于现有算法如鲸鱼优化算法和寻标器优化算法。在参考文献[31]中，作者介绍了一种混合哈里斯鹰优化器-算术优化算法（HHHO-AOA），用于测量和设计自主机械化。该算法结合了哈里斯·霍克斯优化器和算术优化算法，以提升解的准确性和多样性。统计测试显示，与单独使用HHO或AOA相比，在性能优化方面，尤其是在可靠性、成本效益和环保性方面，产能规划有显著提升。在参考文献[32]中，作者提出了一种高效的混合能源系统EMS算法，该算法集成了柴油发电机、ESS和光伏系统。该系统优化光伏发电，保护电池，储存多余能量，并确保电力供应的可靠。这种方法提升了能源效率、系统可靠性和管理能源资源的可持续性。在参考文献[33]中，该研究论文提出了智能大学环境中智能DC-MG的EMS控制器。它采用模糊逻辑和FO-PID方法来优化如风能、光伏和BES等高爆电阻断。该控制器旨在提升PQ，最大化RES提取，并确保平稳的电力输出，从而提升成本效益和服务连续性。在参考文献[34]中，该研究论文引入了一种基于超级电容器BES的直流MG电源管理策略。该策略优化了电池与超级电容器之间的功率共享，调节直流总线电压，增强系统稳定性，延长电池寿命。研究通过模拟和实时验证评估该策略的有效性，展示了管理功率不平衡和提升MG系统性能的改进。在参考文献[35]中，作者提出了一种先进的机械医学电子信息系统（EMS），结合了NARMA-L2人工神经网络控制器与混合ESS。该系统集成了如PV/WIND、基于电池的混合储能系统和负载管理等可再生能源系统。模拟测试显示，基于电荷状态（SOC）和发电等因素，稳定性、电池寿命延长和能源分配效率有所提升。在参考文献[36]中，文本探讨了可再生能源和电动汽车（EV）集成到MG系统中的过程，分析了这对电压曲线和负载的影响。它强调了设计MG以满足多样化能源需求以及电动汽车对网络潜在影响的必要性。该研究强调了在不断发展的交通技术背景下，可持续能源实践的重要性。在参考文献[37]中，该研究探讨了在太阳能光伏组件中使用多孔鳍片以提升热管理和性能的应用。研究人员使用基于人工神经网络的多输入多输出动态系统分析环境温度和太阳辐射等操作参数。结果显示，多孔散热片显著提升热性能，增强能量转换，并为未来性能预测和系统优化提供框架。

本节将探讨使用各种APF改进PQ，包括串联APF和统一电力质量调节器（UPQC）。
[38]的作者提供了一种稳健的动态电压恢复器（DVR）控制技术。该系统旨在保护关键负载免受谐波、电压膨胀和下陷等PQ问题的影响。该策略基于不确定性与干扰估计器（UDE），增强了DVR对电网电压扰动的响应能力。该研究利用李雅普诺夫稳定性理论和实时模拟验证了系统的稳定性和有效性，展示了在复杂条件下的性能提升。在参考文献[39]中，研究论文讨论了将RES集成到DVR系统中以改善PQ的做法。它使用自适应网络模糊推理系统（ANFIS）控制器来解决PQ问题。混合RES与DVR结合，提高了电压稳定性并减少了谐波失真。本研究通过MATLAB/Simulink上的模拟结果证实了其有效性。在文献[40]中，作者介绍了一种称为连续端子滑动模式控制器（CTSMC）的控制策略，用于单相动态电压恢复器（DVR），以减少电力系统的电压波动。该控制器比超级旋转控制器收敛更快，并减少抖动。它还配备了增强型自调谐滤波器，用于补偿电压产生和栅格频率估计，实现稳定高效运行。在参考文献[41]中，文本提出了一种先进的控制策略，用于集成于超导磁性储能（SMES）中的UPQC，以增强电动汽车（EV）充电站的PQ。该方法采用了创新技术，如全通滤波器锁相环、稳健序列估计器和非线性比例积分控制器，以解决电压波动和谐波失真，提升系统效率和性能。该系统缓解了PQ问题，优化了电动汽车基础设施中的电网友好型充电运营。在参考文献[42]中，该研究论文讨论了利用基于光伏的混合APF和三电平转换器改善配电网PQ的方法。该系统使用二阶序列滤波器和比例积分控制器来控制滤波器，集成光伏系统以减少谐波电流。该系统结合了如光伏等可再生能源与先进的电力电子设备，旨在减少电压变化、谐波失真和功率损耗，从而提升电网效率和可靠性。在参考文献[43]中，文本讨论了DVR在电力系统中用于解决电压问题，如下陷、膨胀和波动。本书回顾了DVR的研究、其在网络场景中的应用、控制器策略及优化技术。该文本强调DVR在提升电力系统供电质量方面的重要性，并指出了未来的研究方向。在参考文献[44]中，文章提出了一种通过优化的模糊控制DVR来缓解电压下降和膨胀的先进方法。该方法使用模糊逻辑控制器和粒子群优化，以补偿故障条件和非线性负载下的电压扰动。它在检测和缓解干扰、减少THD以及实现准确补偿方面表现出优越的性能。在参考文献[45]中，文本提出了一种将光伏技术和锂离子BES整合到DVR系统中以提升配电网PQ的新方法。该型号使用光伏阵列作为直流电源，并使用锂离子电池作为BES。控制策略如P&O最大功率点追踪（MPPT）和模糊逻辑控制器可以减轻电压波动，这一点在低压配电系统中得到了验证。在参考文献[46]中，作者讨论了粒子群优化（PSO）在DVR中优化比例积分控制器增益的方法。他们认为，这种方法通过估算源导纳分量并最小化PI控制器增益，提升了DVR的效率、鲁棒性和跟踪能力。本研究证实了其在各种负载条件下减轻电力配电系统电压波动和谐波的有效性。在参考文献[47]中，该研究讨论了一种基于均值四分的DVR，旨在通过动态恢复扰动时的电压水平并减少电气系统中的谐波失真来改善PQ。这一创新方法通过先进的电压控制技术提升了配电系统的可靠性和稳定性。在参考文献[48]中，文本介绍了MAF-Fuzzy IR-SRF控制器系统，该系统为DVR设计，用于在不稳定的栅极条件下改善PQ。这款创新控制器旨在提升DVR性能，并保持稳定、高质量的电力供应，尤其是在电网薄弱或不稳定的情况下。在参考文献[49]中，文本讨论了在配电系统中设计和实现基于TCHB的DVR的过程。DVR采用5级TCHB逆变器拓扑，以提升补偿并减少设备数量，有效减轻电压下落、不平衡、谐波和膨胀等PQ干扰。基于单元向量模板的PI控制器相比现有的两级拓扑提升了性能。

• 1.
  传统的MPPT技术，如扰动与观察（P&O）和增量电导（INC），在可变条件下存在不稳定性和低效率，导致显著的能量损失。
• 2.
  现有的PQ解决方案如串联APF通常为传统电网设计，未能有效解决RES集成带来的独特挑战，如谐波和电压失衡。
• 3.
  在能源管理方面，传统方法常忽视RES集成引起的谐波影响，导致损耗增加、THD超过IEEE标准以及无功功率过高。

现有文献揭示了可再生能源与PQ及能源EMS集成方面存在若干关键研究空白和局限性。首先，在将PQ改进与EMS作为综合方法处理方面存在明显空白，大多数研究将它们视为独立问题，而未承认它们的相互依赖性。这种分离常常导致解决方案不完整，无法优化整体系统性能。此外，许多研究忽视了RES引入的谐波对EMS的影响，导致效率低下和损失增加，而这些损失未能得到充分解决。传统MPPT技术（如P&O和INC）的局限性也未被充分探讨，这些方法常常导致显著的损耗和不稳定性。此外，目前的研究对下沉、膨胀和失衡等关键电压扰动关注有限，这些因素可能严重影响重电的稳定性和可靠性。这些差距凸显了整合PQ和EMS、解决谐波问题并融入先进MPPT技术以提升大力化表现和稳定性的综合方法的必要性。
表1展示了本研究与现有文献的主要差异，强调该方法如何弥补研究空白，并为MG操作提供全面解决方案。

改进版P&O MPPT：

• •
  在跟踪预期最大功率点（MPP）时，在稳定性和鲁棒性方面优于INC和基础的P&O MPPT方法。
• •
  实现快速收敛。
• •
  以较低振荡提供更好的精度。

能源管理系统：

• •
  引入了用于MG系统的先进EMS算法。
• •
  优化RES与BES之间的协调。
• •
  推动可持续能源实践。

PV系列APF：

• •
  增强PV电池MG的PQ。
• •
  减轻源电压谐波。
• •
  解决与电压不平衡、电压下落和膨胀相关的问题。

如图1所示，PV电池MG的总体描述，以及增强型P&O算法和PV系列APF用于PQ改进的实现，展示了该装置的关键组成部分。
本研究提出的市场机制解决了混合电力发电系统中的若干关键问题，重点关注光伏（PV）系统等可再生能源的整合。其设计目的是减少电网的能耗，提高电网系统的利用率，预测电力系统性能，并提高可靠性。此外，它通过提供控制和调整BES的工具，推动需求侧管理，同时准确预测可再生能源储存，优化能源使用以降低成本。该机制还确保微电网的故障检测，并缓解因可再生能源集成引起的谐波、电压下降、膨胀及其他电压扰动问题。混合动力系统在经济和生态方面带来了显著的益处，能够稳定电网，并确保对各种天气条件的适应能力。
论文的新颖性可以从以下角度得到强调：
双重功能系统集成：论文提出了一种独特的系统，结合了电力质量和能源管理的两个关键角色。光伏系列有源功率滤波器（APF）不仅确保负载电压稳定，还能缓解谐波，补偿电压的下沉和膨胀，并解决不平衡电压问题，这对于将可再生能源如光伏系统整合入电网至关重要。
能源管理系统（EMS）：EMS算法优化可再生能源（RES）与电池储能（BES）之间的协调，以高效满足负载需求，推动可持续能源实践，确保在不同条件下为消费者提供可靠的电力供应。
增强型MPPT（EP&O）：引入增强型扰动与观测（EP&O）方法，克服了传统MPPT方法的局限性，提供了更好的稳定性、更快的收敛和减少振荡，从而确保在辐射和温度快速波动时，最大限度地从光伏系统中提取功率。
这种综合方法解决了电力质量和能源管理的挑战，为基于光伏的微电网提供了可靠高效的解决方案。