混合可再生能源系统的先进控制策略：集成太阳能、风能与电池储能技术
来源：
邱健蓄电池 发布时间：2026-06-01 20:17:44 点击： 次
从电网整合的视角来看，传统上为稳定且可预测能源设计的电网基础设施，需要调整以适应间歇性电源的有效管理，这要求先进的储能解决方案和电网管理策略。本研究针对基于混合可再生能源系统（HRES）的电网基础设施，探讨了一种高效且鲁棒的控制系统的需求。该光伏系统采用集成改进型Boost-Cuk变换器的电压提升机制，通过混合磷虾群-鸡群优化算法（KH-CSO）整定的比例积分（PI）控制器进行调节。同时，双馈感应发电机（DFIG）连接至脉宽调制（PWM）整流器（由PI控制器控制）及带有蓄电池的次级储能系统。直流母线电压通过PI控制器控制的三相电压源型逆变器（3ϕ VSI）馈入三相电网。研究表明所提出的混合可再生能源系统（HRES）具有实现可持续发电的潜力，其效率高达97。7%。
引言
混合可再生能源系统（HRES）通过整合多种可再生能源以最大化能源产量、提升系统可靠性并降低环境影响[1,2]。其中一种典型配置是在微电网模型中，将光伏板与双馈感应发电机（DFIG）及蓄电池储能系统相结合[3,4]。这种微电网组合方案具有多重优势：通过纳入多种可再生能源（RES）实现发电曲线的多样化[5,6]。太阳能与风能资源的协同作用可确保全天候及不同天气条件下的持续能源输出。蓄电池储能的加入进一步平抑了功率波动，从而增强系统稳定性[7]。
由于光伏组件的输出电压在波动场景下不足，需通过转换器升压以实现与电网逆变器的并网连接[8]。直流-直流转换器根据预期应用特性与电路拓扑，通常分为非隔离型与隔离型两类[9]。隔离型转换器可通过调整变压器匝比实现升压，但变压器体积与重量的增加会导致效率降低。因此在无需电气隔离的场合，非隔离型转换器更具优势[10]。针对非隔离型高增益变换器的若干创新方案，包括开关电感/电容变换器[11]、级联变换器[12,13]、多电平变换器、电压举升变换器[14,15]以及耦合电感技术[16]，已被提出作为隔离型变换器的替代方案。此外，Zeta[17]、Boost[18]、单端初级电感变换器(SEPIC)[19]、Buck-Boost[20]和Cuk[21]等非隔离DC-DC变换器因成本效益高、体积小且易于安装而被广泛采用。最大电压增益受限及工作于过高占空比会提升器件所需的电压额定值，进而导致更大的导通损耗。为克服上述传统变换器的缺陷，本研究提出集成改进型Boost-Cuk变换器，该结构在实现最大电压增益的同时具有高效率。表I综述了具有各自优势与局限性的传统微电网模型。
选择合适的控制器对于显著改善变流器在总谐波失真（THD）、稳定时间、单位功率因数、稳态误差、上升时间、超调量等方面的性能至关重要。PI控制器因其设计简单[27]，被视为并网光伏系统中最理想的控制器方案。然而，该控制器存在非零稳态误差、负载变化期间性能下降等问题，且由于非线性特性和运行工况的变化，其参数整定过程存在困难。通过参数优化，可使控制器精准匹配系统特定需求，从而获得更优越的控制性能。近期为提高变换器性能，研究者们提出了多种优化闭环控制器方案，包括遗传算法优化的PI控制器[28]、灰狼优化算法整定的PI控制器[29]、粒子群算法优化的PI控制器[30]、用于PR控制器的蝙蝠算法[31]、布谷鸟搜索优化的PI控制器[32]、人工蚁群算法（AAC-PI）[33]、改进鲸鱼优化算法的PI控制器[34]以及飞蛾火焰优化算法的PI控制器[35]。这些算法具有高效的参数空间探索能力，能够寻找接近最优的解决方案，并适用于复杂优化问题。然而，这些方法可能存在陷入局部最优的问题，且需要精细调整算法参数以获得最佳性能。
现有文献综述揭示了当前混合可再生能源系统的若干局限性，这些局限性促使了本文所提方法的开发。尽管光伏、风电和电池储能的集成已被广泛探索以提高微电网可靠性，但其运行往往受到低效功率转换环节和次优控制策略的制约。光伏系统中使用的传统变换器普遍存在电压增益有限、占空比工作点偏高以及导通损耗增加等问题，导致系统整体效率降低。此外，包括经典PI控制器在内的多种现有控制方法以及其他优化控制器，均存在稳态误差、负载变化下暂态性能恶化或系统复杂度增加等问题。更为关键的是，部分基于优化的控制器易陷入局部最优解，且需要精细的参数整定，这限制了其在动态可再生能源环境中的适用性。因此，亟需开发一种兼具更高电压增益与效率的改进型变流器拓扑，并配套采用能增强系统稳定性、动态响应及电能质量的智能优化控制器。为突破上述技术瓶颈，本研究提出采用新型混合优化PI控制器。据此，本工作的主要创新点可归纳如下：
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该可再生能源集成微电网系统能够提升清洁能源渗透率，降低对传统电源的依赖性，并有助于构建更具可持续性和韧性的电网。
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通过采用改进型Boost-Cuk变换器，输出端电压得到提升，同时保持高转换效率。
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采用混合KH-CSO优化的PI控制器，所提出变换器的控制性能得到增强，从而改善了功率流动与电压调节效果。
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通过在微电网系统中采用配备双向变流器的电池连接PI控制器，充放电过程间的功率流动得以高效管理。
