[论文解读] Mathematical Modeling of Isolated Wind-Diesel-Solar Photo Voltaic Hybrid Power System for Load Frequency Control

Bharat Pariyar, Raju Wagle|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2020

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对孤立电网运行的风-柴油-光伏混合电力系统的全面数学模型，用于调频控制（LFC），整合了风力涡轮机、柴油发电机以及采用最大功率点跟踪（MPPT）转换器的太阳能光伏系统。该系统采用传统的PI控制器，以稳定由间歇性可再生能源发电和负荷波动引起的频率偏差，展示了在孤立电网运行中系统稳定性与可靠性的提升。

ABSTRACT

This research presents the mathematical model of an isolated wind-diesel-solar PV hybrid power system with conventional proportional-plus-integral controllers for load frequency control (LFC). In order to enhance the reliability of the power supply, renewable sources such as wind and solar energy are integrated with diesel electric power generation system to supply the power for isolated loads. Isolated hybrid power system is designed to minimize the mismatch between supply and demand. Due to the unstable generation of power from wind, solar PV sources, and frequent change in load, there exist fluctuations of power generation and hence fluctuations also occur in system frequency and voltage. Conventional PI controllers are used for the load frequency control of the system to make the frequency deviation to an acceptable range. In this paper the complete mathematical modeling of system consisting of a wind turbine induction generator unit, a diesel engine synchronous alternator unit and solar photovoltaic (PV) panels with maximum power tracking converter is presented.

研究动机与目标

• 开发一种结合风能、柴油和太阳能光伏电源的孤立混合电力系统的详细数学模型。
• 解决孤立电力系统中因间歇性可再生能源发电和波动负荷需求导致的频率不稳定问题。
• 设计一种基于传统PI控制器的调频控制（LFC）策略，以将系统频率维持在可接受范围内。
• 通过最小化发电与负荷之间的不匹配，确保在离网配置下的可靠电力供应。

提出的方法

• 建立异步感应发电机风力涡轮机单元的动态方程模型，用于有功和无功功率控制。
• 开发柴油发动机同步发电机模型，包含励磁和原动机动态特性，用于频率调节。
• 集成太阳能光伏（PV）面板，并采用最大功率点跟踪（MPPT）控制以实现最优功率提取。
• 将所有组件整合为统一的系统模型，用于调频控制分析。
• 应用传统的比例-积分（PI）控制器，以调节因负荷变化引起的频率偏差。
• 在不同负荷和可再生能源发电条件下，对完整混合系统进行仿真，以评估LFC性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对孤立电网运行的风-柴油-光伏混合系统进行数学建模？
• RQ2 风能、柴油和光伏电源之间在维持频率稳定性方面的动态相互作用是什么？
• RQ3 在负荷和可再生能源发电波动的情况下，传统PI控制器在最小化频率偏差方面的有效性如何？
• RQ4 间歇性可再生能源对孤立电力系统中频率和电压的影响是什么？
• RQ5 风能和光伏系统的集成是否能够降低柴油依赖性，同时保持可靠的频率控制？

主要发现

• 所提出的混合系统模型成功捕捉了在不同运行条件下风能、柴油和光伏组件的动态行为。
• 尽管存在负荷和可再生能源发电的波动，传统PI控制器仍能有效将频率偏差控制在可接受范围内。
• 风能和光伏电源的集成显著降低了柴油燃料消耗，并提高了系统可靠性。
• 当系统受到负荷变化和可再生能源间歇性影响时，表现出稳定运行，频率振荡极小。
• 采用MPPT控制的太阳能光伏系统确保了最优功率提取，有助于提升整体系统效率。
• 该数学模型为孤立混合电力系统的进一步控制优化和实时仿真提供了基础。