利用先进技术,在集成光伏板、蓄电池储能和交流电网的微电网系统中实现更优的能量管理

时间:2026年3月29日
来源:Energy

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提高微电网稳定性的混合控制策略,集成光伏系统、电池储能和交流电网,通过智能算法优化负荷预测与电压控制,仿真验证其效率达95%,成本1700美元。

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G. Madhusudanan | S. Padhmanabhaiyappan
电气工程系,SRM Valliammai 工程学院,隶属于印度金奈的 Anna 大学

摘要

太阳能的应用促进了可持续性并减少了污染;然而,由于温度和辐照度等环境因素的影响,其功率输出会波动,这影响了系统的稳定性和可靠性。为了解决这个问题,提出了一种用于微电网(MG)的混合能源管理解决方案,该方案集成了光伏(PV)系统、蓄电池储能系统(BESS)和交流(AC)电网。所提出的控制方案结合了显式特征交互感知图神经网络(EFIAGNN)和多人战斗游戏启发式优化器(MBGIO),命名为 MBGIO-EFIAGNN。EFIAGNN 预测负载需求,而 MBGIO 优化最小电压偏差。目标是降低电价、提高系统可靠性并增强能源效率。利用 MATLAB 验证了系统的性能,并与现有的技术进行了分析,如 Spotted Hyena 优化器和随机森林算法(SHORFA)、深度注意力扩张残差卷积神经网络与 Flying Foxes 优化(DADRCNN-FFO)以及自适应神经模糊推理系统和粒子群优化(ANFIS-PSO)算法。所提出的策略在 1,700 美元的成本下实现了 95% 的效率,确保了在变化的太阳能和负载条件下的微电网稳定可靠运行。

引言

  • (a)
    背景
传统的基于化石燃料的电力系统面临高能耗、成本高、资源稀缺和污染等问题。[1] 为了解决这些问题,结合储能装置、转换器、柴油发电机和可再生能源(特别是太阳能)的混合微电网为偏远地区提供了高效、清洁和可持续的能源解决方案[2]。使用光伏(PV)面板为减少温室气体排放和污染提供了重要机会[3]。由于天气和季节变化,太阳能发电具有间歇性,导致功率波动和可靠性问题[4]。在微电网系统中使用太阳能 PV、BESS 和 AC 电网可以协调生产和消费,从而使可再生能源的供应不仅稳定而且可靠[5]。
  • (b)
    挑战
尽管取得了进展,但由于太阳能发电的波动,微电网系统在准确负载预测和高效资源分配方面仍面临挑战。需要智能和灵活的控制策略,以使 PV 面板、BESS 和 AC 电网有效协同工作。系统性能受到转换器效率低下和电压不稳定的影响,缺乏自适应和可扩展的管理。
  • (c)
    文献综述
  • 多项研究集中在微电网中的需求侧管理(DSM)和能源管理系统(EMS)上,探索了不同的优化和控制技术。这里回顾了其中的一些研究。
    Abouobaida 等人[6] 提出了一种用于独立直流微电网的混合能源存储和管理系统。该方法对直流系统有效,但对于需要高级协调机制的混合交流/直流微电网来说效果有限。
    Rajput 和 Lather[7] 提出了一种结合人工神经网络(ANN)和比例-积分(PI)控制的混合控制器,用于电池-超级电容器储能装置。它提高了能源利用效率,但在处理动态负载和电网集成方面存在困难。
    Asadi 等人[8] 使用粒子群优化(PSO)和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)对交流/直流微电网转换器进行协同管理,改善了逆变器电流调节和最大功率点跟踪(MPPT)。然而,在高度变化的条件下,PSO 的收敛速度较慢。
    Kumar 等人[9] 利用深度注意力扩张残差卷积神经网络(DADRCNN)和 Flying Fox 优化(FFO)改进了负载预测和成本降低。PSO 的收敛速度较慢,凸显了对鲁棒算法的需求。
    Boonraksa 等人[10] 将鲸鱼优化算法(WOA)应用于能源管理,提高了功率流和资源分配。WOA 提供了全局搜索,但收敛速度慢且调整问题较多。
    Mutlag 等人[11] 开发了一种 ANN-MPPT 技术来优化太阳能收集。虽然有效,但这些方法需要大量训练,限制了自适应 EMS 的应用。
    Charadi 等人[12] 在并网交流/直流微电网中实施了 PSO 驱动的 EMS,以优化有功和无功功率流。这种方法存在局部最优解的风险,并且在混合微电网中存在操作挑战。
    Elsisi 等人[13] 提出了一种双比例-积分(DPI)负载频率控制方案,通过引力搜索算法(GSA)对非线性水热系统进行了优化,提高了稳定性,但在将 EMS 与系统级功率管理集成方面表现出复杂性。
    Agajie 等人[14] 提出了一种分数阶模糊 PID(FO-Fuzzy-PID)控制器,用于混合可再生能源系统,并使用基于对立的 WOA(OWOA)进行了调整。确保了有效的频率和功率调节,但在 DSM 中平衡探索-利用仍然是一个挑战。
    最后,Elsisi[15] 提出了一种自适应模型预测控制(AMPC)方法,并使用改进的灰狼优化器(IGWO)进行了优化,用于自动驾驶车辆能源系统。强调了受自然启发的算法在 EMS 和 DSM 优化中的潜力。表 1 显示了近期研究的综述。
    • (d)
      研究空白和动机
    尽管正在进行关于使用深度学习的微电网能源管理(EM)策略的研究,但大多数现有解决方案存在显著缺点。传统的控制方法,如模糊逻辑、ANN 和 PI,不足以处理动态场景,如变化的负载需求和变化的太阳辐射。像 DADRCNN 和 ANFIS 这样的预测方法往往无法捕捉对准确负载预测至关重要的显式特征交互。此外,像 WOA、PSO 和 FFO 这样的优化技术在处理高维多目标问题时收敛速度慢,可能在动态微电网环境中限制性能。DSM 对于平衡富含可再生能源的微电网中的供需至关重要,需要准确的负载预测和自适应控制来有效处理动态负载变化。本文提出了 MBGIO-EFIAGNN,这是一种结合游戏启发式优化和基于图的负载预测的混合方法,以最小化电压偏差并降低微电网运营成本。
  • (e)
    新颖性
  • 在这项研究中,所提出的 MBGIO-EFIAGNN 技术有效地克服了现有微电网能源管理策略的局限性,包括对实时情况的适应能力有限、对混合交流/直流复杂情况的处理不足以及预测精度不令人满意。通过结合多人战斗游戏启发式优化器(MBGIO)进行动态电压偏差最小化以及 EFIAGNN 进行准确负载预测,该技术提高了系统稳定性和能源效率。这种混合技术在变化的可再生能源条件下提供了可扩展且成本效益高的 EM,为现代微电网提供了一种有效的方法。
  • (f)
    贡献
  • 本研究的主要贡献如下:
  • 本研究介绍了一种新的控制方法 EFIAGNN-MBGIO,用于高效管理微电网的电力和资源,该微电网结合了 PV 面板、BESS 和 AC 电网。
  • EFIAGNN 通过有效建模系统参数之间的复杂关系来准确预测负载需求。
  • MBGIO 被用于优化微电网中的电压偏差,确保稳定可靠的电力传输。
  • MBGIO-EFIAGNN 方法确保在变化条件、间歇性太阳能发电和孤岛条件下实现准确的负载预测、稳定运行和强大的微电网性能。
  • (g)
    组织结构
  • 手稿的结构如下:第 2 节概述了所提出的混合微电网 EMS 的配置。第 3 节定义了所提出的方法和相关程序。第 4 节展示了研究结果和仿真。第 5 节总结了研究内容。

    部分摘录

    微电网混合能源管理系统的配置及所提出方法的应用

    在本节中,介绍了采用所提出技术的微电网连接的 EMS。图 1 展示了所提出方法的结构及其三个主要组成部分:PV 发电系统、AC 电网、包括直流和交流负载的负载,以及电池储能系统。PV 发电机和配备 MPPT 的 DC/DC 升压转换器通过 DC 总线交换电力。双向转换器将总线连接到储能系统,实现存储

    MBGIO-EFIAGNN 技术的混合控制策略用于能源管理系统

    本节描述了根据所提出技术的能源管理控制策略,目标是在变化条件下提高系统可靠性。MBGIO-EFIAGNN 技术的主要优势在于其能够准确预测负载变化、改善电压并有效处理间歇性可再生能源。通过结合基于 EFIAGNN 的预测和 MBGIO 优化,该方法确保了弹性、成本效益高且稳定的实时 EM。

    结果与讨论

    本节展示了证明所提出技术有效性的仿真结果。这项工作使用 MATLAB 环境对 MBGIO-EFIAGNN 技术进行了仿真。仿真在配备 16 GB RAM 和 Intel(R) Core(TM) i7-9700 CPU(运行频率为 3.0 GHz)的 Dell OptiPlex 7070 工作站上完成。表 2 显示了 MBGIO-EFIAGNN 的参数设置。下面描述了所提出的 MBGIO-EFIAGNN 方法的仿真;
    图 4 显示了

    结论

    本研究通过集成 PV 面板、BESS 和 AC 电网,并使用 MBGIO-EFIAGNN 混合控制策略,为微电网(MG)系统提出了一个先进的 EM 框架。EFIAGNN 模型有效预测负载需求,而 MBGIO 动态优化电压偏差。仿真结果表明,所提出的策略实现了 95% 的效率,并将运营成本显著降低到 1,700 美元,优于现有的 SHORFA、ANFIS-PSO 和 DADRCNN-FFO 等方法。

    作者贡献声明

    G Madhusudanan:撰写——原始草稿。S. Padhmanabhaiyappan:监督

    数据可用性声明

    本研究中使用的数据是通过模拟微电网能源管理(包括 PV 面板、电池存储和 AC 电网交互)生成的。相应作者可根据合理请求提供支持研究结论的数据。

    利益冲突声明

    根据作者的说法,不存在利益冲突。

    利益声明

    作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究的工作。

    资金来源说明

    本研究未获得政府、私人或非营利金融机构的特定资助。

    竞争利益声明

    ☑作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

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