離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試分析

厲 偉，李 響，邢作霞

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試分析

厲 偉，李 響，邢作霞

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓和頻率是否穩(wěn)定是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。以離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)為載體對(duì)各分布式電源輸出能力以及整體穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)分析，驗(yàn)證在離網(wǎng)模式下系統(tǒng)是否能夠保證用戶供電的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)由3 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、3 kW的光伏電池以及1 000 Ah的蓄電池組成的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不同負(fù)荷下的輸出特性來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明在不同類型負(fù)荷情況下系統(tǒng)的輸出特性維持穩(wěn)定，可以滿足用戶在不同類型負(fù)荷下正常使用。

風(fēng)光儲(chǔ)；離網(wǎng)運(yùn)行；穩(wěn)定性分析

近年來(lái)，分布式發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視，尤其是以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和蓄電池組成的基本模型得到了廣泛的推廣。文獻(xiàn)［1-2］中，作者主要闡述了太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用前景并對(duì)一體化發(fā)電站的設(shè)計(jì)進(jìn)行了構(gòu)思。文獻(xiàn)［3］中，作者結(jié)合實(shí)際案例描述了風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)展前景以及實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］中，作者針對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試平臺(tái)建立和研究。文獻(xiàn)［5］中，作者對(duì)離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的容量配置和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，均未涉及離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)研究。因此，本文在風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電站的基礎(chǔ)之上，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的輸出特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加不同類型的負(fù)荷并通過(guò)示波器來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)輸出特性，結(jié)果表明系統(tǒng)帶任何類型的負(fù)載，輸出電壓的波形始終保持穩(wěn)定，并且不隨外部負(fù)載的突變而產(chǎn)生巨大變化，可以滿足用戶的需求。

1 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)

分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內(nèi)燃機(jī)（Internal Combustion Engines）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Micro-turbines）、燃料電池（Fuel Cell）、可再生能源如太陽(yáng)能發(fā)電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風(fēng)力發(fā)電等［6-13］。離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)則是由風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及蓄電池組成的獨(dú)立系統(tǒng)，該系統(tǒng)承擔(dān)對(duì)負(fù)荷的所有供電要求。文中所提的離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能所發(fā)出的電能由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）進(jìn)行控制為蓄電池儲(chǔ)能，通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)測(cè)蓄電池的儲(chǔ)能情況。通過(guò)BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過(guò)度充電和過(guò)度放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命。通過(guò)蓄電池向系統(tǒng)中的負(fù)荷供電［14］，滿足用戶的不間斷供電。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)整體機(jī)構(gòu)圖

2 逆變器

在該系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)和光伏電池所發(fā)的電能通過(guò)PCS控制輸入到蓄電池中儲(chǔ)存，最后蓄電池通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為用戶所需的220 V交流電。逆變器的仿真模型［15］如圖2所示。

圖2 逆變器仿真模型

圖2中逆變器模型由主電路和控制電路兩部分組成，通過(guò)控制電路生成的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制主電路中逆變橋開(kāi)關(guān)管的通斷，來(lái)輸出所需的交流電。通過(guò)逆變橋之后的LC濾波器來(lái)進(jìn)行濾波，輸出理想的正弦電壓波形。利用上述逆變電路進(jìn)行仿真，通過(guò)在不同時(shí)段負(fù)載的增減測(cè)試逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性。仿真所得電壓和電流波形如圖3所示。

圖3 逆變器穩(wěn)定性分析

從仿真波形可以看出，系統(tǒng)在4.5 s時(shí)負(fù)載增加，系統(tǒng)的輸出電流降低，輸出電壓波形則保持穩(wěn)定；在8.5 s時(shí)再切除所加負(fù)載，系統(tǒng)輸出電流恢復(fù)到原始值，而輸出的電壓波形始終保持穩(wěn)定。因此可以得出，所設(shè)計(jì)逆變器的各項(xiàng)參數(shù)可以保證在系統(tǒng)所加負(fù)載變化的情況下保證系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性，可以在實(shí)際中得到應(yīng)用。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在不同類型負(fù)荷下的輸出特性，本文依托真實(shí)的離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷端空載、加入純感性負(fù)載、加入純阻性負(fù)載以及加入阻感性負(fù)載并通過(guò)示波器來(lái)對(duì)系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行觀察分析。

3.1 系統(tǒng)空載運(yùn)行

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中始終處于空載狀態(tài)，運(yùn)行10 min。得出空載運(yùn)行電壓輸出曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)空載運(yùn)行曲線

圖5 系統(tǒng)帶阻感負(fù)載的輸出電壓波形

由圖4可以看出，系統(tǒng)的輸出電壓呈標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，且無(wú)任何波動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)帶阻感性負(fù)載運(yùn)行

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中在系統(tǒng)輸出端加入阻感性負(fù)載，運(yùn)行10 min。得出帶阻感性負(fù)載運(yùn)行電壓、電流輸出曲線如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，在系統(tǒng)輸出端施加阻感性負(fù)載之后，系統(tǒng)的電壓輸出曲線出現(xiàn)諧波，但是波形穩(wěn)定無(wú)振蕩，不影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。而系統(tǒng)的電流輸出波形有了各次諧波的疊加。

3.3 系統(tǒng)帶純感性負(fù)載運(yùn)行

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中在系統(tǒng)輸出端加入純感性負(fù)載，運(yùn)行10 min。得出帶純感性負(fù)載運(yùn)行電壓、電流輸出曲線如圖7、圖8所示。

圖6 系統(tǒng)帶阻感負(fù)載的輸出電流波形

圖7 系統(tǒng)帶純感性負(fù)載的輸出電壓波形

圖8 系統(tǒng)帶純感性負(fù)載的輸出電流波形

由圖7和圖8可以看出，在系統(tǒng)輸出端施加純感性負(fù)載之后，系統(tǒng)的電壓輸出曲線無(wú)任何波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而系統(tǒng)的電流輸出波形有了各次諧波的疊加。

綜合以上系統(tǒng)帶各種類型負(fù)載所得出的輸出電壓波形可以看出，系統(tǒng)在任何時(shí)候的電壓波形均保持穩(wěn)定無(wú)振蕩。電流波形會(huì)隨著負(fù)載的變化呈現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)，并不影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)逆變器輸出電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)增加不同類型的負(fù)載，來(lái)測(cè)試系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的輸出電壓波形。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的逆變器，不論帶任何類型的負(fù)載，系統(tǒng)均保持穩(wěn)定可靠，不會(huì)受外界條件干擾，可以滿足供電的穩(wěn)定性和可靠性。

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Stability Analysis of Off?grid Wind／PV／Battery Hybrid Power System

LI Wei，LI Xiang，XING Zuo?xia
（Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China）

Voltage and frequency stability is a necessary condition for stable operation of the whole system during Off?grid wind／PV／battery hybrid power system.This paper analyses each distributed power output capability and overall stability based on Off?grid wind／PV／battery hybrid power system，verifies that the network model in vitro system is able to ensure the stability and reliability of electric?ity supply to customer.The system composed by 3 kW wind turbine system，3 kW photovoltaic cells and 1 000 Ah battery.This method can detect whether the system stable by measuring system output characteristics under different loads.Experimental results show that the output characteristics of the system under different types of load remained stable，consumers can normally be used in different types of loads.

Wind／PV／battery hybrid power system；Off?grid operation；Stability analysis

TM614

A

1004-7913（2015）06-0041-03

厲 偉（1962—），男，教授，研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代高電壓試驗(yàn)技術(shù)、高電壓絕緣、絕緣在線檢測(cè)、智能電器及測(cè)試技術(shù)。

2015-03-27）