風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)

吳文健，陳曉寧，陳兵權(quán)，高洪濤

(解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007)

風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)

吳文健，陳曉寧，陳兵權(quán)，高洪濤

(解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007)

介紹了風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，對系統(tǒng)中的各工作單元進行了分析.提出了控制器是系統(tǒng)的核心部件，應(yīng)該具有最大功率點跟蹤、蓄電池優(yōu)化充電和控制柴油發(fā)電機啟停等功能的觀點，并對器件性能的選擇提出了一定的要求.

風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng);控制器;最大功率跟蹤;蓄電池;柴油發(fā)電機

在廣大的偏遠(yuǎn)地區(qū)，架線連接電網(wǎng)成本高、難度大、建設(shè)周期長，而太陽能和風(fēng)能具有取之不盡和使用便利等優(yōu)點，就地采用太陽能、風(fēng)能發(fā)電是比較好的選擇.太陽能和風(fēng)能發(fā)電受地理和氣候環(huán)境影響較大，單一采用太陽能或風(fēng)能發(fā)電都具有一定的局限性，但二者可互補，可以采用風(fēng)光互補發(fā)電［1－2］.由于遇到連續(xù)陰雨天氣或無風(fēng)天氣，太陽能和風(fēng)能發(fā)電都不能正常進行，而蓄電池存儲的電能有限，對于比較重要或供電穩(wěn)定性要求較高的負(fù)載，還需要考慮采用備用柴油發(fā)電機發(fā)電，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性.因此可采用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和柴油發(fā)電機發(fā)電一體化的供電系統(tǒng).

從發(fā)電的經(jīng)濟角度來考慮，采用風(fēng)光柴系統(tǒng)發(fā)電，即按照自然條件和負(fù)荷情況配置風(fēng)和光的發(fā)電比例以達到最佳的經(jīng)濟目標(biāo)，同時大幅度減小蓄電池組的容量.

柴油發(fā)電機平時可設(shè)計成備用狀態(tài)或小功率運行待機狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電不足和蓄電池儲能不足時，由柴油發(fā)電機補充發(fā)電，緩解發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的不足.作為備用的補充發(fā)電機，其容量可以相對較小.

1 發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，風(fēng)光柴互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要有太陽能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機、柴油發(fā)電機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Access System，DAS)、控制器、DC/DC變換器、蓄電池、逆變器等部分組成.

圖1 風(fēng)光柴互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

正常情況下太陽能和風(fēng)能發(fā)電機均能正常工作發(fā)電，發(fā)出的電能經(jīng)DC/DC和AC/DC變換器后對蓄電池進行充電.蓄電池放電時，輸出的直流電升壓后經(jīng)逆變器變換成交流電，送至電源切換器供選擇使用.如果太陽能和風(fēng)機都不能正常發(fā)電，控制器檢測到蓄電池內(nèi)的電能也不足以滿足負(fù)載需求時，啟動具有“自啟動調(diào)控”功能的柴油發(fā)電機，在10 s內(nèi)柴油發(fā)電機就能輸出滿足要求的電能，電源切換器自動切換成柴油發(fā)電機輸出.在太陽能和風(fēng)機發(fā)電正常、蓄電池重新充電到一定程度時，逆變器開始工作，輸出滿足要求后，電源切換器將自動切換過來，同時控制器向柴油發(fā)電機發(fā)出停機指令.

2 系統(tǒng)的各組成部分設(shè)計

2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由一定數(shù)量的太陽能電池板串并聯(lián)而成的光伏陣列，輔以電器連接，并配裝有內(nèi)置避雷器的分接線箱和總接線箱，輸出的為直流電［3］.

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽光跟蹤系統(tǒng)也很重要.電池板垂直面與太陽光線角度偏大，會使電池板因采集能量過少而導(dǎo)致輸出功率急劇下降.太陽的運動軌跡從早到晚都在變化，同時又隨季節(jié)的變化而變化，使得太陽的入射角和方位角總在不停變化.據(jù)研究表明，采用太陽跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定式的太陽能利用率提高30%以上［4－5］.為了使光伏陣列始終與太陽保持一個最佳的角度和位置，提高對太陽輻射能量的采集，客觀上必須使用太陽跟蹤系統(tǒng).

風(fēng)能發(fā)電機主要由風(fēng)輪、調(diào)向結(jié)構(gòu)(調(diào)整風(fēng)輪葉片工作平面和空氣流動方向的相對位置)、發(fā)電機等部件構(gòu)成.

2.2 蓄電池

儲能是風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)中的重要部分，同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用.儲能系統(tǒng)的好壞直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的好壞［2］.在實際的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中，儲能部分又是最易受損、最易消耗的部分.儲能部分主要由蓄電池、充放電器和控制器構(gòu)成.

2.2.1 蓄電池充放電策略

蓄電池的充放電主要有3種方式:循環(huán)充放電制、定期浮充制和連續(xù)浮充制［6］.在這里主要采用連續(xù)浮充制，即長期將蓄電池組并聯(lián)在負(fù)載回路上，蓄電池保持少量的充電電流，并對波動的負(fù)載電流起補償作用，正常情況下總有直流電壓加在蓄電池兩端柱上，只要蓄電池電壓低于輸入直流電源，該電源就給該蓄電池充電.當(dāng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出電能較少或完全沒電時，就啟用蓄電池對負(fù)荷供電，這樣就保證了不中斷負(fù)荷電源.

在蓄電池充放電過程中，為防止對蓄電池過充或過放造成的損害，應(yīng)設(shè)定過充和過放的電壓值.以12 V蓄電池為例，設(shè)定當(dāng)蓄電池電壓高于14.4 V時，控制器停止對蓄電池充電，防止過充;當(dāng)蓄電池電壓下降到13.6 V時，可繼續(xù)對蓄電池充電;當(dāng)蓄電池放電電壓低于10.8 V時，控制器需停止蓄電池輸出，防止過放;當(dāng)電壓升至13.2 V時，蓄電池可繼續(xù)放電.

2.2.2 蓄電池充電方式

充電是蓄電池得以持續(xù)工作的重要手段.傳統(tǒng)的充電方式可分為恒流充電、恒壓充電及恒壓限流充電.現(xiàn)在一般采用恒壓限流方法.

當(dāng)系統(tǒng)檢測到蓄電池虧電時，先采用恒流充電方式充電.為了避免產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而影響蓄電池壽命，充電電流一般為0.1倍率制.隨著充電的進行，蓄電池電動勢不斷升高，端電壓也不斷升高，一般2 V單體端電壓升至2.33 V時就不能再升了.通過和設(shè)定的電壓值比較，超過設(shè)定值時就轉(zhuǎn)入恒壓充電階段.實驗表明，以恒流充電到達限壓時，只能充進80%的電量，此后要通過恒壓充電方式來進行補充充電.隨著恒壓充電進行，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流小于0.01 C時，再延時3 h轉(zhuǎn)入浮充階段.

2.2.3 蓄電池種類選擇

常用蓄電池屬于電化學(xué)電池，把化學(xué)中的氧化還原所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，因此是一種儲藏電能的裝置.

蓄電池一般分為酸性蓄電池和堿性蓄電池兩大類.根據(jù)實際使用情況，常用的有3種:鉛酸蓄電池、堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池［6］.其中鉛酸蓄電池價格低廉、性能可靠、安全性高，且技術(shù)上又不斷進步和完善，已得到廣泛應(yīng)用.為了維持盡量長的供電時間，應(yīng)選擇儲能容量較大的蓄電池，同時兼顧使用壽命和維護方便.現(xiàn)在應(yīng)用較多的是閥控封閉式鉛酸蓄電池和富液電站鉛酸蓄電池.

2.3 DC/DC變換器和AC/DC變換器

DC/DC變換器是依靠半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動作，將某一直流電壓變換成另一個直流電壓.通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，配合電感和電容器件以連續(xù)改變直流電壓.典型的DC/DC變換器有直流斬波器和開關(guān)型 DC/DC變換器［7］.主要是對光伏直流電進行直流變換，便于對蓄電池進行充電.

AC/DC變換器是依靠半導(dǎo)體單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔涣麟娮儞Q為直流電的電路.典型的AC/DC變換器相控整流和脈沖寬度調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)整流2種.主要把風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的交流電整流成直流電，供蓄電池充電.

2.4 控制器

如圖2所示，控制器包括對采集數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換、PWM信號輸出和柴油機啟?？刂菩盘柕妮敵龉δ?其中輸出的PWM信號能實現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，實現(xiàn)對蓄電池充放電控制和實現(xiàn)逆變器輸出正弦波形的電壓.

圖2 控制器功能結(jié)構(gòu)圖

2.4.1 最大功率點跟蹤控制

光伏陣列輸出特性具有非線性特點，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響.在一定條件下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一個輸出電壓值時，電池輸出的功率才能達到最大值，即為光伏系統(tǒng)的最大功率點［8－9］.

在DC/DC變換中，通過改變PWM信號波形脈寬，相應(yīng)改變了光伏電池的輸出電壓，輸出電流也隨之改變.觀測其后的功率變化方向，根據(jù)結(jié)果調(diào)整PWM信號脈寬變化方向，直到找到光伏系統(tǒng)最大功率點.在常用的干擾觀測法、最優(yōu)梯度法中都使用PWM信號改變光伏電池的輸出電壓.

2.4.2 蓄電池充電控制

充電控制主要分并聯(lián)型、串聯(lián)型和PWM控制等.PWM控制的主回路類似于串聯(lián)型充電器，通過控制串聯(lián)開關(guān)管的導(dǎo)通脈寬，實現(xiàn)對充電電壓或電流的控制.其控制目標(biāo)可以是充電電壓也可以是充電電流，當(dāng)預(yù)置好蓄電池充電策略后，可以實現(xiàn)對蓄電池的分階段控制，實現(xiàn)按蓄電池特性進行優(yōu)化充電，并可對蓄電池的過充電進行保護.充電開始時，充電電流開通的脈寬較寬，充電電流也較大，隨著蓄電池電壓的升高，充電電流的開通脈寬將變窄，充電電流變小.當(dāng)蓄電池到達滿充電狀態(tài)后，充電電流將下降至涓流充電電流以下.

2.4.3 逆變器控制

為了使逆變器輸出滿足使用要求的正弦波電壓，需將PWM信號脈寬按正弦波的幅值調(diào)制，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動開關(guān)管依次通斷，加濾波器后其輸出的電壓波形就是正弦波.

2.4.4 柴油機啟?？刂?/p>

當(dāng)控制器檢測到風(fēng)光發(fā)電和蓄電池電量均不足時，發(fā)出柴油機啟動指令信號，柴油機進入自動啟動狀態(tài);當(dāng)柴油機啟動正常后，控制器檢測到柴油機輸出電壓、頻率穩(wěn)定，切換器自動切換到柴油發(fā)電機輸出;逆變器停止工作，風(fēng)光發(fā)電和柴油機發(fā)電均對蓄電池充電.

當(dāng)檢測到蓄電池電量高于某一值，控制器啟動逆變器工作，輸出電壓正常后，切換器切換成逆變器輸出，控制器發(fā)出柴油機停機指令信號.

一般自動柴油發(fā)電機都是在檢測到市電斷電或電壓異常等情況確認(rèn)3 s后才自動啟動，從柴油機啟動到發(fā)電機輸出電壓、頻率穩(wěn)定后自行切換一般需要15 s左右，如果出現(xiàn)柴油機不能一次順利啟動則需要耗費額外時間.這樣的電能中斷嚴(yán)重影響了一些重要設(shè)備的正常工作.而該系統(tǒng)中風(fēng)光柴控制器能提前向柴油發(fā)電機發(fā)出啟動指令信號，柴油發(fā)電機輸出電壓、頻率穩(wěn)定后自動切換，實現(xiàn)了對負(fù)載的連續(xù)、穩(wěn)定供電.

2.5 逆變器

蓄電池輸出直流電能，但大多數(shù)負(fù)載都需要交流電能.逆變器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電.此外，逆變器還具有自動穩(wěn)壓功能，可以改善風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量.

逆變器應(yīng)該有如下特點:正弦電壓穩(wěn)定;電壓和頻率在運行范圍內(nèi);可以在輸入電壓大范圍變化時繼續(xù)運行;輕負(fù)載時高效率;逆變器產(chǎn)生很少的諧波，從而避免導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞、損耗和發(fā)熱增加;對過/欠電壓、頻率和短路電流等，有足夠的保護浪涌容量;很低的空閑和無負(fù)荷損耗;電池電壓過低自動斷開;很低的音頻和射頻噪聲.

2.6 電源切換器

電源切換器用于在柴油機輸出和逆變器輸出之間進行切換.正常時使用逆變器輸出電能，當(dāng)控制器檢測到柴油機輸出正常，確認(rèn)3 s后，自動切換到柴油機輸入線路上，保證負(fù)載在不停電狀態(tài)下工作.當(dāng)蓄電池充電到一定程度，逆變器輸出電壓能正常滿足負(fù)荷時，電源切換器自動切換到逆變器輸出.

2.7 柴油機發(fā)電系統(tǒng)

柴油發(fā)電機是一種小型發(fā)電設(shè)備，是以柴油等為燃料，以柴油機為原動機帶動發(fā)電機發(fā)電的動力機械，即柴油機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，燃油是其原料，電能是其產(chǎn)品，能保證連續(xù)、正常、穩(wěn)定、安全用電［10］.小型柴油發(fā)電機主要是指30 kW以下的發(fā)電機組，視應(yīng)用場合不同而定.

2.7.1 柴油發(fā)電機的自啟動和停止

柴油發(fā)電機平時可設(shè)計成備用狀態(tài)或小功率運行待機狀態(tài).當(dāng)接收到控制器發(fā)出的啟動指令信號，柴油機進入自動啟動狀態(tài)，啟動成功后進入全速運行狀態(tài);當(dāng)接收到控制器發(fā)出的停機指令信號后，柴油機主動降速到怠速，運行3 min后正常主動停機，柴油發(fā)電機進入準(zhǔn)啟動狀態(tài).

2.7.2 自動保護

柴油發(fā)電機在運行過程中，如果出現(xiàn)油壓過低(小于0.3 MPa)、冷卻水溫過高(大于95℃)、電壓異常故障，則緊急停機，同時發(fā)出聲光報警信號.如果出現(xiàn)水溫高(大于90℃)、油溫高等故障，則僅發(fā)出聲光報警信號，提醒維護人員進行干預(yù).

2.7.3 3 次啟動功能

機組有3次啟動功能，若第1次啟動不成功，經(jīng)10 s延時后再次啟動，若第2次啟動不成功，則延時后進行第3次啟動.3次啟動中只要有1次成功，就按預(yù)先設(shè)置的程序往下運行;若連續(xù)3次啟動均不成功，則視為啟動失敗，發(fā)出聲光報警信號.

2.7.4 自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài)

柴油發(fā)電機能自動維持準(zhǔn)啟動狀態(tài).此時，機組的自動周期性預(yù)供油系統(tǒng)、油和水的自動加溫系統(tǒng)、蓄電池的自動充電裝置投入工作.

3 結(jié)語

在風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)中，如何設(shè)計和選擇合適器件特別是其中的蓄電池、控制器和逆變器，對提高風(fēng)光柴發(fā)電系統(tǒng)效能起極大的作用.

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The Wind-solar-diesel Power Generation System

WU Wen-jian，CHEN Xiao-ning，CHEN Bing-quan，GAO Hong-tao
(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

The main structure of the wind-solar-diesel power generation system and its basic working principle is introduced in the paper，and each unit of work in it is analyzed.Based on the detailed study，the paper proposes that the controller is the core of the system，and it should have the such functions as Maximum Power Point Tracking，battery charging optimization and diesel power generator start-stop control.The paper also puts forward a certain requirement on choosing the suitable components with regard to their performance.

the wind-solar-diesel power system;controller Maximum Power Point Tracking;storage battery;diesel power generator

1002－5634(2012)02－0082－04

2011－12－15

吳文健(1982—)，男，安徽黃山人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)自動化方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)