孤島式風(fēng)光柴蓄智能微網(wǎng)系統(tǒng)的研制

趙建東，楊磊，劉文輝

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京，100044）

伴隨著當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境問題和能源危機(jī)也在日益突顯，已經(jīng)成為了人類所面臨的重大威脅之一。在這種情況下，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿刃履茉窗l(fā)電方式成為研究的熱點(diǎn)，其中風(fēng)能和太陽能這2種取之不盡、用之不竭的清潔、可再生資源更是受到人們的青睞。近些年來，對于這些新型能源利用的研究也在不斷地深入。

隨著新型技術(shù)的研究應(yīng)用，尤其是電力電子接口技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，新能源的利用也在不斷進(jìn)步。微網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式電源和負(fù)荷一起作為配電系統(tǒng)的子系統(tǒng)，既能夠和大電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電，又可以獨(dú)立對用戶供電，成為可再生能源利用較好的一個(gè)解決方案[1-2]。孤島式微網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨(dú)立系統(tǒng)，基本單元一般由分布式電源、儲能裝置、控制系統(tǒng)及電力負(fù)荷組成，可以提供穩(wěn)定可靠的電能，適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和大電網(wǎng)無法直接到達(dá)區(qū)域的獨(dú)立供電[3-4]。

1 孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)

孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)可方便地利用新型能源，由于風(fēng)光資源的天然互補(bǔ)性，可以很大程度上節(jié)省蓄電池組的電量[5]，因此系統(tǒng)對風(fēng)能和太陽能采取綜合利用。孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)有能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)、能量存儲環(huán)節(jié)、能量消耗環(huán)節(jié)和控制中心和上位機(jī)5部分組成。其能量的產(chǎn)生環(huán)節(jié)又分為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油機(jī)組發(fā)電以及其他可利用的交流發(fā)電設(shè)備（預(yù)留，可擴(kuò)展）；能量儲存環(huán)節(jié)為蓄電池；能量的消耗一般主要由直流負(fù)載、交流負(fù)載2個(gè)部分組成；控制中心主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體運(yùn)行控制，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、蓄電池的保護(hù)功能、負(fù)載的運(yùn)行控制以及柴油機(jī)的啟?？刂菩盘枺ＷC整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行；上位機(jī)的作用是實(shí)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)輸出，可以查看整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)保存，便于對系統(tǒng)工作狀況進(jìn)行性能分析。

系統(tǒng)運(yùn)行要求為滿負(fù)荷負(fù)載功率500 W，平均每天連續(xù)運(yùn)行10 h。因此，配置參數(shù)為400 W/24 V的風(fēng)力機(jī)，480 W/24 V的太陽能電池，1 kW的柴油機(jī)。

圖1 孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the islanded intelligent microgrid system

2 系統(tǒng)研制

根據(jù)孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件研發(fā)工作。

2.1 基于單片機(jī)的控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)功能的分析，選用Atmega16單片機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路分為硬件和軟件兩大部分，其總體的基本結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由控制系統(tǒng)功能需求可知，控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要分為以下幾部分。

圖2 微網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the micro-grid control system

1）MEGE16及其擴(kuò)展電路，包括復(fù)位、電源、晶振等；

2）模擬信號輸入電路，MEGA16提供了8通道、10通道A/D轉(zhuǎn)換器，需要將模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的范圍；

3）工作狀態(tài)顯示電路，顯示包括光伏和風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及蓄電池的狀態(tài)（過充、正常、過放）；

4）保護(hù)電路，對蓄電池的過充和過放保護(hù)；

有數(shù)據(jù)顯示，在美國每天就有5億支吸管被遺棄（這意味著每人每天大約1.5支的消耗量）。有專門負(fù)責(zé)清理海灘垃圾的環(huán)保組織在一項(xiàng)研究中聲稱，美國各地的海灘上每年廢棄的吸管大約有75億支之多。

5）串口輸出電路，控制系統(tǒng)需要對各部件狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以評價(jià)整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的性能。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制輸出對象是兩級負(fù)載和柴油機(jī)啟停信號，實(shí)現(xiàn)的主要功能是蓄電池的充放電保護(hù)控制和柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)度。具體控制方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體運(yùn)行策略圖Fig.3 Operation strategy of the system

控制程序是基于能量調(diào)度的方法，應(yīng)用SOC（State of Charge）設(shè)置策略，根據(jù)蓄電池所處狀態(tài)，來對整個(gè)微網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的。程序在各個(gè)時(shí)間給出的設(shè)置值可以是不同的物理量，每個(gè)設(shè)置值的給出，取決于時(shí)間和邏輯判斷。結(jié)合微網(wǎng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略分析，控制程序算法如下：以蓄電池端電壓和各支路的電流為控制參數(shù)，設(shè)定特定的狀態(tài)值，根據(jù)被控參數(shù)在被控系統(tǒng)運(yùn)行期間的變化劃分為幾個(gè)工作狀況，分別做出相應(yīng)的動作進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

2.4 系統(tǒng)樣機(jī)研制

根據(jù)系統(tǒng)接線圖進(jìn)行了實(shí)際樣機(jī)組裝，其外形如圖4所示，并對樣機(jī)各部分功能進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，重點(diǎn)對控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了調(diào)試，包括關(guān)鍵控制參數(shù)的校正和運(yùn)行控制策略的實(shí)驗(yàn)。

圖4 孤島式智能微網(wǎng)系統(tǒng)樣機(jī)Fig.4 Prototype of the islanded intelligent micro-grid system

3 樣機(jī)試驗(yàn)

樣機(jī)集成后，分別做負(fù)載投切試驗(yàn)、穩(wěn)定性試驗(yàn)和超負(fù)荷試驗(yàn)，并分析了整個(gè)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)的運(yùn)行性能。

3.1 負(fù)載投切試驗(yàn)

負(fù)載的投切對供電電壓的影響同負(fù)載的功率有關(guān)，這是供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性決定的，其中對電壓影響最明顯的是蓄電池的工作狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)關(guān)閉所有充電支路，在蓄電池正常運(yùn)行的狀態(tài)下，分別選擇60 W、120 W、420 W不同大小的交流負(fù)載。其中420 W負(fù)載投入切出實(shí)驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 420 W負(fù)載投切實(shí)驗(yàn)圖Fig.5 Switching the 420 W load experiment

由圖5可以看到，初始狀態(tài)接入420 W負(fù)載，在狀態(tài)3切出負(fù)載時(shí)，蓄電池電壓由24.59 V升高到26.44 V，電壓升高了1.85 V，接近于切出和投入負(fù)載的設(shè)定值區(qū)間，雖然在允許的范圍內(nèi)，但是考慮到系統(tǒng)的安全性，不建議接入的一般負(fù)載超過420 W；輸出電壓從218.1 V升高到219.2 V，在狀態(tài)8重新投入負(fù)載時(shí)，輸出電壓從221.5降低到217.8，因?yàn)樨?fù)荷接近逆變器滿負(fù)荷，因此瞬時(shí)電壓變化較大，但是處于3%精度內(nèi)，負(fù)載可以正常工作。

3.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

基于控制策略的可行性，對系統(tǒng)做了連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為172 h，負(fù)載功率為120 W，在系統(tǒng)試運(yùn)行期間，多為日照良好無風(fēng)天氣，對于有風(fēng)的天氣只取到了一個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)。圖6描述了微網(wǎng)系統(tǒng)在一天內(nèi)24 h的運(yùn)行情況。

1）安裝地點(diǎn)的冬季可利用日照時(shí)間是6個(gè)小時(shí)，在日照充足的情況下，風(fēng)光發(fā)出的電能可以完全滿足負(fù)載的用電需求，同時(shí)對蓄電池充電；

2）在風(fēng)光不足的情況下，即在晚上的時(shí)候，系統(tǒng)的發(fā)電量不能滿足負(fù)載的需求，蓄電池對負(fù)載供電，蓄電池端電壓有所下降；

3）蓄電池端電壓變化范圍均在正常狀態(tài)下。

3.3 超負(fù)荷試驗(yàn)

為了試驗(yàn)微網(wǎng)系統(tǒng)在超負(fù)荷運(yùn)行下的性能以及柴油充電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)了900 W交流負(fù)載實(shí)驗(yàn)，一般負(fù)載為420 W，重要負(fù)載為480 W。圖7描述了實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)風(fēng)光充電電流、柴油機(jī)充電電流、負(fù)載工作電流以及蓄電池的運(yùn)行曲線。

圖6 系統(tǒng)24小時(shí)逐時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.6 Experimental hourly data of the system in 24 h

圖7 系統(tǒng)超載實(shí)驗(yàn)電流數(shù)據(jù)圖Fig.7 Current data of the overload

從圖7中可以看出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為3個(gè)階段：

1）工作狀態(tài)1到20：負(fù)載正常運(yùn)行，耗電量一部分來自風(fēng)光發(fā)電，一部分由蓄電池提供，而且由于無風(fēng)且光照強(qiáng)度不斷降低，蓄電池端電壓趨于下降趨勢。

2）工作狀態(tài)21到23：在狀態(tài)21時(shí)，Vbat=22.84 V，低于一般負(fù)載切斷電壓V2off=23 V，因此一般負(fù)載切斷，保留重要負(fù)載正常運(yùn)行，從圖中可以看到，負(fù)載電流從45.8 A降低為24.7 A。

3）工作狀態(tài)24到29：在狀態(tài)21時(shí)，Vbat=22.32 V，低于實(shí)驗(yàn)設(shè)定柴油機(jī)啟動值Vmin=22.5 V，此時(shí)開啟柴油充電機(jī)，從圖中可以看出，在狀態(tài)25時(shí)柴油機(jī)充電電流為27.0 A，并在后續(xù)工作狀態(tài)中保持穩(wěn)定，由于柴油機(jī)充電電流大于負(fù)載耗電電流，因此柴油充電機(jī)有多余能量供給蓄電池充電，可看到蓄電池端電壓有緩慢上升，這就保證了重要負(fù)載的正常工作。

綜上所述，系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行能力良好，負(fù)載穩(wěn)定可靠運(yùn)行，供電電壓精度達(dá)到實(shí)際用電需求。

4 結(jié)論

本文基于風(fēng)光柴蓄設(shè)計(jì)開發(fā)了孤島式智能微電網(wǎng)系統(tǒng)樣機(jī)，通過聯(lián)調(diào)測試和多種試驗(yàn)，驗(yàn)證了樣機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。目前，該孤島式微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)已正常投入使用達(dá)10個(gè)月之久，完全滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

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