風(fēng)光儲互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)的研究與設(shè)計

張麗瑩，陳國良，孫麗兵，吳恩美

（上海太陽能科技有限公司，上海201108）

0 引言

相對于傳統(tǒng)的石化能源，新能源具有污染小，儲量大等特點。由于風(fēng)能和光能的間歇性，風(fēng)、光獨(dú)立運(yùn)行供電系統(tǒng)很難連續(xù)穩(wěn)定的輸出能量，可利用風(fēng)光的互補(bǔ)性減輕其波動性。同時，配合儲能系統(tǒng)，通過對電能的儲存和釋放來改善風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，形成風(fēng)光儲微網(wǎng)系統(tǒng)。在多能互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)中，風(fēng)光儲系統(tǒng)之間的配合，離并網(wǎng)之間的切換，以及如何讓風(fēng)光儲組成的微網(wǎng)能夠安全可靠的運(yùn)行都是微網(wǎng)應(yīng)用和推廣需要解決的關(guān)鍵問題［1－3］。但以往的風(fēng)光儲互補(bǔ)微網(wǎng)研究主要依賴功率設(shè)備自身的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功率潮流的協(xié)調(diào)控制和保護(hù)，這種方式缺乏對整個微網(wǎng)系統(tǒng)，包括分布式電源、儲能單元以及對應(yīng)負(fù)荷的整體考慮，系統(tǒng)管理功能不完善、運(yùn)行效率較低。

本文設(shè)計了由光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和儲能系統(tǒng)組成的風(fēng)光儲互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)。考慮各分布電源之間的協(xié)調(diào)控制，提出了微網(wǎng)運(yùn)行模式和控制策略，設(shè)計了基于DSP 28335芯片的能量協(xié)調(diào)控制器，集成了風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制管理功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1 基于風(fēng)光儲互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)方案

基于風(fēng)光儲互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)由130 k W的光伏發(fā)電、20 k W的風(fēng)力發(fā)電和50 k W的儲能系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，130 k W光伏組件分為6個陣列，通過并網(wǎng)逆變器并接入交流母線上，兩臺10 k W風(fēng)機(jī)通過風(fēng)機(jī)控制器和逆變器接入交流母線，蓄電池通過50 k W儲能變流器連接到交流母線上，整個微電網(wǎng)系統(tǒng)通過共同連接點接入低壓配電網(wǎng)。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式及控制策略

微網(wǎng)系統(tǒng)包含離網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行，以及離并網(wǎng)切換3個部分。在電網(wǎng)正常的情況下，微電網(wǎng)系統(tǒng)并入電網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到新能源的最大化利用；在電網(wǎng)故障的情況下，微電網(wǎng)快速切離電網(wǎng)，并切除非敏感負(fù)荷，保障敏感負(fù)荷的不間斷供電要求，提高供電質(zhì)量。各運(yùn)行模式協(xié)調(diào)控制策略具體如下［4－5］。

1）對于本地系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行模式：

（1）設(shè)置電池逆變器工作在VF輸出模式。

（2）設(shè)置光伏和風(fēng)機(jī)變換器工作在PQ輸出模式。

（3）當(dāng)電池非過充或過放時，保持光伏和風(fēng)機(jī)的最大功率點跟蹤（MPPT，Maximum Power Point Tracking）工作狀態(tài)。

（4）當(dāng)電池過充時，控制光伏和風(fēng)機(jī)中輸出功率較小的單元工作在非MPPT狀態(tài)，其余單元工作在MPPT狀態(tài)。此時工作在非MPPT狀態(tài)的發(fā)電單元的取值用于平衡發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)功率需求之差。

（5）當(dāng)電池過放時，切除可控負(fù)荷，控制光伏和風(fēng)機(jī)工作在MPPT狀態(tài)。

2）對于本地系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行模式：

（1）設(shè)置光伏和風(fēng)機(jī)變換器工作在PQ輸出模式。

（2）設(shè)置電池逆變器工作在恒功率充電模式，當(dāng)其滿充時轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，等待下一次放電過程。

（3）由于母線電壓由電網(wǎng)電壓鎖定，可以將電網(wǎng)視為容量無限大的能量緩沖單元，因此光伏和風(fēng)機(jī)始終工作在MPPT狀態(tài)下。

3）對于離并網(wǎng)運(yùn)行模式之間的切換：

（1）當(dāng)接收到離網(wǎng)向并網(wǎng)切換的指令時，檢測本地電壓和網(wǎng)側(cè)電壓之差，在持續(xù)0.2 s保持二者差值小于并網(wǎng)電壓誤差的情況下，閉合并網(wǎng)開關(guān)。

（2）當(dāng)接收到并網(wǎng)向離網(wǎng)切換的指令時，設(shè)置儲能單元功率給定，使得本地和外部電網(wǎng)停止功率交換，之后檢測本地電壓和網(wǎng)側(cè)電壓之差，在持續(xù)0.2 s保持二者之差小于并網(wǎng)電壓誤差的情況下，斷開并網(wǎng)開關(guān)。

3 控制技術(shù)集成及能量管理控制器設(shè)計

為了實現(xiàn)風(fēng)光儲系統(tǒng)的能量管理控制算法，設(shè)計制作了帶有核心算法運(yùn)算、串口通信等功能的能量協(xié)調(diào)控制器，控制電路板如圖2所示。該能量協(xié)調(diào)控制器基于DSP＆CPLD的核心控制單元實現(xiàn)，設(shè)計了4種通信通道，具有CPLD功能擴(kuò)展模塊以及相應(yīng)的狀態(tài)量IO端口，方便控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展，具備與分布式光伏、風(fēng)力、儲能、負(fù)荷開關(guān)以及操作后臺通信控制的接口，可實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制［6］。

圖2 能量管理系統(tǒng)控制板結(jié)構(gòu)

能量協(xié)調(diào)控制器硬件功能結(jié)構(gòu)包含5個部分，分別為DSP處理器、CPLD擴(kuò)展電路、通用輸入輸出端口、模擬輸入端口、通信端口（RS-232，RS-485，CAN，USB）。各部分結(jié)構(gòu)和功能具體如下。

1）DSP處理器 DSP核心電路基于TI公司的浮點型DSP芯片TMS320C28335實現(xiàn)，該芯片和之前使用較多的TMS320C2812相似，但由定點運(yùn)算調(diào)整為浮點運(yùn)算，計算精度有所提升。與此同時，在脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生等方面也進(jìn)行了功能加強(qiáng)，可以方便實現(xiàn)更為靈活的控制方式。

2）CPLD電路 CPLD電路實現(xiàn)對于輸入輸出端口的擴(kuò)展，解決DSP外擴(kuò)端口不足的問題，型號為EPM1270T144C5的CPLD。在其原理圖設(shè)計過程中，為了實際方便，將原有的CPLD芯片的管腳歸為三類，分別利用U2A、U2B和U2C三個子模塊表示三組管腳，對應(yīng)搭建外圍電路。

3）通用輸入輸出電路 通用輸入輸出電路又名GPIO，該部分電路實現(xiàn)對DSP的GPIO電路的擴(kuò)展，其中重點實現(xiàn)的是光耦隔離功能，同時引入撥碼開關(guān)和LED狀態(tài)指示燈方便程序調(diào)試。

4）模擬輸入電路 模擬輸入電路的作用在于對輸入控制板的模擬信號進(jìn)行電平變換，以確保輸入DSP模擬輸入端的電平在0～3 V的范圍內(nèi)，其功能基于運(yùn)算電路實現(xiàn)。

5）通信電路 通信電路實現(xiàn)串口通信。同時，由于考慮到多數(shù)日常電腦并不具有串口輸入端，因此設(shè)計了基于MAX3232ECAE的USB轉(zhuǎn)串口電路，方便程序調(diào)試。

4 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的主要依賴功率設(shè)備自身調(diào)節(jié)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功率潮流的協(xié)調(diào)控制和保護(hù)的風(fēng)光儲互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)而言，本文設(shè)計的系統(tǒng)集成了系統(tǒng)管理功能，實現(xiàn)了分布式電源、儲能單元以及對應(yīng)負(fù)荷的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，滿足了整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

本文的研究成果已應(yīng)用于上海閔行區(qū)某公司廠房的風(fēng)光儲微網(wǎng)系統(tǒng)，目前已進(jìn)行了多次離并網(wǎng)切換，運(yùn)行良好。在運(yùn)行中，離網(wǎng)向并網(wǎng)切換暫態(tài)時間不超過100 ms（從接收到能量管理單元并網(wǎng)指令時刻開始計），并網(wǎng)向離網(wǎng)切換暫態(tài)時間不超過800 ms（從檢測到電網(wǎng)故障，并斷開并網(wǎng)開關(guān)時刻開始計），并離網(wǎng)切換過程中雙向變流實現(xiàn)不停機(jī)過渡。

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