風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能源管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控

江菊元，楊威達(dá),2，張 枤，林乃坦

（1.天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津 300384；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；3.天津市藍(lán)深科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

0 前言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境惡化日益加劇，人們越來越關(guān)注環(huán)境保護(hù)和新能源技術(shù)的發(fā)展.風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電是所有可再生能源中最有前景的，他們具有零污染、低輻射、永不枯竭等諸多不可取代的優(yōu)點(diǎn).近年來，世界各國都加大對風(fēng)能和太陽能產(chǎn)業(yè)的投入.隨著成本的進(jìn)一步降低，產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級以及政府財(cái)政與政策的支持，風(fēng)光互補(bǔ)智能系統(tǒng)作為一種靈活、穩(wěn)定的能源供給系統(tǒng)，將是新能源利用研究與應(yīng)用的熱點(diǎn).隨著城市化進(jìn)城的加快，國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為越來越重要的議題,與此同時(shí)能源對于社會經(jīng)濟(jì)的影響也更加深遠(yuǎn).工業(yè)生產(chǎn)的最基本條件就是能源，能源系統(tǒng)的是否能夠穩(wěn)定高效的運(yùn)行，則直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，乃至企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益.因此建立一套高效的能源系統(tǒng)就有著極為重要的意義.

風(fēng)能和太陽能都屬于可再生能源，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電固然有其不可比擬的優(yōu)勢，但是其中也存在著很多問題和技術(shù)難度.

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電所生產(chǎn)的電能多少很大程度上取決于自然環(huán)境的變化，輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等因素會直接決定風(fēng)力機(jī)以及太陽能電池板的工作狀態(tài).然而自然界中太陽能和風(fēng)能的變化既有一定的規(guī)律也存在很大的隨機(jī)性，人們很難對其進(jìn)行精確的評估的預(yù)測，所以單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電無法做到像其他類型的放電系統(tǒng)那樣提供非常穩(wěn)定的功率輸出.為了使電能供應(yīng)持續(xù)而穩(wěn)定，就必須引入儲能環(huán)節(jié)，并使風(fēng)力發(fā)電光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)互補(bǔ).

風(fēng)光互補(bǔ)電力系統(tǒng)在管理和控制方面與傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)有所區(qū)別，風(fēng)力發(fā)電模塊和光伏發(fā)電模塊為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤以及保障其安全穩(wěn)定的運(yùn)行都需要一套自身的閉環(huán)控制系統(tǒng).與此同時(shí)為了使各個(gè)發(fā)電模塊相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)，這樣就還需要一個(gè)應(yīng)用于整體能源管理系統(tǒng).

1 系統(tǒng)工作原理概述

1.1 風(fēng)力發(fā)電部分

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能中的一部分能量轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定的切入速度后帶動槳葉轉(zhuǎn)動，并通過傳動裝置帶動輪機(jī)轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生三項(xiàng)交流電.通常情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠利用的風(fēng)能是在一定的范圍以內(nèi)的，當(dāng)風(fēng)速過小時(shí)風(fēng)能不足以帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉轉(zhuǎn)動，這時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會啟動.只有風(fēng)速大于發(fā)電機(jī)的最小切入速度時(shí)發(fā)電機(jī)才能夠啟動，其輸出電能的功率與風(fēng)速的大小有著直接的關(guān)系，在這一階段，風(fēng)速大于切入速度但是又不滿足額定風(fēng)速，所以輸出的功率是不穩(wěn)定的.當(dāng)風(fēng)速達(dá)到發(fā)電機(jī)要求的額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會工作在一個(gè)比較理想的狀態(tài)，其自身的控制系統(tǒng)會對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)使其充分利用風(fēng)中的能量，并能夠以恒定的功率輸出電能，所以只有在風(fēng)速滿足額定需求是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)才能以額定功率輸出電能.對于風(fēng)力發(fā)電而言并非風(fēng)速越大越好.如果風(fēng)速過大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的調(diào)速系統(tǒng)就很難再對其進(jìn)行有效地控制，這樣就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過快以至于發(fā)電機(jī)會因此受到損壞.風(fēng)力發(fā)電機(jī)為了自我保護(hù)都會設(shè)定一個(gè)最大風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速大于這個(gè)值時(shí)，發(fā)電機(jī)自動關(guān)停，避免其受到損壞.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可由以公式(1)計(jì)算.

式中： 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率； 為葉尖端速比； 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)； 為空氣密度；為風(fēng)輪半徑； 為風(fēng)速.

1.2 光伏發(fā)電部分

光伏發(fā)電的原理是太陽能電池利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，將多個(gè)太陽能電池經(jīng)過串并聯(lián)就組成了一個(gè)光伏發(fā)電陣列，其輸出特性不同于常規(guī)的電壓源或電流源，當(dāng)電壓低于某一特定值時(shí)光伏發(fā)電陣列能夠以相對恒定的電流輸出直流電，如果輸出電壓超過這個(gè)范圍輸出電流便會急劇減小.

光伏陣列的工作狀態(tài)主要受太陽光的輻射強(qiáng)度和溫度影響，在夜晚或沒有光照的條件下無法產(chǎn)生電能，所以獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)必須與蓄電池等儲能單元相結(jié)合，才能有效的提高其持續(xù)供電的能力.此外無論光伏發(fā)電陣列還是蓄電池只能作為直流電源，如果要向交流負(fù)載供電或者并網(wǎng)供電就必須通過逆變器將其發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為特定頻率和電壓的交流電，因此逆變器也是一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的組成部分.理想PN結(jié)太陽能電池的 方程如公式 (2)所示.

式中： ， 分別是太陽能電池輸出的電流和電壓； ， 分別是太陽能電池的短路電流和PN結(jié)的反相飽和電流； 是波爾茲曼常數(shù)； 為電子電荷量； 是溫度.

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率特性Fig.1 Theoutputpower curveofw ind generator

圖2 太陽能電池的VI特性Fig.2 The VIcharacteristicsof solar cells

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以像一個(gè)區(qū)域或大型公共建筑提供給電能，若干個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及光伏發(fā)電陣列生產(chǎn)出電能，引用蓄電池進(jìn)行儲能，如圖3所示.風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過整流器將其轉(zhuǎn)化為直流電，和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)為蓄電池供電.當(dāng)蓄電池需要輸出電能時(shí)則通過逆變器再將其轉(zhuǎn)化為所需要的交流電.當(dāng)風(fēng)能和太陽能不足時(shí)蓄電池也能夠由公共電網(wǎng)進(jìn)行充電.其控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一級控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電模塊和光伏發(fā)電模塊的輸出功率控制,這部分控制主要由現(xiàn)場傳感器控制器下位機(jī)完成.第二級控制系統(tǒng)是能源管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)能源管理，通過控制電池的充放電，以及各模塊的工作方式，使系統(tǒng)達(dá)到功率平衡.在該系統(tǒng)中采用蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)，在必要時(shí)可以由市電對其進(jìn)行充電，并且分為多組，充電與放電可以同時(shí)進(jìn)行.這樣做不但增加了系統(tǒng)的可靠性，而且避免了系統(tǒng)并網(wǎng)，從而使系統(tǒng)得以簡化，降低成本.

3 能源管理策略

電能的直接來源有4個(gè)方面，分別是太陽能電池，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，蓄電池以及市電.為了最大限度的利用風(fēng)能和太陽能，并使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，所以就需要有相關(guān)的控制策略來調(diào)整各模塊的工作模式.由于既然環(huán)境的變化風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電模塊的輸出功率也會產(chǎn)生波動. 為風(fēng)力發(fā)電模塊的輸出功率， 為光伏發(fā)電模塊的輸出功率. 1， 2是根據(jù)負(fù)載所設(shè)定的兩個(gè)功率閥值 1gt; 2.當(dāng)輸出總功率下降至 2時(shí)蓄電池開始放電，當(dāng)總功率上升至 1時(shí)蓄電池開始充電.

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof thew ind-solarhybrid power system

表1 蓄電池充放電控制策略Tab.1 Controlstrategy of the battery

4 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控

數(shù)據(jù)采集與能源管理系統(tǒng)主要控制各個(gè)發(fā)電單元的運(yùn)行模式以及蓄電池的充放電，是整個(gè)能源系統(tǒng)的重要組成部分.它要具足夠的準(zhǔn)確性迅速性和穩(wěn)定性，與此同時(shí)也要操作簡易便于維護(hù).其主要組成部分包括各種傳感器，遠(yuǎn)程控制終端，以及上位機(jī).數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

4.1 遠(yuǎn)程控制終端

遠(yuǎn)程控制終端即RTU（Remote Term inal Unit）主要負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場的信號采集并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通常一個(gè)遠(yuǎn)程控制終端含有多個(gè)輸入輸出接口，能夠支持多種信號的傳輸.并且可以根據(jù)應(yīng)用需求加裝各種功能模塊.

遠(yuǎn)程測控終端主控板與各功能模塊采用通訊方式.各個(gè)模塊之間相互隔離，并且用個(gè)各自獨(dú)立的CPU.這種結(jié)構(gòu)既增加了設(shè)備的可靠性，也極大地減輕了主控板的負(fù)擔(dān)，這樣位于主控板的處理器就可以完成更加復(fù)雜的運(yùn)算、通訊任務(wù).在風(fēng)光互補(bǔ)型電力系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳輸，在第二級控制系統(tǒng)中作為控制器.現(xiàn)場的電壓電流等信號經(jīng)過傳感器變送器傳送至RTU，再由GPRS模塊發(fā)送至上位機(jī)由其對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總.

本文中所選用的遠(yuǎn)程控制終端的核心是MSC-51系列的AT89C52單片機(jī).該型單片機(jī)性能優(yōu)越，工作穩(wěn)定，可切換低功耗模式，目前應(yīng)用非常廣泛.遠(yuǎn)程控制終端與各傳感器以及外部設(shè)備通過RS485進(jìn)行通訊.在GPRS模塊中設(shè)定接收數(shù)據(jù)的上位機(jī)的IP地址，并在其中裝入SIM卡，當(dāng)上位機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)并啟動能源管理軟件后，遠(yuǎn)程控制終端便可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.該設(shè)備包含十個(gè)插槽與外部模塊進(jìn)行連接，每個(gè)插座最多支持6個(gè)數(shù)據(jù)通道，足以滿足風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中多個(gè)物理量的數(shù)據(jù)采集.圖5為遠(yuǎn)程控制終端的硬件結(jié)構(gòu).

圖4 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Dataacquisition system

圖5 遠(yuǎn)程控制終端Fig.5 Remote term inalunit

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分.上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件使用VB編程語言和SQLserver數(shù)據(jù)庫開發(fā)，在Windows XP，Windows7的系統(tǒng)環(huán)境下均可順利運(yùn)行.下位機(jī)選用Keiluvision軟件調(diào)試環(huán)境，通過GPRS無線數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.通過該遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與顯示.下位機(jī)針對單片機(jī)的程序主要包括：主程序部分、數(shù)據(jù)采集子程序、事件處理子程序、顯示刷新子程序以及通信子程序.對于下位機(jī)的監(jiān)控程序主體監(jiān)控程序該設(shè)計(jì)中其主體采用自主循環(huán)的串行順序結(jié)構(gòu).完成系統(tǒng)初始化后主程序?qū)㈨樢来涡蛘{(diào)用各個(gè)子程序.主程序流程如圖6所示.

VisualBasic是一種可視化的編程語言，它具有可視化的用戶界面、用簡單的點(diǎn)擊或拖動操作即可對程序進(jìn)行編輯、與此同時(shí)還具有完善的即使提示功能和豐富的控件，這些特點(diǎn)對程序設(shè)計(jì)都帶來了極大的便捷；Visual Basic還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫程序開發(fā)功能，能夠很好地解決復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲問題.

圖6 下位機(jī)主程序流程Fig.6 Program flow chartof lower computer

應(yīng)用VisualBasic程序編寫上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和生成歷史曲線的功能，顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括風(fēng)速，陽光輻射功率，環(huán)境溫度，光伏模塊發(fā)電功率，風(fēng)力發(fā)電模塊功率，太陽能電池板電壓電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)三項(xiàng)電壓電流，蓄電池的電壓電流以及充放電狀態(tài)等.通過工具菜單可以對通訊狀態(tài)消息記錄報(bào)警設(shè)置報(bào)警記錄公共參數(shù)用戶配置等選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示.

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面Fig.7 Display interfaceof real time data

數(shù)據(jù)的存儲通過SQLserver數(shù)據(jù)庫完成.通過VB與數(shù)據(jù)庫的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用生成曲線.VB是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想的開發(fā)工具，可以同很多按照面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)出的應(yīng)用軟件建立調(diào)用.VB對數(shù)據(jù)庫的底層控制就是在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的.該軟件的歷史曲線功能最多支持三個(gè)通道，查詢時(shí)間可自由設(shè)定.圖8為3組數(shù)據(jù)的歷史曲線.

圖8 歷史曲線顯示界面Fig.8 Display interfaceof history curve

數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如圖9所示，Unitid=1時(shí)，字段ai0-ai4分別對應(yīng)陽光輻射功率，太陽能電池板功率，太陽電池板的輸出電壓電流以及空氣溫度，字段ai9-ai11分別對應(yīng)風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓電流以和功率，ai17-ai18是電池電壓和功率總和.Unitid=2時(shí)，ai0-ai2分別對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓.

5 結(jié)論

圖9 SQL server數(shù)據(jù)表Fig.9 SQL server data sheet結(jié)論

目前在世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速.因此對于風(fēng)光互補(bǔ)型能源系統(tǒng)的研究有著很大的實(shí)際意義，本文主要研究了風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、充放電與功率控制策略.提出過對蓄電池進(jìn)行分組并且在必要時(shí)通過市電對其充電，該結(jié)構(gòu)將極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性同時(shí)又區(qū)別于常規(guī)的并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，對于相對小型的區(qū)域能源系統(tǒng)提供了新的思路.在傳統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中使用遠(yuǎn)程控制終端來來完成數(shù)據(jù)采集和控制，并為其設(shè)計(jì)了一套完整的應(yīng)用軟件從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理.

[1]周強(qiáng)，許世范.網(wǎng)上實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].工礦自動化，2003（l）：26-28.

[2]彭道剛，楊平，徐春梅等.基于DDE的分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：482-483.

[3]程軍.風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009：10-15.

[4]王洪猛.基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)研究 [D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[5]陶崢.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在能源管理中的應(yīng)用研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6]曾志英.低壓電網(wǎng)諧波分析與測試 [J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（3）：170-172.

[7]石玉明，譚立新.基于GT50/60的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) [J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（11）：114-116.

[8]門殿卿.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和算法的研究 [D].太原：太原理工大學(xué)，2011.