多模式風光互補發(fā)電控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

許慧一

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000）

風能和太陽能作為清潔的可再生能源已經(jīng)越來越受到世界各國的重視，并已應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，常規(guī)能源發(fā)電開始面臨煤炭等非可再生資源走向枯竭的局面，為了解決即將出現(xiàn)的能源危機，國內(nèi)外針對風能和太陽能發(fā)電進行深入研究，大規(guī)模并網(wǎng)或是離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計均取得了較好的成果[1-4]。

風光互補離網(wǎng)系統(tǒng)能夠解決單一能源發(fā)電時穩(wěn)定性差、隨機性強等缺點，做到取長補短，得到更加穩(wěn)定的電能輸出。通過對風光互補離網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計，對風光資源合理匹配能夠優(yōu)化系統(tǒng)輸出，在不同氣候條件下向負載穩(wěn)定供電[5]。本文設(shè)計了可根據(jù)氣候條件等因素手動或自動變換4種供電模式的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，每種模式均能達到向用戶可靠供電，最大可能的保護蓄電池的使用壽命。為了滿足用戶需求，設(shè)計時在每種供電模式下都可以選擇手動投切蓄電池組。

1 風光互補微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、太陽能電池組件、整流器、DC/DC變換器、控制器、蓄電池、逆變器、交直流負載等組成，如圖1所示。在風力發(fā)電回路，整流器的作用是將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電變成直流電，再經(jīng)過DC/DC變換器向儲能蓄電池充電；在太陽能發(fā)電回路，太陽能電池組件發(fā)出的電能同樣需經(jīng)過DC/DC變換器向儲能蓄電池充電；系統(tǒng)控制器的作用主要是保護蓄電池的壽命，防止蓄電池出現(xiàn)過充、過放等現(xiàn)象；當系統(tǒng)存在交流負載時，系統(tǒng)回路需經(jīng)逆變器將直流電逆變成交流電后供給交流負載，對于直流負載無需經(jīng)逆變器直接供電；DC/DC變換器的作用是變換風力發(fā)電機輸出電壓和光伏組件輸出電壓，得到能與蓄電池相匹配的電壓值。

2 風光系統(tǒng)模型

2.1 風機模型

當速度為v的風流過掃風面積為S的風機時，風機吸收功率P為

圖1 風光互補微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Wind-solar hybrid micro-grid structure

式中，Cp為風能利用系數(shù)；ρ為空氣密度。

通過式（1）能看出，當空氣密度和風機掃風面積一定時，風能利用系數(shù)越大，風機吸收風含功率越多，根據(jù)貝茲理論，風能理想情況下的最高利用率為0.59，大型風機為了獲得接近于0.59的風能利用系數(shù)，可通過變速等控制技術(shù)使風機工作于最佳葉尖速比。此外，風機吸收功率與風速的三次方成正比，當風機達到額定功率時，大型風機一般采取變槳等限制功率措施，防止風機損壞[6]。

2.2 光伏組件模型

2.2.1 太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)

式中，Np為太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)；Wd為負荷日平均用電量；We為太陽能電池組件日平均發(fā)電量；η1為充電修正系數(shù)；η2為直流修正系數(shù)；η3為逆變器效率修正系數(shù)。

2.2.2 太陽能電池組建串聯(lián)數(shù)

式中，Ns為太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)；Us為光伏發(fā)電系統(tǒng)工作電壓；Ue為單個太陽能電池組件標準電壓。

2.2.3 太陽能電池方陣總功率

根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽能電池方陣總功率。

式中，P為太陽能電池方陣總功率；Pe為單個太陽能電池組件的額定功率。

2.2.4 光伏組件方位角和傾角

太陽能電池方陣的發(fā)電能力要受光伏組件的方位角和傾角的影響。

太陽能電池方陣方位角的確定：

太陽能電池方陣傾角的確定一般是根據(jù)當?shù)鼐暥仍偌由?°～20°來確定太陽能方陣的最佳傾角。

2.3 蓄電池容量計算

式中，C為蓄電池的容量；I為負載工作電流；hd為蓄電池每日累計最大供電小時數(shù)；D為蓄電池連續(xù)供電天數(shù)；η4為考慮放電率修正系數(shù)、最大放電修正系數(shù)及溫度修正系數(shù)的綜合修正系數(shù)，一般取1.4。

3 風光互補控制策略

3.1 風光互補供電模式

考慮風能資源風速與太陽能資源光照強度的不穩(wěn)定性，為了便于分析，本文將風光互補發(fā)電系統(tǒng)劃成4種供電模式，具體劃分情況見表1。

表1 風光互補供電模式Tab. 1 Power supply modes of wind-solar hybrid system

自然界中風速和光照強度都會隨氣候的變化而變化。在不同的風速下，風力機發(fā)出的功率是不同的，與風速的三次方成正比；在晴天光照充足時，太陽能電池的發(fā)電也要隨光照的來向和太陽高度角的變化而有所不同。因此在離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時都要配有蓄電池，以便在風力發(fā)電或太陽能發(fā)電不足以滿足負荷需求時，能夠?qū)ω摵杉皶r補充電能，防止斷電。如表1中的模式1、模式2和模式3。

在模式1中，因自然條件等因素導(dǎo)致風光均不能發(fā)電，此時只能通過蓄電池供電，因此在設(shè)計時，蓄電池的容量必須保證在要求的天數(shù)內(nèi)不間斷向負荷供電。

在模式2中，因風速能達到切入風速而光照強度沒有達到發(fā)電要求，因此只有風力發(fā)電機發(fā)電，此時蓄電池是否供電可根據(jù)風速大小來控制，需在控制系統(tǒng)中設(shè)定一個風速值，當達到該風速時蓄電池不供電，同時還需保證蓄電池滿容量，即蓄電池電量不足時，還應(yīng)向蓄電池充電；當風速小于設(shè)定風速時，蓄電池要通過電路向負載提供電能。

在模式3中，因風速未能達到切入風速而光照強度達到發(fā)電要求，因此只有太陽能電池發(fā)電，此時蓄電池是否供電可根據(jù)光照強度來控制，需在控制系統(tǒng)中設(shè)定一個光照強度，當達到此光照強度時蓄電池不供電，同時還需保證蓄電池滿容量，即蓄電池電量不足時，還應(yīng)向蓄電池充電；當光照強度小于設(shè)定風速時，蓄電池要通過電路向負載提供電能。

在模式4中，風速和光照強度均能達到發(fā)電要求，風光同時向負載供電，而蓄電池無需向負載供電，這種模式下需保證蓄電池滿電，蓄電池電量不足時，應(yīng)向蓄電池充電。

(2)專業(yè)知識。具體到客服人員涉及的行業(yè)與企業(yè)，專業(yè)知識主要體現(xiàn)在行業(yè)背景、業(yè)務(wù)流程、產(chǎn)品知識、營銷知識、心理學(xué)知識等。

3.2 風光互補控制系統(tǒng)設(shè)計

風光互補控制系統(tǒng)可對上述4種供電模式設(shè)計程序，根據(jù)氣候條件等因素手動或自動切換4種模式，考慮偶然因素的影響，在設(shè)計時對每種供電模式下用戶的用電都可以選擇手動投切蓄電池組。如根據(jù)前面分析，當蓄電池工作在供電模式2和模式3兩種情況時，在控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)還應(yīng)考慮設(shè)定供電模式2下風速值和供電模式3下的光照強度，以便保護蓄電池的壽命，對于這兩種模式下的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)負荷實際情況優(yōu)化設(shè)計，但當系統(tǒng)因特殊原因在供電模式2和模式3設(shè)定值以上運行仍不能保證用戶用電時，可手動控制蓄電池的投入。

蓄電池控制系統(tǒng)設(shè)計時首先要考慮延長蓄電池的使用壽命，即必須對蓄電池的過放電、過充電、深度充電、負載過流和發(fā)充電等情況加以限制[7]。本文采用浮充制對蓄電池充電，這種充電方式可以在風能或光伏發(fā)電充足時，電能先滿足負載要求，剩余部分對蓄電池充電，電能不足時可于風光一起對負載供電[8]，而且在浮充狀態(tài)下蓄電池的電量不會因為蓄電池自放電而損失，這種充電方式剛好符合本文供電模式2和模式3的要求。

蓄電池充放電控制電路見圖2，充電回路有開關(guān)T1并聯(lián)在電源的輸出端，在對蓄電池充電時當檢測到蓄電池電壓達到切離電壓時，蓄電池被認為處于過充狀態(tài)，此時應(yīng)使T1導(dǎo)通，旁路電源側(cè)電流，起到“過充電保護”作用；當電源側(cè)輸出電壓小于蓄電池電壓時，VD1截止，保證蓄電池不會向電源側(cè)反向充電，起到“防反向充電保護”的作用；當出現(xiàn)過載或短路造成負載電流大于額定電流時，放電回路開關(guān)T2斷開，起到過載和短路保護的作用；當蓄電池電壓小于過放電電壓時，T2也會斷開，起到“過放電保護”的作用。T3為蓄電池投切開關(guān)。

圖2 旁路型過充放電控制器電路Fig. 2 The bypass- type charging and discharging control circuit

4 Matlab仿真分析

4.1 風光互補系統(tǒng)選型

4.1.1 工廠負荷

仿真所選工廠負荷情況如表2所示。

表2 工廠負荷情況Tab. 2 Factory loads

4.1.2 風機選型

為保證模式2下對負荷不間斷供電，風力發(fā)電機組根據(jù)最大負荷情況選型，同時考慮發(fā)電效率影響及留有適當?shù)膫溆萌萘俊ｏL機選型如表3所示。因風力發(fā)電機組是根據(jù)最大負荷選型，因此模式2下運行時風速設(shè)定值設(shè)置為額定風速。

表3 所選風力發(fā)電機組參數(shù)Tab. 3 Parameters of the wind generator chosen

4.1.3 光伏組件選型

為保證模式3下對負荷不間斷供電，光伏組件容量根據(jù)最大負荷情況選型，同時考慮發(fā)電效率影響及留有適當?shù)膫溆萌萘?。根?jù)全國主要城市年平均日照時間分布，假設(shè)工廠所在緯度為41.77°，則對應(yīng)最佳傾角為42.77°，年平均日照時間為4.6 h，太陽能方陣斜面年接收總輻射量為145 kcal/cm2，求得所選光伏組件參數(shù)如表4所示。

表4 所選光伏組件參數(shù)Tab. 4 Parameters of photovoltaic modules chosen

因光伏組件容量是根據(jù)最大負荷選型，因此模式3下運行時光照強度設(shè)定值為標準光照強度。

4.1.4 蓄電池容量選擇

為保證模式1下對負荷不間斷供電，蓄電池容量按連續(xù)最長供電天數(shù)和最大負荷情況計算。根據(jù)式（6）按滿足連續(xù)3天供電計算蓄電池總?cè)萘繎?yīng)滿足2 920 Ah。

4.2 系統(tǒng)輸出測試分析

4.2.1 模式2供電仿真分析

供電模式2仿真運行結(jié)果如圖3所示。因風機輸出功率與風速三次方成正比，當風速小于設(shè)定風速時，本文選則額定風速作為設(shè)定風速，系統(tǒng)不能滿足負荷要求，此時需導(dǎo)通蓄電池回路，補充電能，系統(tǒng)總功率輸出如圖3（e）圖所示，可見系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定。

圖3 模式2系統(tǒng)輸出特性Fig. 3 System output characteristics of mode 2

4.2.2 模式3供電仿真分析

供電模式3仿真運行結(jié)果如圖4所示。因光伏組件輸出功率與光照強度成正比，當光照強度小于設(shè)定值時，本文選擇標準光照作為設(shè)定值，系統(tǒng)不能滿足負荷要求，此時需導(dǎo)通蓄電池回路，補充電能，系統(tǒng)總功率輸出如圖4（e）圖所示，可見系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定。

圖4 模式3系統(tǒng)輸出特性Fig. 4 System output characteristics of mode 3

4.2.3 模式切換仿真分析

供電模式1切換供電模式2的仿真結(jié)果如圖5所示。在0.2 s時刻風速達到風機切入轉(zhuǎn)速，風機發(fā)電運行，但由于風速小于額定風速，蓄電池回路仍導(dǎo)通，保證系統(tǒng)向負荷可靠供電。

圖5 模式轉(zhuǎn)換輸出特性Fig. 5 Output characteristics of mode conversion

5 結(jié)語

本文基于多模式的分析方法，設(shè)計了可根據(jù)氣因素手動或自動變換供電模式的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)一共有4種工作模式，通過Matlab仿真分析，驗證了該多模式系統(tǒng)的可行性，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，能夠滿足用戶用電需求。該系統(tǒng)還可以最大限度地保護蓄電池的使用壽命。設(shè)計時在每種供電模式下都可以選擇是否手動投切蓄電池組，以達到對用戶供電的可靠性。

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