淺析風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)系統(tǒng)

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇淮安，223001)

1 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的日益加劇，人類面臨著前所未有的能源危機(jī)，對(duì)可再生能源的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)迫在眉睫[1]。建設(shè)高效、節(jié)能、穩(wěn)定、可靠的智能電網(wǎng)是未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)。推動(dòng)可再生能源發(fā)電技術(shù)和智能電網(wǎng)的融合，最大限度的開(kāi)發(fā)利用可再生能源顯得優(yōu)為重要。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電是所有可再生能源發(fā)電方式中，分布最為廣泛的二種方式。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，一是作為分布式電源接入電網(wǎng)；二是獨(dú)立運(yùn)行，即孤島運(yùn)行模式。

2 風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，能利用風(fēng)能和太陽(yáng)能在氣候、時(shí)間上的差異性和互補(bǔ)性，克服風(fēng)能和太陽(yáng)能固有的間歇性和隨機(jī)性缺陷。其一般由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載以及控制器單元組成。根據(jù)采用的母線結(jié)構(gòu)不同，可分為直流母線結(jié)構(gòu)和交流母線結(jié)構(gòu)[2-4]。

2.1 直流母線結(jié)構(gòu)

直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[20]如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列和蓄電池都共用一條直流母線，通過(guò)集中逆變的方式與負(fù)載或電網(wǎng)相連接。由于這種結(jié)構(gòu)只采用一個(gè)電壓逆變器，降低了系統(tǒng)投資成本，控制方法簡(jiǎn)單，且無(wú)需考慮多個(gè)微電源之間的同步問(wèn)題。但是由于這種結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性低，且只有一個(gè)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)容量較小，不能滿足未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。

圖1 直流母線風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)構(gòu)

2.2 交流母線結(jié)構(gòu)

交流母線式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率都變化的交流電，經(jīng)交-直-交(AC/DC/AC)變換器轉(zhuǎn)換成滿足負(fù)載需求的交流電輸入電網(wǎng)。太陽(yáng)能電池陣列辦出的直流電壓，先通過(guò)Boost電路升壓到較高電壓后，經(jīng)逆變器(DC/AC)轉(zhuǎn)換成工頻電輸入電網(wǎng)。電池采用鉛酸蓄電池，通過(guò)功率控制器實(shí)現(xiàn)有電能的雙向流通，充電器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理；負(fù)載進(jìn)行分級(jí)選擇，必要時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。采用交流母線微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)擴(kuò)展性，微電源分別通過(guò)逆變器接入電網(wǎng)系統(tǒng)容量較大，運(yùn)行方式更加靈活，能夠滿足用戶多樣化需求。

圖2 交流母線風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)構(gòu)

3 風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組按轉(zhuǎn)速是否變化可分為恒速風(fēng)電機(jī)和變速風(fēng)電機(jī)組。恒速風(fēng)電機(jī)組當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，這種系統(tǒng)在最初的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用非常廣泛；變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而變化，隨著電力電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐漸成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力軍。直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)與其他變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，由于取消了變速箱風(fēng)電機(jī)組壽命更長(zhǎng)、運(yùn)行效率更高以及維護(hù)更方便。但是永磁同步發(fā)電機(jī)由于電磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)其制造工藝要求更高、運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)必須采用全功率控制技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)變速，因此直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組制造成本相對(duì)較高，圖3所示為直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)。

圖3 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)一般采用功率變換器(AC/DC/AC)，本文采用由二極管組成的三相不可控制整流器(AC/DC)，將風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成幅值變化的直流電。通過(guò)Boost斬波器將電壓輪換成額定直流電壓，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制和保持逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，再經(jīng)逆變器(DC/AC)轉(zhuǎn)換成工頻交流電并入電網(wǎng)供負(fù)載使用[5-6]。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏電池陣列、儲(chǔ)能裝置、控制器和測(cè)量單元等組成的系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。光伏電池陣列輸出的電壓幅值較低，需經(jīng)過(guò)Boost斬波器將電壓升壓到較高值，才能夠轉(zhuǎn)換成滿足負(fù)載要求的工頻交流電[7-9]。光伏發(fā)電系統(tǒng)一般采用最大功率跟蹤控制方法，最常用的方法就是在光伏陣列和逆變器之間接入直流變換器(DC/DC)。通過(guò)控制直流變換器可空開(kāi)關(guān)的占比，控制太陽(yáng)陣列的端口等效電阻值，使不伏陣列輸出功率最大。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Boost斬波器將光伏電池陣列產(chǎn)生的低電壓升高到較高的直流電壓，并完成系統(tǒng)的最大功率的最大跟蹤控制。Boost斬波器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且轉(zhuǎn)換效率被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中作為直流變換器(DC/DC)。Boost斬波器根據(jù)電感電流是否斷續(xù)可分為連續(xù)工作模式、臨界工作模式和斷續(xù)三種工作狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中Boost斬波器一般都工作在連續(xù)狀態(tài)。

3.3 蓄電池

在風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)中，蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)電系統(tǒng)和光伏陣列大于負(fù)荷需求時(shí)，蓄電池將系統(tǒng)多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以備發(fā)電量不足時(shí)向負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償供電，起著消峰填谷的作用。主蓄電池在孤島運(yùn)行時(shí)，還作為主控單元維持系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定保證系統(tǒng)正常運(yùn)行[8]。鉛酸蓄電池由于其價(jià)格低、安全可靠且技術(shù)上比較完善目前已經(jīng)得到了廣泛使用。

(1)恒流充電方法

恒流充電方法是指蓄電池在充電過(guò)程中，通過(guò)不斷改變充電器的充電電壓使蓄電池的充電電流保持恒定的一種充電方法。這種控制方法具有操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著蓄電池電量的不斷增加，蓄電池接受電流能力減弱，從而將大部分充電電能用于電解水，造成浪費(fèi)。

(2)恒壓充電方法

恒壓充電是指蓄電池在充電過(guò)程中，通過(guò)控制充電器使蓄電池充電電壓保持不變的一種充電方法。充電過(guò)程中，蓄電池電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨充電時(shí)間的延長(zhǎng)不斷升高，充電電流不斷減小。這種充電方法，充電初期若蓄電池放電過(guò)深，充電電流很大，對(duì)會(huì)對(duì)蓄電池和充電器產(chǎn)生危害，從從而降低蓄電池的使用壽命。但是由于充電后期充電流很小，有效避免蓄電池發(fā)生過(guò)充。

(3)階段充電方法

階段充電方法是為了解決恒流和恒壓充電單一充電，的缺點(diǎn)所提出來(lái)的。一般可分為二階段充電和三階段充電二種方法。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，能利用風(fēng)能和太陽(yáng)能在氣候、時(shí)間上的差異性和互補(bǔ)性，克服風(fēng)能和太陽(yáng)能固有的間歇性和隨機(jī)性缺陷。其一般由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載以及控制器單元組成。