可再生獨立能源電站能量管理系統(tǒng)研究

徐源源

摘要：為了在偏遠的沙漠地區(qū)及海島上建立可再生獨立能源電站，本文以某沙漠地區(qū)建設的混合發(fā)電站為例，基于風能和太陽能等可再生能源，對其備用柴油機組成的混合發(fā)電站的能量管理系統(tǒng)進行研究。該系統(tǒng)對蓄電池組的電壓、電流等信號進行實時監(jiān)測，并估算蓄電池組的儲能狀態(tài)，對能流進行控制;通過無線通信模塊，將電站的狀態(tài)信息等發(fā)送到管理人員的手機上。運行結果表明，該能量管理系統(tǒng)提高了可再生能源的利用率，延長了蓄電池組的使用壽命，保證了獨立能源發(fā)電站高效、穩(wěn)定的運行。該研究對提高可再生能源的利用率、延長蓄電池使用壽命和降低發(fā)電成本具有重要意義。

關鍵詞：可再生能源; 混合發(fā)電站; 能量管理系統(tǒng); 蓄電池組; 監(jiān)測; 無線通信模塊

隨著人類社會的發(fā)展，可再生能源的利用得到廣泛重視。由于受地理氣候等自然條件的影響，可再生能源提供的電力并不穩(wěn)定，且用電端的電力使用也不穩(wěn)定，為保證用電穩(wěn)定，系統(tǒng)必須增加蓄能環(huán)節(jié)。而蓄電池是最常見的蓄能組件，若能獲取蓄電池的狀態(tài)和控制充放電電流，可很好地延長蓄電池的使用時長，降低發(fā)電成本，提高可再生能源的利用率。P.Nema等人[1-2]主要對采用可再生能源技術與柴油混合發(fā)電站進行研究;Wang Li等人[3]研究了海風風能和海浪波浪能的混合能源，并引入飛輪、壓縮空氣儲能系統(tǒng)進行能量存儲;楊蘋等人[4]論述了太陽能、風能混合發(fā)電系統(tǒng)中的新型發(fā)電機及其控制系統(tǒng)，設計了能量管理系統(tǒng)，對混合發(fā)電系統(tǒng)的電能指標進行全局優(yōu)化，從而提供穩(wěn)定的清潔能源;常一琳等人[5]論述了一種包含太陽能電池和燃料電池的復合能源管理系統(tǒng);Cai Y P等人[6]研究了混合隨機和模糊環(huán)境的可再生能源管理系統(tǒng);J.Figueiredo等人[7]詳細論述了智能建筑中可再生能源能量生產及其能源管理系統(tǒng);楊雪蛟[8]研究了家庭并離網一體光儲系統(tǒng);苗田銀[9]對大型光伏電站提出了針對性的能量管理策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和能量的優(yōu)化利用;平朝春等人[10]研究了海洋可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的并網方案、電能變換、儲能、能量管理及系統(tǒng)穩(wěn)定等電能變換與能量管理系統(tǒng)的關鍵技術;王亦新[11]建立孤島新能源發(fā)電系統(tǒng)，并進行能量管理系統(tǒng)的應用設計?；诖耍疚膶︼L力發(fā)電機和太陽能電池聯(lián)合發(fā)電進行研究，實現(xiàn)能源的互補，并將多個蓄電池組作為儲存環(huán)節(jié)，有效的解決了發(fā)電和用電功率不平衡的問題。同時，在蓄電池組儲能不足或存在大電流放電時，采用柴油發(fā)電機進行電力補充。該研究提高了可再生能源的利用率。

1 可再生獨立能源電站概述

系統(tǒng)采用將電站產生的電能以直流電形式送至直流母線，母線與蓄電池組和逆變器的輸出端相連的直流并聯(lián)方式[12]進行電能的儲存和使用?；旌夏茉窗l(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，太陽能控制器能夠實時偵測太陽能板的發(fā)電電壓，使系統(tǒng)以最大功率輸出向直流母線供電;風力發(fā)電機和備用柴油發(fā)電機分別通過相應的整流器供電，再通過逆變器將直流母線上的電壓轉換為交流電，為負載提供能量。

本文采用備用柴油機和可控負載，以實現(xiàn)更大范圍的平衡。當可再生能源不足時，則啟動備用柴油發(fā)電機，補充電能;當可再生能源過剩時，則啟動海水淡化裝置、空調和電爐等可控負載，充分利用可再生資源。

2 能流調控方法

2.1 蓄電池建模

2.2 能流控制方法

為了有效的保護蓄電池組[14-16]，電站的能量管理系統(tǒng)對蓄電池的充放電電流、化學電勢及儲存的電能進行實時監(jiān)控。當監(jiān)控指標出現(xiàn)異常時，采取相應的措施對蓄電池進行保護，避免對蓄電池組造成較大的傷害。

假定各個蓄電池組的參數相同，此假定不失一般性。定義充放電電流IL，ILH和ILL分別為充放電電流的閾值;EH和EL分別為化學電勢的最大和最小允許值;WH和WL分別為存儲電能的最大和最小允許值。

蓄電池組管理的具體措施如下：對某一蓄電池組，當IL≥ILH，或者E≥EH，且IL>0;或者Wc≥WH，且IL>0時，啟動下一蓄電池組，同時關閉此蓄電池組，延時一段時間后，繼續(xù)進行判斷。若全部蓄電池都已充滿關閉，

但是上述條件仍然滿足，則啟動可控負載，防止蓄電池大電流充電或過充;對某一蓄電池組，當IL≤ILL，或者E≤EL，且IL<0;或者Wc≤WL，且IL<0時，啟用其他蓄電池組，延時一段時間后，繼續(xù)判斷。若全部蓄電池組都已放電完畢，上述條件仍然滿足，則啟動備用柴油發(fā)電機，防止蓄電池大電流放電或過放。其中，E為蓄電池的化學電勢，而蓄電池組存儲電能Wc是蓄電池充放電實際功率在時間上的積分。然而在實際使用中，每一時刻僅有一個蓄電池組進行充放電。同時，為保證幾個蓄電池組的使用壽命均衡，蓄電池組充放電的順序遵循“先充先放，先放先充”的原則。

系統(tǒng)在運行過程中，蓄電池組的相關參數可進行適當調整。另外，統(tǒng)計各蓄電池組的充放電時間。電站能量管理流程如圖2所示。

3 能源管理系統(tǒng)設計

本文所研究的可再生獨立電站能源管理系統(tǒng)，采用西門子S7200 PLC作為下位機，上位機通過西門子軟件WinCC[17-18]對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，能量管理控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。下位機放在機房，負責數據采集和處理，同時配備觸摸屏，顯示數據和系統(tǒng)狀態(tài)，還可進行部分參數設置;上位機放在系統(tǒng)監(jiān)控室，除顯示相關數據和狀態(tài)，還包括所有參數的設置。西門子WinCC與S7-200 PLC的通信采用用于過程控制的OLE（OLE for process control，OPC）通信協(xié)議[19-20]，PC Access是S7-200 PLC專用OPC服務器。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，采用西門子GPRS模塊MD720-3進行遠程數據的發(fā)送和接收。MD720-3是一個GPRS/GSM調制解調器模塊，有終端和OPC兩種不同的操作模式，終端模式主要是發(fā)送和接收手機短信;OPC模式能夠實現(xiàn)PLC和OPC服務器SIN AUT MICRO SC之間GPRS通信。上位機WinCC操作界面和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)畫面結構主要包括系統(tǒng)狀態(tài)顯示、操作界面、趨勢視圖和報警消息等，上位機界面如圖4所示。本文所研究的獨立可再生能源電站能量管理系統(tǒng)，已在某地調試完畢，運行效果良好。

4 結束語

本文設計了基于西門子S7-200 PLC和WinCC的風能和太陽能等可再生能源以及備用柴油機組成的混合發(fā)電站的能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對蓄電池組的電壓和電流信號進行實時監(jiān)測，從而估算蓄電池組的儲能狀態(tài)，同時利用無線通信模塊，將電站的狀態(tài)信息等發(fā)送到操作管理人員的手機上。經過運行測試，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，效果良好，具有較好的應用前景。

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