楊威達(dá),李 昂,徐瓊瓊
風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略研究
楊威達(dá)1,李 昂2,徐瓊瓊3
(1. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300457;2. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300457;3. 天津?yàn)I海概念人力資源有限公司,天津 300457)
在世界能源短缺的大背景下,風(fēng)光互補(bǔ)型能源系統(tǒng)以其較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)型,目前成為了一種被廣泛認(rèn)可的能源解決方案。風(fēng)能和太陽(yáng)能的特性,設(shè)計(jì)了一種基于遠(yuǎn)程控制終端(RTU)的風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹了其基本構(gòu)成,以及系統(tǒng)的控制策略。并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后風(fēng)光互補(bǔ)型能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究有一定指導(dǎo)意義。
風(fēng)光互補(bǔ) 遠(yuǎn)程控制終端 控制策略
風(fēng)能和太陽(yáng)能都是極具潛力的可再生能源,他們有著無(wú)污染,無(wú)輻射,永不枯竭等諸多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,開(kāi)發(fā)成本逐漸降低以及諸多政策的扶持,風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)電成為了能源研究應(yīng)用領(lǐng)域新的熱點(diǎn)[1]。風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)是一種利了風(fēng)光兩種資源的互補(bǔ)性而設(shè)計(jì)的能源系統(tǒng),相較于單獨(dú)的風(fēng)能或太陽(yáng)能發(fā)電具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。所以風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用在當(dāng)下具有非常重要的意義[2]。為證實(shí)能源解決方案的可行性,本文對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),制定控制策略,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證。
一套風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)可用于為一棟建筑或者一個(gè)區(qū)域提供能源。該系統(tǒng)中包含若干用于產(chǎn)生電能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板,以及用于儲(chǔ)能的蓄電池組。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的三相交流電可通過(guò)整流器轉(zhuǎn)化為直流電為蓄電池充電,蓄電池和太陽(yáng)能電池板的直流輸出可通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載??刂葡到y(tǒng)共分為兩級(jí),第一級(jí)是風(fēng)電機(jī)組和太陽(yáng)能電池板所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速和日照強(qiáng)度對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,保持發(fā)電機(jī)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。第二級(jí)是數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)。它主要負(fù)責(zé)并網(wǎng)裝置和蓄電池充放電的控制,同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定義的控制策略,調(diào)整各模塊的工作狀態(tài),進(jìn)行能源調(diào)度,從而保證負(fù)載耗電量以及整個(gè)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖所示[3]。
圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)用于控制各模塊的狀態(tài)切換設(shè)備以及電池的充放電控制。它的主要組成部分包括各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器,遠(yuǎn)程控制終端(RTU),無(wú)線接收設(shè)備,上位機(jī)。遠(yuǎn)程控制終端是數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)的核心,是二級(jí)控制中的主要控制器,通常情況下,一個(gè)遠(yuǎn)程控制終端會(huì)包含多種IO接口,以支持各種傳感器的數(shù)據(jù)采集。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制終端,再由遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)診斷。
圖2 數(shù)據(jù)采集與傳輸
風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)中電力的直接來(lái)源共有四個(gè),即風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、外部電網(wǎng)。要確保系統(tǒng)最大限度的運(yùn)行在平衡狀態(tài)下就需要對(duì)其制定一個(gè)有效的控制策略。由于風(fēng)電模塊和光伏模塊的輸出功率會(huì)隨著氣象條件的變化而起伏不定,所以風(fēng)光的總輸出功率是實(shí)時(shí)變化的,所以需要不斷調(diào)整各模塊的工作狀態(tài)以保持系統(tǒng)輸出總功率的相對(duì)穩(wěn)定。在下表中P代表風(fēng)電模塊的輸出功率,P代表光伏模塊的輸出功率。為防止系統(tǒng)總功率在設(shè)定點(diǎn)附近波動(dòng)而導(dǎo)致頻繁切換,故設(shè)定了1,2為兩個(gè)功率閾值,且這兩個(gè)值略高于負(fù)載的額定功率,即1>2>L。則各個(gè)工況下對(duì)系統(tǒng)工作模式的控制策略如下所示。
表1 系統(tǒng)各工作模式控制策略
為了驗(yàn)證控制策略的可行性,對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)。風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能模組的輸出會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而變化,但是系統(tǒng)通過(guò)或調(diào)整功率跟蹤狀態(tài)以及控制電池充放電,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出。
仿真模型主要由以下幾個(gè)部分組成:風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、模擬負(fù)載。具體模型如下圖所示:
圖3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真模型
風(fēng)電模塊和光伏模塊的輸出與風(fēng)速和光照可根據(jù)以下公式計(jì)算得出。
表2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
仿真結(jié)果基于以上參數(shù)的結(jié)果如下:(a)為風(fēng)電模塊輸出曲線;(b)為太陽(yáng)能模塊輸出曲線;(c)為風(fēng)光總功率輸出曲線;(d)為加入蓄電池和負(fù)載后的總線電壓曲線。
本文主要研究了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及控制策略。提出了一種模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。風(fēng)電模塊,光伏模塊,蓄電池,通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)的控制策略則通過(guò)MATLAB仿真進(jìn)行了驗(yàn)證,從仿真結(jié)果可以看出,系統(tǒng)在輸入變化的情況下仍能夠保證輸出功率的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)是一種充分利用可再生能源的方式,對(duì)于解決能源短缺的問(wèn)題具有較大價(jià)值,該研究對(duì)于今后風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
圖4 仿真結(jié)果
[1] 門(mén)殿卿. 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和算法的研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2011.
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Research of the Overall Structure and Control Strategy for Wind-solar Hybrid Power System
Yang Weida1, Li Ang2, Xu Qiongqiong3
(1. Offshore Oil Engineering CO, Ltd., Tianjin 300457, China; 2. Offshore Oil Engineering CO, Ltd., Tianjin 300457, China; 3. Tianjin Binhai Gainian H.r. Co., Ltd.,Tianjin Binhai new area 300457)
TP391.9
A
1003-4862(2021)06-0023-03
2020-11-12
楊威達(dá)(1988-)。研究方向:海洋工程,新能源,儀器儀表。Email:blusterywd@163.com