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)，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

0 引言

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。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

2 控制策略

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

3 仿真實(shí)驗(yàn)

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。

4 小結(jié)

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.

[2] 陳赟. 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)問(wèn)題研究[D].上海：上海交通大學(xué), 2009.

[3] 楊威達(dá). 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能源管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控[D].天津: 天津理工大學(xué), 2012.

[4] 邱正美. 含分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2011.

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