適用于季節(jié)性用電臺區(qū)電力設備監(jiān)測的風光互補備電系統(tǒng)方案

李志峰，劉林清

（國網(wǎng)河南西峽縣供電公司，河南 南陽 473550）

關鍵字：風光能互補發(fā)電；市電檢測；逆變輸出；通信控制；電源系統(tǒng)

1 系統(tǒng)需求

近年來，電力系統(tǒng)中季節(jié)性用電、時段性、周期性用電（如階段性生產(chǎn)用電的企業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、排灌抗旱等）的臺區(qū)大量增加，當臺區(qū)處于長時間不使用狀態(tài)時，為了降低鐵損、銅損及其他損耗，會斷開跌落保險。此時，因無電源，以至于主站無法對現(xiàn)場采集終端、電能表進行監(jiān)控，使得該部分電力設備處于脫離控制狀態(tài)。一方面設備狀態(tài)安全性無法控制，另一方面制約了電力公司抄表成功率、費控執(zhí)行成功率、線損等指標數(shù)據(jù)的完整性、準確性。

所以應利用風光能互補發(fā)電，結合應用更廣泛更成熟的蓄電池蓄能技術和現(xiàn)代電力電子技術，設計研發(fā)一套“發(fā)電+充電+蓄能+市電檢測+實時逆變輸出”的電源系統(tǒng)，作為臺區(qū)的輔助電源，在臺區(qū)主線路停電時，實時投入，保證采集終端、智能電能表仍有可靠的電源供電，有效解決臺區(qū)停電時，主站無法對現(xiàn)場采集終端、電能表進行監(jiān)控的問題。

2 風光互補備電系統(tǒng)構成

本項目研究的風、光能離線式臺區(qū)備電系統(tǒng)，是一種利用風光能互補發(fā)電技術，結合應用更廣泛更成熟的蓄電池蓄能技術和現(xiàn)代電力電子技術，具有發(fā)電、充電、蓄能、市電檢測、實時切換逆變輸出以及通信控制功能的電源系統(tǒng)。

作為臺區(qū)的輔助電源，在臺區(qū)主線路未停電時，利用風、光進行發(fā)電、蓄能，監(jiān)測主線路市電輸入是否正常，當主線路停電時，設備實時投入備電，保證采集終端、智能電能表仍有可靠的電源供電，有效解決臺區(qū)停電時，主站無法對現(xiàn)場采集終端、電能表進行遠抄、遠控的問題。

2.1 系統(tǒng)設計及邏輯電路

風光互補，充分利用兩者能源的特點，使得系統(tǒng)可全天候工作，保證能源供應。風光發(fā)電具備各自的特點需要分別處理，根據(jù)風能的特點，因其發(fā)電過程是機械能向電能轉化的過程，電機轉化的電能只能是交流電（交流13～25 V）；太陽能的特點是光能向電能轉化，輸出的是直流電（18 V）。要想給蓄電池（12 V）充電，需要全部轉化為直流電，因此，由于二者的特性不同，需要在風能發(fā)電的后端加入整流穩(wěn)壓電路，讓風能和太陽能充分結合，以達到需要的結果。由于二者都具有間歇性、不穩(wěn)定性，考慮兩者的功率均衡問題，需選取專用的功率控制芯片及相關充電均衡邏輯判斷解決二者的非線性優(yōu)化問題。最終形成以太陽能電池、風力發(fā)電機為供電源，充分利用太陽能與風能的互補特性，配比一定儲能蓄電池，通過一套智能交直流逆變能量控制系統(tǒng)，合理分配優(yōu)化太陽能和風能二種間歇性能源，從而穩(wěn)定輸出交流電，保證臺區(qū)電網(wǎng)計量、監(jiān)測、控制設備正常在線運行。

2.2 系統(tǒng)組成及邏輯電路設計

備電系統(tǒng)由4部分構成。

發(fā)電模塊：由風力發(fā)電機組包括風葉、電機、風電控制器，太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括光伏板、光伏控制器。使風能和光能轉換為電能，如圖1所示。

圖1 發(fā)電模塊

蓄電模塊：由蓄電池模塊成，配合控制系統(tǒng)進行能源儲存、供能。蓄電池模塊采取12 V并聯(lián)設計，可根據(jù)需求便捷增減容量，并配置電池保護板保護，如圖2所示。

圖2 蓄電模塊

逆變輸出模塊：通過逆變器控制，將太陽能電池和蓄電池中的直流電能變換成交流電能，純正弦波輸出保證電力設備的正常運行。逆變器內(nèi)部主要采用TL496組成的穩(wěn)壓逆變電路，TL496是一種固定頻率脈寬調制電路，經(jīng)過相關電路設計能夠達到所需要求提供穩(wěn)定的輸出。主要指標：輸入電壓DC 10—14.5 V；輸出電壓AC200—220V±10%；輸出頻率50 Hz±1%；轉換效率大于85%。電路圖如圖3所示。

圖3 逆變模塊

控制模塊：包括主控CPU、能效均能調節(jié)器、充放電控制器、狀態(tài)傳感器、繼電器模塊等組成，完成風光互補系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對于蓄電池組充電的自動控制?？刂葡到y(tǒng)以CPU與能效均能調節(jié)器為核心，對狀態(tài)傳感器獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)及各組件工作電壓、電流情況進行分析處理，通過對控制繼電器模塊的控制和能效均能調節(jié)器的調節(jié)，使各組件處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 控制模塊

3 系統(tǒng)工作原理及能耗控制優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作時有兩種工作狀態(tài)，未投運（儲能）模式和投運（供能）模式。

作為臺區(qū)的備用電源，在臺區(qū)主線路未停電時，利用風、光模塊進行發(fā)電、蓄能，設備處于未投運（儲能）模式。設備實時監(jiān)測主線路市電是否正常，當主線路停電時，設備切換投運（供能）模式，線路切換，逆變電路部分工作，開始輸出電能，采集終端、智能電能表繼續(xù)運行。

未投運（儲能）模式工作原理：發(fā)電系統(tǒng)將風力發(fā)電機、太陽能板轉換的電能，分別先進行交流轉直流、直流電壓調節(jié)穩(wěn)壓調節(jié)，然后經(jīng)過能效均能調節(jié)器的調節(jié)將非線性的發(fā)電電能進行優(yōu)化疊加，最終經(jīng)充電芯片控制將電能儲存到蓄電池中。

投運（供能）模式工作原理：主線路斷電后自動進入，此時逆變器投入工作將蓄電池中的電能轉換成純正玄波交流電輸出，供給外部設備消耗使用。同時通過能量控制管理系統(tǒng)，控制風力發(fā)電機、太陽能板發(fā)電電能的接入功率與儲能蓄電池的放電功率，合理分配到逆變系統(tǒng)中進行輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的長時間節(jié)能、穩(wěn)定運行。

3.2 風光互補系統(tǒng)能效均能調控制

風光互補系統(tǒng)是通過一套能量管理系統(tǒng)控制實現(xiàn)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多種分布式能源的綜合優(yōu)化，合理分配出力，系統(tǒng)集成風、光、儲能源的綜合預報功能，為能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供預測數(shù)據(jù)。

能效均能調控系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。系統(tǒng)并網(wǎng)前，檢測蓄電池組、并網(wǎng)逆變器狀態(tài)，當系統(tǒng)正常，系統(tǒng)接入風光發(fā)電組件，進行實時發(fā)電功率檢測，不符則切除，復合則通過對應的交直流轉換（風電）、直流電壓調節(jié)后接入能效均能調節(jié)器。通過能效均能調節(jié)器，檢測風機與光伏組件可以輸出發(fā)電的實時功率進行風光互補的控制策略，進行發(fā)電電能進行優(yōu)化疊加；若風機或光伏組件某項不能正常工作，也不影響另一路的發(fā)電運行。當設備處于逆變輸出狀態(tài)時，逆變器所需的能源也會通過能效均能調器進行調節(jié)。系統(tǒng)實時檢測發(fā)電功率，發(fā)電功率達標充足時提高實時發(fā)電功率在能源輸出消耗中的占比，以減輕對蓄電池的消耗。

圖5 系統(tǒng)原理圖

能效均能調器通過調節(jié)限制風機的發(fā)電輸出功率、光伏的發(fā)電輸出功率與蓄電池放電輸出功率（逆變的輸出工作時）的功率，實時加大優(yōu)質能源在整體能源中的占比，實現(xiàn)系統(tǒng)能源的均衡疊加穩(wěn)定的。若風機的輸出功率遠小于光伏與儲能逆變的輸出功率，能效均能調器將增大限制風能的功率輸出，滿足光伏的大功率發(fā)電需求。反之亦然。在逆變輸出是主動降低蓄電池輸出功率，以減輕對蓄電池的消耗，延長系統(tǒng)工作時間，優(yōu)化系統(tǒng)輸出。

4 方案意義

4.1 風能、太陽能互補發(fā)電在臺區(qū)管理上的首次運用

首次在臺區(qū)管理上，將風能、太陽能發(fā)電結合，給負載提供備用電源。利用了二者的優(yōu)點，解決了時段上的間歇性問題，實現(xiàn)了均衡充電；通過能效均能調器解決了二者的非線性優(yōu)化問題。

4.2 解決臺區(qū)無電時，主站無法對現(xiàn)場采集終端、電能表進行遠抄、遠控的問題，提升電力公司考核指標

通過研發(fā)風、光能離線式臺區(qū)備電系統(tǒng)，可有效解決臺區(qū)停電時，主站無法對現(xiàn)場采集終端、電能表進行遠抄、遠控的問題，從而有效提高采集成功率、費控執(zhí)行成功率、同期線損準確計算率，降低集中器離線率，有效提升電力公司的管控技術水平。

4.3 解決周期性、階段性用電的臺區(qū)需要反復的報停、報復，給供電企業(yè)的日常管控增加成本的問題

季節(jié)性用電、時段性用電的臺區(qū)，不用電時，為了少交基本電費，會報停臺區(qū)的使用，將跌落保險斷開，導致采集終端、電能表無電；用電時，會報復臺區(qū)的使用。在此期間，監(jiān)管是一大問題。使用本系統(tǒng)研發(fā)的臺區(qū)輔助電源系統(tǒng)，可給采集終端、電能表提供可靠的電源，從而可解決電力公司對用戶的監(jiān)管問題。