基于風(fēng)能和太陽能復(fù)合儲能系統(tǒng)控制的混合動力微型智能電網(wǎng)的研究

1、基于風(fēng)能和太陽能復(fù)合儲能系統(tǒng)控制的混合動力微型智能電網(wǎng)的研究Bo Wang, Baohui Zhang, Zhiguo HaoState Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentSchool of Electrical Engineering, Xian Jiaotong UniversityXian, Chinayayahere摘要： 能源是人類社會生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)?；茉吹拇罅块_發(fā)和利用，造成大氣環(huán)境的污染與生態(tài)環(huán)境的破壞。而且化石能源正在逐漸枯竭，為人類的能源體系敲響了警鐘。太陽能

2、和風(fēng)能都是無污染的可再生能源，它們的開發(fā)和利用受到世界各國普遍的關(guān)注。太陽能和風(fēng)能兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點，但它們都受到氣候和地理環(huán)境的影響制約。一般而言，一般冬季風(fēng)大，太陽輻射強度小；夏季風(fēng)小，太陽輻射強度大，兩種發(fā)電方式可以相互補充利用，能夠提高發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。關(guān)鍵詞：電池、超級電容器、復(fù)合材料、能源存儲、DIgSILENT / PowerFactory1 介紹風(fēng)能和太陽能作為可利用和可再生自然能源，在轉(zhuǎn)換電能的過程中都受到季節(jié)、地理和天氣氣候等多種因素制約。但是，兩者的變化趨勢基本相反，揚其各自之長，補其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能發(fā)揮出最大的作用。有鑒于此，很多人都著手風(fēng)能

3、、太陽能的綜合利用研究。微計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的一個重要方面。迅猛發(fā)展的微計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)可提高風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電高效性和運行穩(wěn)定性。通過電力電子技術(shù)來實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的最大輸出功率追蹤以及負載端的交流/直流逆變輸出等功能。綠色能源發(fā)電的特點之一就是輸入為不可控的能源，其電壓和頻率都在不斷的變化，且有些輸出的是直流，有些輸出的是交流；電力變換有直流-交流、交流-直流和交流-直流-交流等等，隨實際情況而變。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以集中式發(fā)電，也可以非集中式發(fā)電（靠近用戶的分布式發(fā)電），文獻還介紹了微網(wǎng)供用電系統(tǒng)（容量規(guī)模小于 30MW），它是分布

4、式發(fā)電的一個研究熱點。由此可見，電力電子與綠色能源的發(fā)展是密不可分的。太陽能風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的另一方面集中在系統(tǒng)的計算機仿真和優(yōu)化設(shè)計。利用計算機軟件強大的功能，對一個太陽能風(fēng)能互補發(fā)電系統(tǒng)進行精確的模擬運行，根據(jù)輸入的發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、負載特性以及安裝地點風(fēng)力、日照強度數(shù)據(jù)獲得運行結(jié)果。在系統(tǒng)性能優(yōu)化方面，它通過設(shè)定最小值的方式把技術(shù)性能轉(zhuǎn)變成約束，然后，通過循環(huán)迭代的方法，在滿足約束的系統(tǒng)方案中尋找最經(jīng)濟的系統(tǒng)配置，把問題轉(zhuǎn)換成單目標優(yōu)化問題進行處理。2 能量存儲系統(tǒng)在微型智能電網(wǎng)的應(yīng)用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能發(fā)電陣列、控制器、蓄電池組、逆變器、系統(tǒng)監(jiān)控、直流交流負載等

5、部分組成，如圖1-1。發(fā)電部分：一般由一臺或幾臺風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能發(fā)電陣列組成，完成風(fēng)能電能、光能電能的轉(zhuǎn)換。蓄電池組：蓄電池在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電機和太陽能發(fā)電陣列輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以供電能不足時使用。在常用的蓄電池中，主要有鉛酸蓄電池、堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池。其中鉛酸蓄電池價格低廉、性能可靠、安全性高，且技術(shù)上又不斷進步和完善,得到了廣泛的應(yīng)用。 控制器：完成系統(tǒng)各部分的連接、組合以及蓄電池充電的自動控制。該裝置能根據(jù)日照強弱、風(fēng)力的大小及負荷的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負載或交流負載；

6、另一方面把多余的電能送往蓄電池組儲存。當發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載，使其在充電、放電或浮充電等多種工況下交替運行，從而保證風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。 逆變器：由一臺或幾臺逆變器組成。逆變器把蓄電池中的直流電能變換成為標準的220V 交流電,保證交流電負載設(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電和太陽能電池發(fā)電都可輸出直流電，同時可用蓄電池充電,然后靠蓄電池向負荷提供穩(wěn)定的電能。若用戶使用交流電器,通過加載逆變器,將直流電變?yōu)榻涣麟?。由于系統(tǒng)采用了風(fēng)能、太陽能發(fā)電互補的結(jié)構(gòu)形式,具有較廣的應(yīng)用范圍。 系統(tǒng)監(jiān)控：風(fēng)

7、光互補發(fā)電過程控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,工業(yè)上采用過程控制技術(shù)，對系統(tǒng)的運行工況進行監(jiān)測控制和智能化管理。根據(jù)系統(tǒng)的特點,現(xiàn)場控制層是對各類傳感器、變送器和執(zhí)行器的控制,實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和過程控制。智能監(jiān)控系統(tǒng)分為二層:底層是基于微處理器芯片的監(jiān)控層,負責(zé)實現(xiàn)對單臺設(shè)備的運行進行優(yōu)化控制和參數(shù)設(shè)定,同時具備與上層通信的能力；頂層是基于微機的協(xié)調(diào)管理層,主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理,同時處理多臺并列運行時的協(xié)調(diào)控制及并網(wǎng)發(fā)電問題。3.系統(tǒng)的建模 （1）風(fēng)力發(fā)電機的建模太陽能電池是把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。當陽光照射到太陽電池上，光子所含的能量被太陽發(fā)電板吸收，產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)。將太陽發(fā)電板兩極用導(dǎo)線連

8、成回路后形成光生電流。 當光照射到半導(dǎo)體上時，光子將能量提供給電子，電子將躍遷到更高的能態(tài)。在這些電子中，作為實際使用的光電器件里可利用的電子是：價帶電子、自由電子或空穴和存在于雜質(zhì)能級上的電子。太陽電池可利用的電子主要是價帶電子，由價帶電子得到光的能量，躍遷到導(dǎo)帶的過程決定了光的吸收，這稱為本征或固有吸收。 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當光照射到 PN 結(jié)上時，產(chǎn)生電子-空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部 PN 結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子流入 N 區(qū)，空穴流入 P 區(qū)，結(jié)果使N區(qū)儲存了過剩的電子， P 區(qū)有過剩的空穴。它們在 PN 結(jié)附近形成

9、與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負電，在 N 區(qū)和 P 區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。此時如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流scI 流過，這個電流稱作短路電流。另一方面，若將 PN 結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入 N 區(qū)和 P 區(qū)，使 N 區(qū)的費米能級比 P 區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間就產(chǎn)生了電位差ocV ?？梢詼y得這個值并稱為開路電壓。由于此時PN 結(jié)處于正向偏置，因此上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定ocV 的值。 其示意圖如2-1、2-2所（2）光伏電池

10、的建模風(fēng)能由于其自身特性使得它未被人們充分利用。風(fēng)能資源通常遠離負荷中心，風(fēng)電場的輸出隨著風(fēng)速風(fēng)向的變化而變化，風(fēng)力發(fā)電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。由于風(fēng)能的特殊性，與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風(fēng)電系統(tǒng)具有很大的差別，其主要差別主要表現(xiàn)在四個方面。第一方面：風(fēng)能的隨機性。風(fēng)速隨著大氣的氣溫、氣壓、濕度、干度、太陽及月亮的活動和風(fēng)電場地形地貌等因素的不同而不同，是隨機和不可控的，這樣作用在風(fēng)力機葉片上的風(fēng)能也就是隨機的和不可控制的。第二方面：風(fēng)力機轉(zhuǎn)動慣量大。風(fēng)能密度分布相對比較低，為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能，風(fēng)力機轉(zhuǎn)動的葉片直徑必須做的很大，中大型風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)動葉片直徑更是長達

11、幾十米之多。顯然，巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑，必然使得風(fēng)力機具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。第三方面：風(fēng)力機與發(fā)電機之間連接是柔性連接。為了有效的轉(zhuǎn)換風(fēng)能，風(fēng)力機轉(zhuǎn)子由于受到風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的限制，葉尖速率比入不可能很大，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度不會很高，與發(fā)電機轉(zhuǎn)動的速度相差比較大，發(fā)電機與風(fēng)力機之間不能直接相連，必須通過一定變比的升速齒輪箱進行傳動。這樣發(fā)電機與風(fēng)力機之間的剛性度大大降低。換句話說，風(fēng)力機和發(fā)電機兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的。第四方面：對異步發(fā)電機來說，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的運行方式。通常機端配備有補償電容器組，以提供異步發(fā)電機在啟動和運行時所需要的勵磁無功。異步發(fā)電機的頻率

12、由大系統(tǒng)來決定，風(fēng)能的變化將引起異步發(fā)電機轉(zhuǎn)差的變化，相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無功也要隨著風(fēng)速的變化而變化，這將導(dǎo)致系統(tǒng)，特別是風(fēng)電場附近電網(wǎng)母線電壓的波動，嚴重時還可能引起電壓閃變。4.仿真結(jié)果建立的仿真模型和所用的仿真工具DIgSILENT / PowerFactory是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括風(fēng)力渦輪機(100千瓦),光伏電池(50 kw)以及一些負載蓄電池和超級電容器。為了確認轉(zhuǎn)運的有效性,a模擬只要240秒進行24小時數(shù)據(jù)的風(fēng)速、太陽輻射和負載功率變化。（1） 負載變化風(fēng)速和太陽輻射的變化顯示在下圖中。由于風(fēng)力發(fā)電機和光伏電池翻譯模型使用MPPT控制,當風(fēng)速和太陽能輻射的變化,每個

13、源的輸出功率都會發(fā)生相應(yīng)的變化。微型電網(wǎng)的總負載功率的變化圖8所示?；顒迂撦d功率的變化最低20千瓦，最高110千瓦。（2）功率流轉(zhuǎn)運的功率流如下圖所示。紅色的實線是凈微型電網(wǎng)的負載功率,而藍色點線蓄電池的輸出功率，綠色點劃線是超級電容器的輸出功率。圖10顯示了電池的SOC和終端在模擬電壓的超級電容器。SOC的變化緩慢且平穩(wěn),而終端電壓急劇變化迅速。由于快速的響應(yīng)時間超級電容器。（3）在PCC頻率和電壓下的功率流為了證實仿真建?？梢赃M一步轉(zhuǎn)運,仿真進行了三種情況:電池和超級電容器的工作,只有電池工作,沒有電池和超級電容器的工作。如圖11所示，當電池和超級電容器工作時,可以控制功率流為零通過仿真過

14、程。只有電池工作時,網(wǎng)絡(luò)負載功率的高頻部分不能運轉(zhuǎn)之后,有幾個峰值功率流。按照電池和超級電容器的工作原理,活躍功率流從45千瓦到-30千瓦不等,影響力量網(wǎng)格質(zhì)量的分布。PCC的頻率和電壓總線進行了說明圖12所示?？梢酝茢?頻率變化小的模擬,而電壓波動隨著微電網(wǎng)與無功功率流網(wǎng)格分布。5結(jié)論本文提出了一個由風(fēng)力和光伏電池復(fù)合儲能系統(tǒng)控制的混合微電網(wǎng)。考慮到需求之后能量存儲系統(tǒng)在微電網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用三種能量存儲系統(tǒng)的性能電池和超級電容器已被選定來彌補轉(zhuǎn)運。通過進行微電網(wǎng)模型建立及相關(guān)實證研究，仿真結(jié)果證實了所提出太陽能和風(fēng)能復(fù)合儲能系統(tǒng)控制的混合動力微型智能電網(wǎng)提出的適用性和有效性運氣以及相應(yīng)的控制策略

15、。6致謝主要感謝提供專項資金的國家，尤其是中國等基礎(chǔ)研究項目對重點實驗室電氣絕緣和電力設(shè)備的支持工作。7參考文獻1 Katirael F, Iravani M R, Lehn P W, “Micro-grid autonomous operationduring and subsequent to islanding process,” IEEE Transactions onPower Delivery, vol. 20, pp. 248-257, January 2005.2 LU Zongxiang, WANG Caixia, MIN Yong, ZHOU Shuangxi, LUJin

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