風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)逆變并網(wǎng)時(shí)的功率控制

1、逆變器并網(wǎng)時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率控制國(guó)家電子技術(shù)研究所電力研究實(shí)驗(yàn)室摘要：由太陽(yáng)能（光伏）陣列、風(fēng)力渦輪機(jī)和電池儲(chǔ)能裝置組成的混合并網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)，可通過(guò)電力轉(zhuǎn)換在不同的輸配電網(wǎng)絡(luò)中使用。通過(guò)電池儲(chǔ)能裝置和逆變器的協(xié)調(diào)控制，可以將發(fā)電系統(tǒng)分為發(fā)電、輸電和配電。為了最大限度地利用新能源，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最大功率點(diǎn)獨(dú)立工作。電池儲(chǔ)能裝置可作為緩沖裝置，將新能源產(chǎn)生的電能靈活轉(zhuǎn)移，無(wú)需過(guò)度充放電。并網(wǎng)逆變器可以調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的功率。通過(guò)模型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能和可靠性。介紹光伏風(fēng)力發(fā)電往往會(huì)因?yàn)橹車(chē)h(huán)境的變化而產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出。微型發(fā)電機(jī)和燃料電池雖然不受環(huán)境影響，但其響應(yīng)特性較慢

2、，不能滿足動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件1 。新能源發(fā)電系統(tǒng)依賴(lài)外部條件，缺乏穩(wěn)定性和連續(xù)性1 。然而，一些發(fā)電系統(tǒng)是對(duì)太陽(yáng)輻照度和風(fēng)速的補(bǔ)充 2 。人們普遍認(rèn)為，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電在弱電網(wǎng)中具有更高的可靠性，因?yàn)樗梢杂行б种剖褂脝我话l(fā)電源時(shí)輸出功率的快速變化，例如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)3 。與電池儲(chǔ)能裝置或燃料電池發(fā)電的混合并網(wǎng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性4 5 。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)并描述了光伏、風(fēng)能和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)時(shí)的原理，并通過(guò)發(fā)電、輸電和配電產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在給定的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電條件下通過(guò)高效運(yùn)行獲得最大功率。電池儲(chǔ)能裝置可以緩解整個(gè)混合發(fā)電系統(tǒng)的輸出波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，能量控制和能量流動(dòng)主要由

3、電力電子元件控制。測(cè)試結(jié)果顯示了混合動(dòng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，證明了在混合動(dòng)力系統(tǒng)中使用電池儲(chǔ)能裝置控制輸出的可行性。圖 1 顯示了所提出的混合發(fā)電系統(tǒng)的示意圖以及系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)象。該系統(tǒng)以風(fēng)力渦輪機(jī)和光伏發(fā)電系統(tǒng)為能源，以電池儲(chǔ)能裝置為能量緩沖器?？紤]到電力和混合設(shè)備以及并網(wǎng)逆變器之間的關(guān)系，使用電力電子轉(zhuǎn)換器。所有組件都連接到公共直流母線。監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制個(gè)人計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)操作軟件和通信網(wǎng)絡(luò)組成。監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整個(gè)混合系統(tǒng)并協(xié)調(diào)各個(gè)能源的產(chǎn)生。通過(guò)平均算法可以提高電能質(zhì)量。風(fēng)力渦輪機(jī)和光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的輸入功率波動(dòng)，但通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的平均算法的作用，注入電網(wǎng)的輸出功率變得更加平滑。電壓和電流諧

4、波也減少了，同時(shí)功率波動(dòng)也減少了。事實(shí)上，混合系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。2、混合發(fā)電系統(tǒng)一、系統(tǒng)配置混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能源由光伏陣列和風(fēng)力渦輪機(jī)組成，電池作為儲(chǔ)能裝置。如圖。圖2是混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)包括作為能源的風(fēng)力和光伏發(fā)電機(jī)、作為緩沖器的電池存儲(chǔ)設(shè)備以及公共直流母線。電力電子轉(zhuǎn)換器用于考慮電能與混合組件和并網(wǎng)逆變器的關(guān)系。圖 3 顯示了構(gòu)建的發(fā)電系統(tǒng)模型。使用10KW電池儲(chǔ)能裝置。 10KW光伏發(fā)電控制系統(tǒng)。 20kVA風(fēng)電控制系統(tǒng)和30kVA并網(wǎng)逆變器。每個(gè)電源控制系統(tǒng)由自己的TMS 32控制平臺(tái)控制，并320C通過(guò)RS485多點(diǎn)串行通訊與計(jì)算機(jī)中的混合系統(tǒng)控制軟件連接。光

5、伏系統(tǒng)由一個(gè) 9kW 光伏陣列和一個(gè)10KW 升壓DC -DC 轉(zhuǎn)換器組成，可將陣列電壓提升到更高的市電直流電壓水平。光伏系統(tǒng)在最大功率跟蹤點(diǎn) (MPPT) 控制下運(yùn)行，以在太陽(yáng)輻射變化時(shí)獲得最大能量。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由11kVA異步發(fā)電機(jī)組成，取而代之的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬器和20kVA變壓變頻PWM變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速，可以從不同的風(fēng)速中獲取最大能量。圖4是混合動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件界面窗口。系統(tǒng)運(yùn)行和控制參數(shù)可通過(guò)本軟件進(jìn)行設(shè)置。2.系統(tǒng)說(shuō)明以下是混合發(fā)電系統(tǒng)的組件的描述。(1)光伏陣列= 1 * GB3模塊名稱(chēng)： GMG 10530= 2 * GB3開(kāi)路電壓： 434V= 3 * GB3輸

6、出功率： 3184V(2)光伏控制系統(tǒng)= 1 * GB3轉(zhuǎn)換器類(lèi)型：升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)器件及頻率：IGBT，10KHZ額定功率：10KW輸出電壓范圍：200V400V（直流）輸出電壓范圍：350V600V（直流）控制方式：導(dǎo)納增量法(3) 電池組額定電壓：144V額定容量：200AH電池類(lèi)型：閥控式(4) 電池控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器類(lèi)型：升壓升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)設(shè)備及頻率：IGBT，10KHZ額定功率：10KW電池側(cè)電壓范圍：130V200V（直流）直流側(cè)電壓范圍：350V600V（直流）充電控制：散裝、吸收、浮動(dòng)(5)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬器系統(tǒng)：實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器和異步電機(jī)電機(jī)型號(hào)：RTDS發(fā)電機(jī)

7、：11KVA 220V(6)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型類(lèi)型：無(wú)俯仰控制，失速控制額定容量：10KVA拐角半徑：3.9m額定速度：74額定風(fēng)速12米rpm : /sec(7) WT控制系統(tǒng)逆變器類(lèi)型：三相SVPWM逆變器開(kāi)關(guān)器件及頻率：IGBT，10KHZ額定功率：20KVA最大輸入電壓范圍：250V (AC)最大輸入頻率：120Hz最大輸出電壓：600V（直流）控制方式：MPPT、VVVF、標(biāo)量(8) 并網(wǎng)逆變器逆變器類(lèi)型：三相SVPWM逆變器開(kāi)關(guān)器件及頻率：IGBT，10KHZ額定功率：30kW額定輸出電壓：220V（AC）輸入電壓范圍：350V600V（直流）控制方式：基于電流的DQ控制3.系統(tǒng)控制混

8、合系統(tǒng)包括一般操作、功率分配和功率平均。表 1 顯示了各種方式的功率控制方案。普通手術(shù)在正常運(yùn)行模式下，為了有效地向電網(wǎng)輸送電力，并網(wǎng)逆變器用于保持母線電壓持續(xù)恒定。為了在已知天氣條件下獲得最佳效果，必須始終控制風(fēng)扇和面板以獲得最大功率。電池可以通過(guò)充電和放電保持在適當(dāng)?shù)氖Ｓ嚯娏?。電力調(diào)配該系統(tǒng)通過(guò)公用事業(yè)運(yùn)營(yíng)商或公用事業(yè)需求管理應(yīng)用程序分配電能。在該模式下，光伏風(fēng)力發(fā)電以最大功率模式運(yùn)行。為了使并網(wǎng)逆變器安全運(yùn)行，通過(guò)控制電池儲(chǔ)能裝置將直流側(cè)電壓保持在一個(gè)恒定值。通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行充電和放電來(lái)穩(wěn)定輸出功率。平均功率混合動(dòng)力系統(tǒng)可以衰減來(lái)自風(fēng)電的振蕩功率，從而持續(xù)向電網(wǎng)供電。這種模式可以使電力更加

9、平滑，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量，穩(wěn)定地向電網(wǎng)供電。這種操作模式在連接到電網(wǎng)時(shí)減少了電壓和諧波變化。除了功率平均控制模塊外，監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)描述并網(wǎng)逆變器的功率平均結(jié)果。平均不可預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)功率可能是一個(gè)難題，需要對(duì)天氣預(yù)報(bào)和功率估計(jì)以及控制技術(shù)本身進(jìn)行進(jìn)一步的全面研究。本文提出了一種通過(guò)使用低通濾波器來(lái)有效降低功率波動(dòng)的簡(jiǎn)單技術(shù)。電池對(duì)于平衡發(fā)電和注入至關(guān)重要。風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)仍然在最大功率控制下工作。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)在不同的操作模式下操作來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。比較了電流的總諧波畸變率和并網(wǎng)點(diǎn)的功率變化。具體情況見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。圖 5 給出了正常的運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。直流電壓通?？刂圃?30V，并網(wǎng)

10、逆變器將電能分配給電網(wǎng)。由于混合控制系統(tǒng)中的能量損失，總功率與并網(wǎng)逆變器的功率之間存在差異。逆變器的總諧波失真電流與注入功率成反比，因?yàn)榛ㄔ闹C波失真率隨著輸出電流的增加而降低。配電模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了完成測(cè)試，系統(tǒng)分離出5KW的功率。并網(wǎng)逆變器使注入電網(wǎng)的電能變得連續(xù)，減少了系統(tǒng)的功率波動(dòng)。當(dāng)總能量大于注入電網(wǎng)的能量時(shí)，電池工作在充電模式，否則工作在放電模式。直流母線電壓在電池充電期間保持在最大值，否則保持在最小值。這樣可以避免電池的反復(fù)充放電，影響電池壽命。輸出電流的總諧波失真是恒定的，沒(méi)有電壓波動(dòng)，因此注入電網(wǎng)的功率是恒定的。圖 7 顯示了能量平均運(yùn)行模式下的結(jié)果，其中并網(wǎng)逆變器充

11、當(dāng)?shù)屯V波器。可以看出，電力注入電網(wǎng)的平滑度是顯而易見(jiàn)的。電流和電壓的諧波失真明顯更小。電源控制的方法與配電相同，都是將直流母線電壓限制在預(yù)先設(shè)定的控制值，以免需要太多的電源組。5 結(jié)論本文提出了一種多功能并網(wǎng)的風(fēng)、光、電池儲(chǔ)能混合系統(tǒng)，并闡述了該系統(tǒng)在多種運(yùn)行模式下的功率控制原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。在本文中，對(duì) 30 kW模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供靈活穩(wěn)定的電能，同時(shí)最大限度地利用新能源。通過(guò)合理的運(yùn)行措施，可以使注入電網(wǎng)的電能連續(xù)、波動(dòng)小。在經(jīng)濟(jì)方面，新能源是可再生的，具有成本效益。為了達(dá)到最佳效果，應(yīng)選擇合適的組件和電池儲(chǔ)能裝置。微電網(wǎng)的控制方法和減少能量波

12、動(dòng)的更有效算法需要進(jìn)一步研究。6. 參考文獻(xiàn)1 Fernando Valencaga、Pablo F. Puleston 和 Pedro E. Battaiotto，“沒(méi)有 WindMeasurement 的太陽(yáng)能/風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制：無(wú)源/滑動(dòng)模式方法”，IEEE Trans.Energy Conversion，Vol。 18，第 4 期，第 501-507 頁(yè)，2003 年 12 月。2 Kurozumi, Kazuhiro 等人，“NTT 久米島無(wú)線電中繼站由風(fēng)力和光伏系統(tǒng)組成的混合系統(tǒng)”，INTELEC，1998 年國(guó)際電信能源會(huì)議，第 785-789 頁(yè)。3 Riad Chedi

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