許慧一

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000）

風(fēng)能和太陽能作為清潔的可再生能源已經(jīng)越來越受到世界各國的重視，并已應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，常規(guī)能源發(fā)電開始面臨煤炭等非可再生資源走向枯竭的局面，為了解決即將出現(xiàn)的能源危機(jī)，國內(nèi)外針對風(fēng)能和太陽能發(fā)電進(jìn)行深入研究，大規(guī)模并網(wǎng)或是離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均取得了較好的成果[1-4]。

風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)系統(tǒng)能夠解決單一能源發(fā)電時(shí)穩(wěn)定性差、隨機(jī)性強(qiáng)等缺點(diǎn)，做到取長補(bǔ)短，得到更加穩(wěn)定的電能輸出。通過對風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對風(fēng)光資源合理匹配能夠優(yōu)化系統(tǒng)輸出，在不同氣候條件下向負(fù)載穩(wěn)定供電[5]。本文設(shè)計(jì)了可根據(jù)氣候條件等因素手動(dòng)或自動(dòng)變換4種供電模式的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，每種模式均能達(dá)到向用戶可靠供電，最大可能的保護(hù)蓄電池的使用壽命。為了滿足用戶需求，設(shè)計(jì)時(shí)在每種供電模式下都可以選擇手動(dòng)投切蓄電池組。

1 風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池組件、整流器、DC/DC變換器、控制器、蓄電池、逆變器、交直流負(fù)載等組成，如圖1所示。在風(fēng)力發(fā)電回路，整流器的作用是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變成直流電，再經(jīng)過DC/DC變換器向儲(chǔ)能蓄電池充電；在太陽能發(fā)電回路，太陽能電池組件發(fā)出的電能同樣需經(jīng)過DC/DC變換器向儲(chǔ)能蓄電池充電；系統(tǒng)控制器的作用主要是保護(hù)蓄電池的壽命，防止蓄電池出現(xiàn)過充、過放等現(xiàn)象；當(dāng)系統(tǒng)存在交流負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)回路需經(jīng)逆變器將直流電逆變成交流電后供給交流負(fù)載，對于直流負(fù)載無需經(jīng)逆變器直接供電；DC/DC變換器的作用是變換風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和光伏組件輸出電壓，得到能與蓄電池相匹配的電壓值。

2 風(fēng)光系統(tǒng)模型

2.1 風(fēng)機(jī)模型

當(dāng)速度為v的風(fēng)流過掃風(fēng)面積為S的風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)吸收功率P為

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Wind-solar hybrid micro-grid structure

式中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度。

通過式（1）能看出，當(dāng)空氣密度和風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積一定時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)越大，風(fēng)機(jī)吸收風(fēng)含功率越多，根據(jù)貝茲理論，風(fēng)能理想情況下的最高利用率為0.59，大型風(fēng)機(jī)為了獲得接近于0.59的風(fēng)能利用系數(shù)，可通過變速等控制技術(shù)使風(fēng)機(jī)工作于最佳葉尖速比。此外，風(fēng)機(jī)吸收功率與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時(shí)，大型風(fēng)機(jī)一般采取變槳等限制功率措施，防止風(fēng)機(jī)損壞[6]。

2.2 光伏組件模型

2.2.1 太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)

式中，Np為太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)；Wd為負(fù)荷日平均用電量；We為太陽能電池組件日平均發(fā)電量；η1為充電修正系數(shù)；η2為直流修正系數(shù)；η3為逆變器效率修正系數(shù)。

2.2.2 太陽能電池組建串聯(lián)數(shù)

式中，Ns為太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)；Us為光伏發(fā)電系統(tǒng)工作電壓；Ue為單個(gè)太陽能電池組件標(biāo)準(zhǔn)電壓。

2.2.3 太陽能電池方陣總功率

根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)，即可得出所需太陽能電池方陣總功率。

式中，P為太陽能電池方陣總功率；Pe為單個(gè)太陽能電池組件的額定功率。

2.2.4 光伏組件方位角和傾角

太陽能電池方陣的發(fā)電能力要受光伏組件的方位角和傾角的影響。

太陽能電池方陣方位角的確定：

太陽能電池方陣傾角的確定一般是根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥仍偌由?°～20°來確定太陽能方陣的最佳傾角。

2.3 蓄電池容量計(jì)算

式中，C為蓄電池的容量；I為負(fù)載工作電流；hd為蓄電池每日累計(jì)最大供電小時(shí)數(shù)；D為蓄電池連續(xù)供電天數(shù)；η4為考慮放電率修正系數(shù)、最大放電修正系數(shù)及溫度修正系數(shù)的綜合修正系數(shù)，一般取1.4。

3 風(fēng)光互補(bǔ)控制策略

3.1 風(fēng)光互補(bǔ)供電模式

考慮風(fēng)能資源風(fēng)速與太陽能資源光照強(qiáng)度的不穩(wěn)定性，為了便于分析，本文將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)劃成4種供電模式，具體劃分情況見表1。

表1 風(fēng)光互補(bǔ)供電模式Tab. 1 Power supply modes of wind-solar hybrid system

自然界中風(fēng)速和光照強(qiáng)度都會(huì)隨氣候的變化而變化。在不同的風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率是不同的，與風(fēng)速的三次方成正比；在晴天光照充足時(shí)，太陽能電池的發(fā)電也要隨光照的來向和太陽高度角的變化而有所不同。因此在離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都要配有蓄電池，以便在風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電不足以滿足負(fù)荷需求時(shí)，能夠?qū)ω?fù)荷及時(shí)補(bǔ)充電能，防止斷電。如表1中的模式1、模式2和模式3。

在模式1中，因自然條件等因素導(dǎo)致風(fēng)光均不能發(fā)電，此時(shí)只能通過蓄電池供電，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，蓄電池的容量必須保證在要求的天數(shù)內(nèi)不間斷向負(fù)荷供電。

在模式2中，因風(fēng)速能達(dá)到切入風(fēng)速而光照強(qiáng)度沒有達(dá)到發(fā)電要求，因此只有風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，此時(shí)蓄電池是否供電可根據(jù)風(fēng)速大小來控制，需在控制系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)風(fēng)速值，當(dāng)達(dá)到該風(fēng)速時(shí)蓄電池不供電，同時(shí)還需保證蓄電池滿容量，即蓄電池電量不足時(shí)，還應(yīng)向蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速時(shí)，蓄電池要通過電路向負(fù)載提供電能。

在模式3中，因風(fēng)速未能達(dá)到切入風(fēng)速而光照強(qiáng)度達(dá)到發(fā)電要求，因此只有太陽能電池發(fā)電，此時(shí)蓄電池是否供電可根據(jù)光照強(qiáng)度來控制，需在控制系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)光照強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到此光照強(qiáng)度時(shí)蓄電池不供電，同時(shí)還需保證蓄電池滿容量，即蓄電池電量不足時(shí)，還應(yīng)向蓄電池充電；當(dāng)光照強(qiáng)度小于設(shè)定風(fēng)速時(shí)，蓄電池要通過電路向負(fù)載提供電能。

在模式4中，風(fēng)速和光照強(qiáng)度均能達(dá)到發(fā)電要求，風(fēng)光同時(shí)向負(fù)載供電，而蓄電池?zé)o需向負(fù)載供電，這種模式下需保證蓄電池滿電，蓄電池電量不足時(shí)，應(yīng)向蓄電池充電。

(2)專業(yè)知識(shí)。具體到客服人員涉及的行業(yè)與企業(yè)，專業(yè)知識(shí)主要體現(xiàn)在行業(yè)背景、業(yè)務(wù)流程、產(chǎn)品知識(shí)、營銷知識(shí)、心理學(xué)知識(shí)等。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)可對上述4種供電模式設(shè)計(jì)程序，根據(jù)氣候條件等因素手動(dòng)或自動(dòng)切換4種模式，考慮偶然因素的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)對每種供電模式下用戶的用電都可以選擇手動(dòng)投切蓄電池組。如根據(jù)前面分析，當(dāng)蓄電池工作在供電模式2和模式3兩種情況時(shí)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還應(yīng)考慮設(shè)定供電模式2下風(fēng)速值和供電模式3下的光照強(qiáng)度，以便保護(hù)蓄電池的壽命，對于這兩種模式下的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)負(fù)荷實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)，但當(dāng)系統(tǒng)因特殊原因在供電模式2和模式3設(shè)定值以上運(yùn)行仍不能保證用戶用電時(shí)，可手動(dòng)控制蓄電池的投入。

蓄電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮延長蓄電池的使用壽命，即必須對蓄電池的過放電、過充電、深度充電、負(fù)載過流和發(fā)充電等情況加以限制[7]。本文采用浮充制對蓄電池充電，這種充電方式可以在風(fēng)能或光伏發(fā)電充足時(shí)，電能先滿足負(fù)載要求，剩余部分對蓄電池充電，電能不足時(shí)可于風(fēng)光一起對負(fù)載供電[8]，而且在浮充狀態(tài)下蓄電池的電量不會(huì)因?yàn)樾铍姵刈苑烹姸鴵p失，這種充電方式剛好符合本文供電模式2和模式3的要求。

蓄電池充放電控制電路見圖2，充電回路有開關(guān)T1并聯(lián)在電源的輸出端，在對蓄電池充電時(shí)當(dāng)檢測到蓄電池電壓達(dá)到切離電壓時(shí)，蓄電池被認(rèn)為處于過充狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)使T1導(dǎo)通，旁路電源側(cè)電流，起到“過充電保護(hù)”作用；當(dāng)電源側(cè)輸出電壓小于蓄電池電壓時(shí)，VD1截止，保證蓄電池不會(huì)向電源側(cè)反向充電，起到“防反向充電保護(hù)”的作用；當(dāng)出現(xiàn)過載或短路造成負(fù)載電流大于額定電流時(shí)，放電回路開關(guān)T2斷開，起到過載和短路保護(hù)的作用；當(dāng)蓄電池電壓小于過放電電壓時(shí)，T2也會(huì)斷開，起到“過放電保護(hù)”的作用。T3為蓄電池投切開關(guān)。

圖2 旁路型過充放電控制器電路Fig. 2 The bypass- type charging and discharging control circuit

4 Matlab仿真分析

4.1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)選型

4.1.1 工廠負(fù)荷

仿真所選工廠負(fù)荷情況如表2所示。

表2 工廠負(fù)荷情況Tab. 2 Factory loads

4.1.2 風(fēng)機(jī)選型

為保證模式2下對負(fù)荷不間斷供電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)最大負(fù)荷情況選型，同時(shí)考慮發(fā)電效率影響及留有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘?。風(fēng)機(jī)選型如表3所示。因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是根據(jù)最大負(fù)荷選型，因此模式2下運(yùn)行時(shí)風(fēng)速設(shè)定值設(shè)置為額定風(fēng)速。

表3 所選風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab. 3 Parameters of the wind generator chosen

4.1.3 光伏組件選型

為保證模式3下對負(fù)荷不間斷供電，光伏組件容量根據(jù)最大負(fù)荷情況選型，同時(shí)考慮發(fā)電效率影響及留有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘俊８鶕?jù)全國主要城市年平均日照時(shí)間分布，假設(shè)工廠所在緯度為41.77°，則對應(yīng)最佳傾角為42.77°，年平均日照時(shí)間為4.6 h，太陽能方陣斜面年接收總輻射量為145 kcal/cm2，求得所選光伏組件參數(shù)如表4所示。

表4 所選光伏組件參數(shù)Tab. 4 Parameters of photovoltaic modules chosen

因光伏組件容量是根據(jù)最大負(fù)荷選型，因此模式3下運(yùn)行時(shí)光照強(qiáng)度設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度。

4.1.4 蓄電池容量選擇

為保證模式1下對負(fù)荷不間斷供電，蓄電池容量按連續(xù)最長供電天數(shù)和最大負(fù)荷情況計(jì)算。根據(jù)式（6）按滿足連續(xù)3天供電計(jì)算蓄電池總?cè)萘繎?yīng)滿足2 920 Ah。

4.2 系統(tǒng)輸出測試分析

4.2.1 模式2供電仿真分析

供電模式2仿真運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。因風(fēng)機(jī)輸出功率與風(fēng)速三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速時(shí)，本文選則額定風(fēng)速作為設(shè)定風(fēng)速，系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷要求，此時(shí)需導(dǎo)通蓄電池回路，補(bǔ)充電能，系統(tǒng)總功率輸出如圖3（e）圖所示，可見系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定。

圖3 模式2系統(tǒng)輸出特性Fig. 3 System output characteristics of mode 2

4.2.2 模式3供電仿真分析

供電模式3仿真運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。因光伏組件輸出功率與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)光照作為設(shè)定值，系統(tǒng)不能滿足負(fù)荷要求，此時(shí)需導(dǎo)通蓄電池回路，補(bǔ)充電能，系統(tǒng)總功率輸出如圖4（e）圖所示，可見系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定。

圖4 模式3系統(tǒng)輸出特性Fig. 4 System output characteristics of mode 3

4.2.3 模式切換仿真分析

供電模式1切換供電模式2的仿真結(jié)果如圖5所示。在0.2 s時(shí)刻風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)切入轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行，但由于風(fēng)速小于額定風(fēng)速，蓄電池回路仍導(dǎo)通，保證系統(tǒng)向負(fù)荷可靠供電。

圖5 模式轉(zhuǎn)換輸出特性Fig. 5 Output characteristics of mode conversion

5 結(jié)語

本文基于多模式的分析方法，設(shè)計(jì)了可根據(jù)氣因素手動(dòng)或自動(dòng)變換供電模式的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)一共有4種工作模式，通過Matlab仿真分析，驗(yàn)證了該多模式系統(tǒng)的可行性，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，能夠滿足用戶用電需求。該系統(tǒng)還可以最大限度地保護(hù)蓄電池的使用壽命。設(shè)計(jì)時(shí)在每種供電模式下都可以選擇是否手動(dòng)投切蓄電池組，以達(dá)到對用戶供電的可靠性。

[1] 王偉勝，范高鋒，趙海翔. 風(fēng)電場并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定比較及其綜合控制系統(tǒng)初探[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（18）：73-77.WANG Weisheng，F(xiàn)AN Gaofeng，ZHAO Haixiang.Comparison of technical regulations for connecting wind farm to power grid and preliminary research on its integrated control system[J]. Power System Technology，2007，31（18）：73-77（in Chinese）.

[2] 張俊霞. 大型風(fēng)光互補(bǔ)電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化分析[J].電力與能源，2013，34（3）：278-280.ZHANG Junxia. Optimality analysis of design and operation for the large-scale wind-solar hybrid power[J]. Power& Energy，2013，34（3）：278-280（in Chinese）.

[3] 王麗萍，張建成.光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的對比研究及改進(jìn)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（2）：52-55.WANG Liping，ZHANG Jiancheng. Comparative research and improvement of PV maximum power point tracking control methods[J]. Power System and Clean Energy，2011，27（2）：52-55（in Chinese）.

[4] JASON KENNEDY，BRENDAN FOX，D JOHN MORROW.Distributed diesel generation to facilitate wind power integration[J]. IEEE Power Tech，2007，38（12）: 461-462.

[5] 皇甫宜耿，安曉彤，馬瑞卿，等.離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)多模態(tài)能量控制與管理[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（3）：470-475.HUANGPU Yigeng，AN Xiaotong，MA Ruiqing，et al.Multi-mode energy control and management for standalone wind-photovoltaic hybrid power system[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University，2013，31（3）：470-475（in Chinese）.

[6] 廖明夫. 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009：24-35.

[7] 黃漢云. 太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：121-123.

[8] 張波，汪義旺，李響. 小型風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電力，2013，30（4）：29-32.ZHANG Bo，WANG Yiwang，LI Xiang. Research and design of small wind/PV hybrid independent generation system[J]. Modern Electric Power，2013，30（4）：29-32（in Chinese）.