楊威達，李 昂，徐瓊瓊

風光互補能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略研究

楊威達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. 天津濱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，風光互補型能源系統(tǒng)以其較高的可靠性和經(jīng)濟型，目前成為了一種被廣泛認可的能源解決方案。風能和太陽能的特性，設(shè)計了一種基于遠程控制終端（RTU）的風光互補能源系統(tǒng)。簡要介紹了其基本構(gòu)成，以及系統(tǒng)的控制策略。并通過計算機仿真對控制方案進行了驗證。實驗結(jié)果對今后風光互補型能源系統(tǒng)的設(shè)計與研究有一定指導(dǎo)意義。

風光互補 遠程控制終端 控制策略

0 引言

風能和太陽能都是極具潛力的可再生能源，他們有著無污染，無輻射，永不枯竭等諸多無可比擬的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的進步，開發(fā)成本逐漸降低以及諸多政策的扶持，風能太陽能發(fā)電成為了能源研究應(yīng)用領(lǐng)域新的熱點[1]。風光互補能源系統(tǒng)是一種利了風光兩種資源的互補性而設(shè)計的能源系統(tǒng)，相較于單獨的風能或太陽能發(fā)電具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。所以風光互補能源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用在當下具有非常重要的意義[2]。為證實能源解決方案的可行性，本文對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，制定控制策略，通過計算機仿真對控制方案進行了驗證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

一套風光互補能源系統(tǒng)可用于為一棟建筑或者一個區(qū)域提供能源。該系統(tǒng)中包含若干用于產(chǎn)生電能的風力發(fā)電機和太陽能電池板，以及用于儲能的蓄電池組。風機產(chǎn)生的三相交流電可通過整流器轉(zhuǎn)化為直流電為蓄電池充電，蓄電池和太陽能電池板的直流輸出可通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電驅(qū)動交流負載。控制系統(tǒng)共分為兩級，第一級是風電機組和太陽能電池板所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)風速和日照強度對最大功率點進行跟蹤，保持發(fā)電機穩(wěn)定高效地運行。第二級是數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)。它主要負責并網(wǎng)裝置和蓄電池充放電的控制，同時結(jié)合數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控。整個系統(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)，進行能源調(diào)度，從而保證負載耗電量以及整個能源系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖所示[3]。

圖1 風光互補系統(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)場傳感器，遠程控制終端（RTU），無線接收設(shè)備，上位機。遠程控制終端是數(shù)據(jù)采集和能源管理系統(tǒng)的核心，是二級控制中的主要控制器，通常情況下，一個遠程控制終端會包含多種IO接口，以支持各種傳感器的數(shù)據(jù)采集。來自現(xiàn)場傳感器的數(shù)字信號和模擬信號發(fā)送至遠程控制終端，再由遠程控制終端通過GPRS將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機，進行數(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

風光互補能源系統(tǒng)中電力的直接來源共有四個，即風機、太陽能電池板、蓄電池、外部電網(wǎng)。要確保系統(tǒng)最大限度的運行在平衡狀態(tài)下就需要對其制定一個有效的控制策略。由于風電模塊和光伏模塊的輸出功率會隨著氣象條件的變化而起伏不定，所以風光的總輸出功率是實時變化的，所以需要不斷調(diào)整各模塊的工作狀態(tài)以保持系統(tǒng)輸出總功率的相對穩(wěn)定。在下表中P代表風電模塊的輸出功率，P代表光伏模塊的輸出功率。為防止系統(tǒng)總功率在設(shè)定點附近波動而導(dǎo)致頻繁切換，故設(shè)定了1，2為兩個功率閾值，且這兩個值略高于負載的額定功率，即1>2>L。則各個工況下對系統(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 仿真實驗

為了驗證控制策略的可行性，對系統(tǒng)整體進行了MATLAB仿真實驗。風機和太陽能模組的輸出會隨著外部環(huán)境的變化而變化，但是系統(tǒng)通過或調(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部分組成：風力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池、模擬負載。具體模型如下圖所示：

圖3 風光互補系統(tǒng)仿真模型

風電模塊和光伏模塊的輸出與風速和光照可根據(jù)以下公式計算得出。

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)為風電模塊輸出曲線；(b)為太陽能模塊輸出曲線；(c)為風光總功率輸出曲線；(d)為加入蓄電池和負載后的總線電壓曲線。

4 小結(jié)

本文主要研究了風光互補系統(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)。風電模塊，光伏模塊，蓄電池，通過遠程控制終端進行整合，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠程實時控制。系統(tǒng)的控制策略則通過MATLAB仿真進行了驗證，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，實現(xiàn)互補。風光互補是一種充分利用可再生能源的方式，對于解決能源短缺的問題具有較大價值，該研究對于今后風光互補系統(tǒng)的實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 仿真結(jié)果

[1] 門殿卿. 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和算法的研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2011.

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

[3] 楊威達. 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的能源管理與遠程監(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（1988-）。研究方向：海洋工程，新能源，儀器儀表。Email：blusterywd@163.com