楊愛賢

（重慶能控動(dòng)力技術(shù)有限公司，重慶 400000）

0 引言

由于單一能源的不穩(wěn)定和不連續(xù)，我國(guó)已經(jīng)開始了對(duì)風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究，其重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及給負(fù)載可靠供電等方面的研究，但是目前還處在起步階段。目前已有的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，但存在區(qū)域差別和出力不穩(wěn)定等問題。另外，在新能源發(fā)電方面，由于各類新能源資源的不穩(wěn)定性，也是不可忽視的一大問題。與常規(guī)的化石能源相比，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以通過調(diào)整供油量實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率的穩(wěn)定。這樣，就可以有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的直接高效地輸出穩(wěn)定的電能[1]。當(dāng)前，新能源發(fā)電多采用升速、穩(wěn)速的機(jī)械裝置，以滿足新能源電源不穩(wěn)定的需求，但其效率低下、投資成本高、系統(tǒng)維護(hù)量大。綜合考慮上述因素，提出一種較為完整的新能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)。利用太陽能光伏板，海洋能發(fā)電機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，交流發(fā)電機(jī)，把收集到的電能，通過變換電路，就可以得到一個(gè)統(tǒng)一的直流電。然后再經(jīng)過一段時(shí)間的充電后，再將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、標(biāo)準(zhǔn)的交流電。當(dāng)使用者用電時(shí)，儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)的電能，可經(jīng)由逆變器，將儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)的直流電能，轉(zhuǎn)化為交流電能。如果有必要，還可以向DC 負(fù)載提供電力。在系統(tǒng)的電能交換環(huán)節(jié)，用電能的能量交換代替升速和穩(wěn)速的機(jī)械裝置的能量交換，即用電變換代替機(jī)械變換，將機(jī)械的動(dòng)態(tài)能量變換轉(zhuǎn)換為電的靜態(tài)能量變換，從而解決了效率較低、投資成本較高及系統(tǒng)維護(hù)量較大的問題。風(fēng)能、光能和海能的互補(bǔ)性使得風(fēng)能和光能的出力更加穩(wěn)定，不僅能提升新能源的轉(zhuǎn)化效率，還能保證供電的安全可靠，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的應(yīng)用前景[2]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多能融合實(shí)體互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以太陽能、風(fēng)能和海洋能（波浪能）為基礎(chǔ)，主要包含了采集新能源后的電能轉(zhuǎn)換和電能儲(chǔ)存兩部分。

系統(tǒng)的整體方案需要可以完成對(duì)太陽能，海洋能（波浪能），風(fēng)力能之間的電能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存，并且要與能源的分布特點(diǎn)相結(jié)合，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，來提升新能源各個(gè)組成部分的發(fā)電的利用率與能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還要切實(shí)地確保能源輸出的穩(wěn)定，以滿足用戶的需求。

對(duì)系統(tǒng)的操作性能的要求如下。

（1）按照電源電壓基準(zhǔn)，所述主回路的輸出電壓的偏移可為-5%～+5%。

（2）為了避免多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在局地時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電力過飽和，造成電池的過充、過放，設(shè)置了一個(gè)電壓保護(hù)門限，以提高充、放的頻率。

（3）為了使該系統(tǒng)將來能夠接入網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置一個(gè)用于對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的電力供應(yīng)的電力調(diào)度平臺(tái)，以提高電力的利用率。

將指標(biāo)數(shù)據(jù)帶入上述白化權(quán)函數(shù)中，得出xij在第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中的權(quán)值fki(xij)(1≤k≤s)，然后根據(jù)式(8)計(jì)算得出指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)nik以及總灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)ni:

（4）考慮到風(fēng)力、太陽能和海洋能源（海浪能源）容易受到環(huán)境影響，存在著間歇性和不穩(wěn)定的能源來源等問題，本項(xiàng)目將充分發(fā)揮多種能源的互補(bǔ)作用，提升發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)最大限度的收益[3]。

（5）系統(tǒng)中每個(gè)供電設(shè)備的裝機(jī)容量都是由現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件及負(fù)載決定的，應(yīng)在最大負(fù)載范圍內(nèi)，建立供電設(shè)備的實(shí)際裝機(jī)容量，并對(duì)供電設(shè)備的切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（6）因?yàn)樾铍姵厥怯袎勖?，在不同的環(huán)境下，它的使用壽命是不一樣的，所以為了防止蓄電池充電和放電過多，讓它一直保持在一個(gè)低電量的狀態(tài)，所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要將蓄電池充電和放電的頻率，進(jìn)行合理的分配。

系統(tǒng)電能主要有風(fēng)能、海洋能、太陽能等。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電網(wǎng)接入電網(wǎng)，電網(wǎng)接入方式多種多樣，風(fēng)電、海洋能（波濤能）所需的能量轉(zhuǎn)換裝置均為專用的交流發(fā)電機(jī)。所以，它是以交流的方式輸出的，而太陽能是以光電的方式輸出的，所以，它是以直流的方式輸出的。

多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的電力系統(tǒng)。

（1）電力系統(tǒng)的發(fā)電方式應(yīng)該主要是多能互補(bǔ)，把新能源轉(zhuǎn)變成電能；然后，將風(fēng)力、太陽能、海洋能（海浪能）等產(chǎn)生的粗電（不能獲得）轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電（可獲得的細(xì)電）；可以存儲(chǔ)，也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定交流電能。

（2）所述能量?jī)?chǔ)存主要是利用電池來儲(chǔ)存所述能量，所述電池群管理是為了降低由于過度產(chǎn)生的持續(xù)充/放電的問題以及由于充電次數(shù)增多而產(chǎn)生的效果而設(shè)計(jì)的，所述電池群管理是為了降低所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存[4]。

（3）可以由蓄電池直接提供給負(fù)荷提供電源，也可以由逆變電路提供電源，從而在未來實(shí)現(xiàn)接入電網(wǎng)的功能。

其中，太陽能、風(fēng)能和海洋能源（波能）的綜合利用，是一種新的能源利用方式。每一種能源都可以利用各自的能量轉(zhuǎn)換裝置和AC-DC，DC-DC 變換電路，來對(duì)新能源得到的電能展開轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單能發(fā)電模式，多能互補(bǔ)模式具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，并可提高新能源的利用率，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。多能互補(bǔ)方式還可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的峰谷負(fù)荷調(diào)節(jié)，并可通過增設(shè)配電網(wǎng)，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的負(fù)荷容量。在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中，為了保證多能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出電力，需要設(shè)置一個(gè)蓄電池組。電池是通過直流母線采集電力，通過逆變電路為負(fù)荷提供電力。通過對(duì)電池進(jìn)行群組管理，可以有效地解決由于多能互補(bǔ)產(chǎn)生的多余能量而引起的電池充電和放電過大的問題。同時(shí)，也可以減少維護(hù)費(fèi)用，減少蓄電池?fù)p耗，提高蓄電池的使用壽命。

2 能源轉(zhuǎn)換和電能變換電路設(shè)計(jì)

2.1 能源轉(zhuǎn)換和電能變換總體設(shè)計(jì)

太陽能、風(fēng)能、海洋能（波浪能）收集的電能，進(jìn)行相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換，如圖1 所示。利用風(fēng)力、海洋等能源，可將太陽能直接轉(zhuǎn)化為DC-DC 斬波器。必須用ACDC 整流器來實(shí)現(xiàn)整流。然后經(jīng)過DC-DC 斬波器，在經(jīng)過整流和斬波器后，得到穩(wěn)定的直流電能，最終匯入直流母線，為以后的電能儲(chǔ)存及負(fù)荷提供動(dòng)力。

圖1 能源轉(zhuǎn)換和電力變換

該系統(tǒng)使用的交流-直流、直流-直流、直流-直流-直流轉(zhuǎn)換回路，對(duì)各種新能源的轉(zhuǎn)換分別進(jìn)行獨(dú)立控制。太陽能、海洋能的BOOST 轉(zhuǎn)換電路用于風(fēng)電，BOOST/BUCK 轉(zhuǎn)換電路用于風(fēng)電。不同的能量通過不同的電能轉(zhuǎn)換方式來獲得穩(wěn)定的直流電壓，從而降低對(duì)各個(gè)電能變換器的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。這樣的設(shè)計(jì)，其中一條線路發(fā)生故障，不會(huì)影響到另一條線路的電能轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高[5]。

2.2 非隔離型DC-DC 變換電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中所使用的AC-DC 整流器電路，需將風(fēng)能、波能發(fā)電所獲得的交流電能轉(zhuǎn)化成直流電能。由于不需要對(duì)整流器進(jìn)行整流器的設(shè)計(jì)，所以在此不再作過多的介紹。

DC-DC 逆流器電路主要是將一個(gè)直流電流直接或間接地轉(zhuǎn)換，變?yōu)榱硪环鹊闹绷?。直接型（非絕緣型）DC 轉(zhuǎn)換電路又稱作斬波器。BUCK 降壓斬波器轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

圖2 BUCK 降壓斬波器轉(zhuǎn)換電路

3 蓄電池充電電路原理及充電方式

在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)儲(chǔ)能和充電回路進(jìn)行了研究。針對(duì)電池組和直流母線的不同聯(lián)接方式，分別進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

模式1 為采用半橋式電池組進(jìn)行充電，可將電池組與直流母線相連，可直接從直流母線獲得電能。再對(duì)電池組進(jìn)行單向充電，再在電池組的背后加上一個(gè)逆變器，就可以給交流負(fù)載提供電力。

圖3 為在上一部分中采用了半橋二極管結(jié)構(gòu)的半橋電池包的充電電路。在直流電壓足夠使二極管導(dǎo)通的情況下，這個(gè)半橋充電回路能同時(shí)為二極管導(dǎo)通。因?yàn)槎O管的正向?qū)?，在背面與逆變電路相連的部分，其輸出的電壓只能是蓄電池組中所處電壓容量高的變流。在充放電回路的作用下，對(duì)電池進(jìn)行充放電，使逆變器的輸出電壓保持在最大值。

第二種方法是采用電流可逆的斬波法，將電池從直流母線中分離出來，并經(jīng)逆變器給負(fù)荷提供電力。

一個(gè)電流可逆斷路器（雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器）電池充電電路如圖4 所示。該電流可逆斷路器也可以稱作雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器2。因?yàn)樗袃蓚€(gè)方向的導(dǎo)電功能，因此能夠給兩個(gè)方向的電力供應(yīng)。在直流母線上有一定的電壓時(shí)，一方面，可以利用逆變器直接給交流負(fù)荷提供電力；另一種則是將電能經(jīng)由由開關(guān)管V、二極管VD1、電感L 所組成的降電壓BUCK 斬波器電路來對(duì)電池進(jìn)行充電。在直流母線上的電壓不夠高的情況下，電池可以利用由開關(guān)管V2、二極管VD2、電感L 組成的升壓斷路器將電源供給到DC 母線上，再經(jīng)過逆變器路將電源供給到AC 負(fù)荷。

圖4 電流可逆斬波（雙向DC-DC 變換器）蓄電池充電電路

4 結(jié)語

為了克服單種新能源發(fā)電的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，本文提出了一種多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多能互補(bǔ)轉(zhuǎn)換電路和儲(chǔ)能電路。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，得到了如下結(jié)果。

（1）所設(shè)計(jì)的多能互補(bǔ)電力回路性能較好，在該回路中，各新能量源不穩(wěn)定，各能量源之間互不干擾，但多能量采集到的直流電壓通過升、降、降、壓斬波電路，最后得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出直流電壓。在這種體系結(jié)構(gòu)中，可以確保能量的高效轉(zhuǎn)化，不同類型的能量，可以相互補(bǔ)充，將每一種新能源所帶來的能量，都進(jìn)行了有效的轉(zhuǎn)化和利用。

（2）由多個(gè)能量經(jīng)互補(bǔ)變換電路得到的穩(wěn)定的直流電壓為精電力，再由直流母線給充電電路提供電力，也可直接將其轉(zhuǎn)化為交流電，并輸出與對(duì)應(yīng)的負(fù)荷相匹配的穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電力，如此，在整體上，各種新能量從不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化而來的粗電力，最后得到了穩(wěn)定的交直流精電力。

（3）多能互補(bǔ)系統(tǒng)較單一能量源更易取得穩(wěn)定的輸出，增加了長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的可能，本文所設(shè)計(jì)的線路系統(tǒng)，可以提高各新能量的利用率，使各新能量之間能夠更好的互相補(bǔ)充，更好的利用新能量。

在自然條件下，電力生產(chǎn)過程中往往存在著大量的電力，這些過剩電力被卸壓回路所消耗，造成了資源的浪費(fèi)。在未來，如何降低發(fā)電系統(tǒng)和用電負(fù)荷間出現(xiàn)過大的電量差，從而降低系統(tǒng)的能量波動(dòng)，提升系統(tǒng)的發(fā)電、供電質(zhì)量，將是一個(gè)新的研究方向。