楊威達(dá)，李 昂，徐瓊瓊

風(fēng)光互補能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略研究

楊威達(dá)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(fēng)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(rèn)可的能源解決方案。風(fēng)能和太陽能的特性，設(shè)計了一種基于遠(yuǎn)程控制終端（RTU）的風(fēng)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(jìn)行了驗證。實驗結(jié)果對今后風(fēng)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(fēng)光互補 遠(yuǎn)程控制終端 控制策略

0 引言

風(fēng)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(jìn)步，開發(fā)成本逐漸降低以及諸多政策的扶持，風(fēng)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(fēng)光互補能源系統(tǒng)是一種利了風(fēng)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(fēng)能或太陽能發(fā)電具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。所以風(fēng)光互補能源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用在當(dāng)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(jìn)行設(shè)計，制定控制策略，通過計算機仿真對控制方案進(jìn)行了驗證。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

一套風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板，以及用于儲能的蓄電池組。風(fēng)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(fù)載?？刂葡到y(tǒng)共分為兩級，第一級是風(fēng)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(fēng)速和日照強度對最大功率點進(jìn)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(fù)責(zé)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(jìn)行能源調(diào)度，從而保證負(fù)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(fēng)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(yuǎn)程控制終端（RTU），無線接收設(shè)備，上位機。遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程控制終端，再由遠(yuǎn)程控制終端通過GPRS將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機，進(jìn)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(fēng)光互補能源系統(tǒng)中電力的直接來源共有四個，即風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(jìn)行了MATLAB仿真實驗。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池、模擬負(fù)載。具體模型如下圖所示：

圖3 風(fēng)光互補系統(tǒng)仿真模型

風(fēng)電模塊和光伏模塊的輸出與風(fēng)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(fēng)電模塊輸出曲線；(b)為太陽能模塊輸出曲線；(c)為風(fēng)光總功率輸出曲線；(d)為加入蓄電池和負(fù)載后的總線電壓曲線。

4 小結(jié)

本文主要研究了風(fēng)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(fēng)電模塊，光伏模塊，蓄電池，通過遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行整合，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程實時控制。系統(tǒng)的控制策略則通過MATLAB仿真進(jìn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dá). 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的能源管理與遠(yuǎn)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(dá)（1988-）。研究方向：海洋工程，新能源，儀器儀表。Email：blusterywd@163.com