賈婷婷

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730021）

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的提出，如何增加可再生能源在發(fā)電中所占的比例，以及可持續(xù)地使用資源，已是我國(guó)能源行業(yè)需要努力的長(zhǎng)期目標(biāo)。按照目前的能源格局，中國(guó)的總碳排放量大約90%來(lái)自于化石能源燃燒產(chǎn)生的CO2，而電力行業(yè)的CO2排放量占能源排放的比例高達(dá)41%。碳減排是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，而加速新的能源發(fā)展才是最重要的[1]。我國(guó)由于獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)，擁有豐富的風(fēng)力和太陽(yáng)能資源。據(jù)相關(guān)資料顯示，在10 m高度以內(nèi)可開發(fā)的風(fēng)力可達(dá)10億kW。我國(guó)擁有大量的太陽(yáng)能，每年有2/3的地方年平均日照時(shí)間都在2 000 h左右，年總輻射能達(dá)到6 000 MJ/m2，因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展空間。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種在輸出功率上相互補(bǔ)充的電力系統(tǒng)，光伏列陣與風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)，形成了一種風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合其輸出的功率為用電裝置提供一定的電能。由于氣候的原因，2種發(fā)電系統(tǒng)所受到的局限性會(huì)影響其供電的過(guò)程，但如果能夠結(jié)合起來(lái)，就會(huì)形成一個(gè)更加穩(wěn)固的電力系統(tǒng)，使2種不同的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。由于風(fēng)力的不連續(xù)性以及太陽(yáng)能極易受到外部天氣狀況的影響，因此，如何有效地進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電協(xié)調(diào)控制就顯得尤為必要。

1 我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

我國(guó)在1982年8月在北京舉行的新概念型發(fā)電裝置（即太陽(yáng)能-風(fēng)能綜合發(fā)電裝置）研討會(huì)上，開始了對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的探討。朱瑞兆于1986年就對(duì)太陽(yáng)-風(fēng)力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備進(jìn)行了全面使用的構(gòu)想[2]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外三十多年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)資料的梳理，得出結(jié)論：國(guó)內(nèi)的研究成果與國(guó)外基本相同，而且在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)和功率分配方面，國(guó)內(nèi)的一些技術(shù)指標(biāo)，甚至在一些方面已接近世界領(lǐng)先地位。盡管目前的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在生產(chǎn)和生活中都有了很好的應(yīng)用前景，但大部分的技術(shù)都停留在實(shí)驗(yàn)室和模擬試驗(yàn)的最優(yōu)化階段，離商業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走[3]。

1.1 獨(dú)立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

在中國(guó)將近8億的農(nóng)村人口當(dāng)中，大約有5%還沒(méi)有使用電。由于沒(méi)有接入電力網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)通常擁有大量的太陽(yáng)能和風(fēng)力資源，所以在沒(méi)有電力供應(yīng)的地區(qū)，利用這種方式來(lái)改善居民的生產(chǎn)和生活質(zhì)量是非常有利的。此外，由于全世界的戶外燈光項(xiàng)目消耗了12%的電力，因此，太陽(yáng)能光伏在汽車路面和城市的路燈等方面有著廣闊的發(fā)展空間。在航標(biāo)、高速公路監(jiān)控設(shè)備等需要單獨(dú)供電又不中斷供電的系統(tǒng)中，獨(dú)立發(fā)電以其獨(dú)特的資源互補(bǔ)發(fā)電、持續(xù)供電和節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)備受人們的歡迎。目前，我國(guó)許多海島、山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，采用的是獨(dú)立的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。在電力網(wǎng)的抗震救災(zāi)中，獨(dú)立的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是必不可少的。在我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能等資源較多的地區(qū)，大力發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是十分有意義的。

1.2 并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

鑒于目前中國(guó)化石能源資源總量的存儲(chǔ)量限制，以及礦物能源所造成的環(huán)境問(wèn)題，迫切需要開發(fā)優(yōu)質(zhì)能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，中國(guó)新的能源發(fā)展策略將大力發(fā)展風(fēng)能和太陽(yáng)能。太陽(yáng)能與風(fēng)電的空間分布既存在地域差異，又相互補(bǔ)充，因此必須將剩余電能借助電力系統(tǒng)并入電網(wǎng)，同時(shí)兼顧區(qū)域電力資源的綜合利用。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中其核心技術(shù)包括風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、蓄電池儲(chǔ)能模塊和變流器控制模塊在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能高效穩(wěn)定工作所需要的技術(shù)，主要包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率追蹤控制技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組輸出不穩(wěn)定電能的處理技術(shù)、儲(chǔ)能模塊的充放電控制技術(shù)及系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)所需求的并網(wǎng)技術(shù)。借助合理配置各種能源，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性作出保障，其優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)高于單一的風(fēng)能或太陽(yáng)能發(fā)電。在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，將有更多的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)被納入到電網(wǎng)中，使得我國(guó)的電力能源結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，為國(guó)家資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。

2 混合發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理及變換器分析

考慮到風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行條件是十分復(fù)雜且變化的，采用能量存儲(chǔ)組件可以有效地降低電網(wǎng)在功率方面的損耗。將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電結(jié)合起來(lái)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，其主體部分由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電池以及相應(yīng)的變換器、控制器和卸荷回路（備用電路）組成。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進(jìn)行了綜合的研究，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，以解決單個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

2.1 混合發(fā)電系統(tǒng)基本工作原理

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的情況下，電力的生產(chǎn)工作是通過(guò)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和光伏陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過(guò)自然的風(fēng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的葉片從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)生磁場(chǎng)的變化，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；而光伏發(fā)電則是通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方法，通過(guò)太陽(yáng)能板的光電作用實(shí)現(xiàn)光伏陣列的效果，然后通過(guò)電勢(shì)差將電子從原子中分離出去，在物質(zhì)中形成一個(gè)電子的定向移動(dòng)，以產(chǎn)生電流。

為了改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證在無(wú)光照、低風(fēng)速的惡劣氣候條件下供電系統(tǒng)的可靠性，在這種情況下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)往往含有一定數(shù)量的蓄電池和超級(jí)電容。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電力能量?jī)?chǔ)存有2種功能，其一是在空閑時(shí)產(chǎn)生電能，也就是在系統(tǒng)的電能超過(guò)負(fù)荷所需電量時(shí)，將剩余的電能儲(chǔ)存在電池中，這是一種儲(chǔ)能的狀態(tài)；其二，在系統(tǒng)處于負(fù)荷較大的狀態(tài)下，在系統(tǒng)發(fā)電量較少的狀態(tài)時(shí)，將儲(chǔ)存在蓄電池中的電能提供給所需要的負(fù)荷。共直流母線風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中并網(wǎng)系統(tǒng)用負(fù)載代替。

圖1 共直流母線風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 變換器分析

從風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成圖中可以看出，各個(gè)子系統(tǒng)在與DC母線相連時(shí)，必須采用變換器進(jìn)行聯(lián)接，從而取得良好的性能。下面分別對(duì)變換器進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

2.2.1 風(fēng)力變換器

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行受到使用環(huán)境的天氣條件的制約，具有一定的時(shí)斷性和不確定性，因此采用最大的功率控制器對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便對(duì)其輸出功率能夠?qū)崟r(shí)掌握。一般采用AC-DC整流變換器，將風(fēng)電機(jī)組輸出的AC電流轉(zhuǎn)換成DC，并通過(guò)Boost升壓回路，以此來(lái)對(duì)直流母線進(jìn)行供電。在Boost升壓回路中，負(fù)載循環(huán)直接關(guān)系到電源的輸入和輸出的比例，需要電路的占空比與輸入輸出電壓比成正比。一般情況下，由于風(fēng)速太低，無(wú)法滿足直流母線的基礎(chǔ)電壓，所以必須通過(guò)升壓逆變進(jìn)行輸電。同時(shí)，還要確保電源的輸入和輸出的電流不能有過(guò)大的電壓差，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作更加高效。

2.2.2 光伏變換器

由于光伏陣列和光伏電池的使用都受到天氣、光照強(qiáng)度和氣溫等因素的制約，所以MPPT控制器必須協(xié)同工作。DC母線在連接時(shí)最直接的方法是采用二極管，其具有操作簡(jiǎn)便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。盡管二極管的應(yīng)用很容易，但也受到二極管的單方向?qū)щ娦蕴攸c(diǎn)的制約。因?yàn)楣夥姵貎啥说碾妷菏呛愣ǖ?，而且?huì)受到氣候的制約，如果沒(méi)有足夠的光照，就會(huì)造成光伏板的開路電壓比直流母線的電壓低，也就是光伏板無(wú)法對(duì)母線進(jìn)行持續(xù)的電力供應(yīng)，從而造成整個(gè)電網(wǎng)失去控制。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的控制與達(dá)到狀態(tài)最優(yōu)，采用DCDC變換器將光伏陣列與風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的直流母線相連。為了達(dá)到最佳的效率，通常使用Boost電壓升壓電路，與Buck和Buck-Boost電路相比，其更符合轉(zhuǎn)換效率和電流傳輸基礎(chǔ)要求。然而，在實(shí)際的聯(lián)結(jié)中，光伏電池的MPPT電壓要比直流母線端低，故采用Boost電路。

Boost升壓電路的工作循環(huán)的占空與輸入/輸出的電壓比例是成正比例的，當(dāng)光強(qiáng)非常小時(shí)，仍會(huì)有新的電能生成。一般情況下，光電池開路的電壓要比直流母線的電壓低，同時(shí)還要確保電源的輸入和輸出的電壓之間不能有很大的偏差，以提高工作的高質(zhì)量。從輸入電壓和輸出電壓之比k的大小來(lái)看，如果k的數(shù)值較高，轉(zhuǎn)換器的功率就會(huì)降低，而這種電路的輸入是在一定的范圍之內(nèi)的，所以在輸出的時(shí)候，要嚴(yán)格地控制輸出的電壓。通常情況下，光伏陣列的最優(yōu)工作電壓要比輸出電壓高，這種電路是單向控制，類似于二極管，類似于界于陣列與直流母線間的形式。如果該線路的晶體管是接通的，那么該陣列就會(huì)在1個(gè)短路電流區(qū)工作，同時(shí)，其輸入端的電感器在1個(gè)切換循環(huán)中，保持輸入的電壓是不變的，從而確保光伏陣列電壓在最優(yōu)的狀態(tài)。

2.2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器

在能量存儲(chǔ)單元和DC單元間進(jìn)行交流時(shí)，要注意對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電的控制，采用了雙向Buck/Boost回路，并通過(guò)Buck/Boost電路逆變系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變換器進(jìn)行電流雙向流動(dòng)控制。在儲(chǔ)能模塊與DC單元相結(jié)合時(shí)，要注意對(duì)其進(jìn)行充放電控制，以便于對(duì)蓄能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存和排放，確保電能質(zhì)量。在本系統(tǒng)中，采用雙向Buck/Boost電路，充分利用Buck/Boost變換電路具有雙向流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)有效控制。雙向Buck/Boost電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙向Buck/Boost電路結(jié)構(gòu)圖

雙向Buck/Boost變換器的最大特性是其輸出的電壓和輸入的電壓可調(diào)可控，使其具有雙向的流動(dòng)特性。Buck和Boost的電路元件都是一樣的，包括開關(guān)管、二極管、電感和電容器等。本線路中的T1及T2是IGBT（即Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），當(dāng)電源線接通時(shí)，可以對(duì)電池進(jìn)行充電和放電。在雙向Buck//Boost中，U1表示直流母線電壓，U2表示蓄電池電壓。在U1比U2大的情況下，這是一個(gè)電壓升高的過(guò)程，T1關(guān)閉，T2被打開，電池被充電，這是Boost回路；在U1比U2小的情況下，這是一個(gè)降壓模式，T1打開，T2關(guān)閉，能量存儲(chǔ)裝置放電，并對(duì)負(fù)荷進(jìn)行電源供給，這時(shí)Buck電路對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行工作。

2．2.4 DC-AC逆變器分析

在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中，直流母線和交流負(fù)荷通過(guò)DC-AC變換器相聯(lián)接，系統(tǒng)選擇了Sumlink中自帶的逆變器，把DC轉(zhuǎn)換成AC信號(hào)。該線路包括6個(gè)IGBT，分別有8種工作方式，每種工作方式都有自己的特點(diǎn)及相應(yīng)的工作范圍。

3 碳中和背景下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究

3.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略一

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，擬定風(fēng)力系統(tǒng)輸出功率為P1，光伏輸出功率為P2，儲(chǔ)能蓄電池輸出功率為P3，負(fù)載需求功率為P4。常規(guī)的控制策略是依據(jù)天氣所發(fā)生的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電力的輸出量隨負(fù)荷的不同而進(jìn)行調(diào)整改變?？刂圃瓌t：實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出情況，并與負(fù)荷要求相對(duì)照，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電和放電的調(diào)控。在系統(tǒng)的輸出功率比負(fù)荷要求高的情況下，蓄能裝置對(duì)其進(jìn)行充電；在系統(tǒng)的輸出功率比負(fù)荷要求低的情況下，蓄能裝置對(duì)其進(jìn)行放電；風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作模式如圖3所示。

圖3 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式

控制策略中，按照氣候的不同，將其劃分為4種不同的氣象條件，分別是有風(fēng)有光、有風(fēng)無(wú)光、無(wú)風(fēng)有光和無(wú)風(fēng)無(wú)光。然后將其劃分為7種不同的工況。盡管從原理上可以克服這種棄風(fēng)棄光的情況，但對(duì)這種控制策略進(jìn)行全面的分析仍有其局限性，因此對(duì)其進(jìn)行控制還有待于深入的探索。這是因?yàn)?，在?fù)荷不足的情況下能量?jī)?chǔ)備已經(jīng)接近飽和，而風(fēng)力發(fā)電的高負(fù)荷運(yùn)行，根本不可能實(shí)現(xiàn)電力的有效使用，因此只能考慮棄風(fēng)棄光。經(jīng)過(guò)實(shí)踐操作，此種控制系統(tǒng)達(dá)到了很好的互補(bǔ)效果。但是這種方法也有其不足之處，即在風(fēng)光發(fā)電機(jī)的輸出功率高于要求負(fù)荷的情況下，如果該系統(tǒng)還具備可充電量，那么首先對(duì)該蓄電池進(jìn)行充放電，而蓄電池的電量達(dá)到飽和，就必須進(jìn)行棄風(fēng)或者棄光。即使是并網(wǎng)，也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略二

傳統(tǒng)的控制方法是基于氣候條件的改變，據(jù)此對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)的控制，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的充電和放電，從而提出儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。針對(duì)負(fù)荷要求，設(shè)計(jì)了一種能量存儲(chǔ)的控制策略，并通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池供電的蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的全負(fù)荷運(yùn)行，減少了風(fēng)電機(jī)組的棄風(fēng)和棄光，提高了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的綜合利用效率。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)基本原理如圖4所示。

圖4 風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)基本原理

在系統(tǒng)模式1至4的工作狀態(tài)下，儲(chǔ)能電池都是在放電狀態(tài)，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和儲(chǔ)能發(fā)電，這3種發(fā)電方式會(huì)隨著負(fù)荷的變化而改變，而在這個(gè)時(shí)候，負(fù)荷就是工作狀態(tài)，而在系統(tǒng)模式5至10都是充滿電的狀態(tài)下，此刻只考慮SOC的問(wèn)題。以上幾種方式之間的切換，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略二中，必須對(duì)蓄電池的SOC進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管目前已經(jīng)有了一些關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究，但我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)還處在發(fā)展初期，無(wú)論是從原理上還是從實(shí)踐上來(lái)說(shuō)，都有很大的發(fā)展?jié)摿?，因此，其市?chǎng)潛力很大，有助于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。