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微电网风光互补发电系统的研究 1 基于风能互补发电系统的应用前景 近年来，可支配能源已经成为促进社会可持续发展和应对气候变化的重要替代能源。这些能源中,太阳能、风能是最普遍的自然资源,且两者具有天然的互补性和最佳的匹配性,并都具有较广阔的应用前景。风光互补发电系统弥补了风力和太阳能独立发电系统在资源利用上的缺陷,综合利用风光互补技术进行发电已成为新的发展趋势。 由于地域差异,远离电网的地区,如游牧民区、边防哨所、山区信号站等,电力来源需依靠独立供电系统,要解决长期稳定可靠的供电问题,只能依赖当地的自然能源,风光互补发电无疑是解决独立供电的最佳方案。为获得良好的电力能源输出,如何实现对风光互补发电系统的合理控制成为研究的重点。 2 景观互补能源系统 风光互补发电系统总体结构如图1所示,系统主要由电能产生环节、电能变换控制环节和电能存储消耗环节3部分组成。 2.1 风力发电系统 电能产生环节包括风力发电和太阳能发电两部分。风力发电部分可通过直流风机或交流风机获取风能转化为电能;太阳能发电部分通过太阳能电池板获取光能转化为电能。 2.2 太阳能电池板直流电输出 电能变换控制环节由DC/DC变换器、主控制电路等部分构成,是发电系统的核心环节。 交流风机输出的三相交流电需经整流后进入DC/DC变换器,直流风机输出直流电经过稳压后直接送入DC/DC变换器;太阳能电池板输出得到的直流电通常要通过1个防反二极管后,再送入DC/DC变换器。 主控制电路通常采用PLC或单片机、DSP等控制芯片,通过控制DC/DC变换器实现功率变换,同时还可对各种信息、参数进行数据采集、处理,从而实现设备保护、风险预警等功能。 2.3 电能平衡系统 电能存储消耗环节包括存储和消耗两部分。电能的存储部分由蓄电池承担,用来消除由于天气等原因引起的能量供需的不平衡,在整个系统中起到电能调节和平衡负载的作用。电能的消耗部分主要由直流负载、交流负载组成。直流负载可由蓄电池直接引入,也可通过1个升压或降压直流变换电路提供所需要的直流电压;对于交流负载则需将蓄电池输出的直流电变为交流电。 3 光景光互补发电系统控制器的复杂程度及功能特点 风速、光强、负载用电量和蓄电池状态是影响风光互补发电系统运行状态的主要因素。通常这些因素都在不断变化,且互相联系、制约。由于各因素的随机性影响,需对风光互补发电系统进行合理控制,才能实现不同条件下的最优运行。 控制器主要功能包括:对风机和太阳能电池板的输出功率进行控制;对蓄电池进行充放电控制;对系统保护以及协调输入输出能量控制等。针对不同发电系统的要求,控制器的复杂程度及功能特点也不尽相同。本文对现有的独立风光互补发电系统的控制技术进行了归纳和分类,如图2所示。 3.1 对太阳能电池板的控制 3.1.1 太阳能电池板mppt和po法 太阳能电池板输出电压、电流是随日照强度和电池结温的变化而变化,具有较强的非线性特点,因此在特定的工况下存在着1个最大功率输出点。 通常,自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中,为了在相同日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能,就存在最大功率输出点跟踪的问题,因此,需要对太阳能电池板进行最大功率点跟踪控制(MPPT)。MPPT控制实质是一个自寻优过程,通过控制电池板的特定参数,或控制DC/DC变换器开关管的开通时间,使电池板能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。目前,应用于独立风光互补发电系统的太阳能电池板MPPT控制技术主要有恒压控制、扰动观察和电导增量3种。 1)恒压控制法。恒压控制法(CVT)的原理比较简单,在相同温度,不同光照强度下,太阳能电池板的最大功率点PM近似处于某一恒定的电压值VM附近,因此,只需通过调节DC/DC变换器的占空比改变负载阻抗,使电池板的输出电压稳定在VM附近,便可实现MPPT控制。其控制框图如图3所示。 CVT法实际上是一种稳压控制,简单、易实现、稳定性高。但是由于忽略了温度对阵列输出电压的影响,该方法的实质并不是真正意义上的最大功率点跟踪,对于四季温差或日温差较大的地区,CVT法并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率,便会导致功率损失。因此,该法适用于温度变化不是很明显的情况。 文献采用CVT法对太阳能电池板进行MPPT控制,大大简化了系统MPPT的控制设计,并提高了发电效率。 2)扰动观察法。扰动观察法(PO)又称为登山法、爬山法,是目前研究较多且常用的MPPT控制方法。控制对象可以是太阳能电池板的电压或者电流。其工作原理为:周期性的给对象加扰动,比较输出功率与加扰动前的输出功率的大小,若功率增加则在下1个周期以相同方向加扰动;反之,则改变扰动方向,图4所示为其控制框图。 扰动的加法有2种:可直接给被控对象加扰动,也可给控制DC/DC变换器驱动信号的占空