風光儲互補微網系統集成技術的研究與設計

張麗瑩，陳國良，孫麗兵，吳恩美

（上海太陽能科技有限公司，上海201108）

0 引言

相對于傳統的石化能源，新能源具有污染小，儲量大等特點。由于風能和光能的間歇性，風、光獨立運行供電系統很難連續穩定的輸出能量，可利用風光的互補性減輕其波動性。同時，配合儲能系統，通過對電能的儲存和釋放來改善風光發電系統的功率輸出特性，形成風光儲微網系統。在多能互補的微網系統集成技術中，風光儲系統之間的配合，離并網之間的切換，以及如何讓風光儲組成的微網能夠安全可靠的運行都是微網應用和推廣需要解決的關鍵問題［1－3］。但以往的風光儲互補微網研究主要依賴功率設備自身的調節來實現整個系統功率潮流的協調控制和保護，這種方式缺乏對整個微網系統，包括分布式電源、儲能單元以及對應負荷的整體考慮，系統管理功能不完善、運行效率較低。

本文設計了由光伏發電、風力發電和儲能系統組成的風光儲互補微網系統。考慮各分布電源之間的協調控制，提出了微網運行模式和控制策略，設計了基于DSP 28335芯片的能量協調控制器，集成了風光儲微電網系統的控制管理功能，提高系統運行效率。

1 基于風光儲互補的微網系統方案

基于風光儲互補的微網系統由130 k W的光伏發電、20 k W的風力發電和50 k W的儲能系統組成，其結構如圖1所示。由圖1可以看出，130 k W光伏組件分為6個陣列，通過并網逆變器并接入交流母線上，兩臺10 k W風機通過風機控制器和逆變器接入交流母線，蓄電池通過50 k W儲能變流器連接到交流母線上，整個微電網系統通過共同連接點接入低壓配電網。

圖1 微電網系統結構示意圖

2 微網系統運行模式及控制策略

微網系統包含離網運行、并網運行，以及離并網切換3個部分。在電網正常的情況下，微電網系統并入電網系統，并網運行，達到新能源的最大化利用；在電網故障的情況下，微電網快速切離電網，并切除非敏感負荷，保障敏感負荷的不間斷供電要求，提高供電質量。各運行模式協調控制策略具體如下［4－5］。

1）對于本地系統離網運行模式：

（1）設置電池逆變器工作在VF輸出模式。

（2）設置光伏和風機變換器工作在PQ輸出模式。

（3）當電池非過充或過放時，保持光伏和風機的最大功率點跟蹤（MPPT，Maximum Power Point Tracking）工作狀態。

（4）當電池過充時，控制光伏和風機中輸出功率較小的單元工作在非MPPT狀態，其余單元工作在MPPT狀態。此時工作在非MPPT狀態的發電單元的取值用于平衡發電側和負荷側功率需求之差。

（5）當電池過放時，切除可控負荷，控制光伏和風機工作在MPPT狀態。

2）對于本地系統并網運行模式：

（1）設置光伏和風機變換器工作在PQ輸出模式。

（2）設置電池逆變器工作在恒功率充電模式，當其滿充時轉為待機狀態，等待下一次放電過程。

（3）由于母線電壓由電網電壓鎖定，可以將電網視為容量無限大的能量緩沖單元，因此光伏和風機始終工作在MPPT狀態下。

3）對于離并網運行模式之間的切換：

（1）當接收到離網向并網切換的指令時，檢測本地電壓和網側電壓之差，在持續0.2 s保持二者差值小于并網電壓誤差的情況下，閉合并網開關。

（2）當接收到并網向離網切換的指令時，設置儲能單元功率給定，使得本地和外部電網停止功率交換，之后檢測本地電壓和網側電壓之差，在持續0.2 s保持二者之差小于并網電壓誤差的情況下，斷開并網開關。

3 控制技術集成及能量管理控制器設計

為了實現風光儲系統的能量管理控制算法，設計制作了帶有核心算法運算、串口通信等功能的能量協調控制器，控制電路板如圖2所示。該能量協調控制器基于DSP＆CPLD的核心控制單元實現，設計了4種通信通道，具有CPLD功能擴展模塊以及相應的狀態量IO端口，方便控制系統功能擴展，具備與分布式光伏、風力、儲能、負荷開關以及操作后臺通信控制的接口，可實現統一協調控制［6］。

圖2 能量管理系統控制板結構

能量協調控制器硬件功能結構包含5個部分，分別為DSP處理器、CPLD擴展電路、通用輸入輸出端口、模擬輸入端口、通信端口（RS-232，RS-485，CAN，USB）。各部分結構和功能具體如下。

1）DSP處理器 DSP核心電路基于TI公司的浮點型DSP芯片TMS320C28335實現，該芯片和之前使用較多的TMS320C2812相似，但由定點運算調整為浮點運算，計算精度有所提升。與此同時，在脈沖寬度調制（PWM）發生等方面也進行了功能加強，可以方便實現更為靈活的控制方式。

2）CPLD電路 CPLD電路實現對于輸入輸出端口的擴展，解決DSP外擴端口不足的問題，型號為EPM1270T144C5的CPLD。在其原理圖設計過程中，為了實際方便，將原有的CPLD芯片的管腳歸為三類，分別利用U2A、U2B和U2C三個子模塊表示三組管腳，對應搭建外圍電路。

3）通用輸入輸出電路 通用輸入輸出電路又名GPIO，該部分電路實現對DSP的GPIO電路的擴展，其中重點實現的是光耦隔離功能，同時引入撥碼開關和LED狀態指示燈方便程序調試。

4）模擬輸入電路 模擬輸入電路的作用在于對輸入控制板的模擬信號進行電平變換，以確保輸入DSP模擬輸入端的電平在0～3 V的范圍內，其功能基于運算電路實現。

5）通信電路 通信電路實現串口通信。同時，由于考慮到多數日常電腦并不具有串口輸入端，因此設計了基于MAX3232ECAE的USB轉串口電路，方便程序調試。

4 結語

相對于傳統的主要依賴功率設備自身調節來實現整個系統功率潮流的協調控制和保護的風光儲互補微網系統而言，本文設計的系統集成了系統管理功能，實現了分布式電源、儲能單元以及對應負荷的統一協調控制，滿足了整個微電網系統的穩定、高效運行。

本文的研究成果已應用于上海閔行區某公司廠房的風光儲微網系統，目前已進行了多次離并網切換，運行良好。在運行中，離網向并網切換暫態時間不超過100 ms（從接收到能量管理單元并網指令時刻開始計），并網向離網切換暫態時間不超過800 ms（從檢測到電網故障，并斷開并網開關時刻開始計），并離網切換過程中雙向變流實現不停機過渡。

［1］ 楊金煥，余化叢，葛亮.太陽能光伏發電應用技術［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］ 朱昊，韋鋼，吳萬祿，等.城市微電網控制策略的研究［J］.電力與能源，2013，34（4）：332-337.

［3］ 張明銳，林承鑫，王少波，等.一種并網型風光互補發電系統的建模與仿真［J］.電網與清潔能源，2014（01）：68-74，80.

［4］ 李鋼，趙靜，姚振紀.智能微電網的控制策略研究綜述［J］.電工電氣，2012，（1）：1-4.

［5］ 王成山，高菲，李鵬，等.低壓微網控制策略研究［J］.中國電機工程學報，2012，32（25）：2-8.

［6］ 高吉普，袁越，李強.獨立風光混合系統的控制與仿真［J］.電網與清潔能源，2010（05）：57-61.