風光互補發電系統的能源管理與遠程監控

江菊元，楊威達,2，張 枤，林乃坦

（1.天津理工大學 自動化學院，天津 300384；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；3.天津市藍深科技發展有限公司，天津 300384）

0 前言

隨著能源危機和環境惡化日益加劇，人們越來越關注環境保護和新能源技術的發展.風力發電和太陽能發電是所有可再生能源中最有前景的，他們具有零污染、低輻射、永不枯竭等諸多不可取代的優點.近年來，世界各國都加大對風能和太陽能產業的投入.隨著成本的進一步降低，產業技術的升級以及政府財政與政策的支持，風光互補智能系統作為一種靈活、穩定的能源供給系統，將是新能源利用研究與應用的熱點.隨著城市化進城的加快，國家經濟的高速發展,節約能源和環境保護已經成為越來越重要的議題,與此同時能源對于社會經濟的影響也更加深遠.工業生產的最基本條件就是能源，能源系統的是否能夠穩定高效的運行，則直接關系到產品的質量，乃至企業的整體經濟效益.因此建立一套高效的能源系統就有著極為重要的意義.

風能和太陽能都屬于可再生能源，風力發電和光伏發電固然有其不可比擬的優勢，但是其中也存在著很多問題和技術難度.

風力發電和光伏發電所生產的電能多少很大程度上取決于自然環境的變化，輻射強度、風速等因素會直接決定風力機以及太陽能電池板的工作狀態.然而自然界中太陽能和風能的變化既有一定的規律也存在很大的隨機性，人們很難對其進行精確的評估的預測，所以單獨的風力發電和光伏發電無法做到像其他類型的放電系統那樣提供非常穩定的功率輸出.為了使電能供應持續而穩定，就必須引入儲能環節，并使風力發電光伏發電實現互補.

風光互補電力系統在管理和控制方面與傳統的能源系統有所區別，風力發電模塊和光伏發電模塊為實現最大功率跟蹤以及保障其安全穩定的運行都需要一套自身的閉環控制系統.與此同時為了使各個發電模塊相互協調，實現能源互補，這樣就還需要一個應用于整體能源管理系統.

1 系統工作原理概述

1.1 風力發電部分

風力發電機將風能中的一部分能量轉化為電能，當風速達到一定的切入速度后帶動槳葉轉動，并通過傳動裝置帶動輪機轉動，從而產生三項交流電.通常情況下風力發電機能夠利用的風能是在一定的范圍以內的，當風速過小時風能不足以帶動風力發電機的槳葉轉動，這時風力發電機不會啟動.只有風速大于發電機的最小切入速度時發電機才能夠啟動，其輸出電能的功率與風速的大小有著直接的關系，在這一階段，風速大于切入速度但是又不滿足額定風速，所以輸出的功率是不穩定的.當風速達到發電機要求的額定風速后，風力發電機會工作在一個比較理想的狀態，其自身的控制系統會對轉速進行調節使其充分利用風中的能量，并能夠以恒定的功率輸出電能，所以只有在風速滿足額定需求是，風力發電機才能以額定功率輸出電能.對于風力發電而言并非風速越大越好.如果風速過大，風力發電機自身的調速系統就很難再對其進行有效地控制，這樣就會導致轉速過快以至于發電機會因此受到損壞.風力發電機為了自我保護都會設定一個最大風速，當風速大于這個值時，發電機自動關停，避免其受到損壞.風力發電機的輸出功率可由以公式(1)計算.

式中： 為風力發電機的輸出功率； 為葉尖端速比； 為風力發電機的風能利用系數； 為空氣密度；為風輪半徑； 為風速.

1.2 光伏發電部分

光伏發電的原理是太陽能電池利用PN結的光生伏特效應將太陽能轉化為電能，將多個太陽能電池經過串并聯就組成了一個光伏發電陣列，其輸出特性不同于常規的電壓源或電流源，當電壓低于某一特定值時光伏發電陣列能夠以相對恒定的電流輸出直流電，如果輸出電壓超過這個范圍輸出電流便會急劇減小.

光伏陣列的工作狀態主要受太陽光的輻射強度和溫度影響，在夜晚或沒有光照的條件下無法產生電能，所以獨立的光伏發電系統必須與蓄電池等儲能單元相結合，才能有效的提高其持續供電的能力.此外無論光伏發電陣列還是蓄電池只能作為直流電源，如果要向交流負載供電或者并網供電就必須通過逆變器將其發出的直流電轉化為特定頻率和電壓的交流電，因此逆變器也是一個光伏發電系統中必不可少的組成部分.理想PN結太陽能電池的 方程如公式 (2)所示.

式中： ， 分別是太陽能電池輸出的電流和電壓； ， 分別是太陽能電池的短路電流和PN結的反相飽和電流； 是波爾茲曼常數； 為電子電荷量； 是溫度.

圖1 風力發電機的輸出功率特性Fig.1 Theoutputpower curveofw ind generator

圖2 太陽能電池的VI特性Fig.2 The VIcharacteristicsof solar cells

2 系統架構

該風光互補發電系統可以像一個區域或大型公共建筑提供給電能，若干個風力發電機以及光伏發電陣列生產出電能，引用蓄電池進行儲能，如圖3所示.風力發電機產生的三相交流電經過整流器將其轉化為直流電，和光伏發電系統同時為蓄電池供電.當蓄電池需要輸出電能時則通過逆變器再將其轉化為所需要的交流電.當風能和太陽能不足時蓄電池也能夠由公共電網進行充電.其控制系統主要由兩部分組成，第一級控制系統主要負責風力發電模塊和光伏發電模塊的輸出功率控制,這部分控制主要由現場傳感器控制器下位機完成.第二級控制系統是能源管理系統主要負責對系統的工作狀態進行遠程監控，并實現能源管理，通過控制電池的充放電，以及各模塊的工作方式，使系統達到功率平衡.在該系統中采用蓄電池作為儲能環節，在必要時可以由市電對其進行充電，并且分為多組，充電與放電可以同時進行.這樣做不但增加了系統的可靠性，而且避免了系統并網，從而使系統得以簡化，降低成本.

3 能源管理策略

電能的直接來源有4個方面，分別是太陽能電池，風力發電機，蓄電池以及市電.為了最大限度的利用風能和太陽能，并使系統具有較高的穩定性，所以就需要有相關的控制策略來調整各模塊的工作模式.由于既然環境的變化風力發電和光伏發電模塊的輸出功率也會產生波動. 為風力發電模塊的輸出功率， 為光伏發電模塊的輸出功率. 1， 2是根據負載所設定的兩個功率閥值 1gt; 2.當輸出總功率下降至 2時蓄電池開始放電，當總功率上升至 1時蓄電池開始充電.

圖3 系統整體結構Fig.3 Structureof thew ind-solarhybrid power system

表1 蓄電池充放電控制策略Tab.1 Controlstrategy of the battery

4 數據采集與遠程監控

數據采集與能源管理系統主要控制各個發電單元的運行模式以及蓄電池的充放電，是整個能源系統的重要組成部分.它要具足夠的準確性迅速性和穩定性，與此同時也要操作簡易便于維護.其主要組成部分包括各種傳感器，遠程控制終端，以及上位機.數據采集與遠程監控系統結構如圖4所示.

4.1 遠程控制終端

遠程控制終端即RTU（Remote Term inal Unit）主要負責工業現場的信號采集并對設備進行遠程控制，通常一個遠程控制終端含有多個輸入輸出接口，能夠支持多種信號的傳輸.并且可以根據應用需求加裝各種功能模塊.

遠程測控終端主控板與各功能模塊采用通訊方式.各個模塊之間相互隔離，并且用個各自獨立的CPU.這種結構既增加了設備的可靠性，也極大地減輕了主控板的負擔，這樣位于主控板的處理器就可以完成更加復雜的運算、通訊任務.在風光互補型電力系統中遠程控制終端主要負責數據采集和傳輸，在第二級控制系統中作為控制器.現場的電壓電流等信號經過傳感器變送器傳送至RTU，再由GPRS模塊發送至上位機由其對數據進行分析匯總.

本文中所選用的遠程控制終端的核心是MSC-51系列的AT89C52單片機.該型單片機性能優越，工作穩定，可切換低功耗模式，目前應用非常廣泛.遠程控制終端與各傳感器以及外部設備通過RS485進行通訊.在GPRS模塊中設定接收數據的上位機的IP地址，并在其中裝入SIM卡，當上位機連接到互聯網并啟動能源管理軟件后，遠程控制終端便可進行數據傳輸.該設備包含十個插槽與外部模塊進行連接，每個插座最多支持6個數據通道，足以滿足風光互補發電系統中多個物理量的數據采集.圖5為遠程控制終端的硬件結構.

圖4 數據采集與遠程監控系統結構Fig.4 Dataacquisition system

圖5 遠程控制終端Fig.5 Remote term inalunit

4.2 遠程監控系統軟件設計

軟件系統主要包括下位機和上位機兩部分.上位機的遠程監控系統軟件使用VB編程語言和SQLserver數據庫開發，在Windows XP，Windows7的系統環境下均可順利運行.下位機選用Keiluvision軟件調試環境，通過GPRS無線數據分組業務與上位機實現數據傳輸.通過該遠程監控軟件，在上位機實現數據的存儲與顯示.下位機針對單片機的程序主要包括：主程序部分、數據采集子程序、事件處理子程序、顯示刷新子程序以及通信子程序.對于下位機的監控程序主體監控程序該設計中其主體采用自主循環的串行順序結構.完成系統初始化后主程序將順依次序調用各個子程序.主程序流程如圖6所示.

VisualBasic是一種可視化的編程語言，它具有可視化的用戶界面、用簡單的點擊或拖動操作即可對程序進行編輯、與此同時還具有完善的即使提示功能和豐富的控件，這些特點對程序設計都帶來了極大的便捷；Visual Basic還具有強大的數據庫程序開發功能，能夠很好地解決復雜的數據采集監控系統的數據存儲問題.

圖6 下位機主程序流程Fig.6 Program flow chartof lower computer

應用VisualBasic程序編寫上位機遠程監控系統具有系統設置、實時數據顯示和生成歷史曲線的功能，顯示的實時數據包括風速，陽光輻射功率，環境溫度，光伏模塊發電功率，風力發電模塊功率，太陽能電池板電壓電流，風力發電機三項電壓電流，蓄電池的電壓電流以及充放電狀態等.通過工具菜單可以對通訊狀態消息記錄報警設置報警記錄公共參數用戶配置等選項進行設置，實時數據顯示界面如圖7所示.

圖7 實時數據顯示界面Fig.7 Display interfaceof real time data

數據的存儲通過SQLserver數據庫完成.通過VB與數據庫的接口進行數據調用生成曲線.VB是基于面向對象的設計思想的開發工具，可以同很多按照面向對象設計出的應用軟件建立調用.VB對數據庫的底層控制就是在此基礎上實現的.該軟件的歷史曲線功能最多支持三個通道，查詢時間可自由設定.圖8為3組數據的歷史曲線.

圖8 歷史曲線顯示界面Fig.8 Display interfaceof history curve

數據表結構如圖9所示，Unitid=1時，字段ai0-ai4分別對應陽光輻射功率，太陽能電池板功率，太陽電池板的輸出電壓電流以及空氣溫度，字段ai9-ai11分別對應風速，風力發電機輸出電壓電流以和功率，ai17-ai18是電池電壓和功率總和.Unitid=2時，ai0-ai2分別對應風力發電機輸出的三相電壓.

5 結論

圖9 SQL server數據表Fig.9 SQL server data sheet結論

目前在世界范圍內風力發電和光伏發電技術發展迅速.因此對于風光互補型能源系統的研究有著很大的實際意義，本文主要研究了風光互補能源系統結構、充放電與功率控制策略.提出過對蓄電池進行分組并且在必要時通過市電對其充電，該結構將極大地增強了系統可靠性同時又區別于常規的并網型風光互補系統，對于相對小型的區域能源系統提供了新的思路.在傳統的風光互補系統中使用遠程控制終端來來完成數據采集和控制，并為其設計了一套完整的應用軟件從而實現對系統的遠程管理.

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