風光互補能源系統的結構與控制策略研究

楊威達，李 昂，徐瓊瓊

風光互補能源系統的結構與控制策略研究

楊威達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，風光互補型能源系統以其較高的可靠性和經濟型，目前成為了一種被廣泛認可的能源解決方案。風能和太陽能的特性，設計了一種基于遠程控制終端（RTU）的風光互補能源系統。簡要介紹了其基本構成，以及系統的控制策略。并通過計算機仿真對控制方案進行了驗證。實驗結果對今后風光互補型能源系統的設計與研究有一定指導意義。

風光互補 遠程控制終端 控制策略

0 引言

風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勢。隨著技術的進步，開發成本逐漸降低以及諸多政策的扶持，風能太陽能發電成為了能源研究應用領域新的熱點[1]。風光互補能源系統是一種利了風光兩種資源的互補性而設計的能源系統，相較于單獨的風能或太陽能發電具有更好的靈活性和穩定性。所以風光互補能源系統的研究與應用在當下具有非常重要的意義[2]。為證實能源解決方案的可行性，本文對系統結構進行設計，制定控制策略，通過計算機仿真對控制方案進行了驗證。

1 系統結構設計

一套風光互補能源系統可用于為一棟建筑或者一個區域提供能源。該系統中包含若干用于產生電能的風力發電機和太陽能電池板，以及用于儲能的蓄電池組。風機產生的三相交流電可通過整流器轉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化為交流電驅動交流負載。控制系統共分為兩級，第一級是風電機組和太陽能電池板所組成的閉環控制系統，該系統根據風速和日照強度對最大功率點進行跟蹤，保持發電機穩定高效地運行。第二級是數據采集和能源管理系統。它主要負責并網裝置和蓄電池充放電的控制，同時結合數據采集和能源管理系統，實現各模塊工作狀態的監控。整個系統根據預定義的控制策略，調整各模塊的工作狀態，進行能源調度，從而保證負載耗電量以及整個能源系統的穩定。系統整體結構如下圖所示[3]。

圖1 風光互補系統結構

數據采集和能源管理系統用于控制各模塊的狀態切換設備以及電池的充放電控制。它的主要組成部分包括各種現場傳感器，遠程控制終端（RTU），無線接收設備，上位機。遠程控制終端是數據采集和能源管理系統的核心，是二級控制中的主要控制器，通常情況下，一個遠程控制終端會包含多種IO接口，以支持各種傳感器的數據采集。來自現場傳感器的數字信號和模擬信號發送至遠程控制終端，再由遠程控制終端通過GPRS將數據打包發送至上位機，進行數據的分析和系統診斷。

圖2 數據采集與傳輸

2 控制策略

風光互補能源系統中電力的直接來源共有四個，即風機、太陽能電池板、蓄電池、外部電網。要確保系統最大限度的運行在平衡狀態下就需要對其制定一個有效的控制策略。由于風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，所以風光的總輸出功率是實時變化的，所以需要不斷調整各模塊的工作狀態以保持系統輸出總功率的相對穩定。在下表中P代表風電模塊的輸出功率，P代表光伏模塊的輸出功率。為防止系統總功率在設定點附近波動而導致頻繁切換，故設定了1，2為兩個功率閾值，且這兩個值略高于負載的額定功率，即1>2>L。則各個工況下對系統工作模式的控制策略如下所示。

表1 系統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，對系統整體進行了MATLAB仿真實驗。風機和太陽能模組的輸出會隨著外部環境的變化而變化，但是系統通過或調整功率跟蹤狀態以及控制電池充放電，系統能夠實現穩定的輸出。

仿真模型主要由以下幾個部分組成：風力發電機、太陽能電池板、蓄電池、模擬負載。具體模型如下圖所示：

圖3 風光互補系統仿真模型

風電模塊和光伏模塊的輸出與風速和光照可根據以下公式計算得出。

表2 系統參數設置

仿真結果基于以上參數的結果如下：(a)為風電模塊輸出曲線；(b)為太陽能模塊輸出曲線；(c)為風光總功率輸出曲線；(d)為加入蓄電池和負載后的總線電壓曲線。

4 小結

本文主要研究了風光互補系統的整體架構以及控制策略。提出了一種模塊化的系統結構。風電模塊，光伏模塊，蓄電池，通過遠程控制終端進行整合，實現了現場數據采集和遠程實時控制。系統的控制策略則通過MATLAB仿真進行了驗證，從仿真結果可以看出，系統在輸入變化的情況下仍能夠保證輸出功率的穩定，實現互補。風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，該研究對于今后風光互補系統的實際工程應用具有一定的指導意義。

圖4 仿真結果

[1] 門殿卿. 電能質量監測系統和算法的研究[D]. 太原: 太原理工大學, 2011.

[2] 陳赟. 風力發電和光伏發電并網問題研究[D].上海：上海交通大學, 2009.

[3] 楊威達. 風光互補發電系統的能源管理與遠程監控[D].天津: 天津理工大學, 2012.

[4] 邱正美. 含分布式電源的配電網絡重構研究[D]. 北京: 華北電力大學, 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（1988-）。研究方向：海洋工程，新能源，儀器儀表。Email：blusterywd@163.com