適用于季節(jié)性用電臺(tái)區(qū)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)的風(fēng)光互補(bǔ)備電系統(tǒng)方案

李志峰，劉林清

（國(guó)網(wǎng)河南西峽縣供電公司，河南 南陽 473550）

關(guān)鍵字：風(fēng)光能互補(bǔ)發(fā)電；市電檢測(cè)；逆變輸出；通信控制；電源系統(tǒng)

1 系統(tǒng)需求

近年來，電力系統(tǒng)中季節(jié)性用電、時(shí)段性、周期性用電（如階段性生產(chǎn)用電的企業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、排灌抗旱等）的臺(tái)區(qū)大量增加，當(dāng)臺(tái)區(qū)處于長(zhǎng)時(shí)間不使用狀態(tài)時(shí)，為了降低鐵損、銅損及其他損耗，會(huì)斷開跌落保險(xiǎn)。此時(shí)，因無電源，以至于主站無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集終端、電能表進(jìn)行監(jiān)控，使得該部分電力設(shè)備處于脫離控制狀態(tài)。一方面設(shè)備狀態(tài)安全性無法控制，另一方面制約了電力公司抄表成功率、費(fèi)控執(zhí)行成功率、線損等指標(biāo)數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性。

所以應(yīng)利用風(fēng)光能互補(bǔ)發(fā)電，結(jié)合應(yīng)用更廣泛更成熟的蓄電池蓄能技術(shù)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)一套“發(fā)電+充電+蓄能+市電檢測(cè)+實(shí)時(shí)逆變輸出”的電源系統(tǒng)，作為臺(tái)區(qū)的輔助電源，在臺(tái)區(qū)主線路停電時(shí)，實(shí)時(shí)投入，保證采集終端、智能電能表仍有可靠的電源供電，有效解決臺(tái)區(qū)停電時(shí)，主站無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集終端、電能表進(jìn)行監(jiān)控的問題。

2 風(fēng)光互補(bǔ)備電系統(tǒng)構(gòu)成

本項(xiàng)目研究的風(fēng)、光能離線式臺(tái)區(qū)備電系統(tǒng)，是一種利用風(fēng)光能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，結(jié)合應(yīng)用更廣泛更成熟的蓄電池蓄能技術(shù)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)，具有發(fā)電、充電、蓄能、市電檢測(cè)、實(shí)時(shí)切換逆變輸出以及通信控制功能的電源系統(tǒng)。

作為臺(tái)區(qū)的輔助電源，在臺(tái)區(qū)主線路未停電時(shí)，利用風(fēng)、光進(jìn)行發(fā)電、蓄能，監(jiān)測(cè)主線路市電輸入是否正常，當(dāng)主線路停電時(shí)，設(shè)備實(shí)時(shí)投入備電，保證采集終端、智能電能表仍有可靠的電源供電，有效解決臺(tái)區(qū)停電時(shí)，主站無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集終端、電能表進(jìn)行遠(yuǎn)抄、遠(yuǎn)控的問題。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及邏輯電路

風(fēng)光互補(bǔ)，充分利用兩者能源的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)可全天候工作，保證能源供應(yīng)。風(fēng)光發(fā)電具備各自的特點(diǎn)需要分別處理，根據(jù)風(fēng)能的特點(diǎn)，因其發(fā)電過程是機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的過程，電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能只能是交流電（交流13～25 V）；太陽能的特點(diǎn)是光能向電能轉(zhuǎn)化，輸出的是直流電（18 V）。要想給蓄電池（12 V）充電，需要全部轉(zhuǎn)化為直流電，因此，由于二者的特性不同，需要在風(fēng)能發(fā)電的后端加入整流穩(wěn)壓電路，讓風(fēng)能和太陽能充分結(jié)合，以達(dá)到需要的結(jié)果。由于二者都具有間歇性、不穩(wěn)定性，考慮兩者的功率均衡問題，需選取專用的功率控制芯片及相關(guān)充電均衡邏輯判斷解決二者的非線性優(yōu)化問題。最終形成以太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)為供電源，充分利用太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)特性，配比一定儲(chǔ)能蓄電池，通過一套智能交直流逆變能量控制系統(tǒng)，合理分配優(yōu)化太陽能和風(fēng)能二種間歇性能源，從而穩(wěn)定輸出交流電，保證臺(tái)區(qū)電網(wǎng)計(jì)量、監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備正常在線運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)組成及邏輯電路設(shè)計(jì)

備電系統(tǒng)由4部分構(gòu)成。

發(fā)電模塊：由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)葉、電機(jī)、風(fēng)電控制器，太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括光伏板、光伏控制器。使風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)換為電能，如圖1所示。

圖1 發(fā)電模塊

蓄電模塊：由蓄電池模塊成，配合控制系統(tǒng)進(jìn)行能源儲(chǔ)存、供能。蓄電池模塊采取12 V并聯(lián)設(shè)計(jì)，可根據(jù)需求便捷增減容量，并配置電池保護(hù)板保護(hù)，如圖2所示。

圖2 蓄電模塊

逆變輸出模塊：通過逆變器控制，將太陽能電池和蓄電池中的直流電能變換成交流電能，純正弦波輸出保證電力設(shè)備的正常運(yùn)行。逆變器內(nèi)部主要采用TL496組成的穩(wěn)壓逆變電路，TL496是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，經(jīng)過相關(guān)電路設(shè)計(jì)能夠達(dá)到所需要求提供穩(wěn)定的輸出。主要指標(biāo)：輸入電壓DC 10—14.5 V；輸出電壓AC200—220V±10%；輸出頻率50 Hz±1%；轉(zhuǎn)換效率大于85%。電路圖如圖3所示。

圖3 逆變模塊

控制模塊：包括主控CPU、能效均能調(diào)節(jié)器、充放電控制器、狀態(tài)傳感器、繼電器模塊等組成，完成風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對(duì)于蓄電池組充電的自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)以CPU與能效均能調(diào)節(jié)器為核心，對(duì)狀態(tài)傳感器獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及各組件工作電壓、電流情況進(jìn)行分析處理，通過對(duì)控制繼電器模塊的控制和能效均能調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，使各組件處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 控制模塊

3 系統(tǒng)工作原理及能耗控制優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)有兩種工作狀態(tài)，未投運(yùn)（儲(chǔ)能）模式和投運(yùn)（供能）模式。

作為臺(tái)區(qū)的備用電源，在臺(tái)區(qū)主線路未停電時(shí)，利用風(fēng)、光模塊進(jìn)行發(fā)電、蓄能，設(shè)備處于未投運(yùn)（儲(chǔ)能）模式。設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主線路市電是否正常，當(dāng)主線路停電時(shí)，設(shè)備切換投運(yùn)（供能）模式，線路切換，逆變電路部分工作，開始輸出電能，采集終端、智能電能表繼續(xù)運(yùn)行。

未投運(yùn)（儲(chǔ)能）模式工作原理：發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板轉(zhuǎn)換的電能，分別先進(jìn)行交流轉(zhuǎn)直流、直流電壓調(diào)節(jié)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過能效均能調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)將非線性的發(fā)電電能進(jìn)行優(yōu)化疊加，最終經(jīng)充電芯片控制將電能儲(chǔ)存到蓄電池中。

投運(yùn)（供能）模式工作原理：主線路斷電后自動(dòng)進(jìn)入，此時(shí)逆變器投入工作將蓄電池中的電能轉(zhuǎn)換成純正玄波交流電輸出，供給外部設(shè)備消耗使用。同時(shí)通過能量控制管理系統(tǒng)，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板發(fā)電電能的接入功率與儲(chǔ)能蓄電池的放電功率，合理分配到逆變系統(tǒng)中進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)能效均能調(diào)控制

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)是通過一套能量管理系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種分布式能源的綜合優(yōu)化，合理分配出力，系統(tǒng)集成風(fēng)、光、儲(chǔ)能源的綜合預(yù)報(bào)功能，為能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

能效均能調(diào)控系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。系統(tǒng)并網(wǎng)前，檢測(cè)蓄電池組、并網(wǎng)逆變器狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)正常，系統(tǒng)接入風(fēng)光發(fā)電組件，進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)電功率檢測(cè)，不符則切除，復(fù)合則通過對(duì)應(yīng)的交直流轉(zhuǎn)換（風(fēng)電）、直流電壓調(diào)節(jié)后接入能效均能調(diào)節(jié)器。通過能效均能調(diào)節(jié)器，檢測(cè)風(fēng)機(jī)與光伏組件可以輸出發(fā)電的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)的控制策略，進(jìn)行發(fā)電電能進(jìn)行優(yōu)化疊加；若風(fēng)機(jī)或光伏組件某項(xiàng)不能正常工作，也不影響另一路的發(fā)電運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備處于逆變輸出狀態(tài)時(shí)，逆變器所需的能源也會(huì)通過能效均能調(diào)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電功率，發(fā)電功率達(dá)標(biāo)充足時(shí)提高實(shí)時(shí)發(fā)電功率在能源輸出消耗中的占比，以減輕對(duì)蓄電池的消耗。

圖5 系統(tǒng)原理圖

能效均能調(diào)器通過調(diào)節(jié)限制風(fēng)機(jī)的發(fā)電輸出功率、光伏的發(fā)電輸出功率與蓄電池放電輸出功率（逆變的輸出工作時(shí)）的功率，實(shí)時(shí)加大優(yōu)質(zhì)能源在整體能源中的占比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源的均衡疊加穩(wěn)定的。若風(fēng)機(jī)的輸出功率遠(yuǎn)小于光伏與儲(chǔ)能逆變的輸出功率，能效均能調(diào)器將增大限制風(fēng)能的功率輸出，滿足光伏的大功率發(fā)電需求。反之亦然。在逆變輸出是主動(dòng)降低蓄電池輸出功率，以減輕對(duì)蓄電池的消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，優(yōu)化系統(tǒng)輸出。

4 方案意義

4.1 風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)發(fā)電在臺(tái)區(qū)管理上的首次運(yùn)用

首次在臺(tái)區(qū)管理上，將風(fēng)能、太陽能發(fā)電結(jié)合，給負(fù)載提供備用電源。利用了二者的優(yōu)點(diǎn)，解決了時(shí)段上的間歇性問題，實(shí)現(xiàn)了均衡充電；通過能效均能調(diào)器解決了二者的非線性優(yōu)化問題。

4.2 解決臺(tái)區(qū)無電時(shí)，主站無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集終端、電能表進(jìn)行遠(yuǎn)抄、遠(yuǎn)控的問題，提升電力公司考核指標(biāo)

通過研發(fā)風(fēng)、光能離線式臺(tái)區(qū)備電系統(tǒng)，可有效解決臺(tái)區(qū)停電時(shí)，主站無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集終端、電能表進(jìn)行遠(yuǎn)抄、遠(yuǎn)控的問題，從而有效提高采集成功率、費(fèi)控執(zhí)行成功率、同期線損準(zhǔn)確計(jì)算率，降低集中器離線率，有效提升電力公司的管控技術(shù)水平。

4.3 解決周期性、階段性用電的臺(tái)區(qū)需要反復(fù)的報(bào)停、報(bào)復(fù)，給供電企業(yè)的日常管控增加成本的問題

季節(jié)性用電、時(shí)段性用電的臺(tái)區(qū)，不用電時(shí)，為了少交基本電費(fèi)，會(huì)報(bào)停臺(tái)區(qū)的使用，將跌落保險(xiǎn)斷開，導(dǎo)致采集終端、電能表無電；用電時(shí)，會(huì)報(bào)復(fù)臺(tái)區(qū)的使用。在此期間，監(jiān)管是一大問題。使用本系統(tǒng)研發(fā)的臺(tái)區(qū)輔助電源系統(tǒng)，可給采集終端、電能表提供可靠的電源，從而可解決電力公司對(duì)用戶的監(jiān)管問題。