風-光-儲混合直流微網系統的設計

陳瑤，黃一龍，唐巧佳

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建廈門，361024）

0 引言

中國于2020年9月在聯合國大會上明確提出：中國的二氧化碳排放量力爭于2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和。在“兩會”期間，“碳達峰”、“碳中和”被寫入政府工作報告。目前，我國常規化石能源人均儲量不足，能源安全問題嚴峻，發展新能源成為了下一階段“攻堅戰”的關鍵所在，而新能源發電是新能源最主要的利用形式。相比于大電網，分布式新能源供電更經濟、更環保，且更接近用電負荷，但其受自然因素影響較大，輸出不穩定。

相比于發達國家，我國對直流微電網的研究起步較晚，但在政府的大力支持和引導下，國家政策及國家導向性項目正逐漸向微電網傾斜[1]。本文構建了一種風-光-儲混合直流微網系統，以實現穩定、連續、可控的新能源供電。

1 系統構成

風-光-儲混合直流微電網系統結構，如圖1所示，本系統采用雙母線結構，由分布式發電模擬單元、能量管理單元、微電網交直流負荷管理單元等多部分共同組成。其中，光伏陣列、風力發電機分別通過Buck變換器和三相橋式PWM整流電路與直流母線相連，蓄電池直接并接在直流母線上。

圖1 風-光-儲混合直流微網系統結構圖

2 光伏/風機發電單元

2.1 光伏發電單元

太陽能光伏發電單元由單晶太陽能光伏電池組件、太陽能組件支架、太陽能專用電纜、MC4連接器、環境檢測傳感器等組成。太陽能電池組件采用單晶電池組件，2塊100W電池組件組成一個方陣，可以方便進行串并聯測試。

太陽能光伏發電單元采用如圖2所示的Buck型直流變換器與直流母線相接。

圖2 Buck型直流變換器

為了保證光伏電池在任意時刻都輸出最大功率，應采用合適的最大輸出功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）算法，通過實時偵測太陽能電池板發電的輸出電壓，調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板工作在最大功率輸出狀態。光伏電池MPPT算法主要有：恒壓法、擾動觀察法、模糊控制法、電導增量法等[2-3]。本文采用的是恒壓法結合電導增量法。該方法控制流程圖如圖3所示，定義在k時刻光伏陣列的輸出電壓及電流為Vk和Ik，根據輸出電壓判斷工作狀態：①輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓±△V之外，執行恒壓控制算法；②輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓±△V之內，進行小步長的電導增量法；③修改恒定控制算法設定的電壓為Vk。該過程不斷重復直到dI/dV=-I/V，此時系統工作在最大功率點。恒壓法控制環境發生突變時的最大功率點跟蹤，電導增量法控制最大功率點附近的小幅度振蕩現象。

圖3 恒壓法結合電量增加法的MPPT控制流程圖

2.2 風機發電單元

由于增速齒輪箱是風力發電機中最脆弱的元件，因此本文使用可省去齒輪箱的永磁風力發電機組，再組合拖動異步電機、發電機支架、電機電纜等部件進行模擬。如圖4所示，通過異步變頻電機拖動永磁水平軸風力發電機，可模擬發電機在不同風速狀況下的發電情況。

圖4 異步變頻電機拖動發電機模擬風力發電

風力發電機輸出的電壓頻率變化的交流電需經過如圖5所示的三相橋式PWM整流電路接入直流母線。

圖5 三相橋式PWM整流電路

三相橋式PWM整流電路是最基本的PWM整流電路之一，其應用最為廣泛。對電路進行SPWM控制，在橋的交流輸入端A、B和C可得到SPWM電壓，對各相電壓進行控制，使各相電流ia、ib、ic為正弦波且和電壓相位相同，功率因數近似為1。

3 實驗結果

系統在離網時光伏、風力發電功率小于負載功率的情況如圖6所示。由實驗結果可知，當風、光發電的功率大于交直流負載功率時，系統不僅可以實現自主供電，還可以向蓄電池充電實現電能的存儲。而當發電功率小于負載功率時，風、光發電以及蓄電池共同向負載供電。

圖6 系統離網且風光發電功率小于負載功率

當系統并網且電網側用電處于峰電狀態、風光發電功率大于交直流負載功率時，系統多余功率會先向電網供電，以緩解用電高峰時電網的供電緊張，達到削峰的目的，如圖7所示。只有向電網供電有余，系統才會向蓄電池供電，否則，蓄電池同樣要放電來緩解電網供電緊張問題。

圖7 系統并網且電網側用電處于峰電狀態

電網側用電處于谷電狀態時風光發電的功率大于交直流負載功率的情況下，系統多余功率會先向蓄電池供電，此時電網也會向蓄電池供電，以達到填谷的目的。若負載功率大于新能源發電功率，電網會先向負載提供功率。

由于電網系統維修或者故障時，很容易出現孤島效應，導致風力、光伏發電系統與整個電網呈脫離狀態，形成一個自給供電的孤島效應。當主電網與部分電網斷開后，會導致孤島部分的供電完全由風力發電或者光伏發電系統提供，其系統內部會出現某個區域有電流流通而實際中卻沒有電流通過的情況。此種情況主要是由于發電過程中總容量過大，會威脅人們的生命安全和用戶用電出現不穩定狀態，為了使得電網更加可靠，當風光儲混合直流微網系統因某些故障與電網失去連接時，系統會首先進行離網運行，保證能夠提供充足的電能保證負載的運行，與此同時，系統會處于主動狀態，主動狀態下的系統更加完善，擁有對電網頻率的移位、相位跳躍、電流不穩的情況的實時監控，使得系統能夠自主重新與電網搭建連接關系，實現了智能電網能夠自愈的特點。