碳中和背景下的多種形式新能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建與研究

張 靜

(國網(wǎng)襄汾縣供電公司，臨汾 041500)

0 引 言

隨著我國逐步邁入“十四五”規(guī)劃時期，將清潔能源列入我國主要的能源形式已成為大勢所趨[1-2]。且隨著2030碳達(dá)峰與2060碳減排目標(biāo)的提出，以風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋囯姵氐确绞綖楹诵牡男履茉锤窬中问揭呀?jīng)在我國逐步形成。目前，將各種可再生能源與傳統(tǒng)能源的耦合被稱為微電網(wǎng)[4]。在微電網(wǎng)中，風(fēng)能和太陽能由于其獨特的優(yōu)勢被廣泛關(guān)注。首先，風(fēng)能和太陽能被認(rèn)為是最有前途的可再生能源，既能滿足不斷增長的能源需求，又能最大限度地減少對環(huán)境的負(fù)面影響。但是，兩者最大的問題就是不可預(yù)測的性質(zhì)[5]。它們依賴于天氣和氣候，因此風(fēng)能和太陽能不能獨立匹配負(fù)荷需求的時間分布[6]。在本文的研究中，我們嘗試將風(fēng)能和太陽能資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)鸟詈希蛟祜L(fēng)能和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)，并通過電力逆變器與電網(wǎng)連接，并向電網(wǎng)輸入功率，本文所打造的系統(tǒng)可以實現(xiàn)建筑的連續(xù)有效功能，克服能源形式各自的不足，實現(xiàn)系統(tǒng)的提效增益。

1 基于微電網(wǎng)打造的多能源耦合供電系統(tǒng)及其控制過程

圖1為基于微電網(wǎng)打造的風(fēng)能-太陽能-儲能耦合系統(tǒng)總體框架。本文所考慮的多能源系統(tǒng)包括風(fēng)能、太陽能和蓄電池儲能。

圖1 基于微電網(wǎng)打造的風(fēng)能-太陽能-儲能耦合系統(tǒng)總體框架

1.1 子系統(tǒng)1及控制單元

風(fēng)能子系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電機組和風(fēng)力發(fā)電機組充電控制模塊兩部分。風(fēng)力渦輪機的高度高達(dá)12米。風(fēng)力渦輪機由控制模塊控制，如圖2所示。

圖2 風(fēng)力渦輪機控制模塊

控制模塊實時測量風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出電流和輸出功率。在實際工作過程中，風(fēng)能主要依賴于風(fēng)速。正常風(fēng)力機的設(shè)計風(fēng)速為12 m/s，最大速度為26 m/s，高于該風(fēng)速的風(fēng)力機，將被關(guān)閉，以避免損壞。

控制模塊根據(jù)測量結(jié)果采用靈活的控制技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機組控制模塊具有輔助啟動功能和異常保護(hù)功能。使混合動力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的功率分配。異常保護(hù)功能可根據(jù)機械方法和電氣方法將轉(zhuǎn)速限制在一定范圍內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電機組控制模塊的控制器為單片機控制器。單片機控制器采集大氣溫度、風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓和輸出電流、電池組電壓和電流。風(fēng)力發(fā)電機組的運行由單片機控制。

1.2 子系統(tǒng)2及控制單元

光伏陣列子系統(tǒng)的基本原理是太陽能轉(zhuǎn)化為電能。該子系統(tǒng)中的總電流可以表示為：

式中，IL表示發(fā)光電流；Id表示二極管電流；RSH和RS分別為分流電阻和串聯(lián)電阻。

太陽能子系統(tǒng)由特制的控制模塊管理。根據(jù)陣列電壓設(shè)定值和過充電電壓設(shè)定值，光伏陣列子系統(tǒng)控制模塊有三個反饋回路。第一個反饋回路將陣列電壓的采樣值與陣列電壓的設(shè)定值進(jìn)行比較。一個PI調(diào)節(jié)器用于修改以上兩個值的差值。第二反饋回路比較充電電壓樣本值與過充電壓設(shè)定值。最后一個反饋回路采用PI調(diào)節(jié)器作為預(yù)處理控制器。

圖3 光伏陣列子系統(tǒng)控制模塊

1.3 子系統(tǒng)3及控制單元

儲能子系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心部分，由電池組和逆變器組成。電池組具有過流保護(hù)和負(fù)載短路保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載電流大于額定電流或負(fù)載短路時，空開應(yīng)立即斷開。電池組有開路保護(hù)。當(dāng)電池處于開路狀態(tài)或風(fēng)力發(fā)電機/光伏陣列正在給電池充電時，電池管理系統(tǒng)關(guān)閉電池組與負(fù)載之間的連接，確保負(fù)載處于安全狀態(tài)，不被電池組損壞。儲能子系統(tǒng)具有過充保護(hù)功能。在儲能子系統(tǒng)中，采用雙向逆變器，將電池組與電網(wǎng)連接起來可為光源、電視機等終端用戶供電。

2 結(jié)束語

綜上所述，本系統(tǒng)基于電氣微網(wǎng)的先進(jìn)理念，設(shè)計打造了“風(fēng)光儲”綜合電力系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)可以有效的實現(xiàn)多種能源形式的有效匹配。此外，在某些情況下，該混合系統(tǒng)可以作為電網(wǎng)的二次電源。例如，該混合動力系統(tǒng)可以在當(dāng)?shù)仉娏o缺的高峰期提供電力。如果一些高校、研究院所等事業(yè)單位必須短時間切斷電源，該混合系統(tǒng)就可以為整個建筑維持基本的電力。此外，對于電網(wǎng)無法到達(dá)的地區(qū)，該系統(tǒng)也可以很好的互補柴油發(fā)電機。