碳中和背景下風光互補發電系統控制策略

賈婷婷

（蘭州資源環境職業技術大學，蘭州 730021）

隨著“碳達峰，碳中和”目標的提出，如何增加可再生能源在發電中所占的比例，以及可持續地使用資源，已是我國能源行業需要努力的長期目標。按照目前的能源格局，中國的總碳排放量大約90%來自于化石能源燃燒產生的CO2，而電力行業的CO2排放量占能源排放的比例高達41%。碳減排是實現碳中和的關鍵，而加速新的能源發展才是最重要的[1]。我國由于獨特的地理優勢，擁有豐富的風力和太陽能資源。據相關資料顯示，在10 m高度以內可開發的風力可達10億kW。我國擁有大量的太陽能，每年有2/3的地方年平均日照時間都在2 000 h左右，年總輻射能達到6 000 MJ/m2，因此風光互補發電系統有著廣闊的發展空間。

風光互補發電系統是一種在輸出功率上相互補充的電力系統，光伏列陣與風力機組并網，形成了一種風光互補的發電系統，結合其輸出的功率為用電裝置提供一定的電能。由于氣候的原因，2種發電系統所受到的局限性會影響其供電的過程，但如果能夠結合起來，就會形成一個更加穩固的電力系統，使2種不同的發電系統進行優勢互補。由于風力的不連續性以及太陽能極易受到外部天氣狀況的影響，因此，如何有效地進行風光互補發電協調控制就顯得尤為必要。

1 我國風光互補發電的發展現狀與應用前景

我國在1982年8月在北京舉行的新概念型發電裝置（即太陽能-風能綜合發電裝置）研討會上，開始了對風光互補發電系統的探討。朱瑞兆于1986年就對太陽-風力發電的能源轉化設備進行了全面使用的構想[2]。根據國內外三十多年來相關文獻資料的梳理，得出結論：國內的研究成果與國外基本相同，而且在風光互補發電系統的控制技術和功率分配方面，國內的一些技術指標，甚至在一些方面已接近世界領先地位。盡管目前的風光互補發電系統在生產和生活中都有了很好的應用前景，但大部分的技術都停留在實驗室和模擬試驗的最優化階段，離商業應用還有很長的一段路要走[3]。

1.1 獨立風光互補發電系統的發展現狀及應用前景

在中國將近8億的農村人口當中，大約有5%還沒有使用電。由于沒有接入電力網絡的地區通常擁有大量的太陽能和風力資源，所以在沒有電力供應的地區，利用這種方式來改善居民的生產和生活質量是非常有利的。此外，由于全世界的戶外燈光項目消耗了12%的電力，因此，太陽能光伏在汽車路面和城市的路燈等方面有著廣闊的發展空間。在航標、高速公路監控設備等需要單獨供電又不中斷供電的系統中，獨立發電以其獨特的資源互補發電、持續供電和節約能源等優勢備受人們的歡迎。目前，我國許多海島、山區等偏遠地區，采用的是獨立的風光互補發電系統。在電力網的抗震救災中，獨立的風光互補發電系統是必不可少的。在我國風電、太陽能等資源較多的地區，大力發展風光互補發電系統是十分有意義的。

1.2 并網風光互補發電系統的發展現狀及應用前景

鑒于目前中國化石能源資源總量的存儲量限制，以及礦物能源所造成的環境問題，迫切需要開發優質能源，調整能源結構，中國新的能源發展策略將大力發展風能和太陽能。太陽能與風電的空間分布既存在地域差異，又相互補充，因此必須將剩余電能借助電力系統并入電網，同時兼顧區域電力資源的綜合利用。風光互補發電系統中其核心技術包括風力發電模塊、光伏發電模塊、蓄電池儲能模塊和變流器控制模塊在系統運行時能高效穩定工作所需要的技術，主要包括風力發電系統和光伏發電系統的最大功率追蹤控制技術、風力發電機組和光伏發電機組輸出不穩定電能的處理技術、儲能模塊的充放電控制技術及系統并網時所需求的并網技術。借助合理配置各種能源，風光互補發電系統使風光互補發電系統為電力供應網絡的穩定性和可靠性作出保障，其優勢遠高于單一的風能或太陽能發電。在技術進步的同時，將有更多的風光互補發電系統被納入到電網中，使得我國的電力能源結構得到優化，為國家資源節約和環境友好型社會的發展提供了新的動力。

2 混合發電系統基本工作原理及變換器分析

考慮到風光互補發電系統的運行條件是十分復雜且變化的，采用能量存儲組件可以有效地降低電網在功率方面的損耗。將風力發電和光伏發電結合起來的風光互補發電系統，其主體部分由光伏陣列、風力發電機組、蓄電池以及相應的變換器、控制器和卸荷回路（備用電路）組成。在此基礎上，對風光互補發電系統的各子系統進行了綜合的研究，并給出了相應的優化方案，以解決單個發電系統的缺點，提高風光互補發電系統的運行可靠性。

2.1 混合發電系統基本工作原理

在風光互補發電系統應用的情況下，電力的生產工作是通過風力發電設備和光伏陣列來實現的。風力發電機是通過自然的風能驅動發電機的葉片從而發生旋轉，使發電機的轉子發生磁場的變化，將風能轉換為電能；而光伏發電則是通過串聯和并聯的方法，通過太陽能板的光電作用實現光伏陣列的效果，然后通過電勢差將電子從原子中分離出去，在物質中形成一個電子的定向移動，以產生電流。

為了改善風光互補發電系統的穩定，保證在無光照、低風速的惡劣氣候條件下供電系統的可靠性，在這種情況下，風光互補發電系統往往含有一定數量的蓄電池和超級電容。風光互補發電系統的電力能量儲存有2種功能，其一是在空閑時產生電能，也就是在系統的電能超過負荷所需電量時，將剩余的電能儲存在電池中，這是一種儲能的狀態；其二，在系統處于負荷較大的狀態下，在系統發電量較少的狀態時，將儲存在蓄電池中的電能提供給所需要的負荷。共直流母線風光儲互補發電系統的結構圖如圖1所示，其中并網系統用負載代替。

圖1 共直流母線風光儲互補發電系統的結構圖

2.2 變換器分析

從風光儲互補發電系統的組成圖中可以看出，各個子系統在與DC母線相連時，必須采用變換器進行聯接，從而取得良好的性能。下面分別對變換器進行詳細的說明。

2.2.1 風力變換器

由于風力發電系統的運行受到使用環境的天氣條件的制約，具有一定的時斷性和不確定性，因此采用最大的功率控制器對其進行實時監測，以便對其輸出功率能夠實時掌握。一般采用AC-DC整流變換器，將風電機組輸出的AC電流轉換成DC，并通過Boost升壓回路，以此來對直流母線進行供電。在Boost升壓回路中，負載循環直接關系到電源的輸入和輸出的比例，需要電路的占空比與輸入輸出電壓比成正比。一般情況下，由于風速太低，無法滿足直流母線的基礎電壓，所以必須通過升壓逆變進行輸電。同時，還要確保電源的輸入和輸出的電流不能有過大的電壓差，從而使風力發電系統工作更加高效。

2.2.2 光伏變換器

由于光伏陣列和光伏電池的使用都受到天氣、光照強度和氣溫等因素的制約，所以MPPT控制器必須協同工作。DC母線在連接時最直接的方法是采用二極管，其具有操作簡便、功耗低等優點。盡管二極管的應用很容易，但也受到二極管的單方向導電性特點的制約。因為光伏電池兩端的電壓是恒定的，而且會受到氣候的制約，如果沒有足夠的光照，就會造成光伏板的開路電壓比直流母線的電壓低，也就是光伏板無法對母線進行持續的電力供應，從而造成整個電網失去控制。

為實現對電網的控制與達到狀態最優，采用DCDC變換器將光伏陣列與風光互補發電系統的直流母線相連。為了達到最佳的效率，通常使用Boost電壓升壓電路，與Buck和Buck-Boost電路相比，其更符合轉換效率和電流傳輸基礎要求。然而，在實際的聯結中，光伏電池的MPPT電壓要比直流母線端低，故采用Boost電路。

Boost升壓電路的工作循環的占空與輸入/輸出的電壓比例是成正比例的，當光強非常小時，仍會有新的電能生成。一般情況下，光電池開路的電壓要比直流母線的電壓低，同時還要確保電源的輸入和輸出的電壓之間不能有很大的偏差，以提高工作的高質量。從輸入電壓和輸出電壓之比k的大小來看，如果k的數值較高，轉換器的功率就會降低，而這種電路的輸入是在一定的范圍之內的，所以在輸出的時候，要嚴格地控制輸出的電壓。通常情況下，光伏陣列的最優工作電壓要比輸出電壓高，這種電路是單向控制，類似于二極管，類似于界于陣列與直流母線間的形式。如果該線路的晶體管是接通的，那么該陣列就會在1個短路電流區工作，同時，其輸入端的電感器在1個切換循環中，保持輸入的電壓是不變的，從而確保光伏陣列電壓在最優的狀態。

2.2.3 儲能系統變換器

在能量存儲單元和DC單元間進行交流時，要注意對蓄電池進行充電和放電的控制，采用了雙向Buck/Boost回路，并通過Buck/Boost電路逆變系統實現了對變換器進行電流雙向流動控制。在儲能模塊與DC單元相結合時，要注意對其進行充放電控制，以便于對蓄能系統進行儲存和排放，確保電能質量。在本系統中，采用雙向Buck/Boost電路，充分利用Buck/Boost變換電路具有雙向流動性，實現有效控制。雙向Buck/Boost電路結構圖如圖2所示。

圖2 雙向Buck/Boost電路結構圖

雙向Buck/Boost變換器的最大特性是其輸出的電壓和輸入的電壓可調可控，使其具有雙向的流動特性。Buck和Boost的電路元件都是一樣的，包括開關管、二極管、電感和電容器等。本線路中的T1及T2是IGBT（即Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），當電源線接通時，可以對電池進行充電和放電。在雙向Buck//Boost中，U1表示直流母線電壓，U2表示蓄電池電壓。在U1比U2大的情況下，這是一個電壓升高的過程，T1關閉，T2被打開，電池被充電，這是Boost回路；在U1比U2小的情況下，這是一個降壓模式，T1打開，T2關閉，能量存儲裝置放電，并對負荷進行電源供給，這時Buck電路對逆變系統進行工作。

2．2.4 DC-AC逆變器分析

在風光發電系統中，直流母線和交流負荷通過DC-AC變換器相聯接，系統選擇了Sumlink中自帶的逆變器，把DC轉換成AC信號。該線路包括6個IGBT，分別有8種工作方式，每種工作方式都有自己的特點及相應的工作范圍。

3 碳中和背景下風光互補發電系統控制策略的研究

3.1 風光互補發電系統控制策略一

在風光互補發電系統中，擬定風力系統輸出功率為P1，光伏輸出功率為P2，儲能蓄電池輸出功率為P3，負載需求功率為P4。常規的控制策略是依據天氣所發生的變化，通過實時監控電力的輸出量隨負荷的不同而進行調整改變。控制原則：實時監控風光互補發電系統的功率輸出情況，并與負荷要求相對照，對風光互補發電系統的儲能系統進行充電和放電的調控。在系統的輸出功率比負荷要求高的情況下，蓄能裝置對其進行充電；在系統的輸出功率比負荷要求低的情況下，蓄能裝置對其進行放電；風光儲互補發電系統的工作模式如圖3所示。

圖3 風光儲互補發電系統運行模式

控制策略中，按照氣候的不同，將其劃分為4種不同的氣象條件，分別是有風有光、有風無光、無風有光和無風無光。然后將其劃分為7種不同的工況。盡管從原理上可以克服這種棄風棄光的情況，但對這種控制策略進行全面的分析仍有其局限性，因此對其進行控制還有待于深入的探索。這是因為，在負荷不足的情況下能量儲備已經接近飽和，而風力發電的高負荷運行，根本不可能實現電力的有效使用，因此只能考慮棄風棄光。經過實踐操作，此種控制系統達到了很好的互補效果。但是這種方法也有其不足之處，即在風光發電機的輸出功率高于要求負荷的情況下，如果該系統還具備可充電量，那么首先對該蓄電池進行充放電，而蓄電池的電量達到飽和，就必須進行棄風或者棄光。即使是并網，也會帶來很多問題。

3.2 風光互補發電系統控制策略二

傳統的控制方法是基于氣候條件的改變，據此對其進行最優的控制，并對其進行了相應的充電和放電，從而提出儲能系統的優化控制策略。針對負荷要求，設計了一種能量存儲的控制策略，并通過對太陽能電池供電的蓄電池的荷電狀態（SOC）進行監控，實現風光互補發電系統的全負荷運行，減少了風電機組的棄風和棄光，提高了風光互補發電系統的綜合利用效率。風光發電系統基本原理如圖4所示。

圖4 風光發電系統基本原理

在系統模式1至4的工作狀態下，儲能電池都是在放電狀態，光伏發電、風力發電和儲能發電，這3種發電方式會隨著負荷的變化而改變，而在這個時候，負荷就是工作狀態，而在系統模式5至10都是充滿電的狀態下，此刻只考慮SOC的問題。以上幾種方式之間的切換，在風光互補發電系統控制策略二中，必須對蓄電池的SOC進行實時監控。

4 結束語

盡管目前已經有了一些關于風光互補發電系統的研究，但我國風光互補發電系統還處在發展初期，無論是從原理上還是從實踐上來說，都有很大的發展潛力，因此，其市場潛力很大，有助于建設資源節約型、環境友好型社會。