關于新能源供電多能互補發電系統設計的探討

楊愛賢

（重慶能控動力技術有限公司，重慶 400000）

0 引言

由于單一能源的不穩定和不連續，我國已經開始了對風力互補發電系統的研究，其重點是對系統的建模、優化設計以及給負載可靠供電等方面的研究，但是目前還處在起步階段。目前已有的多能互補發電系統雖能實現多能互補，但存在區域差別和出力不穩定等問題。另外，在新能源發電方面，由于各類新能源資源的不穩定性，也是不可忽視的一大問題。與常規的化石能源相比，太陽能發電系統可以通過調整供油量實現發電功率的穩定。這樣，就可以有效地調節發電機的速度，從而實現發電機的直接高效地輸出穩定的電能[1]。當前，新能源發電多采用升速、穩速的機械裝置，以滿足新能源電源不穩定的需求，但其效率低下、投資成本高、系統維護量大。綜合考慮上述因素，提出一種較為完整的新能源多能互補系統。利用太陽能光伏板，海洋能發電機，鼓風機，交流發電機，把收集到的電能，通過變換電路，就可以得到一個統一的直流電。然后再經過一段時間的充電后，再將其轉化為穩定的、標準的交流電。當使用者用電時，儲存于蓄電池內的電能，可經由逆變器，將儲存于蓄電池內的直流電能，轉化為交流電能。如果有必要，還可以向DC 負載提供電力。在系統的電能交換環節，用電能的能量交換代替升速和穩速的機械裝置的能量交換，即用電變換代替機械變換，將機械的動態能量變換轉換為電的靜態能量變換，從而解決了效率較低、投資成本較高及系統維護量較大的問題。風能、光能和海能的互補性使得風能和光能的出力更加穩定，不僅能提升新能源的轉化效率，還能保證供電的安全可靠，具有較高的經濟性和廣泛的應用前景[2]。

1 系統總體方案設計

多能融合實體互補發電系統以太陽能、風能和海洋能（波浪能）為基礎，主要包含了采集新能源后的電能轉換和電能儲存兩部分。

系統的整體方案需要可以完成對太陽能，海洋能（波浪能），風力能之間的電能轉換與儲存，并且要與能源的分布特點相結合，采用適當的控制策略，來提升新能源各個組成部分的發電的利用率與能量轉換效率，同時還要切實地確保能源輸出的穩定，以滿足用戶的需求。

對系統的操作性能的要求如下。

（1）按照電源電壓基準，所述主回路的輸出電壓的偏移可為-5%～+5%。

（2）為了避免多能互補發電系統在局地時間內產生的電力過飽和，造成電池的過充、過放，設置了一個電壓保護門限，以提高充、放的頻率。

（3）為了使該系統將來能夠接入網絡中，設置一個用于對該系統進行協調的電力供應的電力調度平臺，以提高電力的利用率。

將指標數據帶入上述白化權函數中，得出xij在第k個評價等級中的權值fki(xij)(1≤k≤s)，然后根據式(8)計算得出指標數據矩陣的灰色統計數nik以及總灰色統計數ni:

（4）考慮到風力、太陽能和海洋能源（海浪能源）容易受到環境影響，存在著間歇性和不穩定的能源來源等問題，本項目將充分發揮多種能源的互補作用，提升發電效率，實現最大限度的收益[3]。

（5）系統中每個供電設備的裝機容量都是由現場的安裝條件及負載決定的，應在最大負載范圍內，建立供電設備的實際裝機容量，并對供電設備的切換進行協調控制，以增強系統的穩定性。

（6）因為蓄電池是有壽命的，在不同的環境下，它的使用壽命是不一樣的，所以為了防止蓄電池充電和放電過多，讓它一直保持在一個低電量的狀態，所以，在設計的時候，要將蓄電池充電和放電的頻率，進行合理的分配。

系統電能主要有風能、海洋能、太陽能等。為提高系統的穩定性，電網接入電網，電網接入方式多種多樣，風電、海洋能（波濤能）所需的能量轉換裝置均為專用的交流發電機。所以，它是以交流的方式輸出的，而太陽能是以光電的方式輸出的，所以，它是以直流的方式輸出的。

多能互補發電系統是一種新型的電力系統。

（1）電力系統的發電方式應該主要是多能互補，把新能源轉變成電能；然后，將風力、太陽能、海洋能（海浪能）等產生的粗電（不能獲得）轉換成統一的直流電（可獲得的細電）；可以存儲，也可以轉換成標準的穩定交流電能。

（2）所述能量儲存主要是利用電池來儲存所述能量，所述電池群管理是為了降低由于過度產生的持續充/放電的問題以及由于充電次數增多而產生的效果而設計的，所述電池群管理是為了降低所述能量儲存所述能量儲存所述能量儲存所述能量儲存[4]。

（3）可以由蓄電池直接提供給負荷提供電源，也可以由逆變電路提供電源，從而在未來實現接入電網的功能。

其中，太陽能、風能和海洋能源（波能）的綜合利用，是一種新的能源利用方式。每一種能源都可以利用各自的能量轉換裝置和AC-DC，DC-DC 變換電路，來對新能源得到的電能展開轉換和存儲。相對于傳統的單能發電模式，多能互補模式具有更強的穩定性，并可提高新能源的利用率，保證電網的穩定運行。多能互補方式還可實現電力系統的峰谷負荷調節，并可通過增設配電網，進一步提升電力系統的負荷容量。在多能互補系統中，為了保證多能互補系統能夠穩定地輸出電力，需要設置一個蓄電池組。電池是通過直流母線采集電力，通過逆變電路為負荷提供電力。通過對電池進行群組管理，可以有效地解決由于多能互補產生的多余能量而引起的電池充電和放電過大的問題。同時，也可以減少維護費用，減少蓄電池損耗，提高蓄電池的使用壽命。

2 能源轉換和電能變換電路設計

2.1 能源轉換和電能變換總體設計

太陽能、風能、海洋能（波浪能）收集的電能，進行相應的能量轉換，如圖1 所示。利用風力、海洋等能源，可將太陽能直接轉化為DC-DC 斬波器。必須用ACDC 整流器來實現整流。然后經過DC-DC 斬波器，在經過整流和斬波器后，得到穩定的直流電能，最終匯入直流母線，為以后的電能儲存及負荷提供動力。

圖1 能源轉換和電力變換

該系統使用的交流-直流、直流-直流、直流-直流-直流轉換回路，對各種新能源的轉換分別進行獨立控制。太陽能、海洋能的BOOST 轉換電路用于風電，BOOST/BUCK 轉換電路用于風電。不同的能量通過不同的電能轉換方式來獲得穩定的直流電壓，從而降低對各個電能變換器的影響，增強系統的可擴展性和靈活性。這樣的設計，其中一條線路發生故障，不會影響到另一條線路的電能轉換，所以系統的穩定性較高[5]。

2.2 非隔離型DC-DC 變換電路設計

該系統中所使用的AC-DC 整流器電路，需將風能、波能發電所獲得的交流電能轉化成直流電能。由于不需要對整流器進行整流器的設計，所以在此不再作過多的介紹。

DC-DC 逆流器電路主要是將一個直流電流直接或間接地轉換，變為另一幅度的直流。直接型（非絕緣型）DC 轉換電路又稱作斬波器。BUCK 降壓斬波器轉換電路如圖2 所示。

圖2 BUCK 降壓斬波器轉換電路

3 蓄電池充電電路原理及充電方式

在多能互補發電系統中，對儲能和充電回路進行了研究。針對電池組和直流母線的不同聯接方式，分別進行了相應的分析。

模式1 為采用半橋式電池組進行充電，可將電池組與直流母線相連，可直接從直流母線獲得電能。再對電池組進行單向充電，再在電池組的背后加上一個逆變器，就可以給交流負載提供電力。

圖3 為在上一部分中采用了半橋二極管結構的半橋電池包的充電電路。在直流電壓足夠使二極管導通的情況下，這個半橋充電回路能同時為二極管導通。因為二極管的正向導通，在背面與逆變電路相連的部分，其輸出的電壓只能是蓄電池組中所處電壓容量高的變流。在充放電回路的作用下，對電池進行充放電，使逆變器的輸出電壓保持在最大值。

第二種方法是采用電流可逆的斬波法，將電池從直流母線中分離出來，并經逆變器給負荷提供電力。

一個電流可逆斷路器（雙向直流-直流轉換器）電池充電電路如圖4 所示。該電流可逆斷路器也可以稱作雙向直流-直流轉換器2。因為它有兩個方向的導電功能，因此能夠給兩個方向的電力供應。在直流母線上有一定的電壓時，一方面，可以利用逆變器直接給交流負荷提供電力；另一種則是將電能經由由開關管V、二極管VD1、電感L 所組成的降電壓BUCK 斬波器電路來對電池進行充電。在直流母線上的電壓不夠高的情況下，電池可以利用由開關管V2、二極管VD2、電感L 組成的升壓斷路器將電源供給到DC 母線上，再經過逆變器路將電源供給到AC 負荷。

圖4 電流可逆斬波（雙向DC-DC 變換器）蓄電池充電電路

4 結語

為了克服單種新能源發電的隨機性和不穩定性，本文提出了一種多能互補的新能源發電系統。并在此基礎上，設計了多能互補轉換電路和儲能電路。在此基礎上，進行了理論分析和數值模擬，得到了如下結果。

（1）所設計的多能互補電力回路性能較好，在該回路中，各新能量源不穩定，各能量源之間互不干擾，但多能量采集到的直流電壓通過升、降、降、壓斬波電路，最后得到一個穩定的輸出直流電壓。在這種體系結構中，可以確保能量的高效轉化，不同類型的能量，可以相互補充，將每一種新能源所帶來的能量，都進行了有效的轉化和利用。

（2）由多個能量經互補變換電路得到的穩定的直流電壓為精電力，再由直流母線給充電電路提供電力，也可直接將其轉化為交流電，并輸出與對應的負荷相匹配的穩定的標準電力，如此，在整體上，各種新能量從不穩定的轉化而來的粗電力，最后得到了穩定的交直流精電力。

（3）多能互補系統較單一能量源更易取得穩定的輸出，增加了長期穩定供電的可能，本文所設計的線路系統，可以提高各新能量的利用率，使各新能量之間能夠更好的互相補充，更好的利用新能量。

在自然條件下，電力生產過程中往往存在著大量的電力，這些過剩電力被卸壓回路所消耗，造成了資源的浪費。在未來，如何降低發電系統和用電負荷間出現過大的電量差，從而降低系統的能量波動，提升系統的發電、供電質量，將是一個新的研究方向。