风光互补发电系统的能源管理与远程监控

江菊元，杨威达,2，张 枤，林乃坦

（1.天津理工大学 自动化学院，天津 300384；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；3.天津市蓝深科技发展有限公司，天津 300384）

0 前言

随着能源危机和环境恶化日益加剧，人们越来越关注环境保护和新能源技术的发展.风力发电和太阳能发电是所有可再生能源中最有前景的，他们具有零污染、低辐射、永不枯竭等诸多不可取代的优点.近年来，世界各国都加大对风能和太阳能产业的投入.随着成本的进一步降低，产业技术的升级以及政府财政与政策的支持，风光互补智能系统作为一种灵活、稳定的能源供给系统，将是新能源利用研究与应用的热点.随着城市化进城的加快，国家经济的高速发展,节约能源和环境保护已经成为越来越重要的议题,与此同时能源对于社会经济的影响也更加深远.工业生产的最基本条件就是能源，能源系统的是否能够稳定高效的运行，则直接关系到产品的质量，乃至企业的整体经济效益.因此建立一套高效的能源系统就有着极为重要的意义.

风能和太阳能都属于可再生能源，风力发电和光伏发电固然有其不可比拟的优势，但是其中也存在着很多问题和技术难度.

风力发电和光伏发电所生产的电能多少很大程度上取决于自然环境的变化，辐射强度、风速等因素会直接决定风力机以及太阳能电池板的工作状态.然而自然界中太阳能和风能的变化既有一定的规律也存在很大的随机性，人们很难对其进行精确的评估的预测，所以单独的风力发电和光伏发电无法做到像其他类型的放电系统那样提供非常稳定的功率输出.为了使电能供应持续而稳定，就必须引入储能环节，并使风力发电光伏发电实现互补.

风光互补电力系统在管理和控制方面与传统的能源系统有所区别，风力发电模块和光伏发电模块为实现最大功率跟踪以及保障其安全稳定的运行都需要一套自身的闭环控制系统.与此同时为了使各个发电模块相互协调，实现能源互补，这样就还需要一个应用于整体能源管理系统.

1 系统工作原理概述

1.1 风力发电部分

风力发电机将风能中的一部分能量转化为电能，当风速达到一定的切入速度后带动桨叶转动，并通过传动装置带动轮机转动，从而产生三项交流电.通常情况下风力发电机能够利用的风能是在一定的范围以内的，当风速过小时风能不足以带动风力发电机的桨叶转动，这时风力发电机不会启动.只有风速大于发电机的最小切入速度时发电机才能够启动，其输出电能的功率与风速的大小有着直接的关系，在这一阶段，风速大于切入速度但是又不满足额定风速，所以输出的功率是不稳定的.当风速达到发电机要求的额定风速后，风力发电机会工作在一个比较理想的状态，其自身的控制系统会对转速进行调节使其充分利用风中的能量，并能够以恒定的功率输出电能，所以只有在风速满足额定需求是，风力发电机才能以额定功率输出电能.对于风力发电而言并非风速越大越好.如果风速过大，风力发电机自身的调速系统就很难再对其进行有效地控制，这样就会导致转速过快以至于发电机会因此受到损坏.风力发电机为了自我保护都会设定一个最大风速，当风速大于这个值时，发电机自动关停，避免其受到损坏.风力发电机的输出功率可由以公式(1)计算.

式中： 为风力发电机的输出功率； 为叶尖端速比； 为风力发电机的风能利用系数； 为空气密度；为风轮半径； 为风速.

1.2 光伏发电部分

光伏发电的原理是太阳能电池利用PN结的光生伏特效应将太阳能转化为电能，将多个太阳能电池经过串并联就组成了一个光伏发电阵列，其输出特性不同于常规的电压源或电流源，当电压低于某一特定值时光伏发电阵列能够以相对恒定的电流输出直流电，如果输出电压超过这个范围输出电流便会急剧减小.

光伏阵列的工作状态主要受太阳光的辐射强度和温度影响，在夜晚或没有光照的条件下无法产生电能，所以独立的光伏发电系统必须与蓄电池等储能单元相结合，才能有效的提高其持续供电的能力.此外无论光伏发电阵列还是蓄电池只能作为直流电源，如果要向交流负载供电或者并网供电就必须通过逆变器将其发出的直流电转化为特定频率和电压的交流电，因此逆变器也是一个光伏发电系统中必不可少的组成部分.理想PN结太阳能电池的 方程如公式 (2)所示.

式中： ， 分别是太阳能电池输出的电流和电压； ， 分别是太阳能电池的短路电流和PN结的反相饱和电流； 是波尔兹曼常数； 为电子电荷量； 是温度.

图1 风力发电机的输出功率特性Fig.1 Theoutputpower curveofw ind generator

图2 太阳能电池的VI特性Fig.2 The VIcharacteristicsof solar cells

2 系统架构

该风光互补发电系统可以像一个区域或大型公共建筑提供给电能，若干个风力发电机以及光伏发电阵列生产出电能，引用蓄电池进行储能，如图3所示.风力发电机产生的三相交流电经过整流器将其转化为直流电，和光伏发电系统同时为蓄电池供电.当蓄电池需要输出电能时则通过逆变器再将其转化为所需要的交流电.当风能和太阳能不足时蓄电池也能够由公共电网进行充电.其控制系统主要由两部分组成，第一级控制系统主要负责风力发电模块和光伏发电模块的输出功率控制,这部分控制主要由现场传感器控制器下位机完成.第二级控制系统是能源管理系统主要负责对系统的工作状态进行远程监控，并实现能源管理，通过控制电池的充放电，以及各模块的工作方式，使系统达到功率平衡.在该系统中采用蓄电池作为储能环节，在必要时可以由市电对其进行充电，并且分为多组，充电与放电可以同时进行.这样做不但增加了系统的可靠性，而且避免了系统并网，从而使系统得以简化，降低成本.

3 能源管理策略

电能的直接来源有4个方面，分别是太阳能电池，风力发电机，蓄电池以及市电.为了最大限度的利用风能和太阳能，并使系统具有较高的稳定性，所以就需要有相关的控制策略来调整各模块的工作模式.由于既然环境的变化风力发电和光伏发电模块的输出功率也会产生波动. 为风力发电模块的输出功率， 为光伏发电模块的输出功率. 1， 2是根据负载所设定的两个功率阀值 1gt; 2.当输出总功率下降至 2时蓄电池开始放电，当总功率上升至 1时蓄电池开始充电.

图3 系统整体结构Fig.3 Structureof thew ind-solarhybrid power system

表1 蓄电池充放电控制策略Tab.1 Controlstrategy of the battery

4 数据采集与远程监控

数据采集与能源管理系统主要控制各个发电单元的运行模式以及蓄电池的充放电，是整个能源系统的重要组成部分.它要具足够的准确性迅速性和稳定性，与此同时也要操作简易便于维护.其主要组成部分包括各种传感器，远程控制终端，以及上位机.数据采集与远程监控系统结构如图4所示.

4.1 远程控制终端

远程控制终端即RTU（Remote Term inal Unit）主要负责工业现场的信号采集并对设备进行远程控制，通常一个远程控制终端含有多个输入输出接口，能够支持多种信号的传输.并且可以根据应用需求加装各种功能模块.

远程测控终端主控板与各功能模块采用通讯方式.各个模块之间相互隔离，并且用个各自独立的CPU.这种结构既增加了设备的可靠性，也极大地减轻了主控板的负担，这样位于主控板的处理器就可以完成更加复杂的运算、通讯任务.在风光互补型电力系统中远程控制终端主要负责数据采集和传输，在第二级控制系统中作为控制器.现场的电压电流等信号经过传感器变送器传送至RTU，再由GPRS模块发送至上位机由其对数据进行分析汇总.

本文中所选用的远程控制终端的核心是MSC-51系列的AT89C52单片机.该型单片机性能优越，工作稳定，可切换低功耗模式，目前应用非常广泛.远程控制终端与各传感器以及外部设备通过RS485进行通讯.在GPRS模块中设定接收数据的上位机的IP地址，并在其中装入SIM卡，当上位机连接到互联网并启动能源管理软件后，远程控制终端便可进行数据传输.该设备包含十个插槽与外部模块进行连接，每个插座最多支持6个数据通道，足以满足风光互补发电系统中多个物理量的数据采集.图5为远程控制终端的硬件结构.

图4 数据采集与远程监控系统结构Fig.4 Dataacquisition system

图5 远程控制终端Fig.5 Remote term inalunit

4.2 远程监控系统软件设计

软件系统主要包括下位机和上位机两部分.上位机的远程监控系统软件使用VB编程语言和SQLserver数据库开发，在Windows XP，Windows7的系统环境下均可顺利运行.下位机选用Keiluvision软件调试环境，通过GPRS无线数据分组业务与上位机实现数据传输.通过该远程监控软件，在上位机实现数据的存储与显示.下位机针对单片机的程序主要包括：主程序部分、数据采集子程序、事件处理子程序、显示刷新子程序以及通信子程序.对于下位机的监控程序主体监控程序该设计中其主体采用自主循环的串行顺序结构.完成系统初始化后主程序将顺依次序调用各个子程序.主程序流程如图6所示.

VisualBasic是一种可视化的编程语言，它具有可视化的用户界面、用简单的点击或拖动操作即可对程序进行编辑、与此同时还具有完善的即使提示功能和丰富的控件，这些特点对程序设计都带来了极大的便捷；Visual Basic还具有强大的数据库程序开发功能，能够很好地解决复杂的数据采集监控系统的数据存储问题.

图6 下位机主程序流程Fig.6 Program flow chartof lower computer

应用VisualBasic程序编写上位机远程监控系统具有系统设置、实时数据显示和生成历史曲线的功能，显示的实时数据包括风速，阳光辐射功率，环境温度，光伏模块发电功率，风力发电模块功率，太阳能电池板电压电流，风力发电机三项电压电流，蓄电池的电压电流以及充放电状态等.通过工具菜单可以对通讯状态消息记录报警设置报警记录公共参数用户配置等选项进行设置，实时数据显示界面如图7所示.

图7 实时数据显示界面Fig.7 Display interfaceof real time data

数据的存储通过SQLserver数据库完成.通过VB与数据库的接口进行数据调用生成曲线.VB是基于面向对象的设计思想的开发工具，可以同很多按照面向对象设计出的应用软件建立调用.VB对数据库的底层控制就是在此基础上实现的.该软件的历史曲线功能最多支持三个通道，查询时间可自由设定.图8为3组数据的历史曲线.

图8 历史曲线显示界面Fig.8 Display interfaceof history curve

数据表结构如图9所示，Unitid=1时，字段ai0-ai4分别对应阳光辐射功率，太阳能电池板功率，太阳电池板的输出电压电流以及空气温度，字段ai9-ai11分别对应风速，风力发电机输出电压电流以和功率，ai17-ai18是电池电压和功率总和.Unitid=2时，ai0-ai2分别对应风力发电机输出的三相电压.

5 结论

图9 SQL server数据表Fig.9 SQL server data sheet结论

目前在世界范围内风力发电和光伏发电技术发展迅速.因此对于风光互补型能源系统的研究有着很大的实际意义，本文主要研究了风光互补能源系统结构、充放电与功率控制策略.提出过对蓄电池进行分组并且在必要时通过市电对其充电，该结构将极大地增强了系统可靠性同时又区别于常规的并网型风光互补系统，对于相对小型的区域能源系统提供了新的思路.在传统的风光互补系统中使用远程控制终端来来完成数据采集和控制，并为其设计了一套完整的应用软件从而实现对系统的远程管理.

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