多模式风光互补发电控制系统应用研究

许慧一

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

风能和太阳能作为清洁的可再生能源已经越来越受到世界各国的重视，并已应用到诸多领域。随着电力工业的发展，常规能源发电开始面临煤炭等非可再生资源走向枯竭的局面，为了解决即将出现的能源危机，国内外针对风能和太阳能发电进行深入研究，大规模并网或是离网系统设计均取得了较好的成果[1-4]。

风光互补离网系统能够解决单一能源发电时稳定性差、随机性强等缺点，做到取长补短，得到更加稳定的电能输出。通过对风光互补离网控制系统的设计，对风光资源合理匹配能够优化系统输出，在不同气候条件下向负载稳定供电[5]。本文设计了可根据气候条件等因素手动或自动变换4种供电模式的风光互补发电系统，每种模式均能达到向用户可靠供电，最大可能的保护蓄电池的使用寿命。为了满足用户需求，设计时在每种供电模式下都可以选择手动投切蓄电池组。

1 风光互补微网结构

风光互补发电系统主要由风力发电机、太阳能电池组件、整流器、DC/DC变换器、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等组成，如图1所示。在风力发电回路，整流器的作用是将风力发电机发出的交流电变成直流电，再经过DC/DC变换器向储能蓄电池充电；在太阳能发电回路，太阳能电池组件发出的电能同样需经过DC/DC变换器向储能蓄电池充电；系统控制器的作用主要是保护蓄电池的寿命，防止蓄电池出现过充、过放等现象；当系统存在交流负载时，系统回路需经逆变器将直流电逆变成交流电后供给交流负载，对于直流负载无需经逆变器直接供电；DC/DC变换器的作用是变换风力发电机输出电压和光伏组件输出电压，得到能与蓄电池相匹配的电压值。

2 风光系统模型

2.1 风机模型

当速度为v的风流过扫风面积为S的风机时，风机吸收功率P为

图1 风光互补微网结构图Fig. 1 Wind-solar hybrid micro-grid structure

式中，Cp为风能利用系数；ρ为空气密度。

通过式（1）能看出，当空气密度和风机扫风面积一定时，风能利用系数越大，风机吸收风含功率越多，根据贝兹理论，风能理想情况下的最高利用率为0.59，大型风机为了获得接近于0.59的风能利用系数，可通过变速等控制技术使风机工作于最佳叶尖速比。此外，风机吸收功率与风速的三次方成正比，当风机达到额定功率时，大型风机一般采取变桨等限制功率措施，防止风机损坏[6]。

2.2 光伏组件模型

2.2.1 太阳能电池组件并联数

式中，Np为太阳能电池组件并联数；Wd为负荷日平均用电量；We为太阳能电池组件日平均发电量；η1为充电修正系数；η2为直流修正系数；η3为逆变器效率修正系数。

2.2.2 太阳能电池组建串联数

式中，Ns为太阳能电池组件串联数；Us为光伏发电系统工作电压；Ue为单个太阳能电池组件标准电压。

2.2.3 太阳能电池方阵总功率

根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵总功率。

式中，P为太阳能电池方阵总功率；Pe为单个太阳能电池组件的额定功率。

2.2.4 光伏组件方位角和倾角

太阳能电池方阵的发电能力要受光伏组件的方位角和倾角的影响。

太阳能电池方阵方位角的确定：

太阳能电池方阵倾角的确定一般是根据当地纬度再加上5°～20°来确定太阳能方阵的最佳倾角。

2.3 蓄电池容量计算

式中，C为蓄电池的容量；I为负载工作电流；hd为蓄电池每日累计最大供电小时数；D为蓄电池连续供电天数；η4为考虑放电率修正系数、最大放电修正系数及温度修正系数的综合修正系数，一般取1.4。

3 风光互补控制策略

3.1 风光互补供电模式

考虑风能资源风速与太阳能资源光照强度的不稳定性，为了便于分析，本文将风光互补发电系统划成4种供电模式，具体划分情况见表1。

表1 风光互补供电模式Tab. 1 Power supply modes of wind-solar hybrid system

自然界中风速和光照强度都会随气候的变化而变化。在不同的风速下，风力机发出的功率是不同的，与风速的三次方成正比；在晴天光照充足时，太阳能电池的发电也要随光照的来向和太阳高度角的变化而有所不同。因此在离网风光互补发电系统设计时都要配有蓄电池，以便在风力发电或太阳能发电不足以满足负荷需求时，能够对负荷及时补充电能，防止断电。如表1中的模式1、模式2和模式3。

在模式1中，因自然条件等因素导致风光均不能发电，此时只能通过蓄电池供电，因此在设计时，蓄电池的容量必须保证在要求的天数内不间断向负荷供电。

在模式2中，因风速能达到切入风速而光照强度没有达到发电要求，因此只有风力发电机发电，此时蓄电池是否供电可根据风速大小来控制，需在控制系统中设定一个风速值，当达到该风速时蓄电池不供电，同时还需保证蓄电池满容量，即蓄电池电量不足时，还应向蓄电池充电；当风速小于设定风速时，蓄电池要通过电路向负载提供电能。

在模式3中，因风速未能达到切入风速而光照强度达到发电要求，因此只有太阳能电池发电，此时蓄电池是否供电可根据光照强度来控制，需在控制系统中设定一个光照强度，当达到此光照强度时蓄电池不供电，同时还需保证蓄电池满容量，即蓄电池电量不足时，还应向蓄电池充电；当光照强度小于设定风速时，蓄电池要通过电路向负载提供电能。

在模式4中，风速和光照强度均能达到发电要求，风光同时向负载供电，而蓄电池无需向负载供电，这种模式下需保证蓄电池满电，蓄电池电量不足时，应向蓄电池充电。

(2)专业知识。具体到客服人员涉及的行业与企业，专业知识主要体现在行业背景、业务流程、产品知识、营销知识、心理学知识等。

3.2 风光互补控制系统设计

风光互补控制系统可对上述4种供电模式设计程序，根据气候条件等因素手动或自动切换4种模式，考虑偶然因素的影响，在设计时对每种供电模式下用户的用电都可以选择手动投切蓄电池组。如根据前面分析，当蓄电池工作在供电模式2和模式3两种情况时，在控制系统设计环节还应考虑设定供电模式2下风速值和供电模式3下的光照强度，以便保护蓄电池的寿命，对于这两种模式下的设定值应根据负荷实际情况优化设计，但当系统因特殊原因在供电模式2和模式3设定值以上运行仍不能保证用户用电时，可手动控制蓄电池的投入。

蓄电池控制系统设计时首先要考虑延长蓄电池的使用寿命，即必须对蓄电池的过放电、过充电、深度充电、负载过流和发充电等情况加以限制[7]。本文采用浮充制对蓄电池充电，这种充电方式可以在风能或光伏发电充足时，电能先满足负载要求，剩余部分对蓄电池充电，电能不足时可于风光一起对负载供电[8]，而且在浮充状态下蓄电池的电量不会因为蓄电池自放电而损失，这种充电方式刚好符合本文供电模式2和模式3的要求。

蓄电池充放电控制电路见图2，充电回路有开关T1并联在电源的输出端，在对蓄电池充电时当检测到蓄电池电压达到切离电压时，蓄电池被认为处于过充状态，此时应使T1导通，旁路电源侧电流，起到“过充电保护”作用；当电源侧输出电压小于蓄电池电压时，VD1截止，保证蓄电池不会向电源侧反向充电，起到“防反向充电保护”的作用；当出现过载或短路造成负载电流大于额定电流时，放电回路开关T2断开，起到过载和短路保护的作用；当蓄电池电压小于过放电电压时，T2也会断开，起到“过放电保护”的作用。T3为蓄电池投切开关。

图2 旁路型过充放电控制器电路Fig. 2 The bypass- type charging and discharging control circuit

4 Matlab仿真分析

4.1 风光互补系统选型

4.1.1 工厂负荷

仿真所选工厂负荷情况如表2所示。

表2 工厂负荷情况Tab. 2 Factory loads

4.1.2 风机选型

为保证模式2下对负荷不间断供电，风力发电机组根据最大负荷情况选型，同时考虑发电效率影响及留有适当的备用容量。风机选型如表3所示。因风力发电机组是根据最大负荷选型，因此模式2下运行时风速设定值设置为额定风速。

表3 所选风力发电机组参数Tab. 3 Parameters of the wind generator chosen

4.1.3 光伏组件选型

为保证模式3下对负荷不间断供电，光伏组件容量根据最大负荷情况选型，同时考虑发电效率影响及留有适当的备用容量。根据全国主要城市年平均日照时间分布，假设工厂所在纬度为41.77°，则对应最佳倾角为42.77°，年平均日照时间为4.6 h，太阳能方阵斜面年接收总辐射量为145 kcal/cm2，求得所选光伏组件参数如表4所示。

表4 所选光伏组件参数Tab. 4 Parameters of photovoltaic modules chosen

因光伏组件容量是根据最大负荷选型，因此模式3下运行时光照强度设定值为标准光照强度。

4.1.4 蓄电池容量选择

为保证模式1下对负荷不间断供电，蓄电池容量按连续最长供电天数和最大负荷情况计算。根据式（6）按满足连续3天供电计算蓄电池总容量应满足2 920 Ah。

4.2 系统输出测试分析

4.2.1 模式2供电仿真分析

供电模式2仿真运行结果如图3所示。因风机输出功率与风速三次方成正比，当风速小于设定风速时，本文选则额定风速作为设定风速，系统不能满足负荷要求，此时需导通蓄电池回路，补充电能，系统总功率输出如图3（e）图所示，可见系统功率输出稳定。

图3 模式2系统输出特性Fig. 3 System output characteristics of mode 2

4.2.2 模式3供电仿真分析

供电模式3仿真运行结果如图4所示。因光伏组件输出功率与光照强度成正比，当光照强度小于设定值时，本文选择标准光照作为设定值，系统不能满足负荷要求，此时需导通蓄电池回路，补充电能，系统总功率输出如图4（e）图所示，可见系统功率输出稳定。

图4 模式3系统输出特性Fig. 4 System output characteristics of mode 3

4.2.3 模式切换仿真分析

供电模式1切换供电模式2的仿真结果如图5所示。在0.2 s时刻风速达到风机切入转速，风机发电运行，但由于风速小于额定风速，蓄电池回路仍导通，保证系统向负荷可靠供电。

图5 模式转换输出特性Fig. 5 Output characteristics of mode conversion

5 结语

本文基于多模式的分析方法，设计了可根据气因素手动或自动变换供电模式的风光互补发电系统，该系统一共有4种工作模式，通过Matlab仿真分析，验证了该多模式系统的可行性，仿真结果显示系统输出稳定，能够满足用户用电需求。该系统还可以最大限度地保护蓄电池的使用寿命。设计时在每种供电模式下都可以选择是否手动投切蓄电池组，以达到对用户供电的可靠性。

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