风-光-储混合直流微网系统的设计

陈瑶，黄一龙，唐巧佳

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门，361024）

0 引言

中国于2020年9月在联合国大会上明确提出：中国的二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。在“两会”期间，“碳达峰”、“碳中和”被写入政府工作报告。目前，我国常规化石能源人均储量不足，能源安全问题严峻，发展新能源成为了下一阶段“攻坚战”的关键所在，而新能源发电是新能源最主要的利用形式。相比于大电网，分布式新能源供电更经济、更环保，且更接近用电负荷，但其受自然因素影响较大，输出不稳定。

相比于发达国家，我国对直流微电网的研究起步较晚，但在政府的大力支持和引导下，国家政策及国家导向性项目正逐渐向微电网倾斜[1]。本文构建了一种风-光-储混合直流微网系统，以实现稳定、连续、可控的新能源供电。

1 系统构成

风-光-储混合直流微电网系统结构，如图1所示，本系统采用双母线结构，由分布式发电模拟单元、能量管理单元、微电网交直流负荷管理单元等多部分共同组成。其中，光伏阵列、风力发电机分别通过Buck变换器和三相桥式PWM整流电路与直流母线相连，蓄电池直接并接在直流母线上。

图1 风-光-储混合直流微网系统结构图

2 光伏/风机发电单元

2.1 光伏发电单元

太阳能光伏发电单元由单晶太阳能光伏电池组件、太阳能组件支架、太阳能专用电缆、MC4连接器、环境检测传感器等组成。太阳能电池组件采用单晶电池组件，2块100W电池组件组成一个方阵，可以方便进行串并联测试。

太阳能光伏发电单元采用如图2所示的Buck型直流变换器与直流母线相接。

图2 Buck型直流变换器

为了保证光伏电池在任意时刻都输出最大功率，应采用合适的最大输出功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）算法，通过实时侦测太阳能电池板发电的输出电压，调节电气模块的工作状态，使光伏板工作在最大功率输出状态。光伏电池MPPT算法主要有：恒压法、扰动观察法、模糊控制法、电导增量法等[2-3]。本文采用的是恒压法结合电导增量法。该方法控制流程图如图3所示，定义在k时刻光伏阵列的输出电压及电流为Vk和Ik，根据输出电压判断工作状态：①输出电压在恒压控制算法设定的电压±△V之外，执行恒压控制算法；②输出电压在恒压控制算法设定的电压±△V之内，进行小步长的电导增量法；③修改恒定控制算法设定的电压为Vk。该过程不断重复直到dI/dV=-I/V，此时系统工作在最大功率点。恒压法控制环境发生突变时的最大功率点跟踪，电导增量法控制最大功率点附近的小幅度振荡现象。

图3 恒压法结合电量增加法的MPPT控制流程图

2.2 风机发电单元

由于增速齿轮箱是风力发电机中最脆弱的元件，因此本文使用可省去齿轮箱的永磁风力发电机组，再组合拖动异步电机、发电机支架、电机电缆等部件进行模拟。如图4所示，通过异步变频电机拖动永磁水平轴风力发电机，可模拟发电机在不同风速状况下的发电情况。

图4 异步变频电机拖动发电机模拟风力发电

风力发电机输出的电压频率变化的交流电需经过如图5所示的三相桥式PWM整流电路接入直流母线。

图5 三相桥式PWM整流电路

三相桥式PWM整流电路是最基本的PWM整流电路之一，其应用最为广泛。对电路进行SPWM控制，在桥的交流输入端A、B和C可得到SPWM电压，对各相电压进行控制，使各相电流ia、ib、ic为正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为1。

3 实验结果

系统在离网时光伏、风力发电功率小于负载功率的情况如图6所示。由实验结果可知，当风、光发电的功率大于交直流负载功率时，系统不仅可以实现自主供电，还可以向蓄电池充电实现电能的存储。而当发电功率小于负载功率时，风、光发电以及蓄电池共同向负载供电。

图6 系统离网且风光发电功率小于负载功率

当系统并网且电网侧用电处于峰电状态、风光发电功率大于交直流负载功率时，系统多余功率会先向电网供电，以缓解用电高峰时电网的供电紧张，达到削峰的目的，如图7所示。只有向电网供电有余，系统才会向蓄电池供电，否则，蓄电池同样要放电来缓解电网供电紧张问题。

图7 系统并网且电网侧用电处于峰电状态

电网侧用电处于谷电状态时风光发电的功率大于交直流负载功率的情况下，系统多余功率会先向蓄电池供电，此时电网也会向蓄电池供电，以达到填谷的目的。若负载功率大于新能源发电功率，电网会先向负载提供功率。

由于电网系统维修或者故障时，很容易出现孤岛效应，导致风力、光伏发电系统与整个电网呈脱离状态，形成一个自给供电的孤岛效应。当主电网与部分电网断开后，会导致孤岛部分的供电完全由风力发电或者光伏发电系统提供，其系统内部会出现某个区域有电流流通而实际中却没有电流通过的情况。此种情况主要是由于发电过程中总容量过大，会威胁人们的生命安全和用户用电出现不稳定状态，为了使得电网更加可靠，当风光储混合直流微网系统因某些故障与电网失去连接时，系统会首先进行离网运行，保证能够提供充足的电能保证负载的运行，与此同时，系统会处于主动状态，主动状态下的系统更加完善，拥有对电网频率的移位、相位跳跃、电流不稳的情况的实时监控，使得系统能够自主重新与电网搭建连接关系，实现了智能电网能够自愈的特点。