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1、风光互补发电系统的能量管理研究风光互补发电系统的能量管理研究1 引言风能和太阳能在时间和地域上有很强的互补性，这为组成风能太阳能互补发电系统提供了良好的基础。而且风光互补发电系统与单一的光伏发电系统相比，在取得相同发电量的情况下，其造价明显降低，而且供电质量较好，这为该系统的大规模普及消除了成本的障碍。因此，将风能和太阳能结合，开发风光互补发电系统越来越引起人们的广泛重视。风光互补发电系统的能量管理技术以其可提高能量利用率和系统经济性而受到关注。风光互补发电系统中的能量管理系统的主要任务就是在给负载提供电量的同时，检测风力、光伏发电单元的输出数据以及分析蓄电池的荷电状况，并通过控制风力、光伏发
2、电单元的发电，蓄电池的充放电以及负载的供电，协调各个模块之间的能量流动，实现风光互补发电系统的能量管理，从而保证该系统安全、可靠、经济运行。2 风光互补发电系统的组成风光互补发电系统可分为基于直流母线的系统结构和基于交流母线的系统结构。基于直流母线的结构有着以下优点：只需对母线电压进行控制，容易满足系统性能要求，控制算法简单；系统容易扩展，容易满足用电设备和发电设备增加的需求；无须采用单独的逆变装置，成本较低，因此广泛应用于中小型风光互补发电系统中。本文即针对这种结构进行研究。风光互补发电系统由发电部分、蓄电池部分、控制部分和逆变器部分组成1，如图 1 所示。图 1 风光互补供电系统(1) 发
3、电部分：由一台或几台风力发电机和光伏电池阵列组成，完成风-电、光-电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。(2) 蓄电池部分：由多块蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。(3) 控制部分：由风能和光伏充电控制器、直流中心等组成。完成系统各部分的连接、 组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。(4) 逆变器部分：由一台或几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电能变换成标准的 220v 交 流电能，保证交流用电设备的日常用电。3 蓄电池充电管理蓄电池的容量和寿命是蓄电池的重要参数，它们受运行方式的影响较大。蓄电池组一般有三种工作状态：充电状态，放电状态，浮充状态。由于风光互补发
4、电系统能量具有不确定性，在实际操作中，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，传统的充电方法如“恒流充电法”不再适用。系统不再仅仅关心蓄电池的充电速度，取而代之的是如何在充电过程中既能最大限度地利用能量，又能合理地实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命。蓄电池充电方法已经有很多学者做了研究。传统的方法有恒压充电法，恒流充电法，以及改进型的限流恒压法，限压恒流法。比较好的方法还有恒压恒流联合充电法，该法是克服了恒压充电和恒流充电的缺点提出来的一种方法，但是由于输出不可控，很难达到理想的效果。本文介绍一种适合风光互补系统的充电方法：部分荷电状态循环法。部分荷电状态是指在一个大约 20%-80%的荷电
5、状态窗口内，蓄电池在正常的充放电条件下，既不深放电也不进入过充电。这种循环仅传递一部分可利用的能量，可导致铅酸蓄电池很高的循环次数。如图 2 所示为一个部分荷电状态循环的充电-放电图。起初，蓄电池从完全荷电状态开始降到约 20%的荷电状态。然后是一长期部分荷电状态循环的充电/放电阶段，一般在 20-80%之间。最后，定期地对蓄电池实现完全条件充电，使蓄电池恢复到 100%荷电状态2。图 2 部分荷电状态工作步骤示意图psoc 的充电策略关键在于获得电池的 soc，常用的 soc 预测技术有测量内阻法、安时法、开路电压法、多参数组合法、建立蓄电池模型法、模糊逻辑法、神经网络法等。根据算法的要求，
6、在进行了一定数量的部分充电循环后，需进行一次完全恢复充电，一般采用恒流-恒压联合充电方法。完全恢复充电可减少电池单体之间的不平衡，并有助于减少活性物质的硫酸盐化。恢复充电的频率、时间和强度取决于电池的循环记录。 对于 2v 的单体蓄电池，其放电到一般不低于 1.8v，充电一般不高于 2.35v。本文用 12v 的蓄电池进行充电试验，放电不能低于 10.8v，充电不高于 14.1v。如图 3 所示，本文在 11.35v 至 12.1v 的电压范围内对蓄电池进行充电，充电过程采用恒流-恒压联合充电法，在开始的一段时间内，蓄电池电压有最初的 11.35v 缓慢升至 12.1v，达到限压值，随后进入恒
7、压充电。这样保证了在初始不会出现大电流，后来不会出现高电压。图 3 部分荷电状态下恒流-恒压联合充电实验4 风光互补发电系统的能量匹配4.1 系统结构系统结构风光互补发电系统的主电路拓扑如图 4 所示。风力发电机、光伏电池阵列分别通过一个 boost 电路并联接入直流母线，蓄电池挂于母线上，后端可接直流负载或者通过逆变器接至交流负载。图 4 风光互补发电系统的主电路拓扑图本文选择直流负载进行仿真研究，负载直接接在直流母线上，因此，为了保证负载功率的恒定，母线电压必须是恒定的。有两种方案：(1) 蓄电池不经过变换器直接挂在母线上，蓄电池的端电压即母线电压。(2) 蓄电池经过双向 dc/dc 变换
8、器接至直流母线，母线电压可以匹配至设定值。本文的仿真对第二种方案进行了研究。双向 dc/dc 部分，本文采用全桥型 dc/ac-ac/dc 直流变换器，如图 5 所示。在风光输出的能量有多时，能量由左向右传递，前端能量分别经过全桥逆变，变压器变压和二极管整流对蓄电池进行充电。反之，当风光输出的能量不足以满足负载需求时，能量由右向左传递，蓄电池变为电源，经过全桥逆变，变压器升压以及二极管整流将能量送至母线，进而满足负载需求。图 5 双向 dc/dc 拓扑图4.2 能量流分析能量流分析首先忽略各个能量模块的具体数据，只研究其能量流的状态，如表 1 所示。分别用“1”和“0”表示风力发电机发电以及不
9、发电的状态，光伏电池发电与不发电的状态，分别用“1”，“0”，“-1”表示蓄电池充电、浮充与放电的状态。为了便于分析，将各种状态用能量流示意图表示出各种模式3，如图 6 所示。其中“w”、“p”、“s”、“l”分别代表风力发电机、光伏电池陈列、蓄电池组和负载。图 6 风光互补发电系统能量流示意图从图 6 中可以清楚的看到各个能量模块之间的能量流，图中箭头所表示的是能量流的方向，没有箭头则表示没有能量流动。处于模式 0 时，电能由风能输入级、太阳能输入级送到蓄电池输送到负载。也就是说，在风机与太阳能池板为负载供电的同时也对蓄电池充电。处于模式 1 时，电能由风能输入级和太阳能输入级输送到负载，蓄
10、电池处于浮充状态。处于模式 3 时，太阳能输入级无输出，由风能输入级单独对负载供电，并对蓄电池充电。处于模式 9 时，风能输入级和太阳能输入级均无输出，蓄电池对负载供电。以此类推，同样可以得出其它模式的工作状态。依据以上能量流的模式，得出能量匹配策略：(1) 充分得用太阳能和风能，即首先由太阳能和风能满足负载需要，工作模式有模式 1，模式 4，模式 7。(2) 当此时的太阳能和风能比较充足，而蓄电池的电量又不足时，则由太阳能和风能给蓄电池充电，工作模式有模式 0，模式 3，模式 6。(3) 当太阳能和风能不能满足负载需求时，则由太阳能、风能以及蓄电池共同对负载供电，工作模式有模式 2，模式 5
11、，模式 8。(4) 当太阳能和风能不能发电时，则有蓄电池直接对负载供电，工作模式有模式 9。5 仿真实验为验证上述能量匹配策略，建立了基于 matlab 的仿真模型进行验证。研究当外界条件改变时，风力发电机和光伏电池阵列的输出功率多于负载需求或者不能满足负载需求，蓄电池及时充电或放电，以保证负载功率的恒定。本文针对 1kw 的小型风光混合发电系统进行设计，分别得出风力发电机、光伏电池阵列、蓄电池以及母线电压的一些参数值，如表 2 所示。基于以上参数，本文进行了仿真实验，实验结果如图 7 所示，从上至下分别为风力发电机输出功率变化图、光伏电池阵列输出功率变化图、风光总输出功率变化图、负载功率图、
12、母线电压控制效果图。图 7 仿真实验结果由图 7 上可看出，由于风速的变化，风力发电机由初始的 200w 增至 400w。由于光照强度的减弱等因素，光伏电池的输出功率由最初的 800w 降至 700w，而后又降至 600w。风光输入级的总功率由开始的 1000w 降至 900w，然后升至 1100w，最后回到 1000w。通过相应的控制，当前端输入级发生变化导致与负载功率不匹配时，蓄电池能及时充放电，以保证负载的功率恒定。如负载功率图所示，当输入级突变时，负载功率始终是恒定的，保持在 1000w。为研究控制效果，将母线电压放大，得到母线电压控制效果图，如图 7 所示。由图可以看到，当前端输入级
13、发生突变是，通过控制器的调节作用，可以将母线电压维持在 500.2v之间，也就是说控制在 0.4%以内，该控制器的稳定性较好。6 结束语本文提出了一种基于储能环节控制的能量管理系统。该系统采用 boost 升压，双向 dc/dc控制蓄电池充放电的拓扑结构，采用部分荷电状态循环法对蓄电池充电，归纳出十种能量流动模式，并研究风光总输出功率变化，负载功率变化情况。作者简介揭婷（1984-）女 硕士研究生，主要研究方向：新能源发电技术。参考文献 1 陆虎瑜，马胜红. 光伏/风力及互补发电村落系统.北京:中国电力出版社,20052 r.h. newnham, w.g.a. baldsing. benef
14、its of partial-state-of-charge operation in remote-area power-supply systems. journal of power sources, 2002,107(2):2732793 debosmita das, reza esmaili, longya xu, dave nichols. an optimal design of a grid connected hybrid wind/photovoltaic/fuel cell system for distributed energy production. iecon, 2005:24992504
