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1、风光互补发电系统逆变并网时的功率控制韩国电子技术研究所电力研究实验室摘要：由太阳能（光电）阵列，风力涡轮机和电池储能装置组成的混合并网分布式发电系统可通过功率转换用在不同的输配电网络。通过对电池储能装置和逆变器的协调控制，该发电系统可分为发电，输电，配电。为了最大限度的利用新能源，光伏阵列和风力发电机各自独立工作在最大功率点。电池储能装置可以作为缓冲装置灵活转移新能源所发出的电能，而不会出现过度的充放电。并网逆变器可以调节注入电网的功率。通过设计模型并得出实验结果证明了该系统的性能和可靠性。一、 引言光伏风力发电由于受周围环境的变化常常产生不稳定的输出。微型发电机和燃料电池虽然不受环境影响但是
2、响应特性缓慢而不能满足动态负载条件1。新能源发电系统由于依靠外界条件而缺乏稳定性和连续性1。然而有些发电系统是太阳辐照度和风速形成互补2。一般认为在弱电网中风光互补发电具有更高的可靠性，因为它可以有效的抑制在单一发电源时输出功率的快速变化，如风力发电系统3。用电池储能装置或燃料电池发电的混合并网可改善系统的稳定性和可靠性4 5。本文设计了系统并对光伏、风力、风光互补发电在并网时的原理进行了描述，并通过发电、输电、配电产生了实验结果。风能和太阳能发电系统通过在给定风能和太阳能条件下的有效运行来获得最大功率。电池储能装置可以缓解整个混合发电系统的输出波动。系统在并网时的能量控制和能量流动主要有电力
3、电子元器件控制。测试结果显示了混合并网发电系统动态性能，并证明了在混合系统中用电池储能装置控制输出的可行性。图1给出了所提出的混合发电系统的原理图以及系统的操作对象。该系统用风机和光伏发电系统作为能量源，电池储能装置作为能量的缓冲区，考虑到功率与混合器件和并网逆变器的关系而用到了电力电子转换器。所有的元件与公用直流母线相连。监督控制系统由一台进行远程控制的个人电脑，系统操作软件和通信网络组成。监控系统监控整个混合系统和协调单个能量源的发电。通过平均算法可以增加电能质量。由风力发电机和光伏系统产生的输入功率是有波动的，然而通过远程监控系统平均算法的作用注入电网的输出功率变的更平滑。在降低功率波动
4、的同时，电压和电流谐波也得到降低。确实，该混合式系统可以提高系统的电能质量。二、混合发电系统1、系统配置混合并网发电系统的能量源由光伏阵列和风力发电机组成，和电池作为能量存储装置。图2是混合并网发电系统的模块图。该系统包括作为能量源的风力发电机和光伏发电机、作为缓冲区的电池储能装置和一个公用的直流母线。考虑到电能与混合组件和并网逆变器的关系而用到电力电子转换器。图3给出了搭建好的发电系统模型。其中用到了10KW电池储能装置。10KW光伏发电功率控制系统。20kVA风力发电功率控制系统和30kVA的并网逆变器。每一个功率控制系统是由各自的TMS320C32控制平台控制，通过RS485多点串行通讯
5、与计算机中的混合系统控制软件连接。该光伏发电系统由9kW光伏阵列和一个10KW升压型DC - DC转换器构成，这种结构把阵列电压提高到到一个更高的公用直流电压等级。光伏系统运行在最大功率跟踪点（MPPT）控制下从而在太阳辐射变化时获得最大的能量。风力发电系统系统由11kVA异步发电机这里由风力发电机模拟器代替和20kVA可变电压变频PWM转换器构成， 通过调节风机叶片的速度，从而捕捉来自不同风速的最大能量。图4是一个混合动力系统控制软件界面窗口。系统运行与控制参数可以由该软件设置。2、系统说明下面是混合发电系统的元件说明。（1）光伏阵列 模块名：GMG 10530 最大开路电压：434V最大输
6、出功率：3184V（2）光伏控制系统变换器类型：升压DC-DC变换器开关设备和频率：IGBT，10KHZ额定功率：10KW输出电压范围：200V400V（DC）输出电压范围：350V600V（DC）控制方法：导纳增量法（3）电池组额定电压：144V额定容量：200AH电池类型：阀控型（4）蓄电池控制系统变换器的类型：阶跃型的升降压DCDC变换器开关设备及频率：IGBT,10KHZ额定功率：10KW电池侧电压范围：130V200V（DC）直流侧电压范围：350V600V（DC）充电控制：散装，吸收，浮动（5）风力机模拟器系统：实时数字仿真仪和异步电机电机模型：RTDS发电机：11KVA 220V
7、（6）风力发电机组模型类型：无浆距控制，失速控制额定容量：10KVA刀尖圆角半径：3.9m额定转速：74r.p.m额定风速：12米/秒（7）WT控制系统变频器类型：3相SVPWM变频器开关器件及频率：IGBT，10KHZ额定功率：20KVA最大输入电压范围：250V（AC）最大输入频率：120Hz最大输出电压：600V（DC）控制方法：MPPT，VVVF，Scalar（8）并网逆变器变频器类型：3相SVPWM变频器开关器件及频率：IGBT，10KHZ 额定功率：30kW 额定输出电压：220V（AC） 输入电压范围：350V600V（DC） 控制方法：基于电流的DQ控制3、系统控制该混合系统包
8、括一般运行、功率分配和功率平均。表一给出了各种方式下的功率控制方案。一般运行在正常运行方式下，为了使功率有效的输送给电网，用并网逆变器使总线电压连续恒定。在已知的天气条件下，为了达到最佳效果，必须时刻对风机和电池板控制以获得最大功率。电池可以通过充放电而维持在合适的电池剩余电量。功率分配该系统通过公共运营商或者公共需求管理的应用来分配电能。在该模式下，光伏风力发电运行在最大功率模式，为了使并网逆变器安全运行，通过控制电池储能装置使直流侧电压维持在恒定值。通过电池的充放电使输出的功率稳定。功率平均该混合系统可以减弱来自风电的震荡功率，从而连续的给电网供电。此模式可以使功率更平滑，改善供给电网的电
9、能质量，从而稳定的向电网供电。在并网时此操作方式可以减少电压和谐波变化。该监控系统除应包括一个功率平均控制模块外，而且应该说明并网逆变器的功率平均结果。平均难以预测的实时功率可能是一个困难的问题，这就需要对天气预报和功率估计以及控制技术本身做进一步全面的研究。本文提出了一种简单的技术，通过使用一个低通滤波器使用，从而有效降低功耗波动。电池对平衡功率的产生和注入是必不可少的。而风光系统仍旧工作在最大功率控制下。3、实验结果通过在不同操作方式下进行操作，验证了该系统的性能。比较了电流的总谐波失真率和在电网连接点的功率变化。表一给出了具体事例，表二给出了实验结果。图5给出了正常运行状态下的实验结果。
10、直流电压通常控制在430V，并网逆变器把电能分配到电网。由于混合控制系统的能量损失而使总功率和并网逆变器的功率有差异。逆变器的总谐波失真电流与注入功率是成反比的，因为随着输出电流增大基本元件的谐波失真率减少。图6给出了电能分配模式下的实验结果，为了完成测试该系统分出了5KW电能。并网逆变器使注入电网的电能变的连续从而减少了系统的功率波动。当总的能量大于注入电网的能量时电池工作在充电模式，反之工作在放电模式。在电池充电过程中直流母线电压维持在最大值，反之维持在最低值。这样避免了电池的反复充放电而对电池寿命产生影响。输出电流的总谐波失真是恒定的，没有电压波动，因此注入电网的功率是恒定的。图7给出了
11、在电能平均工作模式下的结果，其中并网逆变器起低通滤波作用。可以看出注入电网电能的平滑性是显而易见的。电流和电压的谐波失真明显变小。电源控制的方法与电能分配的方法相同，其中为了不需要太多的电源组，直流母线电压被限制在预先设定的控制值。5、结论本文提出了一个多功能的并网风力、光伏、电池储能混合系统,并阐述了在多操作模式下该系统的功率控制原则。通过实验验证了系统性能。文中针对30千瓦模型进行了实验。实验结果证明该系统可以向电网提供灵活、稳定的电能，同时最大限度的利用新能源。通过合理的操作措施使注入电网的电能连续并且波动小。在经济性方面，新能源具有可再生性而具有低成本效益。为了达到最佳效果要选用合适的
12、元件和电池储能装置。微电网的控制方法和减少能量波动的更有效算法还需要进一步研究。6、参考文献1 Fernando Valencaga, Pablo F. Puleston and Pedro E. Battaiotto,Power Control of a Solar/Wind Generation System Without Wind Measurement: A Passivity/Sliding Mode Approach, IEEE Trans.Energy Conversion, Vol. 18, No.4, pp. 501-507, December 2003.2 Kurozum
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