1. 研究背景及意義
人類(lèi)生存和發(fā)展的能源主要依賴(lài)于石油、天然氣、煤炭等化石燃料（不可再生資源）。隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)生活水平的提高，能源消耗將不斷增加，這些不可再生的化石燃料也將會(huì)越來(lái)越少，直到用盡，這也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。面對(duì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，必須有強(qiáng)大的能源供應(yīng)保障現(xiàn)代化。同時(shí)，為了滿足世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的追求，加快發(fā)展清潔能源和可再生能源，充分利用可再生能源和清潔能源是解決能源需求問(wèn)題和破壞生態(tài)環(huán)境的唯一途徑。其中風(fēng)能和太陽(yáng)能是最廣泛使用、清潔無(wú)污染的可再生能源，受到了廣泛關(guān)注。更值得注意的是，風(fēng)能和太陽(yáng)能這兩種產(chǎn)能充足的新能源具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能受天氣、氣候、季節(jié)、時(shí)間等因素的影響，單獨(dú)使用風(fēng)電和光伏電網(wǎng)存在系統(tǒng)能量穩(wěn)定性差的問(wèn)題。風(fēng)能和太陽(yáng)能同時(shí)受這些因素的影響趨勢(shì)基本相反，在時(shí)間和季節(jié)上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。例如，從時(shí)間上看，白天日照強(qiáng)度較高，太陽(yáng)能資源相對(duì)較好，而風(fēng)能一般較小，風(fēng)能資源相對(duì)較差；夜間照明強(qiáng)度很弱，太陽(yáng)能幾乎為零，但風(fēng)力一般比白天強(qiáng)，風(fēng)能資源很好。在季節(jié)上，夏季日照較強(qiáng)，太陽(yáng)能資源分布較多，而風(fēng)力較弱，風(fēng)能資源較少；反之冬季日照較弱，風(fēng)力較大。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電可以互補(bǔ)時(shí)間和季節(jié)資源不穩(wěn)定問(wèn)題，風(fēng)能太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)將成為一個(gè)更加理想的具有良好的應(yīng)用前景的應(yīng)用模式。
2. 風(fēng)能太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)分析
2.1 運(yùn)行方式
目前，風(fēng)力發(fā)電為混合系統(tǒng)的主要供能，風(fēng)電有兩種運(yùn)行方式：離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行。與并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電相比，離網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，可通過(guò)儲(chǔ)能裝置向無(wú)電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，并可與其他發(fā)電技術(shù)相結(jié)合。風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電是世界風(fēng)電發(fā)展的主要方向，風(fēng)電裝機(jī)容量大，一般在兆瓦到幾百兆瓦之間。由于它與大電網(wǎng)相連，可以得到大電網(wǎng)的補(bǔ)償和支持，同時(shí)使風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用也更加完善。本文討論獨(dú)立風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)儲(chǔ)能方式的不同，儲(chǔ)能裝置主要可分為化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三類(lèi)。儲(chǔ)能裝置在微電網(wǎng)中主要起到了以下作用：削峰填谷，即減少峰谷之間的差距來(lái)提高能源利用效率；幫助負(fù)荷功率曲線跟蹤的實(shí)現(xiàn)，有助于系統(tǒng)充分的利用新能源并增大輸出功率；平滑風(fēng)能太陽(yáng)能混合輸出功率曲線，提高微電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和電能的質(zhì)量。根據(jù)調(diào)控目的的不同，儲(chǔ)能裝置的控制策略和容量配置也不盡相同。此外，考慮到蓄電池技術(shù)在與風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)相結(jié)合的方面已經(jīng)比較成熟，本文采用了這種形式。
2.2 風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略
風(fēng)能和太陽(yáng)能是兩種新型能源。風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于其隨機(jī)性和波動(dòng)性，其輸出功率不穩(wěn)定。通常，為了保證負(fù)荷所需電力的可靠供應(yīng)，在新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)中會(huì)增加儲(chǔ)能裝置來(lái)幫助控制電力。本文中，鉛酸蓄電池模塊仍在風(fēng)光混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。光伏發(fā)電模塊與風(fēng)機(jī)發(fā)電模塊并聯(lián)作為主電源。蓄電池與匹配的DC/DC雙向變換器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)供能和剩余能量的存儲(chǔ)，逆變器負(fù)責(zé)將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源供負(fù)載使用。將電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷和局部負(fù)荷合并為負(fù)荷，由圖中三相負(fù)荷代替，直流母線電壓的穩(wěn)定標(biāo)志著兩側(cè)的功率平衡，可以作為電源平衡的標(biāo)志，風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合控制器則是作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。通過(guò)對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和供電過(guò)程的分析，可得到了該系統(tǒng)的聯(lián)合控制策略。
圖1 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖
本文將風(fēng)機(jī)兩端與光伏模塊并聯(lián)在直流母線兩端，其連接方式與IGBT開(kāi)關(guān)與卸載電阻組成的卸載電路相同，IGBT開(kāi)關(guān)的控制參數(shù)為蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）。當(dāng)風(fēng)能和光伏系統(tǒng)總輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生功率冗余，直流母線電容兩側(cè)電壓升高。在風(fēng)能和太陽(yáng)能蓄電池混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于蓄電池及其對(duì)應(yīng)的雙向DC/DC變換器并聯(lián)在直流總線處，當(dāng)電力供應(yīng)不足，也就是說(shuō)，電源提供的風(fēng)機(jī)和光伏模塊仍達(dá)不到負(fù)載功率的需求時(shí)，則蓄電池放電。所述電源之間的差值由蓄電池提供，以保證電源的平衡與直流母線電壓的穩(wěn)定耦合；此外當(dāng)電量冗余時(shí)，蓄電池充電，如控制1所示過(guò)多的電量通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器流入電池，控制1流程調(diào)整蓄電池的充放電過(guò)程并通過(guò)控制DC/DC電路調(diào)整電源之間的差異。然而，由于其自身的特點(diǎn)，蓄電池模塊不能無(wú)限期地接受這種能量。當(dāng)蓄電池充電狀態(tài)超過(guò)80%時(shí)，我們將蓄電池設(shè)置為臨界狀態(tài)�？刂破骺刂艻GBT連接卸載電路，通過(guò)卸載電阻消耗多余的功率，直到直流母線兩側(cè)的電源達(dá)到平衡，如圖1所示的控制2過(guò)程。
2.3 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
利用Matlab/Simulink平臺(tái)對(duì)上述風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。本文主要對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)在經(jīng)常出現(xiàn)的三種情況下進(jìn)行仿真：有光無(wú)風(fēng)環(huán)境、有風(fēng)無(wú)光環(huán)境、有風(fēng)有光環(huán)境。通過(guò)仿真驗(yàn)證所提出的策略能否很好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的運(yùn)行，以及在這三種情況下能否滿足負(fù)荷所需的電力供應(yīng)，維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。仿真系統(tǒng)圖如圖2所示，通過(guò)以上運(yùn)行結(jié)果分析可知，通過(guò)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合控制器的調(diào)控，在有光無(wú)風(fēng)環(huán)境、有風(fēng)無(wú)光環(huán)境、有風(fēng)有光環(huán)境條件下，風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)均能實(shí)現(xiàn)功率供需的平衡和系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
3. 結(jié)論與展望
本文關(guān)注的問(wèn)題是風(fēng)能和太陽(yáng)能（光伏）混合發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能裝置充放電過(guò)程的控制，補(bǔ)償了供電與負(fù)荷需求之間的差異，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)在各種環(huán)境條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
圖2 系統(tǒng)仿真圖
雖然本文對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和控制方法進(jìn)行了一些研究，但由于時(shí)間和水平的限制，還需要進(jìn)一步的研究，并需在許多方面進(jìn)行改進(jìn)。在未來(lái)的研究和發(fā)展方向中，將進(jìn)一步提出家庭微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)輸出接口設(shè)計(jì)，比如將直流電源連接到USB壁掛的輸入連接器上，使用USB供電的USB加載設(shè)備，將USB傳輸電纜插頭插入U(xiǎn)SB壁掛，通過(guò)直流電源將USB傳輸線的另一端連接到各種負(fù)載上，實(shí)現(xiàn)USB直流供電系統(tǒng)。移動(dòng)終端電壓顯示部分采用無(wú)線傳輸和接收數(shù)據(jù)模式，微處理器電壓/電流測(cè)量單元測(cè)量電壓/電流的值通過(guò)ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算和程序算法濾波后，可以獲得真正的電壓，并可以將獲得的實(shí)際電壓值送入緩沖寄存器。Wi-Fi模塊通過(guò)串口與單片機(jī)連接，緩沖寄存器中的電壓通過(guò)串口通信發(fā)送。手機(jī)上的客戶端程序使用socket通訊的方法，將Wi-Fi模塊發(fā)送的信號(hào)連接到單片機(jī)上，并顯示在手機(jī)上，得到電壓值。同時(shí)在小型風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，還需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，并添加智能保護(hù)原件對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
