基于风能和太阳能复合储能系统控制的混合动力微型智能电网的研究

1、基于风能和太阳能复合储能系统控制的混合动力微型智能电网的研究Bo Wang, Baohui Zhang, Zhiguo HaoState Key Laboratory of Electrical Insulation and Power EquipmentSchool of Electrical Engineering, Xian Jiaotong UniversityXian, Chinayayahere摘要： 能源是人类社会生存与发展的物质基础，更是国民经济发展的基础。化石能源的大量开发和利用，造成大气环境的污染与生态环境的破坏。而且化石能源正在逐渐枯竭，为人类的能源体系敲响了警钟。太阳能

2、和风能都是无污染的可再生能源，它们的开发和利用受到世界各国普遍的关注。太阳能和风能两种发电方式各有其优点，但它们都受到气候和地理环境的影响制约。一般而言，一般冬季风大，太阳辐射强度小；夏季风小，太阳辐射强度大，两种发电方式可以相互补充利用，能够提高发电的稳定性和可靠性。关键词：电池、超级电容器、复合材料、能源存储、DIgSILENT / PowerFactory1 介绍风能和太阳能作为可利用和可再生自然能源，在转换电能的过程中都受到季节、地理和天气气候等多种因素制约。但是，两者的变化趋势基本相反，扬其各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发挥出最大的作用。有鉴于此，很多人都着手风能

3、、太阳能的综合利用研究。微计算机控制技术和电力电子技术是风光互补发电系统研究的一个重要方面。迅猛发展的微计算机控制技术和电力电子技术可提高风光互补发电系统的供电高效性和运行稳定性。通过电力电子技术来实现风力发电和太阳能发电的最大输出功率追踪以及负载端的交流/直流逆变输出等功能。绿色能源发电的特点之一就是输入为不可控的能源，其电压和频率都在不断的变化，且有些输出的是直流，有些输出的是交流；电力变换有直流-交流、交流-直流和交流-直流-交流等等，随实际情况而变。风光互补发电系统可以集中式发电，也可以非集中式发电（靠近用户的分布式发电），文献还介绍了微网供用电系统（容量规模小于 30MW），它是分布

4、式发电的一个研究热点。由此可见，电力电子与绿色能源的发展是密不可分的。太阳能风光互补发电系统研究的另一方面集中在系统的计算机仿真和优化设计。利用计算机软件强大的功能，对一个太阳能风能互补发电系统进行精确的模拟运行，根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得运行结果。在系统性能优化方面，它通过设定最小值的方式把技术性能转变成约束，然后，通过循环迭代的方法，在满足约束的系统方案中寻找最经济的系统配置，把问题转换成单目标优化问题进行处理。2 能量存储系统在微型智能电网的应用风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能发电阵列、控制器、蓄电池组、逆变器、系统监控、直流交流负载等

5、部分组成，如图1-1。发电部分：一般由一台或几台风力发电机组和太阳能发电阵列组成，完成风能电能、光能电能的转换。蓄电池组：蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电机和太阳能发电阵列输出的电能转化为化学能储存起来，以供电能不足时使用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善,得到了广泛的应用。 控制器：完成系统各部分的连接、组合以及蓄电池充电的自动控制。该装置能根据日照强弱、风力的大小及负荷的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流负载或交流负载；

6、另一方面把多余的电能送往蓄电池组储存。当发电量不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证风光互补发电系统工作的连续性和稳定性。 逆变器：由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中的直流电能变换成为标准的220V 交流电,保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电，同时可用蓄电池充电,然后靠蓄电池向负荷提供稳定的电能。若用户使用交流电器,通过加载逆变器,将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳能发电互补的结构形式,具有较广的应用范围。 系统监控：风

7、光互补发电过程控制系统比较复杂,工业上采用过程控制技术，对系统的运行工况进行监测控制和智能化管理。根据系统的特点,现场控制层是对各类传感器、变送器和执行器的控制,实现对现场数据采集和过程控制。智能监控系统分为二层:底层是基于微处理器芯片的监控层,负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数设定,同时具备与上层通信的能力；顶层是基于微机的协调管理层,主要用于现场数据处理,同时处理多台并列运行时的协调控制及并网发电问题。3.系统的建模 （1）风力发电机的建模太阳能电池是把光能转换成电能的一种半导体器件。当阳光照射到太阳电池上，光子所含的能量被太阳发电板吸收，产生光生伏打效应。将太阳发电板两极用导线连

8、成回路后形成光生电流。 当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态。在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子是：价带电子、自由电子或空穴和存在于杂质能级上的电子。太阳电池可利用的电子主要是价带电子，由价带电子得到光的能量，跃迁到导带的过程决定了光的吸收，这称为本征或固有吸收。 太阳电池能量转换的基础是 PN 结的光生伏特效应。当光照射到 PN 结上时，产生电子-空穴对，在半导体内部 PN 结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入 N 区，空穴流入 P 区，结果使N区储存了过剩的电子， P 区有过剩的空穴。它们在 PN 结附近形成

9、与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使 P 区带正电， N 区带负电，在 N 区和 P 区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流scI 流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若将 PN 结两端开路，则由于电子和空穴分别流入 N 区和 P 区，使 N 区的费米能级比 P 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差ocV 。可以测得这个值并称为开路电压。由于此时PN 结处于正向偏置，因此上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定ocV 的值。 其示意图如2-1、2-2所（2）光伏电池

10、的建模风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电场的输出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，其主要差别主要表现在四个方面。第一方面：风能的随机性。风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。第二方面：风力机转动惯量大。风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，中大型风力发电机组转动叶片直径更是长达

11、几十米之多。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。第三方面：风力机与发电机之间连接是柔性连接。为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率的限制，叶尖速率比入不可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。第四方面：对异步发电机来说，大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的励磁无功。异步发电机的频率

12、由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。4.仿真结果建立的仿真模型和所用的仿真工具DIgSILENT / PowerFactory是整个系统的关键，包括风力涡轮机(100千瓦),光伏电池(50 kw)以及一些负载蓄电池和超级电容器。为了确认转运的有效性,a模拟只要240秒进行24小时数据的风速、太阳辐射和负载功率变化。（1） 负载变化风速和太阳辐射的变化显示在下图中。由于风力发电机和光伏电池翻译模型使用MPPT控制,当风速和太阳能辐射的变化,每个

13、源的输出功率都会发生相应的变化。微型电网的总负载功率的变化图8所示。活动负载功率的变化最低20千瓦，最高110千瓦。（2）功率流转运的功率流如下图所示。红色的实线是净微型电网的负载功率,而蓝色点线蓄电池的输出功率，绿色点划线是超级电容器的输出功率。图10显示了电池的SOC和终端在模拟电压的超级电容器。SOC的变化缓慢且平稳,而终端电压急剧变化迅速。由于快速的响应时间超级电容器。（3）在PCC频率和电压下的功率流为了证实仿真建模可以进一步转运,仿真进行了三种情况:电池和超级电容器的工作,只有电池工作,没有电池和超级电容器的工作。如图11所示，当电池和超级电容器工作时,可以控制功率流为零通过仿真过

14、程。只有电池工作时,网络负载功率的高频部分不能运转之后,有几个峰值功率流。按照电池和超级电容器的工作原理,活跃功率流从45千瓦到-30千瓦不等,影响力量网格质量的分布。PCC的频率和电压总线进行了说明图12所示。可以推断,频率变化小的模拟,而电压波动随着微电网与无功功率流网格分布。5结论本文提出了一个由风力和光伏电池复合储能系统控制的混合微电网。考虑到需求之后能量存储系统在微电网技术和应用三种能量存储系统的性能电池和超级电容器已被选定来弥补转运。通过进行微电网模型建立及相关实证研究，仿真结果证实了所提出太阳能和风能复合储能系统控制的混合动力微型智能电网提出的适用性和有效性运气以及相应的控制策略

15、。6致谢主要感谢提供专项资金的国家，尤其是中国等基础研究项目对重点实验室电气绝缘和电力设备的支持工作。7参考文献1 Katirael F, Iravani M R, Lehn P W, “Micro-grid autonomous operationduring and subsequent to islanding process,” IEEE Transactions onPower Delivery, vol. 20, pp. 248-257, January 2005.2 LU Zongxiang, WANG Caixia, MIN Yong, ZHOU Shuangxi, LUJin

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18、 2010 - 36th Annual Conference onIEEE Industrial Electronics Society, pp.1818-1824.6 LI Liwei，ZOU Jiyan, “An instrument for connecting the dischargeenergy of battery to power grid,” Automation of Electric Power Systems,vol. 27, pp. 80-83, 2003.7 DOUGAL R A, LIu S, WHITE R E, “Power and life extensio

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