淺析風光互補型微電網系統

(國網江蘇省電力有限公司淮安供電分公司，江蘇淮安，223001)

1 引言

隨著傳統能源的日益枯竭和環境污染問題的日益加劇，人類面臨著前所未有的能源危機，對可再生能源的研究和開發已經迫在眉睫[1]。建設高效、節能、穩定、可靠的智能電網是未來發展的目標。推動可再生能源發電技術和智能電網的融合，最大限度的開發利用可再生能源顯得優為重要。風力發電和太陽能發電是所有可再生能源發電方式中，分布最為廣泛的二種方式。風光互補系統的運行方式，一是作為分布式電源接入電網；二是獨立運行，即孤島運行模式。

2 風光互補型微電網結構

風光互補型微電網系統，能利用風能和太陽能在氣候、時間上的差異性和互補性，克服風能和太陽能固有的間歇性和隨機性缺陷。其一般由風力發電系統、光伏發電系統、儲能裝置、負載以及控制器單元組成。根據采用的母線結構不同，可分為直流母線結構和交流母線結構[2-4]。

2.1 直流母線結構

直流母線式風光互補型微電網系統結構[20]如圖1所示，這種結構的特點是風力發電機、光伏陣列和蓄電池都共用一條直流母線，通過集中逆變的方式與負載或電網相連接。由于這種結構只采用一個電壓逆變器，降低了系統投資成本，控制方法簡單，且無需考慮多個微電源之間的同步問題。但是由于這種結構擴展性低，且只有一個并網逆變器系統容量較小，不能滿足未來智能電網的發展需求。

圖1 直流母線風光互補結構

2.2 交流母線結構

交流母線式微電網結構如圖2所示，該結構中風力發電機輸出電壓和頻率都變化的交流電，經交-直-交(AC/DC/AC)變換器轉換成滿足負載需求的交流電輸入電網。太陽能電池陣列辦出的直流電壓，先通過Boost電路升壓到較高電壓后，經逆變器(DC/AC)轉換成工頻電輸入電網。電池采用鉛酸蓄電池，通過功率控制器實現有電能的雙向流通，充電器對蓄電池進行充放電管理；負載進行分級選擇，必要時通過調節負載使系統穩定運行。采用交流母線微電網結構提高了系統擴展性，微電源分別通過逆變器接入電網系統容量較大，運行方式更加靈活，能夠滿足用戶多樣化需求。

圖2 交流母線風光互補結構

3 風、光發電系統

3.1 風力發電系統

風電機組按轉速是否變化可分為恒速風電機和變速風電機組。恒速風電機組當風速變化時，風電機的轉速幾乎保持不變，這種系統在最初的風電機組應用非常廣泛；變速風力發電機的轉速隨著風速的變化而變化，隨著電力電子技術、機械制造技術和控制技術的不斷發展，變速風力發電機逐漸成為風力發電機組的主力軍。直驅式永磁同步發電機與其他變速風力發電機相比，由于取消了變速箱風電機組壽命更長、運行效率更高以及維護更方便。但是永磁同步發電機由于電磁結構復雜、對其制造工藝要求更高、運行時發電機必須采用全功率控制技術才能實現變速，因此直驅永磁發電機組制造成本相對較高，圖3所示為直驅式永磁同步發電系統。

圖3 直驅永磁同步發電機系統

直驅式永磁同步發電系統一般采用功率變換器(AC/DC/AC)，本文采用由二極管組成的三相不可控制整流器(AC/DC)，將風電機組發出的交流電轉換成幅值變化的直流電。通過Boost斬波器將電壓輪換成額定直流電壓，并實現最大功率跟蹤控制和保持逆變器直流側電壓穩定，再經逆變器(DC/AC)轉換成工頻交流電并入電網供負載使用[5-6]。

3.2 光伏發電系統

光伏發電系統是由光伏電池陣列、儲能裝置、控制器和測量單元等組成的系統，其拓撲結構如圖4所示。光伏電池陣列輸出的電壓幅值較低，需經過Boost斬波器將電壓升壓到較高值，才能夠轉換成滿足負載要求的工頻交流電[7-9]。光伏發電系統一般采用最大功率跟蹤控制方法，最常用的方法就是在光伏陣列和逆變器之間接入直流變換器(DC/DC)。通過控制直流變換器可空開關的占比，控制太陽陣列的端口等效電阻值，使不伏陣列輸出功率最大。

圖4 光伏發電系統拓撲結構

Boost斬波器將光伏電池陣列產生的低電壓升高到較高的直流電壓，并完成系統的最大功率的最大跟蹤控制。Boost斬波器電路結構簡單，且轉換效率被廣泛應用于光伏發電系統中作為直流變換器(DC/DC)。Boost斬波器根據電感電流是否斷續可分為連續工作模式、臨界工作模式和斷續三種工作狀態。在實際應用中Boost斬波器一般都工作在連續狀態。

3.3 蓄電池

在風光互補型微電網中，蓄電池作為儲能裝置。當微電網系統中風電系統和光伏陣列大于負荷需求時，蓄電池將系統多余的電量儲存起來，以備發電量不足時向負荷進行補償供電，起著消峰填谷的作用。主蓄電池在孤島運行時，還作為主控單元維持系統電壓、頻率穩定保證系統正常運行[8]。鉛酸蓄電池由于其價格低、安全可靠且技術上比較完善目前已經得到了廣泛使用。

(1)恒流充電方法

恒流充電方法是指蓄電池在充電過程中，通過不斷改變充電器的充電電壓使蓄電池的充電電流保持恒定的一種充電方法。這種控制方法具有操作簡單、易于實現等優點。但是隨著蓄電池電量的不斷增加，蓄電池接受電流能力減弱，從而將大部分充電電能用于電解水，造成浪費。

(2)恒壓充電方法

恒壓充電是指蓄電池在充電過程中，通過控制充電器使蓄電池充電電壓保持不變的一種充電方法。充電過程中，蓄電池電動勢會隨充電時間的延長不斷升高，充電電流不斷減小。這種充電方法，充電初期若蓄電池放電過深，充電電流很大，對會對蓄電池和充電器產生危害，從從而降低蓄電池的使用壽命。但是由于充電后期充電流很小，有效避免蓄電池發生過充。

(3)階段充電方法

階段充電方法是為了解決恒流和恒壓充電單一充電，的缺點所提出來的。一般可分為二階段充電和三階段充電二種方法。

4 結語

風光互補型微電網系統，能利用風能和太陽能在氣候、時間上的差異性和互補性，克服風能和太陽能固有的間歇性和隨機性缺陷。其一般由風力發電系統、光伏發電系統、儲能裝置、負載以及控制器單元組成。