面向智能電網的清潔能源聯合供電系統設計

孟垂懿 蔡志遠 周正道 戈陽陽

關鍵詞： 智能電網; 清潔能源; 聯合供電; 蓄電池管理; 變換器; 供電效率

中圖分類號： TN245?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0103?04

Design of clean energy joint power supply system for smart grid

MENG Chuiyi1，2， CAI Zhiyuan1， ZHOU Zhengdao3， GE Yangyang4

（1. Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China; 2. Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China;

3. Northeastern University， Shenyang 110819， China; 4. Power Science Research Institute of Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract： The joint power supply of clean energy is one of the important directions of new energy utilization. The battery management has not been emphatically considered in the design of available clean energy joint power supply systems， resulting in the low efficiency of power supply. Therefore， a clean energy joint power supply system is proposed and designed for the smart grid. The DC/DC converter is used to complete energy transmission and conversion of the clean energy. The DC/AC converter is used to provide energy for batteries by means of the DC bus. The battery controller is used to control battery charge and discharge. In the paragraph of Software Design in this paper， the battery charge and discharge subprograms of the power supply system are mainly analyzed， so as to jointly complete the design of the clean energy joint power supply system for the smart grid. The experimental results show that the power supply efficiency of the system can reach as high as 89%， and the battery failure rate of the system is much lower than that of the traditional method， which indicates that the system has a good power supply performance.

Keywords： smart grid; clean energy; joint power supply; battery management; converter; power supply efficiency

0 ?引 ?言

面對智能電網規模的不斷擴大，電力系統安全運行的不確定風險日益增強，這對電力供電系統的質量提出了更高的要求，因此電力發展面臨的資源壓力越來越大[1?2]。同時，全球經濟飛速發展，化石能源日益枯竭，因此，新型清潔能源逐漸受到人們的重視，被廣泛運用在電力發展領域中。智能電網運行中，將太陽能、風能等新能源與電網相連接，并對連接過程實施嚴密的控制，最大程度地提高清潔能源使用效率[3]。

文獻[4]對國內外的清潔能源發展現狀進行了分析，并總結經驗，研究風機接入后對電網產生的影響。以此為基礎，利用需求響應技術選取出最合理的供電方式，但該方法存在供電效率較低的問題。文獻[5]設計了一種新型的電力系統聯合供電拓撲結構，對太陽能電網逆變器輸出端電流相位進行重復控制，以保證太陽能電網與市政電網的聯合供電，但并未對蓄電池進行具體分析，導致供電效率不高。文獻[6]利用風、光、燃料等清潔能源組合為電池，進而設計聯合供電系統，該系統的用電負荷較低、系統穩定性較高，但在供電效率方面存在不足。

針對上述存在的問題，提出并設計了一種面向智能電網的清潔能源聯合供電系統。實驗結果表明，該系統的供電效率遠高于傳統方法，能夠很好地控制蓄電池運行狀態，表明該系統可行性較高。

1 ?面向智能電網的清潔能源聯合供電系統

面向電網的清潔能源聯合供電系統通常可分為直流母線式發電、交流母線式發電和交直流混合母線式發電三種方式[7]。其中，交直流混合母線式發電方式同時具備直流與交流母線式發電方式的優點，具有運行可靠性強、適合各區域用電需求的優點[8]，因此，采用交直流混合母線式發電方式對供電系統進行分析。

1.1 ?系統硬件設計

該系統的主要硬件組成模塊包括DC/DC變換器、DC/AC變換器和蓄電池控制器等。下面分別對三個關鍵模塊進行具體分析。

1.1.1 ?DC/DC變換器

DC/DC變換器主要負責傳遞直流母線與儲能系統之間的能量，進行電壓的升壓變換，在供電系統中具有重要作用，因此需要合理設計DC/DC變換器電路[9]。本文采用兩級式結構，前級Boost變換器，其功能是初步升壓，同時實現光伏發電的最大功率跟蹤控制，后級的功能是高效地將電壓進一步升壓到400 V左右。這一步驟采用效率較高的固定占空比的LLC諧振全橋直流變壓器。兩級之間的電壓如果太高，Boost變換器的升壓則會比較高，輸出電壓值較大，開關管和二極管的電壓應力較高。如果電壓較低，則會導致后一級需要提供較高的升壓比，不利于系統的實現，因此需要折中選擇。

根據以上分析，可得出具體的DC/DC變換器電路如圖1所示。

1.1.2 ?DC/AC變換器

DC/AC變換器主要負責通過直流母線給蓄電池儲能系統充電。為最大程度減少能量損耗，本文選取一種組合式DC/AC變換器，由Buck電路和Buck?boost電路正反兩路組合而成，正半組電壓輸出由Buck電路負責，負半組電壓輸出由Buck?boost電路負責。DC/AC變換器電路如圖2所示。

在DC/AC變換器使用中，為充分發揮其功能，需要聯合使用S1，S2，S3，S4等開關器件。若需要正向部分電壓，則S4保持通暢，由Buck電路中的S1負責調節輸出電壓。同理，若需要負向部分電壓，則S2保持通暢，由Buck電路中的S3負責調節輸出電壓。

1.1.3 ?蓄電池控制器

蓄電池充放電的控制電路如圖3所示。

蓄電池充放電控制電路由觸發板、控制板、電流電壓傳感器以及濾波電路組成。觸發板主要負責為蓄電池提供充放電流。由電流電壓傳感器測定得出充放電過程中的電流和電壓信號后，通過濾波電路進行信號濾波，最后由控制板統一進行電路信號的調整與控制。蓄電池控制器可以實時優化管理蓄電池組，降低蓄電池發生故障的概率，從而有效保障供電系統的良好運行。

1.2 ?軟件設計

傳統面向智能電網的清潔能源聯合供電系統運行中存在一定的儲能問題，使得蓄電池充放電管理成為該系統設計中的研究重點。本文將清潔能源聯合供電系統設計問題轉化為對蓄電池充放電管理問題。在控制芯片TMS320F2812配套的軟件開發環境中，運用C語言作為編寫語言，對蓄電池充電子程序和蓄電池放電子程序進行詳細的分析[10]。

1.2.1 ?蓄電池充電子程序

通常情況下，蓄電池充電過程分為恒流、恒壓和浮充三個階段。在清潔能源發電量較大的情況下，直流母線的流經電壓會快速升高，恒流充電電流隨之增加。根據蓄電池這一充電特性，給出蓄電池充電子程序的流程圖，如圖4所示。

根據圖4中的充電子程序流程圖可知：在恒流充電階段，充電電流穩定在恒定值10 A左右，未對電壓做出控制，電壓呈現出直線升高的趨勢，當電壓升高至135 V時，進入恒壓階段;在恒壓充電階段，將電壓穩定在400 V，未對電流做出控制，電流呈現出直線下降的趨勢，當電流降低至0.8 A時，進入浮充階段;在浮充階段，采用較小的電流為蓄電池充電，直至蓄電池電壓達到150 V，停止充電。

1.2.2 ?蓄電池放電子程序

蓄電池放電子程序的流程如圖5所示。

根據圖5中的放電子程序流程圖可知，蓄電池放電方式分為電流放電和電壓放電兩種，在電流放電模式下，設置固定的電流值，將此時的電壓值與系統初始狀態的電壓設定值進行對比，在確保電壓值不大于設定值的情況下，系統正常運行，以電流固定值為依據，計算占空比，以此判斷是否達到放電狀態，完成蓄電池的放電。電壓放電模式與電流放電模式類似。

綜上所述，可完成蓄電池的充放電管理，以此核心因素為基礎，可實現對面向電網的清潔能源聯合供電系統的設計。

2 ?實 ?驗

為了驗證面向智能電網的清潔能源聯合供電系統設計的合理性，進行實驗分析。實驗參數設計如表1所示。

2.1 ?實驗結果與分析

對清潔能源聯合供電系統的供電效率進行分析，選取文獻[6]為對比方法，具體對比結果如圖6所示。

通過觀察圖6可知，隨著直流母線電壓的增大，本文系統與文獻[6]系統的供電效率均呈現下降趨勢，但文獻[6]系統的下降趨勢更為明顯。本文系統的供電效率最低為60%，最高可達89%;文獻[6]系統的供電效率最高不超過45%，最低低至14%。由此可見，本文系統的供電效率明顯優于文獻[6]系統。蓄電池充放電管理是清潔能源聯合供電系統中的重要因素，可直接影響供電系統的性能，因此對聯合供電系統中的蓄電池故障率進行分析，選取文獻[6]為對比方法，對比結果如圖7所示。觀察圖7可知，本文系統中的蓄電池故障率較文獻[6]系統低，平均故障率在40%左右，文獻[6]系統的平均故障率在82%左右，高于本文系統42%。

2.2 ?實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：

1） 本文系統的供電效率較高，可高達89%，表明本文的清潔能源聯合供電系統運行性能較好;

2） 本文供電系統中的重要部分蓄電池，其平均故障率低于文獻[6]系統42%，表明本文系統的可行性較高。

3 ?結 ?論

清潔能源聯合供電是新能源利用的重要方式之一。針對傳統清潔能源聯合供電過程中存在的不足，提出并設計了面向智能電網的清潔能源聯合供電系統。著重對該系統中的蓄電池充放電管理進行了具體分析。實驗結果表明，該系統的供電效率較高，蓄電池運行故障率較低，驗證了該系統設計的有效性。

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