可再生獨立能源電站能量管理系統研究

徐源源

摘要：為了在偏遠的沙漠地區及海島上建立可再生獨立能源電站，本文以某沙漠地區建設的混合發電站為例，基于風能和太陽能等可再生能源，對其備用柴油機組成的混合發電站的能量管理系統進行研究。該系統對蓄電池組的電壓、電流等信號進行實時監測，并估算蓄電池組的儲能狀態，對能流進行控制;通過無線通信模塊，將電站的狀態信息等發送到管理人員的手機上。運行結果表明，該能量管理系統提高了可再生能源的利用率，延長了蓄電池組的使用壽命，保證了獨立能源發電站高效、穩定的運行。該研究對提高可再生能源的利用率、延長蓄電池使用壽命和降低發電成本具有重要意義。

關鍵詞：可再生能源; 混合發電站; 能量管理系統; 蓄電池組; 監測; 無線通信模塊

隨著人類社會的發展，可再生能源的利用得到廣泛重視。由于受地理氣候等自然條件的影響，可再生能源提供的電力并不穩定，且用電端的電力使用也不穩定，為保證用電穩定，系統必須增加蓄能環節。而蓄電池是最常見的蓄能組件，若能獲取蓄電池的狀態和控制充放電電流，可很好地延長蓄電池的使用時長，降低發電成本，提高可再生能源的利用率。P.Nema等人[1-2]主要對采用可再生能源技術與柴油混合發電站進行研究;Wang Li等人[3]研究了海風風能和海浪波浪能的混合能源，并引入飛輪、壓縮空氣儲能系統進行能量存儲;楊蘋等人[4]論述了太陽能、風能混合發電系統中的新型發電機及其控制系統，設計了能量管理系統，對混合發電系統的電能指標進行全局優化，從而提供穩定的清潔能源;常一琳等人[5]論述了一種包含太陽能電池和燃料電池的復合能源管理系統;Cai Y P等人[6]研究了混合隨機和模糊環境的可再生能源管理系統;J.Figueiredo等人[7]詳細論述了智能建筑中可再生能源能量生產及其能源管理系統;楊雪蛟[8]研究了家庭并離網一體光儲系統;苗田銀[9]對大型光伏電站提出了針對性的能量管理策略，以實現系統的穩定運行和能量的優化利用;平朝春等人[10]研究了海洋可再生能源發電系統中的并網方案、電能變換、儲能、能量管理及系統穩定等電能變換與能量管理系統的關鍵技術;王亦新[11]建立孤島新能源發電系統，并進行能量管理系統的應用設計。基于此，本文對風力發電機和太陽能電池聯合發電進行研究，實現能源的互補，并將多個蓄電池組作為儲存環節，有效的解決了發電和用電功率不平衡的問題。同時，在蓄電池組儲能不足或存在大電流放電時，采用柴油發電機進行電力補充。該研究提高了可再生能源的利用率。

1 可再生獨立能源電站概述

系統采用將電站產生的電能以直流電形式送至直流母線，母線與蓄電池組和逆變器的輸出端相連的直流并聯方式[12]進行電能的儲存和使用。混合能源發電系統如圖1所示。圖1中，太陽能控制器能夠實時偵測太陽能板的發電電壓，使系統以最大功率輸出向直流母線供電;風力發電機和備用柴油發電機分別通過相應的整流器供電，再通過逆變器將直流母線上的電壓轉換為交流電，為負載提供能量。

本文采用備用柴油機和可控負載，以實現更大范圍的平衡。當可再生能源不足時，則啟動備用柴油發電機，補充電能;當可再生能源過剩時，則啟動海水淡化裝置、空調和電爐等可控負載，充分利用可再生資源。

2 能流調控方法

2.1 蓄電池建模

2.2 能流控制方法

為了有效的保護蓄電池組[14-16]，電站的能量管理系統對蓄電池的充放電電流、化學電勢及儲存的電能進行實時監控。當監控指標出現異常時，采取相應的措施對蓄電池進行保護，避免對蓄電池組造成較大的傷害。

假定各個蓄電池組的參數相同，此假定不失一般性。定義充放電電流IL，ILH和ILL分別為充放電電流的閾值;EH和EL分別為化學電勢的最大和最小允許值;WH和WL分別為存儲電能的最大和最小允許值。

蓄電池組管理的具體措施如下：對某一蓄電池組，當IL≥ILH，或者E≥EH，且IL>0;或者Wc≥WH，且IL>0時，啟動下一蓄電池組，同時關閉此蓄電池組，延時一段時間后，繼續進行判斷。若全部蓄電池都已充滿關閉，

但是上述條件仍然滿足，則啟動可控負載，防止蓄電池大電流充電或過充;對某一蓄電池組，當IL≤ILL，或者E≤EL，且IL<0;或者Wc≤WL，且IL<0時，啟用其他蓄電池組，延時一段時間后，繼續判斷。若全部蓄電池組都已放電完畢，上述條件仍然滿足，則啟動備用柴油發電機，防止蓄電池大電流放電或過放。其中，E為蓄電池的化學電勢，而蓄電池組存儲電能Wc是蓄電池充放電實際功率在時間上的積分。然而在實際使用中，每一時刻僅有一個蓄電池組進行充放電。同時，為保證幾個蓄電池組的使用壽命均衡，蓄電池組充放電的順序遵循“先充先放，先放先充”的原則。

系統在運行過程中，蓄電池組的相關參數可進行適當調整。另外，統計各蓄電池組的充放電時間。電站能量管理流程如圖2所示。

3 能源管理系統設計

本文所研究的可再生獨立電站能源管理系統，采用西門子S7200 PLC作為下位機，上位機通過西門子軟件WinCC[17-18]對整個系統進行監控，能量管理控制系統硬件框圖如圖3所示。下位機放在機房，負責數據采集和處理，同時配備觸摸屏，顯示數據和系統狀態，還可進行部分參數設置;上位機放在系統監控室，除顯示相關數據和狀態，還包括所有參數的設置。西門子WinCC與S7-200 PLC的通信采用用于過程控制的OLE（OLE for process control，OPC）通信協議[19-20]，PC Access是S7-200 PLC專用OPC服務器。為實現遠程監控功能，采用西門子GPRS模塊MD720-3進行遠程數據的發送和接收。MD720-3是一個GPRS/GSM調制解調器模塊，有終端和OPC兩種不同的操作模式，終端模式主要是發送和接收手機短信;OPC模式能夠實現PLC和OPC服務器SIN AUT MICRO SC之間GPRS通信。上位機WinCC操作界面和觸摸屏監控系統畫面結構主要包括系統狀態顯示、操作界面、趨勢視圖和報警消息等，上位機界面如圖4所示。本文所研究的獨立可再生能源電站能量管理系統，已在某地調試完畢，運行效果良好。

4 結束語

本文設計了基于西門子S7-200 PLC和WinCC的風能和太陽能等可再生能源以及備用柴油機組成的混合發電站的能量管理系統。該系統對蓄電池組的電壓和電流信號進行實時監測，從而估算蓄電池組的儲能狀態，同時利用無線通信模塊，將電站的狀態信息等發送到操作管理人員的手機上。經過運行測試，該控制系統運行穩定可靠，效果良好，具有較好的應用前景。

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