風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

2020-07-21 09:58:10成丁雨李起華張利軍

通信電源技術(shù) 2020年8期

成丁雨，李起華，連亮，張利軍，邵波

（山西中電科技特種裝備有限公司，山西太原 030032）

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展與能源的持續(xù)供給有著直接聯(lián)系，除了傳統(tǒng)發(fā)電方式，新能源發(fā)電方式，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電等，在市場(chǎng)中的占比也在不斷提高。風(fēng)能的產(chǎn)生具備季節(jié)性特征，在無(wú)風(fēng)期產(chǎn)生的電能較少，而太陽(yáng)能則與光照強(qiáng)度也存在直接關(guān)聯(lián)，為了提高系統(tǒng)發(fā)電效率，如何優(yōu)化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也成為許多企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

目前，主要的風(fēng)電控制策略有3種：最佳葉尖速比控制、最大負(fù)載功率曲線控制及最大功率點(diǎn)搜索控制。

1.1 最佳葉尖速比控制

該方法在應(yīng)用過(guò)程中，其主要的作用原理在于，根據(jù)所處環(huán)境風(fēng)力的產(chǎn)生情況，對(duì)于風(fēng)機(jī)輪葉的運(yùn)行速率進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)處于最佳比值的情況下，這也確保了風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，使其可以持續(xù)穩(wěn)定的對(duì)外輸出電能。在實(shí)際應(yīng)用中，可以借助傳感器設(shè)備和智能管理技術(shù)，對(duì)于外界環(huán)境的風(fēng)力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合云計(jì)算技術(shù)完成葉尖速比的計(jì)算工作，將數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與最佳最佳葉尖速比之間進(jìn)行比對(duì)，隨后將差值信息傳遞給風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，接著對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，從而確保系統(tǒng)可以維持在最佳的工作狀態(tài)。此類(lèi)控制方法在實(shí)際應(yīng)用中，具備操作流程簡(jiǎn)單、調(diào)整效果明顯等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是為了維持最佳的工作狀態(tài)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)整的狀態(tài)，這也增加了系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)時(shí)的應(yīng)用成本。因此在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于該處理方法的應(yīng)用相對(duì)較少。圖1為最佳葉尖速比控制原理圖。

圖1 最佳葉尖速比控制原理圖

1.2 最大負(fù)載功率曲線控制法

該處理方法的工作原理在于，借助數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等方法，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的輸出情況進(jìn)行分析，為了提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果的直觀性，會(huì)對(duì)外進(jìn)行曲線圖的輸出，根據(jù)曲線圖明確目前對(duì)應(yīng)功率的最佳取值點(diǎn)，將該點(diǎn)作為風(fēng)電機(jī)組工作調(diào)整的重要參數(shù)。相比于其他的處理方法，該方法在應(yīng)用過(guò)程中，不需要對(duì)目前環(huán)境中的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，提高了檢測(cè)過(guò)程的便捷性，而且對(duì)機(jī)組運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。圖2為最大負(fù)載功率法控制原理圖。

1.3 最大功率點(diǎn)的搜索控制

最大功率點(diǎn)的搜索控制也屬于常用的控制方法，此類(lèi)方法在實(shí)際應(yīng)用中，又被稱作是擾動(dòng)觀察法。其應(yīng)用原理在于，對(duì)機(jī)組出口功率與轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)到某一轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，其輸出功率處于最大的運(yùn)行狀態(tài)，確定該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體位置和相關(guān)聯(lián)的其他參數(shù)信息，以此為基礎(chǔ)來(lái)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的可靠性。

圖2 最大負(fù)載功率法控制原理圖

在理想狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行到最佳的輸出功率位置，保持該狀態(tài)便可以滿足電能穩(wěn)定輸出的要求，即不需要對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)在該狀態(tài)下可以維持持續(xù)輸出的狀態(tài)。不過(guò)從實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)看，該狀態(tài)并不會(huì)一直被維持，擾動(dòng)的情況一直處于持續(xù)輸出的狀態(tài)，而且擾動(dòng)情況也具備著多變性，對(duì)此需要結(jié)合擾動(dòng)變化情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)的運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)整，從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[1]。

與最大負(fù)載功率曲線控制法相類(lèi)似，該控制方法也不需要對(duì)目前所處環(huán)境的運(yùn)行風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且不需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具備了非常高的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，系統(tǒng)還具備較高的自動(dòng)化特性，能夠結(jié)合實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。不過(guò)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，即便外界環(huán)境一直處于穩(wěn)定的風(fēng)速狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中，其內(nèi)部輸出功率也會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，此類(lèi)波動(dòng)具備較高的不可控性，利用該方法也無(wú)法完全消除此類(lèi)情況，但是可以將其控制在較為合理的擾動(dòng)范圍內(nèi)，從而影響到系統(tǒng)正常的運(yùn)行情況。圖3為最大功率點(diǎn)的搜索控制原理圖。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，其發(fā)電效率和許多的外在因素有著直接地關(guān)聯(lián)，如外界環(huán)境中的日照環(huán)境、氣候溫度等。假定外界光照與溫度處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的出口阻抗也會(huì)處于某一固定數(shù)值，在系統(tǒng)外接負(fù)載阻抗數(shù)值與系統(tǒng)輸出阻抗值保持一致時(shí)，系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)，輸出功率也達(dá)到了最高[2]。為了確保光伏系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程的可靠性，也需要對(duì)其做好產(chǎn)出功率跟蹤，目前常用的跟蹤方法如下。

2.1 恒壓控制法

結(jié)合以往的數(shù)據(jù)，能夠總結(jié)出系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中合理的運(yùn)行曲線，對(duì)曲線中的相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)分析，可以發(fā)現(xiàn)在區(qū)域光照強(qiáng)度處于某一穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)，曲線中存在某一拐點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率處于最大值。因此，在假定外界溫度處于均衡狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的產(chǎn)出電壓來(lái)計(jì)算出調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體產(chǎn)出功率，對(duì)于電壓輸出情況進(jìn)行追蹤，從而確定最佳功率點(diǎn)的輸出位置。通常情況下，此類(lèi)方法也被稱作是恒壓替代法，該方法可以忽略掉外界溫度對(duì)于系統(tǒng)輸出功率的影響，不過(guò)從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)看，系統(tǒng)所在外界環(huán)境的溫度一直處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，因此利用該方法所測(cè)定出的數(shù)值并不一定代表最大功率。雖然此類(lèi)方法的應(yīng)用過(guò)程便捷度高、操作過(guò)程比較簡(jiǎn)便，但是精準(zhǔn)度較低，不適用一些高精準(zhǔn)度要求的場(chǎng)所[3]。圖4為恒壓控制法原理圖。

2.2 擾動(dòng)觀察法

該方法從應(yīng)用原理上來(lái)看，與最大功率點(diǎn)的搜索控制相類(lèi)似，其應(yīng)用原理在于，對(duì)系統(tǒng)的電壓和電流的關(guān)系進(jìn)行深入研究，并且在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中提供一個(gè)擾動(dòng)關(guān)系，隨后對(duì)系統(tǒng)表現(xiàn)情況生成曲線圖，在系統(tǒng)來(lái)到某一轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，其輸出功率處于最大的運(yùn)行狀態(tài)，確定該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體位置和相關(guān)聯(lián)的其他參數(shù)信息，以此為基礎(chǔ)來(lái)調(diào)整光伏系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，從而提高系統(tǒng)工作狀態(tài)的可靠性。與其他的控制應(yīng)用方法相比，該控制方法的最大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于，能夠非常快速地完成最大功率的確定工作，并且應(yīng)用的成本相對(duì)較低，具備較高的適應(yīng)性。不過(guò)該方法對(duì)于溫度的敏感性較高，而且也不具備較高的精準(zhǔn)度，因此常用于一些小型的運(yùn)行系統(tǒng)[4]。圖5為擾動(dòng)觀察法原理圖。

3 蓄電池控制策略

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)蓄電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有著非常重要的作用，并且對(duì)于互補(bǔ)系統(tǒng)而言，蓄電池在前期的應(yīng)用成本占比也較高，如何在確保蓄電池儲(chǔ)能效果的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)蓄電池結(jié)構(gòu)的使用壽命，從長(zhǎng)久利益來(lái)看，該做法能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減少了相關(guān)運(yùn)行成本的支出。結(jié)合現(xiàn)有條件，能夠選擇的充電策略包括恒壓充電法、恒流充電法和兩段式充電法。

從綜合性價(jià)比情況來(lái)看，恒壓充電法或者是恒流充電法在應(yīng)用過(guò)程中，都存在著不同的應(yīng)用弊端，對(duì)此在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇兩段式充電法來(lái)作為蓄電池的充能形式。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，一般會(huì)選擇在前期利用恒流充電法來(lái)完成既定的充電任務(wù)，隨后再利用恒壓充電法來(lái)完成后續(xù)的充電任務(wù)。蓄電池在此過(guò)程中，能夠避免被巨大電流持續(xù)沖擊的情況，從而將蓄電池的溫度控制在合理范圍內(nèi)，減少了電能外泄漏的可能性。但是此類(lèi)充電模式在充電之前如果蓄電池存在放電的情況，那么其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)受到一些損傷，在強(qiáng)電流刺激下，會(huì)出現(xiàn)不可逆?zhèn)Φ那闆r。因此，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，還會(huì)在原有充電模式的基礎(chǔ)上增加浮充充電模式，借助三階段充電的方法，可以對(duì)蓄電池結(jié)構(gòu)本身的性能進(jìn)行改善，從而起到延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命的作用。