风光互补发电系统的能量管理

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1、风光互补发电系统的能量管理研究1引言风能和太阳能在时间和地域上有很强的互补性，这为组成风能太阳能互补发电系统提供了良好的基础。而且风光互补发电系统与单一的光伏发电系统相比，在取得相同发电量的情况下，其造价明显降低，而且供电质量较好，这为该系统的大规模普及消除了成本的障碍。因此，将风能和太阳能结合，开发风光互补发电系统越来越引起人们的广泛重视。风光互补发电系统的能量管理技术以其可提高能量利用率和系统经济性而受到关注。风光互补发电系统中的能量管理系统的主要任务就是在给负载提供电量的同时，检测风力、光伏发电单元的输出数据以及分析蓄电池的荷电状况，并通过控制风力、光伏发电单元的发电，

2、蓄电池的充放电以及负载的供电，协调各个模块之间的能量流动，实现风光互补发电系统的能量管理，从而保证该系统安全、可靠、经济运行。2风光互补发电系统的组成风光互补发电系统可分为基于直流母线的系统结构和基于交流母线的系统结构。基于直流母线的结构有着以下优点：只需对母线电压进行控制，容易满足系统性能要求，控制算法简单；系统容易扩展，容易满足用电设备和发电设备增加的需求；无须采用单独的逆变装置，成本较低，因此广泛应用于中小型风光互补发电系统中。本文即针对这种结构进行研究。风光互补发电系统由发电部分、蓄电池部分、控制部分和逆变器部分组成[1]，如图1所示。图1风光互补供电系统(1)发电部

3、分：由一台或几台风力发电机和光伏电池阵列组成，完成风-电、光-电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。(2)蓄电池部分：由多块蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。(3)控制部分：由风能和光伏充电控制器、直流中心等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。(4)逆变器部分：由一台或几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电能变换成标准的220v交流电能，保证交流用电设备的日常用电。3蓄电池充电管理蓄电池的容量和寿命是蓄电池的重要参数，它们受运行方式的影响较大。蓄电池组一般有三种工作状态：充电状态，放电状态，浮充状态。由于风光互补发电

4、系统能量具有不确定性，在实际操作中，蓄电池并不是工作在典型的充放电循环状态，传统的充电方法如“恒流充电法”不再适用。系统不再仅仅关心蓄电池的充电速度，取而代之的是如何在充电过程中既能最大限度地利用能量，又能合理地实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命。蓄电池充电方法已经有很多学者做了研究。传统的方法有恒压充电法，恒流充电法，以及改进型的限流恒压法，限压恒流法。比较好的方法还有恒压—恒流联合充电法，该法是克服了恒压充电和恒流充电的缺点提出来的一种方法，但是由于输出不可控，很难达到理想的效果。本文介绍一种适合风光互补系统的充电方法：部分荷电状态循环法。部分荷电状态是指在一个大约20

5、%-80%的荷电状态窗口内，蓄电池在正常的充放电条件下，既不深放电也不进入过充电。这种循环仅传递一部分可利用的能量，可导致铅酸蓄电池很高的循环次数。如图2所示为一个部分荷电状态循环的充电-放电图。起初，蓄电池从完全荷电状态开始降到约20%的荷电状态。然后是一长期部分荷电状态循环的充电/放电阶段，一般在20-80%之间。最后，定期地对蓄电池实现完全条件充电，使蓄电池恢复到100%荷电状态[2]。图2部分荷电状态工作步骤示意图psoc的充电策略关键在于获得电池的soc，常用的soc预测技术有测量内阻法、安时法、开路电压法、多参数组合法、建立蓄电池模型法、模糊逻辑法、神经网络法等。

6、根据算法的要求，在进行了一定数量的部分充电循环后，需进行一次完全恢复充电，一般采用恒流-恒压联合充电方法。完全恢复充电可减少电池单体之间的不平衡，并有助于减少活性物质的硫酸盐化。恢复充电的频率、时间和强度取决于电池的循环记录。对于2v的单体蓄电池，其放电到一般不低于1.8v，充电一般不高于2.35v。本文用12v的蓄电池进行充电试验，放电不能低于10.8v，充电不高于14.1v。如图3所示，本文在11.35v至12.1v的电压范围内对蓄电池进行充电，充电过程采用恒流-恒压联合充电法，在开始的一段时间内，蓄电池电压有最初的11.35v缓慢升至12.1v，达到限压值，随后进入恒压

7、充电。这样保证了在初始不会出现大电流，后来不会出现高电压。图3部分荷电状态下恒流-恒压联合充电实验4风光互补发电系统的能量匹配4.1系统结构风光互补发电系统的主电路拓扑如图4所示。风力发电机、光伏电池阵列分别通过一个boost电路并联接入直流母线，蓄电池挂于母线上，后端可接直流负载或者通过逆变器接至交流负载。图4风光互补发电系统的主电路拓扑图本文选择直流负载进行仿真研究，负载直接接在直流母线上，因此，为了保证负载功率的恒定，母线电压必须是恒定的。有两种方案：(1)蓄电池不经过变换器直接挂在母线上，蓄电池