浅析风光互补型微电网系统

(国网江苏省电力有限公司淮安供电分公司，江苏淮安，223001)

1 引言

随着传统能源的日益枯竭和环境污染问题的日益加剧，人类面临着前所未有的能源危机，对可再生能源的研究和开发已经迫在眉睫[1]。建设高效、节能、稳定、可靠的智能电网是未来发展的目标。推动可再生能源发电技术和智能电网的融合，最大限度的开发利用可再生能源显得优为重要。风力发电和太阳能发电是所有可再生能源发电方式中，分布最为广泛的二种方式。风光互补系统的运行方式，一是作为分布式电源接入电网；二是独立运行，即孤岛运行模式。

2 风光互补型微电网结构

风光互补型微电网系统，能利用风能和太阳能在气候、时间上的差异性和互补性，克服风能和太阳能固有的间歇性和随机性缺陷。其一般由风力发电系统、光伏发电系统、储能装置、负载以及控制器单元组成。根据采用的母线结构不同，可分为直流母线结构和交流母线结构[2-4]。

2.1 直流母线结构

直流母线式风光互补型微电网系统结构[20]如图1所示，这种结构的特点是风力发电机、光伏阵列和蓄电池都共用一条直流母线，通过集中逆变的方式与负载或电网相连接。由于这种结构只采用一个电压逆变器，降低了系统投资成本，控制方法简单，且无需考虑多个微电源之间的同步问题。但是由于这种结构扩展性低，且只有一个并网逆变器系统容量较小，不能满足未来智能电网的发展需求。

图1 直流母线风光互补结构

2.2 交流母线结构

交流母线式微电网结构如图2所示，该结构中风力发电机输出电压和频率都变化的交流电，经交-直-交(AC/DC/AC)变换器转换成满足负载需求的交流电输入电网。太阳能电池阵列办出的直流电压，先通过Boost电路升压到较高电压后，经逆变器(DC/AC)转换成工频电输入电网。电池采用铅酸蓄电池，通过功率控制器实现有电能的双向流通，充电器对蓄电池进行充放电管理；负载进行分级选择，必要时通过调节负载使系统稳定运行。采用交流母线微电网结构提高了系统扩展性，微电源分别通过逆变器接入电网系统容量较大，运行方式更加灵活，能够满足用户多样化需求。

图2 交流母线风光互补结构

3 风、光发电系统

3.1 风力发电系统

风电机组按转速是否变化可分为恒速风电机和变速风电机组。恒速风电机组当风速变化时，风电机的转速几乎保持不变，这种系统在最初的风电机组应用非常广泛；变速风力发电机的转速随着风速的变化而变化，随着电力电子技术、机械制造技术和控制技术的不断发展，变速风力发电机逐渐成为风力发电机组的主力军。直驱式永磁同步发电机与其他变速风力发电机相比，由于取消了变速箱风电机组寿命更长、运行效率更高以及维护更方便。但是永磁同步发电机由于电磁结构复杂、对其制造工艺要求更高、运行时发电机必须采用全功率控制技术才能实现变速，因此直驱永磁发电机组制造成本相对较高，图3所示为直驱式永磁同步发电系统。

图3 直驱永磁同步发电机系统

直驱式永磁同步发电系统一般采用功率变换器(AC/DC/AC)，本文采用由二极管组成的三相不可控制整流器(AC/DC)，将风电机组发出的交流电转换成幅值变化的直流电。通过Boost斩波器将电压轮换成额定直流电压，并实现最大功率跟踪控制和保持逆变器直流侧电压稳定，再经逆变器(DC/AC)转换成工频交流电并入电网供负载使用[5-6]。

3.2 光伏发电系统

光伏发电系统是由光伏电池阵列、储能装置、控制器和测量单元等组成的系统，其拓扑结构如图4所示。光伏电池阵列输出的电压幅值较低，需经过Boost斩波器将电压升压到较高值，才能够转换成满足负载要求的工频交流电[7-9]。光伏发电系统一般采用最大功率跟踪控制方法，最常用的方法就是在光伏阵列和逆变器之间接入直流变换器(DC/DC)。通过控制直流变换器可空开关的占比，控制太阳阵列的端口等效电阻值，使不伏阵列输出功率最大。

图4 光伏发电系统拓扑结构

Boost斩波器将光伏电池阵列产生的低电压升高到较高的直流电压，并完成系统的最大功率的最大跟踪控制。Boost斩波器电路结构简单，且转换效率被广泛应用于光伏发电系统中作为直流变换器(DC/DC)。Boost斩波器根据电感电流是否断续可分为连续工作模式、临界工作模式和断续三种工作状态。在实际应用中Boost斩波器一般都工作在连续状态。

3.3 蓄电池

在风光互补型微电网中，蓄电池作为储能装置。当微电网系统中风电系统和光伏阵列大于负荷需求时，蓄电池将系统多余的电量储存起来，以备发电量不足时向负荷进行补偿供电，起着消峰填谷的作用。主蓄电池在孤岛运行时，还作为主控单元维持系统电压、频率稳定保证系统正常运行[8]。铅酸蓄电池由于其价格低、安全可靠且技术上比较完善目前已经得到了广泛使用。

(1)恒流充电方法

恒流充电方法是指蓄电池在充电过程中，通过不断改变充电器的充电电压使蓄电池的充电电流保持恒定的一种充电方法。这种控制方法具有操作简单、易于实现等优点。但是随着蓄电池电量的不断增加，蓄电池接受电流能力减弱，从而将大部分充电电能用于电解水，造成浪费。

(2)恒压充电方法

恒压充电是指蓄电池在充电过程中，通过控制充电器使蓄电池充电电压保持不变的一种充电方法。充电过程中，蓄电池电动势会随充电时间的延长不断升高，充电电流不断减小。这种充电方法，充电初期若蓄电池放电过深，充电电流很大，对会对蓄电池和充电器产生危害，从从而降低蓄电池的使用寿命。但是由于充电后期充电流很小，有效避免蓄电池发生过充。

(3)阶段充电方法

阶段充电方法是为了解决恒流和恒压充电单一充电，的缺点所提出来的。一般可分为二阶段充电和三阶段充电二种方法。

4 结语

风光互补型微电网系统，能利用风能和太阳能在气候、时间上的差异性和互补性，克服风能和太阳能固有的间歇性和随机性缺陷。其一般由风力发电系统、光伏发电系统、储能装置、负载以及控制器单元组成。