1. 研究背景及意義
人類生存和發(fā)展的能源主要依賴于石油、天然氣、煤炭等化石燃料（不可再生資源）。隨著人口的增長和社會生活水平的提高，能源消耗將不斷增加，這些不可再生的化石燃料也將會越來越少，直到用盡，這也帶來了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)的破壞。面對經濟的快速發(fā)展，必須有強大的能源供應保障現(xiàn)代化。同時，為了滿足世界各國對環(huán)境保護的追求，加快發(fā)展清潔能源和可再生能源，充分利用可再生能源和清潔能源是解決能源需求問題和破壞生態(tài)環(huán)境的唯一途徑。其中風能和太陽能是最廣泛使用、清潔無污染的可再生能源，受到了廣泛關注。更值得注意的是，風能和太陽能這兩種產能充足的新能源具有很強的互補性。由于風能和太陽能受天氣、氣候、季節(jié)、時間等因素的影響，單獨使用風電和光伏電網存在系統(tǒng)能量穩(wěn)定性差的問題。風能和太陽能同時受這些因素的影響趨勢基本相反，在時間和季節(jié)上具有很強的互補性。例如，從時間上看，白天日照強度較高，太陽能資源相對較好，而風能一般較小，風能資源相對較差；夜間照明強度很弱，太陽能幾乎為零，但風力一般比白天強，風能資源很好。在季節(jié)上，夏季日照較強，太陽能資源分布較多，而風力較弱，風能資源較少；反之冬季日照較弱，風力較大。由于風能和太陽能發(fā)電可以互補時間和季節(jié)資源不穩(wěn)定問題，風能太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)將成為一個更加理想的具有良好的應用前景的應用模式。
2. 風能太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)分析
2.1 運行方式
目前，風力發(fā)電為混合系統(tǒng)的主要供能，風電有兩種運行方式：離網獨立運行和并網運行。與并網風力發(fā)電相比，離網的風力發(fā)電規(guī)模較小，可通過儲能裝置向無電網的偏遠地區(qū)供電，并可與其他發(fā)電技術相結合。風電并網發(fā)電是世界風電發(fā)展的主要方向，風電裝機容量大，一般在兆瓦到幾百兆瓦之間。由于它與大電網相連，可以得到大電網的補償和支持，同時使風能資源的開發(fā)利用也更加完善。本文討論獨立風光儲微網系統(tǒng)。根據(jù)儲能方式的不同，儲能裝置主要可分為化學儲能、物理儲能和電磁儲能三類。儲能裝置在微電網中主要起到了以下作用：削峰填谷，即減少峰谷之間的差距來提高能源利用效率；幫助負荷功率曲線跟蹤的實現(xiàn)，有助于系統(tǒng)充分的利用新能源并增大輸出功率；平滑風能太陽能混合輸出功率曲線，提高微電網安全穩(wěn)定性和電能的質量。根據(jù)調控目的的不同，儲能裝置的控制策略和容量配置也不盡相同。此外，考慮到蓄電池技術在與風光儲微電網相結合的方面已經比較成熟，本文采用了這種形式。
2.2 風光儲獨立微網系統(tǒng)結構與控制策略
風能和太陽能是兩種新型能源。風光儲微網發(fā)電系統(tǒng)由于其隨機性和波動性，其輸出功率不穩(wěn)定。通常，為了保證負荷所需電力的可靠供應，在新能源微電網系統(tǒng)中會增加儲能裝置來幫助控制電力。本文中，鉛酸蓄電池模塊仍在風光混合動力儲能系統(tǒng)中使用，其結構圖如圖1所示。光伏發(fā)電模塊與風機發(fā)電模塊并聯(lián)作為主電源。蓄電池與匹配的DC/DC雙向變換器負責協(xié)調供能和剩余能量的存儲，逆變器負責將直流電源轉換為交流電源供負載使用。將電網側負荷和局部負荷合并為負荷，由圖中三相負荷代替，直流母線電壓的穩(wěn)定標志著兩側的功率平衡，可以作為電源平衡的標志，風光儲聯(lián)合控制器則是作為整個系統(tǒng)的控制中心。通過對風光儲微電網系統(tǒng)的結構和供電過程的分析，可得到了該系統(tǒng)的聯(lián)合控制策略。
圖1 風光儲微電網的結構圖
本文將風機兩端與光伏模塊并聯(lián)在直流母線兩端，其連接方式與IGBT開關與卸載電阻組成的卸載電路相同，IGBT開關的控制參數(shù)為蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）。當風能和光伏系統(tǒng)總輸出功率大于負載所需功率時，會產生功率冗余，直流母線電容兩側電壓升高。在風能和太陽能蓄電池混合微網發(fā)電系統(tǒng)中，由于蓄電池及其對應的雙向DC/DC變換器并聯(lián)在直流總線處，當電力供應不足，也就是說，電源提供的風機和光伏模塊仍達不到負載功率的需求時，則蓄電池放電。所述電源之間的差值由蓄電池提供，以保證電源的平衡與直流母線電壓的穩(wěn)定耦合；此外當電量冗余時，蓄電池充電，如控制1所示過多的電量通過DC/DC轉換器流入電池，控制1流程調整蓄電池的充放電過程并通過控制DC/DC電路調整電源之間的差異。然而，由于其自身的特點，蓄電池模塊不能無限期地接受這種能量。當蓄電池充電狀態(tài)超過80%時，我們將蓄電池設置為臨界狀態(tài)�？刂破骺刂艻GBT連接卸載電路，通過卸載電阻消耗多余的功率，直到直流母線兩側的電源達到平衡，如圖1所示的控制2過程。
2.3 風光儲微電網系統(tǒng)仿真實驗
利用Matlab/Simulink平臺對上述風光儲微電網系統(tǒng)進行了仿真實驗。本文主要對風光儲微電網在經常出現(xiàn)的三種情況下進行仿真：有光無風環(huán)境、有風無光環(huán)境、有風有光環(huán)境。通過仿真驗證所提出的策略能否很好地實現(xiàn)風光儲微電網的運行，以及在這三種情況下能否滿足負荷所需的電力供應，維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。仿真系統(tǒng)圖如圖2所示，通過以上運行結果分析可知，通過風光儲聯(lián)合控制器的調控，在有光無風環(huán)境、有風無光環(huán)境、有風有光環(huán)境條件下，風光儲微電網均能實現(xiàn)功率供需的平衡和系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。
3. 結論與展望
本文關注的問題是風能和太陽能（光伏）混合發(fā)電系統(tǒng)。通過對儲能裝置充放電過程的控制，補償了供電與負荷需求之間的差異，從而實現(xiàn)了風光儲微電網在各種環(huán)境條件下的安全穩(wěn)定運行。
圖2 系統(tǒng)仿真圖
雖然本文對風光儲微電網的結構和控制方法進行了一些研究，但由于時間和水平的限制，還需要進一步的研究，并需在許多方面進行改進。在未來的研究和發(fā)展方向中，將進一步提出家庭微電網監(jiān)控系統(tǒng)輸出接口設計，比如將直流電源連接到USB壁掛的輸入連接器上，使用USB供電的USB加載設備，將USB傳輸電纜插頭插入USB壁掛，通過直流電源將USB傳輸線的另一端連接到各種負載上，實現(xiàn)USB直流供電系統(tǒng)。移動終端電壓顯示部分采用無線傳輸和接收數(shù)據(jù)模式，微處理器電壓/電流測量單元測量電壓/電流的值通過ADC模塊轉換成數(shù)字信號，計算和程序算法濾波后，可以獲得真正的電壓，并可以將獲得的實際電壓值送入緩沖寄存器。Wi-Fi模塊通過串口與單片機連接，緩沖寄存器中的電壓通過串口通信發(fā)送。手機上的客戶端程序使用socket通訊的方法，將Wi-Fi模塊發(fā)送的信號連接到單片機上，并顯示在手機上，得到電壓值。同時在小型風光儲微電網系統(tǒng)中，還需要適當?shù)脑O備，并添加智能保護原件對電網進行檢測與實時監(jiān)測。
