碳中和背景下风光互补发电系统控制策略

贾婷婷

（兰州资源环境职业技术大学，兰州 730021）

随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，如何增加可再生能源在发电中所占的比例，以及可持续地使用资源，已是我国能源行业需要努力的长期目标。按照目前的能源格局，中国的总碳排放量大约90%来自于化石能源燃烧产生的CO2，而电力行业的CO2排放量占能源排放的比例高达41%。碳减排是实现碳中和的关键，而加速新的能源发展才是最重要的[1]。我国由于独特的地理优势，拥有丰富的风力和太阳能资源。据相关资料显示，在10 m高度以内可开发的风力可达10亿kW。我国拥有大量的太阳能，每年有2/3的地方年平均日照时间都在2 000 h左右，年总辐射能达到6 000 MJ/m2，因此风光互补发电系统有着广阔的发展空间。

风光互补发电系统是一种在输出功率上相互补充的电力系统，光伏列阵与风力机组并网，形成了一种风光互补的发电系统，结合其输出的功率为用电装置提供一定的电能。由于气候的原因，2种发电系统所受到的局限性会影响其供电的过程，但如果能够结合起来，就会形成一个更加稳固的电力系统，使2种不同的发电系统进行优势互补。由于风力的不连续性以及太阳能极易受到外部天气状况的影响，因此，如何有效地进行风光互补发电协调控制就显得尤为必要。

1 我国风光互补发电的发展现状与应用前景

我国在1982年8月在北京举行的新概念型发电装置（即太阳能-风能综合发电装置）研讨会上，开始了对风光互补发电系统的探讨。朱瑞兆于1986年就对太阳-风力发电的能源转化设备进行了全面使用的构想[2]。根据国内外三十多年来相关文献资料的梳理，得出结论：国内的研究成果与国外基本相同，而且在风光互补发电系统的控制技术和功率分配方面，国内的一些技术指标，甚至在一些方面已接近世界领先地位。尽管目前的风光互补发电系统在生产和生活中都有了很好的应用前景，但大部分的技术都停留在实验室和模拟试验的最优化阶段，离商业应用还有很长的一段路要走[3]。

1.1 独立风光互补发电系统的发展现状及应用前景

在中国将近8亿的农村人口当中，大约有5%还没有使用电。由于没有接入电力网络的地区通常拥有大量的太阳能和风力资源，所以在没有电力供应的地区，利用这种方式来改善居民的生产和生活质量是非常有利的。此外，由于全世界的户外灯光项目消耗了12%的电力，因此，太阳能光伏在汽车路面和城市的路灯等方面有着广阔的发展空间。在航标、高速公路监控设备等需要单独供电又不中断供电的系统中，独立发电以其独特的资源互补发电、持续供电和节约能源等优势备受人们的欢迎。目前，我国许多海岛、山区等偏远地区，采用的是独立的风光互补发电系统。在电力网的抗震救灾中，独立的风光互补发电系统是必不可少的。在我国风电、太阳能等资源较多的地区，大力发展风光互补发电系统是十分有意义的。

1.2 并网风光互补发电系统的发展现状及应用前景

鉴于目前中国化石能源资源总量的存储量限制，以及矿物能源所造成的环境问题，迫切需要开发优质能源，调整能源结构，中国新的能源发展策略将大力发展风能和太阳能。太阳能与风电的空间分布既存在地域差异，又相互补充，因此必须将剩余电能借助电力系统并入电网，同时兼顾区域电力资源的综合利用。风光互补发电系统中其核心技术包括风力发电模块、光伏发电模块、蓄电池储能模块和变流器控制模块在系统运行时能高效稳定工作所需要的技术，主要包括风力发电系统和光伏发电系统的最大功率追踪控制技术、风力发电机组和光伏发电机组输出不稳定电能的处理技术、储能模块的充放电控制技术及系统并网时所需求的并网技术。借助合理配置各种能源，风光互补发电系统使风光互补发电系统为电力供应网络的稳定性和可靠性作出保障，其优势远高于单一的风能或太阳能发电。在技术进步的同时，将有更多的风光互补发电系统被纳入到电网中，使得我国的电力能源结构得到优化，为国家资源节约和环境友好型社会的发展提供了新的动力。

2 混合发电系统基本工作原理及变换器分析

考虑到风光互补发电系统的运行条件是十分复杂且变化的，采用能量存储组件可以有效地降低电网在功率方面的损耗。将风力发电和光伏发电结合起来的风光互补发电系统，其主体部分由光伏阵列、风力发电机组、蓄电池以及相应的变换器、控制器和卸荷回路（备用电路）组成。在此基础上，对风光互补发电系统的各子系统进行了综合的研究，并给出了相应的优化方案，以解决单个发电系统的缺点，提高风光互补发电系统的运行可靠性。

2.1 混合发电系统基本工作原理

在风光互补发电系统应用的情况下，电力的生产工作是通过风力发电设备和光伏阵列来实现的。风力发电机是通过自然的风能驱动发电机的叶片从而发生旋转，使发电机的转子发生磁场的变化，将风能转换为电能；而光伏发电则是通过串联和并联的方法，通过太阳能板的光电作用实现光伏阵列的效果，然后通过电势差将电子从原子中分离出去，在物质中形成一个电子的定向移动，以产生电流。

为了改善风光互补发电系统的稳定，保证在无光照、低风速的恶劣气候条件下供电系统的可靠性，在这种情况下，风光互补发电系统往往含有一定数量的蓄电池和超级电容。风光互补发电系统的电力能量储存有2种功能，其一是在空闲时产生电能，也就是在系统的电能超过负荷所需电量时，将剩余的电能储存在电池中，这是一种储能的状态；其二，在系统处于负荷较大的状态下，在系统发电量较少的状态时，将储存在蓄电池中的电能提供给所需要的负荷。共直流母线风光储互补发电系统的结构图如图1所示，其中并网系统用负载代替。

图1 共直流母线风光储互补发电系统的结构图

2.2 变换器分析

从风光储互补发电系统的组成图中可以看出，各个子系统在与DC母线相连时，必须采用变换器进行联接，从而取得良好的性能。下面分别对变换器进行详细的说明。

2.2.1 风力变换器

由于风力发电系统的运行受到使用环境的天气条件的制约，具有一定的时断性和不确定性，因此采用最大的功率控制器对其进行实时监测，以便对其输出功率能够实时掌握。一般采用AC-DC整流变换器，将风电机组输出的AC电流转换成DC，并通过Boost升压回路，以此来对直流母线进行供电。在Boost升压回路中，负载循环直接关系到电源的输入和输出的比例，需要电路的占空比与输入输出电压比成正比。一般情况下，由于风速太低，无法满足直流母线的基础电压，所以必须通过升压逆变进行输电。同时，还要确保电源的输入和输出的电流不能有过大的电压差，从而使风力发电系统工作更加高效。

2.2.2 光伏变换器

由于光伏阵列和光伏电池的使用都受到天气、光照强度和气温等因素的制约，所以MPPT控制器必须协同工作。DC母线在连接时最直接的方法是采用二极管，其具有操作简便、功耗低等优点。尽管二极管的应用很容易，但也受到二极管的单方向导电性特点的制约。因为光伏电池两端的电压是恒定的，而且会受到气候的制约，如果没有足够的光照，就会造成光伏板的开路电压比直流母线的电压低，也就是光伏板无法对母线进行持续的电力供应，从而造成整个电网失去控制。

为实现对电网的控制与达到状态最优，采用DCDC变换器将光伏阵列与风光互补发电系统的直流母线相连。为了达到最佳的效率，通常使用Boost电压升压电路，与Buck和Buck-Boost电路相比，其更符合转换效率和电流传输基础要求。然而，在实际的联结中，光伏电池的MPPT电压要比直流母线端低，故采用Boost电路。

Boost升压电路的工作循环的占空与输入/输出的电压比例是成正比例的，当光强非常小时，仍会有新的电能生成。一般情况下，光电池开路的电压要比直流母线的电压低，同时还要确保电源的输入和输出的电压之间不能有很大的偏差，以提高工作的高质量。从输入电压和输出电压之比k的大小来看，如果k的数值较高，转换器的功率就会降低，而这种电路的输入是在一定的范围之内的，所以在输出的时候，要严格地控制输出的电压。通常情况下，光伏阵列的最优工作电压要比输出电压高，这种电路是单向控制，类似于二极管，类似于界于阵列与直流母线间的形式。如果该线路的晶体管是接通的，那么该阵列就会在1个短路电流区工作，同时，其输入端的电感器在1个切换循环中，保持输入的电压是不变的，从而确保光伏阵列电压在最优的状态。

2.2.3 储能系统变换器

在能量存储单元和DC单元间进行交流时，要注意对蓄电池进行充电和放电的控制，采用了双向Buck/Boost回路，并通过Buck/Boost电路逆变系统实现了对变换器进行电流双向流动控制。在储能模块与DC单元相结合时，要注意对其进行充放电控制，以便于对蓄能系统进行储存和排放，确保电能质量。在本系统中，采用双向Buck/Boost电路，充分利用Buck/Boost变换电路具有双向流动性，实现有效控制。双向Buck/Boost电路结构图如图2所示。

图2 双向Buck/Boost电路结构图

双向Buck/Boost变换器的最大特性是其输出的电压和输入的电压可调可控，使其具有双向的流动特性。Buck和Boost的电路元件都是一样的，包括开关管、二极管、电感和电容器等。本线路中的T1及T2是IGBT（即Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），当电源线接通时，可以对电池进行充电和放电。在双向Buck//Boost中，U1表示直流母线电压，U2表示蓄电池电压。在U1比U2大的情况下，这是一个电压升高的过程，T1关闭，T2被打开，电池被充电，这是Boost回路；在U1比U2小的情况下，这是一个降压模式，T1打开，T2关闭，能量存储装置放电，并对负荷进行电源供给，这时Buck电路对逆变系统进行工作。

2．2.4 DC-AC逆变器分析

在风光发电系统中，直流母线和交流负荷通过DC-AC变换器相联接，系统选择了Sumlink中自带的逆变器，把DC转换成AC信号。该线路包括6个IGBT，分别有8种工作方式，每种工作方式都有自己的特点及相应的工作范围。

3 碳中和背景下风光互补发电系统控制策略的研究

3.1 风光互补发电系统控制策略一

在风光互补发电系统中，拟定风力系统输出功率为P1，光伏输出功率为P2，储能蓄电池输出功率为P3，负载需求功率为P4。常规的控制策略是依据天气所发生的变化，通过实时监控电力的输出量随负荷的不同而进行调整改变。控制原则：实时监控风光互补发电系统的功率输出情况，并与负荷要求相对照，对风光互补发电系统的储能系统进行充电和放电的调控。在系统的输出功率比负荷要求高的情况下，蓄能装置对其进行充电；在系统的输出功率比负荷要求低的情况下，蓄能装置对其进行放电；风光储互补发电系统的工作模式如图3所示。

图3 风光储互补发电系统运行模式

控制策略中，按照气候的不同，将其划分为4种不同的气象条件，分别是有风有光、有风无光、无风有光和无风无光。然后将其划分为7种不同的工况。尽管从原理上可以克服这种弃风弃光的情况，但对这种控制策略进行全面的分析仍有其局限性，因此对其进行控制还有待于深入的探索。这是因为，在负荷不足的情况下能量储备已经接近饱和，而风力发电的高负荷运行，根本不可能实现电力的有效使用，因此只能考虑弃风弃光。经过实践操作，此种控制系统达到了很好的互补效果。但是这种方法也有其不足之处，即在风光发电机的输出功率高于要求负荷的情况下，如果该系统还具备可充电量，那么首先对该蓄电池进行充放电，而蓄电池的电量达到饱和，就必须进行弃风或者弃光。即使是并网，也会带来很多问题。

3.2 风光互补发电系统控制策略二

传统的控制方法是基于气候条件的改变，据此对其进行最优的控制，并对其进行了相应的充电和放电，从而提出储能系统的优化控制策略。针对负荷要求，设计了一种能量存储的控制策略，并通过对太阳能电池供电的蓄电池的荷电状态（SOC）进行监控，实现风光互补发电系统的全负荷运行，减少了风电机组的弃风和弃光，提高了风光互补发电系统的综合利用效率。风光发电系统基本原理如图4所示。

图4 风光发电系统基本原理

在系统模式1至4的工作状态下，储能电池都是在放电状态，光伏发电、风力发电和储能发电，这3种发电方式会随着负荷的变化而改变，而在这个时候，负荷就是工作状态，而在系统模式5至10都是充满电的状态下，此刻只考虑SOC的问题。以上几种方式之间的切换，在风光互补发电系统控制策略二中，必须对蓄电池的SOC进行实时监控。

4 结束语

尽管目前已经有了一些关于风光互补发电系统的研究，但我国风光互补发电系统还处在发展初期，无论是从原理上还是从实践上来说，都有很大的发展潜力，因此，其市场潜力很大，有助于建设资源节约型、环境友好型社会。