风光储能系统容量配比等关键技术研究

一、风光储能系统的智能能量管理控制技术研究

风光互补储能系统，就是按照一定的配置关系，将风力机和光伏组件和蓄电池进行组合，综合考虑系统配置的性能和储能成本，得出最佳的系统配置。在风光储能系统的容量配比中，需要从所在地区自然资源条件、负载情况以及综合成本几个方面考虑，以下是基本的配置原则：

1）在用电负荷相同时，由于太阳能电池板的费用较高。为降低系统投资，在保证用电安全和自然资源条件允许时，应尽量降低太阳能在发电系统

中的能源比率；

2）水平轴风机的启动风速高、需较高风速才能发电、能量转化效率低；垂直轴风机在较低的风速时即可发电。在同样的用电需求时，所用水平轴

风机功率一般要大于垂直轴风机，导致水平轴风机费用较高；但对于同

样功率的风力发电机，垂直轴风机费用高于水平轴风机，但其体积、重

量和所需运行空间均小于水平轴风机，且具有运行稳定、噪音低、无对

风要求等优点；

3）储能系统中，蓄电池的费用较高且寿命较短（一般5～10年），设计时应认真分析所在区域的资源条件和用电设备情况，合理地确定储能时间，

以减少蓄电池用量、降低系统投资；

虽然风能的成本低于风光互补，但风光互补系统利用了两种自然资源，能较好地避免蓄电池过放电，延长电池寿命，虽一次性投资稍高，但供电的安全性、稳定性高于风能系统。

风光互补储能系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能能量控制与管理、电池管理与蓄电池、安全控制与远程维护、逆变器、交流直流负载等部分组成。

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

智能能量控制管理部分是保证电源系统正常运行的重要核心设备。一方面根据日照强度、风力大小以及瞬态储能系统和储能电池组的状态，实时调整暂态储能设备和储能电池组之间的能量分配，达到对风光发电不确定性的平滑和储能能量匹配；另一方面实时监控负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：或者把调整后的电能直接送往直流或交流负载，或者把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

(3)储能电池组部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

(4)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

当前国风光互补系统中普遍采用的控制策略是对蓄电池进行浮充充电的控制模式，也就是让负载尽可能多地消耗由太阳电池方阵和风力机组发出的电能。一般通过蓄电池电压检测来确定其状态，若有系统功率输入大于负载功率，则给蓄电池充电；若输入功率不足，则蓄电池放电以保证负载运行。也有一些控制器采用电流、温度因素来补偿阻损耗引起的蓄电池状态变化。

国外在小型风光互补控制器的控制策略上开展了较多的研究工作。在传统的浮充充电模式的基础上，注意到将剩余容量(SOC)作为蓄电池充放电管理的判断准则，从负荷用电与系统供电平衡的方面来改善控制器性能和系统性能。在SOC 计算方面，根据有关资料显示，较为普遍接受的方法采用多参数进行准确度补偿。

本项目在吸取国外最新风光互补储能系统的基础上，提出了采用暂态储能和长期储能结合的模式，采用国产自主知识产权的“龙芯嵌入式SOC”作为系统主控CPU，利用了该SOC芯片的64位DSP运算能力和400M的CPU核，采用最优化的控制算法，对风光互补储能系统的太阳能光伏、风力车进行最大功率追踪调节，对暂态储能系统和长期储能系统的运行状态进行实时分析和控制，通过高速现场总线将多个目标联系起来，并采用多目标跟踪优化控制的“智能能量控制管理”对系统进行优化的能量分配与平滑，已达到整个系统的最优化。同时，利用自主知识产权的国产CPU作为核心运算和控制系统，能够有效保证能源的安全，具有重要的战略意义。

一）太阳能光伏电池的基本特性

关于太阳能光伏电池原理、结构的详细讨论不在本项目容之列，这里只给出光伏电池的等效电路和输出特性。

下图是光伏电池等效电路图，其中：电流I为太阳能电池输出电流，Id为二极管工作电流，IRsh 为漏电流，ILG为光电池电流源，Rsh为光伏电池的并联等效电阻；Rs：光伏电池的串联等效电阻。

I LG I Rsh

I

d

R

sh

R

s

I

R

L

光伏电池的输出特性方程：

()

sh

s

S

os

LG

Rsh

d

LG R

IR

V

IR

V

AKT

q

I

I

I

I

I

I

+

-

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

-

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

+

-

=

-

-

=1

exp

并联电阻Rsh较大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略Rsh，得到简化的光伏电池输出特性方程：

()

⎭

⎬

⎫

-

⎩

⎨

⎧

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

+

-

=1

exp

S

OS

LG

IR

V

AKT

q

I

I

I

上式中：I：光伏电池输出电流；V：光伏电池输出电压；IOS：光伏电池暗饱和电流 T：光伏电池的表面温度；k：波尔兹曼常数 (1.38*10-23 J/。K) ：日照强度；q：单位电荷(1.6*10-19C)；ILG：光电流；EGO：半导体材料的禁带宽度；Tr：参考温度(301.18。K)；A：理想因子，一般介于1和2之间。

光伏电池的伏安特性如下图示：

当负载RL从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲