新型风能发电栅栏的设计与技术分析

　　1. 研究背景及意义

　　人类生存和发展的能源主要依赖于石油、天然气、煤炭等化石燃料（不可再生资源）。随着人口的增长和社会生活水平的提高，能源消耗将不断增加，这些不可再生的化石燃料也将会越来越少，直到用尽，这也带来了严重的环境污染和生态系统的破坏。面对经济的快速发展，必须有强大的能源供应保障现代化。同时，为了满足世界各国对环境保护的追求，加快发展清洁能源和可再生能源，充分利用可再生能源和清洁能源是解决能源需求问题和破坏生态环境的唯一途径。其中风能和太阳能是最广泛使用、清洁无污染的可再生能源，受到了广泛关注。更值得注意的是，风能和太阳能这两种产能充足的新能源具有很强的互补性。由于风能和太阳能受天气、气候、季节、时间等因素的影响，单独使用风电和光伏电网存在系统能量稳定性差的问题。风能和太阳能同时受这些因素的影响趋势基本相反，在时间和季节上具有很强的互补性。例如，从时间上看，白天日照强度较高，太阳能资源相对较好，而风能一般较小，风能资源相对较差；夜间照明强度很弱，太阳能几乎为零，但风力一般比白天强，风能资源很好。在季节上，夏季日照较强，太阳能资源分布较多，而风力较弱，风能资源较少；反之冬季日照较弱，风力较大。由于风能和太阳能发电可以互补时间和季节资源不稳定问题，风能太阳能混合发电系统将成为一个更加理想的具有良好的应用前景的应用模式。

　　2. 风能太阳能混合发电系统分析

　　2.1 运行方式

　　目前，风力发电为混合系统的主要供能，风电有两种运行方式：离网独立运行和并网运行。与并网风力发电相比，离网的风力发电规模较小，可通过储能装置向无电网的偏远地区供电，并可与其他发电技术相结合。风电并网发电是世界风电发展的主要方向，风电装机容量大，一般在兆瓦到几百兆瓦之间。由于它与大电网相连，可以得到大电网的补偿和支持，同时使风能资源的开发利用也更加完善。本文讨论独立风光储微网系统。根据储能方式的不同，储能装置主要可分为化学储能、物理储能和电磁储能三类。储能装置在微电网中主要起到了以下作用：削峰填谷，即减少峰谷之间的差距来提高能源利用效率；帮助负荷功率曲线跟踪的实现，有助于系统充分的利用新能源并增大输出功率；平滑风能太阳能混合输出功率曲线，提高微电网安全稳定性和电能的质量。根据调控目的的不同，储能装置的控制策略和容量配置也不尽相同。此外，考虑到蓄电池技术在与风光储微电网相结合的方面已经比较成熟，本文采用了这种形式。

　　2.2 风光储独立微网系统结构与控制策略

　　风能和太阳能是两种新型能源。风光储微网发电系统由于其随机性和波动性，其输出功率不稳定。通常，为了保证负荷所需电力的可靠供应，在新能源微电网系统中会增加储能装置来帮助控制电力。本文中，铅酸蓄电池模块仍在风光混合动力储能系统中使用，其结构图如图1所示。光伏发电模块与风机发电模块并联作为主电源。蓄电池与匹配的DC/DC双向变换器负责协调供能和剩余能量的存储，逆变器负责将直流电源转换为交流电源供负载使用。将电网侧负荷和局部负荷合并为负荷，由图中三相负荷代替，直流母线电压的稳定标志着两侧的功率平衡，可以作为电源平衡的标志，风光储联合控制器则是作为整个系统的控制中心。通过对风光储微电网系统的结构和供电过程的分析，可得到了该系统的联合控制策略。

　　图1 风光储微电网的结构图  

　　本文将风机两端与光伏模块并联在直流母线两端，其连接方式与IGBT开关与卸载电阻组成的卸载电路相同，IGBT开关的控制参数为蓄电池的荷电状态（SOC）。当风能和光伏系统总输出功率大于负载所需功率时，会产生功率冗余，直流母线电容两侧电压升高。在风能和太阳能蓄电池混合微网发电系统中，由于蓄电池及其对应的双向DC/DC变换器并联在直流总线处，当电力供应不足，也就是说，电源提供的风机和光伏模块仍达不到负载功率的需求时，则蓄电池放电。所述电源之间的差值由蓄电池提供，以保证电源的平衡与直流母线电压的稳定耦合；此外当电量冗余时，蓄电池充电，如控制1所示过多的电量通过DC/DC转换器流入电池，控制1流程调整蓄电池的充放电过程并通过控制DC/DC电路调整电源之间的差异。然而，由于其自身的特点，蓄电池模块不能无限期地接受这种能量。当蓄电池充电状态超过80%时，我们将蓄电池设置为临界状态。控制器控制IGBT连接卸载电路，通过卸载电阻消耗多余的功率，直到直流母线两侧的电源达到平衡，如图1所示的控制2过程。

　　2.3 风光储微电网系统仿真实验

　　利用Matlab/Simulink平台对上述风光储微电网系统进行了仿真实验。本文主要对风光储微电网在经常出现的三种情况下进行仿真：有光无风环境、有风无光环境、有风有光环境。通过仿真验证所提出的策略能否很好地实现风光储微电网的运行，以及在这三种情况下能否满足负荷所需的电力供应，维持系统的安全稳定。仿真系统图如图2所示，通过以上运行结果分析可知，通过风光储联合控制器的调控，在有光无风环境、有风无光环境、有风有光环境条件下，风光储微电网均能实现功率供需的平衡和系统安全稳定的运行。

　　3. 结论与展望

　　本文关注的问题是风能和太阳能（光伏）混合发电系统。通过对储能装置充放电过程的控制，补偿了供电与负荷需求之间的差异，从而实现了风光储微电网在各种环境条件下的安全稳定运行。

　　图2 系统仿真图 

　　虽然本文对风光储微电网的结构和控制方法进行了一些研究，但由于时间和水平的限制，还需要进一步的研究，并需在许多方面进行改进。在未来的研究和发展方向中，将进一步提出家庭微电网监控系统输出接口设计，比如将直流电源连接到USB壁挂的输入连接器上，使用USB供电的USB加载设备，将USB传输电缆插头插入USB壁挂，通过直流电源将USB传输线的另一端连接到各种负载上，实现USB直流供电系统。移动终端电压显示部分采用无线传输和接收数据模式，微处理器电压/电流测量单元测量电压/电流的值通过ADC模块转换成数字信号，计算和程序算法滤波后，可以获得真正的电压，并可以将获得的实际电压值送入缓冲寄存器。Wi-Fi模块通过串口与单片机连接，缓冲寄存器中的电压通过串口通信发送。手机上的客户端程序使用socket通讯的方法，将Wi-Fi模块发送的信号连接到单片机上，并显示在手机上，得到电压值。同时在小型风光储微电网系统中，还需要适当的设备，并添加智能保护原件对电网进行检测与实时监测。