孟垂懿 蔡志遠 周正道 戈陽陽

關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng); 清潔能源; 聯(lián)合供電; 蓄電池管理; 變換器; 供電效率

中圖分類號： TN245?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0103?04

Design of clean energy joint power supply system for smart grid

MENG Chuiyi1，2， CAI Zhiyuan1， ZHOU Zhengdao3， GE Yangyang4

（1. Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China; 2. Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China;

3. Northeastern University， Shenyang 110819， China; 4. Power Science Research Institute of Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract： The joint power supply of clean energy is one of the important directions of new energy utilization. The battery management has not been emphatically considered in the design of available clean energy joint power supply systems， resulting in the low efficiency of power supply. Therefore， a clean energy joint power supply system is proposed and designed for the smart grid. The DC/DC converter is used to complete energy transmission and conversion of the clean energy. The DC/AC converter is used to provide energy for batteries by means of the DC bus. The battery controller is used to control battery charge and discharge. In the paragraph of Software Design in this paper， the battery charge and discharge subprograms of the power supply system are mainly analyzed， so as to jointly complete the design of the clean energy joint power supply system for the smart grid. The experimental results show that the power supply efficiency of the system can reach as high as 89%， and the battery failure rate of the system is much lower than that of the traditional method， which indicates that the system has a good power supply performance.

Keywords： smart grid; clean energy; joint power supply; battery management; converter; power supply efficiency

0 ?引 ?言

面對智能電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)安全運行的不確定風險日益增強，這對電力供電系統(tǒng)的質(zhì)量提出了更高的要求，因此電力發(fā)展面臨的資源壓力越來越大[1?2]。同時，全球經(jīng)濟飛速發(fā)展，化石能源日益枯竭，因此，新型清潔能源逐漸受到人們的重視，被廣泛運用在電力發(fā)展領(lǐng)域中。智能電網(wǎng)運行中，將太陽能、風能等新能源與電網(wǎng)相連接，并對連接過程實施嚴密的控制，最大程度地提高清潔能源使用效率[3]。

文獻[4]對國內(nèi)外的清潔能源發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，并總結(jié)經(jīng)驗，研究風機接入后對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。以此為基礎(chǔ)，利用需求響應(yīng)技術(shù)選取出最合理的供電方式，但該方法存在供電效率較低的問題。文獻[5]設(shè)計了一種新型的電力系統(tǒng)聯(lián)合供電拓撲結(jié)構(gòu)，對太陽能電網(wǎng)逆變器輸出端電流相位進行重復控制，以保證太陽能電網(wǎng)與市政電網(wǎng)的聯(lián)合供電，但并未對蓄電池進行具體分析，導致供電效率不高。文獻[6]利用風、光、燃料等清潔能源組合為電池，進而設(shè)計聯(lián)合供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的用電負荷較低、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，但在供電效率方面存在不足。

針對上述存在的問題，提出并設(shè)計了一種面向智能電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的供電效率遠高于傳統(tǒng)方法，能夠很好地控制蓄電池運行狀態(tài)，表明該系統(tǒng)可行性較高。

1 ?面向智能電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)

面向電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)通?？煞譃橹绷髂妇€式發(fā)電、交流母線式發(fā)電和交直流混合母線式發(fā)電三種方式[7]。其中，交直流混合母線式發(fā)電方式同時具備直流與交流母線式發(fā)電方式的優(yōu)點，具有運行可靠性強、適合各區(qū)域用電需求的優(yōu)點[8]，因此，采用交直流混合母線式發(fā)電方式對供電系統(tǒng)進行分析。

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的主要硬件組成模塊包括DC/DC變換器、DC/AC變換器和蓄電池控制器等。下面分別對三個關(guān)鍵模塊進行具體分析。

1.1.1 ?DC/DC變換器

DC/DC變換器主要負責傳遞直流母線與儲能系統(tǒng)之間的能量，進行電壓的升壓變換，在供電系統(tǒng)中具有重要作用，因此需要合理設(shè)計DC/DC變換器電路[9]。本文采用兩級式結(jié)構(gòu)，前級Boost變換器，其功能是初步升壓，同時實現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率跟蹤控制，后級的功能是高效地將電壓進一步升壓到400 V左右。這一步驟采用效率較高的固定占空比的LLC諧振全橋直流變壓器。兩級之間的電壓如果太高，Boost變換器的升壓則會比較高，輸出電壓值較大，開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力較高。如果電壓較低，則會導致后一級需要提供較高的升壓比，不利于系統(tǒng)的實現(xiàn)，因此需要折中選擇。

根據(jù)以上分析，可得出具體的DC/DC變換器電路如圖1所示。

1.1.2 ?DC/AC變換器

DC/AC變換器主要負責通過直流母線給蓄電池儲能系統(tǒng)充電。為最大程度減少能量損耗，本文選取一種組合式DC/AC變換器，由Buck電路和Buck?boost電路正反兩路組合而成，正半組電壓輸出由Buck電路負責，負半組電壓輸出由Buck?boost電路負責。DC/AC變換器電路如圖2所示。

在DC/AC變換器使用中，為充分發(fā)揮其功能，需要聯(lián)合使用S1，S2，S3，S4等開關(guān)器件。若需要正向部分電壓，則S4保持通暢，由Buck電路中的S1負責調(diào)節(jié)輸出電壓。同理，若需要負向部分電壓，則S2保持通暢，由Buck電路中的S3負責調(diào)節(jié)輸出電壓。

1.1.3 ?蓄電池控制器

蓄電池充放電的控制電路如圖3所示。

蓄電池充放電控制電路由觸發(fā)板、控制板、電流電壓傳感器以及濾波電路組成。觸發(fā)板主要負責為蓄電池提供充放電流。由電流電壓傳感器測定得出充放電過程中的電流和電壓信號后，通過濾波電路進行信號濾波，最后由控制板統(tǒng)一進行電路信號的調(diào)整與控制。蓄電池控制器可以實時優(yōu)化管理蓄電池組，降低蓄電池發(fā)生故障的概率，從而有效保障供電系統(tǒng)的良好運行。

1.2 ?軟件設(shè)計

傳統(tǒng)面向智能電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)運行中存在一定的儲能問題，使得蓄電池充放電管理成為該系統(tǒng)設(shè)計中的研究重點。本文將清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為對蓄電池充放電管理問題。在控制芯片TMS320F2812配套的軟件開發(fā)環(huán)境中，運用C語言作為編寫語言，對蓄電池充電子程序和蓄電池放電子程序進行詳細的分析[10]。

1.2.1 ?蓄電池充電子程序

通常情況下，蓄電池充電過程分為恒流、恒壓和浮充三個階段。在清潔能源發(fā)電量較大的情況下，直流母線的流經(jīng)電壓會快速升高，恒流充電電流隨之增加。根據(jù)蓄電池這一充電特性，給出蓄電池充電子程序的流程圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4中的充電子程序流程圖可知：在恒流充電階段，充電電流穩(wěn)定在恒定值10 A左右，未對電壓做出控制，電壓呈現(xiàn)出直線升高的趨勢，當電壓升高至135 V時，進入恒壓階段;在恒壓充電階段，將電壓穩(wěn)定在400 V，未對電流做出控制，電流呈現(xiàn)出直線下降的趨勢，當電流降低至0.8 A時，進入浮充階段;在浮充階段，采用較小的電流為蓄電池充電，直至蓄電池電壓達到150 V，停止充電。

1.2.2 ?蓄電池放電子程序

蓄電池放電子程序的流程如圖5所示。

根據(jù)圖5中的放電子程序流程圖可知，蓄電池放電方式分為電流放電和電壓放電兩種，在電流放電模式下，設(shè)置固定的電流值，將此時的電壓值與系統(tǒng)初始狀態(tài)的電壓設(shè)定值進行對比，在確保電壓值不大于設(shè)定值的情況下，系統(tǒng)正常運行，以電流固定值為依據(jù)，計算占空比，以此判斷是否達到放電狀態(tài)，完成蓄電池的放電。電壓放電模式與電流放電模式類似。

綜上所述，可完成蓄電池的充放電管理，以此核心因素為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)對面向電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)的設(shè)計。

2 ?實 ?驗

為了驗證面向智能電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行實驗分析。實驗參數(shù)設(shè)計如表1所示。

2.1 ?實驗結(jié)果與分析

對清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)的供電效率進行分析，選取文獻[6]為對比方法，具體對比結(jié)果如圖6所示。

通過觀察圖6可知，隨著直流母線電壓的增大，本文系統(tǒng)與文獻[6]系統(tǒng)的供電效率均呈現(xiàn)下降趨勢，但文獻[6]系統(tǒng)的下降趨勢更為明顯。本文系統(tǒng)的供電效率最低為60%，最高可達89%;文獻[6]系統(tǒng)的供電效率最高不超過45%，最低低至14%。由此可見，本文系統(tǒng)的供電效率明顯優(yōu)于文獻[6]系統(tǒng)。蓄電池充放電管理是清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中的重要因素，可直接影響供電系統(tǒng)的性能，因此對聯(lián)合供電系統(tǒng)中的蓄電池故障率進行分析，選取文獻[6]為對比方法，對比結(jié)果如圖7所示。觀察圖7可知，本文系統(tǒng)中的蓄電池故障率較文獻[6]系統(tǒng)低，平均故障率在40%左右，文獻[6]系統(tǒng)的平均故障率在82%左右，高于本文系統(tǒng)42%。

2.2 ?實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗內(nèi)容，可得出實驗結(jié)論：

1） 本文系統(tǒng)的供電效率較高，可高達89%，表明本文的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)運行性能較好;

2） 本文供電系統(tǒng)中的重要部分蓄電池，其平均故障率低于文獻[6]系統(tǒng)42%，表明本文系統(tǒng)的可行性較高。

3 ?結(jié) ?論

清潔能源聯(lián)合供電是新能源利用的重要方式之一。針對傳統(tǒng)清潔能源聯(lián)合供電過程中存在的不足，提出并設(shè)計了面向智能電網(wǎng)的清潔能源聯(lián)合供電系統(tǒng)。著重對該系統(tǒng)中的蓄電池充放電管理進行了具體分析。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的供電效率較高，蓄電池運行故障率較低，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

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