孤岛式风光柴蓄智能微网系统的研制

赵建东，杨磊，刘文辉

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京，100044）

伴随着当前世界经济快速发展，环境问题和能源危机也在日益突显，已经成为了人类所面临的重大威胁之一。在这种情况下，风能、太阳能、生物质能、地热能等新能源发电方式成为研究的热点，其中风能和太阳能这2种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生资源更是受到人们的青睐。近些年来，对于这些新型能源利用的研究也在不断地深入。

随着新型技术的研究应用，尤其是电力电子接口技术和现代控制理论的快速发展，新能源的利用也在不断进步。微网系统采用分布式电源和负荷一起作为配电系统的子系统，既能够和大电力系统并网运行发电，又可以独立对用户供电，成为可再生能源利用较好的一个解决方案[1-2]。孤岛式微网是规模较小的分散的独立系统，基本单元一般由分布式电源、储能装置、控制系统及电力负荷组成，可以提供稳定可靠的电能，适合边远地区和大电网无法直接到达区域的独立供电[3-4]。

1 孤岛式智能微网系统

孤岛式智能微网系统可方便地利用新型能源，由于风光资源的天然互补性，可以很大程度上节省蓄电池组的电量[5]，因此系统对风能和太阳能采取综合利用。孤岛式智能微网系统的典型结构如图1所示，整个系统有能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节和控制中心和上位机5部分组成。其能量的产生环节又分为风力发电、光伏发电、柴油机组发电以及其他可利用的交流发电设备（预留，可扩展）；能量储存环节为蓄电池；能量的消耗一般主要由直流负载、交流负载2个部分组成；控制中心主要负责系统的整体运行控制，包括系统运行状态的监测、蓄电池的保护功能、负载的运行控制以及柴油机的启停控制信号，保证整个发电系统稳定、可靠地运行；上位机的作用是实时将采集的数据输出，可以查看整个系统的工作状态，并将数据保存，便于对系统工作状况进行性能分析。

系统运行要求为满负荷负载功率500 W，平均每天连续运行10 h。因此，配置参数为400 W/24 V的风力机，480 W/24 V的太阳能电池，1 kW的柴油机。

图1 孤岛式智能微网系统结构图Fig.1 Structure of the islanded intelligent microgrid system

2 系统研制

根据孤岛式智能微网系统的整体组成结构，进行了系统方案设计、系统硬件电路设计、系统软件研发工作。

2.1 基于单片机的控制方案设计

根据控制系统功能的分析，选用Atmega16单片机控制系统，系统的总体设计思路分为硬件和软件两大部分，其总体的基本结构框架如图2所示。

2.2 控制系统硬件设计

由控制系统功能需求可知，控制系统的硬件电路设计主要分为以下几部分。

图2 微网控制系统结构图Fig.2 Structure of the micro-grid control system

1）MEGE16及其扩展电路，包括复位、电源、晶振等；

2）模拟信号输入电路，MEGA16提供了8通道、10通道A/D转换器，需要将模拟量转换为单片机可接受的范围；

3）工作状态显示电路，显示包括光伏和风力发电机以及蓄电池的状态（过充、正常、过放）；

4）保护电路，对蓄电池的过充和过放保护；

有数据显示，在美国每天就有5亿支吸管被遗弃（这意味着每人每天大约1.5支的消耗量）。有专门负责清理海滩垃圾的环保组织在一项研究中声称，美国各地的海滩上每年废弃的吸管大约有75亿支之多。

5）串口输出电路，控制系统需要对各部件状态的数据进行分析，以评价整个微网系统的性能。

2.3 控制系统软件设计

系统控制输出对象是两级负载和柴油机启停信号，实现的主要功能是蓄电池的充放电保护控制和柴油发电机的调度。具体控制方案如图3所示。

图3 系统整体运行策略图Fig.3 Operation strategy of the system

控制程序是基于能量调度的方法，应用SOC（State of Charge）设置策略，根据蓄电池所处状态，来对整个微网控制系统进行控制的。程序在各个时间给出的设置值可以是不同的物理量，每个设置值的给出，取决于时间和逻辑判断。结合微网供电系统的运行控制策略分析，控制程序算法如下：以蓄电池端电压和各支路的电流为控制参数，设定特定的状态值，根据被控参数在被控系统运行期间的变化划分为几个工作状况，分别做出相应的动作进行控制调节。

2.4 系统样机研制

根据系统接线图进行了实际样机组装，其外形如图4所示，并对样机各部分功能进行了联调，重点对控制系统的控制策略进行了调试，包括关键控制参数的校正和运行控制策略的实验。

图4 孤岛式智能微网系统样机Fig.4 Prototype of the islanded intelligent micro-grid system

3 样机试验

样机集成后，分别做负载投切试验、稳定性试验和超负荷试验，并分析了整个微网发电系统样机的运行性能。

3.1 负载投切试验

负载的投切对供电电压的影响同负载的功率有关，这是供电系统的运行特性决定的，其中对电压影响最明显的是蓄电池的工作状态，因此实验关闭所有充电支路，在蓄电池正常运行的状态下，分别选择60 W、120 W、420 W不同大小的交流负载。其中420 W负载投入切出实验过程如图5所示。

图5 420 W负载投切实验图Fig.5 Switching the 420 W load experiment

由图5可以看到，初始状态接入420 W负载，在状态3切出负载时，蓄电池电压由24.59 V升高到26.44 V，电压升高了1.85 V，接近于切出和投入负载的设定值区间，虽然在允许的范围内，但是考虑到系统的安全性，不建议接入的一般负载超过420 W；输出电压从218.1 V升高到219.2 V，在状态8重新投入负载时，输出电压从221.5降低到217.8，因为负荷接近逆变器满负荷，因此瞬时电压变化较大，但是处于3%精度内，负载可以正常工作。

3.2 稳定性试验

基于控制策略的可行性，对系统做了连续运行试验，进一步考察系统的稳定性。实际试验运行时间为172 h，负载功率为120 W，在系统试运行期间，多为日照良好无风天气，对于有风的天气只取到了一个时段的数据。图6描述了微网系统在一天内24 h的运行情况。

1）安装地点的冬季可利用日照时间是6个小时，在日照充足的情况下，风光发出的电能可以完全满足负载的用电需求，同时对蓄电池充电；

2）在风光不足的情况下，即在晚上的时候，系统的发电量不能满足负载的需求，蓄电池对负载供电，蓄电池端电压有所下降；

3）蓄电池端电压变化范围均在正常状态下。

3.3 超负荷试验

为了试验微网系统在超负荷运行下的性能以及柴油充电机的实际运行状况，设计了900 W交流负载实验，一般负载为420 W，重要负载为480 W。图7描述了实验中系统风光充电电流、柴油机充电电流、负载工作电流以及蓄电池的运行曲线。

图6 系统24小时逐时实验数据图Fig.6 Experimental hourly data of the system in 24 h

图7 系统超载实验电流数据图Fig.7 Current data of the overload

从图7中可以看出整个实验过程分为3个阶段：

1）工作状态1到20：负载正常运行，耗电量一部分来自风光发电，一部分由蓄电池提供，而且由于无风且光照强度不断降低，蓄电池端电压趋于下降趋势。

2）工作状态21到23：在状态21时，Vbat=22.84 V，低于一般负载切断电压V2off=23 V，因此一般负载切断，保留重要负载正常运行，从图中可以看到，负载电流从45.8 A降低为24.7 A。

3）工作状态24到29：在状态21时，Vbat=22.32 V，低于实验设定柴油机启动值Vmin=22.5 V，此时开启柴油充电机，从图中可以看出，在状态25时柴油机充电电流为27.0 A，并在后续工作状态中保持稳定，由于柴油机充电电流大于负载耗电电流，因此柴油充电机有多余能量供给蓄电池充电，可看到蓄电池端电压有缓慢上升，这就保证了重要负载的正常工作。

综上所述，系统的连续运行能力良好，负载稳定可靠运行，供电电压精度达到实际用电需求。

4 结论

本文基于风光柴蓄设计开发了孤岛式智能微电网系统样机，通过联调测试和多种试验，验证了样机工作的稳定性和可靠性。目前，该孤岛式微网发电系统已正常投入使用达10个月之久，完全满足实际运行要求。

[1]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述.电力系统自动化[J].2007，31（19）:100-106.LU Zong-xiang,WANG Cai-xia,MIN Yong,et al.Overview on microgrid research[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31（19）:100-106(in Chinese).

[2]胡成志.分布式电源接入系统的研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[3]赵宏伟,吴涛涛.基于分布式电源的微网技术[J].电力系

统及其自动化学报,2008,20（1）:121-128.ZHAO Hong-wei,WU Tao-tao.Review of distributed generation based micro grid technology[J].Proceedings of the CSU—EPSA,2008,20（1）:121-128(in Chinese).

[4]商执一.风光柴蓄复合发电系统建模与仿真技术研究[D].北京：北京交通大学,2010.

[5]茆美琴,风光柴蓄复合发电及其智能控制系统研究[D].合肥：合肥工业大学,2005.