风光储互补微网系统集成技术的研究与设计

张丽莹，陈国良，孙丽兵，吴恩美

（上海太阳能科技有限公司，上海201108）

0 引言

相对于传统的石化能源，新能源具有污染小，储量大等特点。由于风能和光能的间歇性，风、光独立运行供电系统很难连续稳定的输出能量，可利用风光的互补性减轻其波动性。同时，配合储能系统，通过对电能的储存和释放来改善风光发电系统的功率输出特性，形成风光储微网系统。在多能互补的微网系统集成技术中，风光储系统之间的配合，离并网之间的切换，以及如何让风光储组成的微网能够安全可靠的运行都是微网应用和推广需要解决的关键问题［1－3］。但以往的风光储互补微网研究主要依赖功率设备自身的调节来实现整个系统功率潮流的协调控制和保护，这种方式缺乏对整个微网系统，包括分布式电源、储能单元以及对应负荷的整体考虑，系统管理功能不完善、运行效率较低。

本文设计了由光伏发电、风力发电和储能系统组成的风光储互补微网系统。考虑各分布电源之间的协调控制，提出了微网运行模式和控制策略，设计了基于DSP 28335芯片的能量协调控制器，集成了风光储微电网系统的控制管理功能，提高系统运行效率。

1 基于风光储互补的微网系统方案

基于风光储互补的微网系统由130 k W的光伏发电、20 k W的风力发电和50 k W的储能系统组成，其结构如图1所示。由图1可以看出，130 k W光伏组件分为6个阵列，通过并网逆变器并接入交流母线上，两台10 k W风机通过风机控制器和逆变器接入交流母线，蓄电池通过50 k W储能变流器连接到交流母线上，整个微电网系统通过共同连接点接入低压配电网。

图1 微电网系统结构示意图

2 微网系统运行模式及控制策略

微网系统包含离网运行、并网运行，以及离并网切换3个部分。在电网正常的情况下，微电网系统并入电网系统，并网运行，达到新能源的最大化利用；在电网故障的情况下，微电网快速切离电网，并切除非敏感负荷，保障敏感负荷的不间断供电要求，提高供电质量。各运行模式协调控制策略具体如下［4－5］。

1）对于本地系统离网运行模式：

（1）设置电池逆变器工作在VF输出模式。

（2）设置光伏和风机变换器工作在PQ输出模式。

（3）当电池非过充或过放时，保持光伏和风机的最大功率点跟踪（MPPT，Maximum Power Point Tracking）工作状态。

（4）当电池过充时，控制光伏和风机中输出功率较小的单元工作在非MPPT状态，其余单元工作在MPPT状态。此时工作在非MPPT状态的发电单元的取值用于平衡发电侧和负荷侧功率需求之差。

（5）当电池过放时，切除可控负荷，控制光伏和风机工作在MPPT状态。

2）对于本地系统并网运行模式：

（1）设置光伏和风机变换器工作在PQ输出模式。

（2）设置电池逆变器工作在恒功率充电模式，当其满充时转为待机状态，等待下一次放电过程。

（3）由于母线电压由电网电压锁定，可以将电网视为容量无限大的能量缓冲单元，因此光伏和风机始终工作在MPPT状态下。

3）对于离并网运行模式之间的切换：

（1）当接收到离网向并网切换的指令时，检测本地电压和网侧电压之差，在持续0.2 s保持二者差值小于并网电压误差的情况下，闭合并网开关。

（2）当接收到并网向离网切换的指令时，设置储能单元功率给定，使得本地和外部电网停止功率交换，之后检测本地电压和网侧电压之差，在持续0.2 s保持二者之差小于并网电压误差的情况下，断开并网开关。

3 控制技术集成及能量管理控制器设计

为了实现风光储系统的能量管理控制算法，设计制作了带有核心算法运算、串口通信等功能的能量协调控制器，控制电路板如图2所示。该能量协调控制器基于DSP＆CPLD的核心控制单元实现，设计了4种通信通道，具有CPLD功能扩展模块以及相应的状态量IO端口，方便控制系统功能扩展，具备与分布式光伏、风力、储能、负荷开关以及操作后台通信控制的接口，可实现统一协调控制［6］。

图2 能量管理系统控制板结构

能量协调控制器硬件功能结构包含5个部分，分别为DSP处理器、CPLD扩展电路、通用输入输出端口、模拟输入端口、通信端口（RS-232，RS-485，CAN，USB）。各部分结构和功能具体如下。

1）DSP处理器 DSP核心电路基于TI公司的浮点型DSP芯片TMS320C28335实现，该芯片和之前使用较多的TMS320C2812相似，但由定点运算调整为浮点运算，计算精度有所提升。与此同时，在脉冲宽度调制（PWM）发生等方面也进行了功能加强，可以方便实现更为灵活的控制方式。

2）CPLD电路 CPLD电路实现对于输入输出端口的扩展，解决DSP外扩端口不足的问题，型号为EPM1270T144C5的CPLD。在其原理图设计过程中，为了实际方便，将原有的CPLD芯片的管脚归为三类，分别利用U2A、U2B和U2C三个子模块表示三组管脚，对应搭建外围电路。

3）通用输入输出电路 通用输入输出电路又名GPIO，该部分电路实现对DSP的GPIO电路的扩展，其中重点实现的是光耦隔离功能，同时引入拨码开关和LED状态指示灯方便程序调试。

4）模拟输入电路 模拟输入电路的作用在于对输入控制板的模拟信号进行电平变换，以确保输入DSP模拟输入端的电平在0～3 V的范围内，其功能基于运算电路实现。

5）通信电路 通信电路实现串口通信。同时，由于考虑到多数日常电脑并不具有串口输入端，因此设计了基于MAX3232ECAE的USB转串口电路，方便程序调试。

4 结语

相对于传统的主要依赖功率设备自身调节来实现整个系统功率潮流的协调控制和保护的风光储互补微网系统而言，本文设计的系统集成了系统管理功能，实现了分布式电源、储能单元以及对应负荷的统一协调控制，满足了整个微电网系统的稳定、高效运行。

本文的研究成果已应用于上海闵行区某公司厂房的风光储微网系统，目前已进行了多次离并网切换，运行良好。在运行中，离网向并网切换暂态时间不超过100 ms（从接收到能量管理单元并网指令时刻开始计），并网向离网切换暂态时间不超过800 ms（从检测到电网故障，并断开并网开关时刻开始计），并离网切换过程中双向变流实现不停机过渡。

［1］ 杨金焕，余化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］ 朱昊，韦钢，吴万禄，等.城市微电网控制策略的研究［J］.电力与能源，2013，34（4）：332-337.

［3］ 张明锐，林承鑫，王少波，等.一种并网型风光互补发电系统的建模与仿真［J］.电网与清洁能源，2014（01）：68-74，80.

［4］ 李钢，赵静，姚振纪.智能微电网的控制策略研究综述［J］.电工电气，2012，（1）：1-4.

［5］ 王成山，高菲，李鹏，等.低压微网控制策略研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（25）：2-8.

［6］ 高吉普，袁越，李强.独立风光混合系统的控制与仿真［J］.电网与清洁能源，2010（05）：57-61.