面向智能电网的清洁能源联合供电系统设计

孟垂懿 蔡志远 周正道 戈阳阳

关键词： 智能电网; 清洁能源; 联合供电; 蓄电池管理; 变换器; 供电效率

中图分类号： TN245?34; TM615                 文献标识码： A                    文章编号： 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

面对智能电网规模的不断扩大，电力系统安全运行的不确定风险日益增强，这对电力供电系统的质量提出了更高的要求，因此电力发展面临的资源压力越来越大[1?2]。同时，全球经济飞速发展，化石能源日益枯竭，因此，新型清洁能源逐渐受到人们的重视，被广泛运用在电力发展领域中。智能电网运行中，将太阳能、风能等新能源与电网相连接，并对连接过程实施严密的控制，最大程度地提高清洁能源使用效率[3]。

文献[4]对国内外的清洁能源发展现状进行了分析，并总结经驗，研究风机接入后对电网产生的影响。以此为基础，利用需求响应技术选取出最合理的供电方式，但该方法存在供电效率较低的问题。文献[5]设计了一种新型的电力系统联合供电拓扑结构，对太阳能电网逆变器输出端电流相位进行重复控制，以保证太阳能电网与市政电网的联合供电，但并未对蓄电池进行具体分析，导致供电效率不高。文献[6]利用风、光、燃料等清洁能源组合为电池，进而设计联合供电系统，该系统的用电负荷较低、系统稳定性较高，但在供电效率方面存在不足。

针对上述存在的问题，提出并设计了一种面向智能电网的清洁能源联合供电系统。实验结果表明，该系统的供电效率远高于传统方法，能够很好地控制蓄电池运行状态，表明该系统可行性较高。

1  面向智能电网的清洁能源联合供电系统

面向电网的清洁能源联合供电系统通常可分为直流母线式发电、交流母线式发电和交直流混合母线式发电三种方式[7]。其中，交直流混合母線式发电方式同时具备直流与交流母线式发电方式的优点，具有运行可靠性强、适合各区域用电需求的优点[8]，因此，采用交直流混合母线式发电方式对供电系统进行分析。

1.1  系统硬件设计

该系统的主要硬件组成模块包括DC/DC变换器、DC/AC变换器和蓄电池控制器等。下面分别对三个关键模块进行具体分析。

1.1.1  DC/DC变换器

DC/DC变换器主要负责传递直流母线与储能系统之间的能量，进行电压的升压变换，在供电系统中具有重要作用，因此需要合理设计DC/DC变换器电路[9]。本文采用两级式结构，前级Boost变换器，其功能是初步升压，同时实现光伏发电的最大功率跟踪控制，后级的功能是高效地将电压进一步升压到400 V左右。这一步骤采用效率较高的固定占空比的LLC谐振全桥直流变压器。两级之间的电压如果太高，Boost变换器的升压则会比较高，输出电压值较大，开关管和二极管的电压应力较高。如果电压较低，则会导致后一级需要提供较高的升压比，不利于系统的实现，因此需要折中选择。

根据以上分析，可得出具体的DC/DC变换器电路如图1所示。

1.1.2  DC/AC变换器

DC/AC变换器主要负责通过直流母线给蓄电池储能系统充电。为最大程度减少能量损耗，本文选取一种组合式DC/AC变换器，由Buck电路和Buck?boost电路正反两路组合而成，正半组电压输出由Buck电路负责，负半组电压输出由Buck?boost电路负责。DC/AC变换器电路如图2所示。

在DC/AC变换器使用中，为充分发挥其功能，需要联合使用S1，S2，S3，S4等开关器件。若需要正向部分电压，则S4保持通畅，由Buck电路中的S1负责调节输出电压。同理，若需要负向部分电压，则S2保持通畅，由Buck电路中的S3负责调节输出电压。

1.1.3  蓄电池控制器

蓄电池充放电的控制电路如图3所示。

蓄电池充放电控制电路由触发板、控制板、电流电压传感器以及滤波电路组成。触发板主要负责为蓄电池提供充放电流。由电流电压传感器测定得出充放电过程中的电流和电压信号后，通过滤波电路进行信号滤波，最后由控制板统一进行电路信号的调整与控制。蓄电池控制器可以实时优化管理蓄电池组，降低蓄电池发生故障的概率，从而有效保障供电系统的良好运行。

1.2  软件设计

传统面向智能电网的清洁能源联合供电系统运行中存在一定的储能问题，使得蓄电池充放电管理成为该系统设计中的研究重点。本文将清洁能源联合供电系统设计问题转化为对蓄电池充放电管理问题。在控制芯片TMS320F2812配套的软件开发环境中，运用C语言作为编写语言，对蓄电池充电子程序和蓄电池放电子程序进行详细的分析[10]。

1.2.1  蓄电池充电子程序

通常情况下，蓄电池充电过程分为恒流、恒压和浮充三个阶段。在清洁能源发电量较大的情况下，直流母线的流经电压会快速升高，恒流充电电流随之增加。根据蓄电池这一充电特性，给出蓄电池充电子程序的流程图，如图4所示。

根据图4中的充电子程序流程图可知：在恒流充电阶段，充电电流稳定在恒定值10 A左右，未对电压做出控制，电压呈现出直线升高的趋势，当电压升高至135 V时，进入恒压阶段;在恒压充电阶段，将电压稳定在400 V，未对电流做出控制，电流呈现出直线下降的趋势，当电流降低至0.8 A时，进入浮充阶段;在浮充阶段，采用较小的电流为蓄电池充电，直至蓄电池电压达到150 V，停止充电。

1.2.2  蓄电池放电子程序

蓄电池放电子程序的流程如图5所示。

根据图5中的放电子程序流程图可知，蓄电池放电方式分为电流放电和电压放电两种，在电流放电模式下，设置固定的电流值，将此时的电压值与系统初始状态的电压设定值进行对比，在确保电压值不大于设定值的情况下，系统正常运行，以电流固定值为依据，计算占空比，以此判断是否达到放电状态，完成蓄电池的放电。电压放电模式与电流放电模式类似。

综上所述，可完成蓄电池的充放电管理，以此核心因素为基础，可实现对面向电网的清洁能源联合供电系统的设计。

2  实  验

为了验证面向智能电网的清洁能源联合供电系统设计的合理性，进行实验分析。实验参数设计如表1所示。

2.1  实验结果与分析

对清洁能源联合供电系统的供电效率进行分析，选取文献[6]为对比方法，具体对比结果如图6所示。

通过观察图6可知，随着直流母线电压的增大，本文系统与文献[6]系统的供电效率均呈现下降趋势，但文献[6]系统的下降趋势更为明显。本文系统的供电效率最低为60%，最高可达89%;文献[6]系统的供电效率最高不超过45%，最低低至14%。由此可见，本文系统的供电效率明显优于文献[6]系统。蓄电池充放电管理是清洁能源联合供电系统中的重要因素，可直接影响供电系统的性能，因此对联合供电系统中的蓄电池故障率进行分析，选取文献[6]为对比方法，对比结果如图7所示。观察图7可知，本文系统中的蓄电池故障率较文献[6]系统低，平均故障率在40%左右，文献[6]系统的平均故障率在82%左右，高于本文系统42%。

2.2  實验结论

根据上述实验内容，可得出实验结论：

1） 本文系统的供电效率较高，可高达89%，表明本文的清洁能源联合供电系统运行性能较好;

2） 本文供电系统中的重要部分蓄电池，其平均故障率低于文献[6]系统42%，表明本文系统的可行性较高。

3  结  论

清洁能源联合供电是新能源利用的重要方式之一。针对传统清洁能源联合供电过程中存在的不足，提出并设计了面向智能电网的清洁能源联合供电系统。着重对该系统中的蓄电池充放电管理进行了具体分析。实验结果表明，该系统的供电效率较高，蓄电池运行故障率较低，验证了该系统设计的有效性。

参考文献

[1] 吴争.关于智能电网的清洁能源并网技术标准的研究[J].中国标准化，2016（15）：212?213.

WU Zheng. Clean energy grid technology standard about smart grid research [J]. China standardization， 2016（15）： 212?213.

[2] 魏显文.基于智能电网的清洁能源并网技术[J].信息记录材料，2018，19（1）：91?92.

WEI Xianwen. Clean energy grid technology based on smart grid [J]. Information recording materials， 2018， 19（1）： 91?92.

[3] 许和明.面向智能电网的清洁能源并网技术探究[J].低碳世界，2015（13）：51?52.

XU Heming. Research on clean energy connection technology for smart grid [J]. Low carbon world， 2015（13）： 51?52.

[4] 王智琦，冷月，吴倩红.清洁能源接入的智能电网需求响应综述[J].电源技术，2015，39（8）：1798?1800.

WANG Zhiqi， LENG Yue， WU Qianhong. Review of smart grid demand response with clean energy access [J]. Chinese journal of power sources， 2015， 39（8）： 1798?1800.

[5] 肖辉，席自强，张长征，等.太阳能电网与市政电网联合供电能量控制研究[J].电气应用，2017，36（4）：43?48.

XIAO Hui， XI Ziqiang， ZHANG Changzheng， et al. Study on the combined power supply energy control of solar and municipal power grid [J]. Electrical application， 2017， 36（4）： 43?48.

[6] 甘天文.新能源联合发电供电系统优化设计[J].能源与节能，2016（4）：82?83.

GAN Tianwen. Optimization design of power supply system in new energy power generation [J]. Energy and conservation， 2016（4）： 82?83.

[7] 陈明，张靠社.基于改进布谷鸟算法的风光储联合供电系统储能容量优化配置研究[J].电网与清洁能源，2016，32（8）：141?147.

CHEN Ming， ZHANG Kaoshe. Research on capacity optimization of hybrid energy storage system in wind?PV?storage power generation system based on improved cuckoo search algorithm [J]. Power systems and clean energy， 2016， 32（8）： 141?147.

[8] 肖钒，肖辉.户用太阳能发电与市政电网联合供电模式浅析[J].西部皮革，2016，38（24）：18.

XIAO Fan， XIAO Hui. Analysis on the combined power supply mode of household solar power generation and municipal power grid [J]. West leather， 2016， 38（24）： 18.

[9] 张程翔，刘天琪，卜涛，等.风水火联合电力系统动态优化调度[J].现代电力，2017，34（4）：8?14.

ZHANG Chengxiang， LIU Tianqi， BU Tao， et al. Dynamic optimal dispatch of wind?hydro?thermal power system [J]. Modern electric power， 2017， 34（4）： 8?14.

[10] 梁钰，李明扬，方连航，等.计及含蓄热机组快速爬坡能力的风火联合电力系统调度[J].热能动力工程，2017，32（z1）：74?79.

LIANG Yu， LI Mingyang， FANG Lianhang， et al. Wind and fire combined power system dispatch considering the fast climbing ability of heat implicit unit [J]. Journal of engineering for thermal energy and power， 2017， 32（S1）： 74?79.

[11] 郑卫锋，韩杨春，聂兰磊.输电线路岩石嵌固基础抗拔试验及数值模拟分析[J].地震工程学报，2016，38（5）：738?744.

ZHENG Weifeng， HAN Yangchun， NIE Lanlei. Uplift tests and numerical simulation analysis of transmission line with rock embedded foundation [J]. China earthquake engineering journal， 2016， 38（5）： 738?744.