碳中和背景下的多种形式新能源发电系统构建与研究

张 静

(国网襄汾县供电公司，临汾 041500)

0 引 言

随着我国逐步迈入“十四五”规划时期，将清洁能源列入我国主要的能源形式已成为大势所趋[1-2]。且随着2030碳达峰与2060碳减排目标的提出，以风能、太阳能、地热能、锂电池等方式为核心的新能源格局形式已经在我国逐步形成。目前，将各种可再生能源与传统能源的耦合被称为微电网[4]。在微电网中，风能和太阳能由于其独特的优势被广泛关注。首先，风能和太阳能被认为是最有前途的可再生能源，既能满足不断增长的能源需求，又能最大限度地减少对环境的负面影响。但是，两者最大的问题就是不可预测的性质[5]。它们依赖于天气和气候，因此风能和太阳能不能独立匹配负荷需求的时间分布[6]。在本文的研究中，我们尝试将风能和太阳能资源进行适当的耦合，打造风能和太阳能混合发电系统，并通过电力逆变器与电网连接，并向电网输入功率，本文所打造的系统可以实现建筑的连续有效功能，克服能源形式各自的不足，实现系统的提效增益。

1 基于微电网打造的多能源耦合供电系统及其控制过程

图1为基于微电网打造的风能-太阳能-储能耦合系统总体框架。本文所考虑的多能源系统包括风能、太阳能和蓄电池储能。

图1 基于微电网打造的风能-太阳能-储能耦合系统总体框架

1.1 子系统1及控制单元

风能子系统主要包括风力发电机组和风力发电机组充电控制模块两部分。风力涡轮机的高度高达12米。风力涡轮机由控制模块控制，如图2所示。

图2 风力涡轮机控制模块

控制模块实时测量风力发电机的转速、输出电压、输出电流和输出功率。在实际工作过程中，风能主要依赖于风速。正常风力机的设计风速为12 m/s，最大速度为26 m/s，高于该风速的风力机，将被关闭，以避免损坏。

控制模块根据测量结果采用灵活的控制技术。风力发电机组控制模块具有辅助启动功能和异常保护功能。使混合动力系统能够实现精确的功率分配。异常保护功能可根据机械方法和电气方法将转速限制在一定范围内。风力发电机组控制模块的控制器为单片机控制器。单片机控制器采集大气温度、风力发电机输出电压和输出电流、电池组电压和电流。风力发电机组的运行由单片机控制。

1.2 子系统2及控制单元

光伏阵列子系统的基本原理是太阳能转化为电能。该子系统中的总电流可以表示为：

式中，IL表示发光电流；Id表示二极管电流；RSH和RS分别为分流电阻和串联电阻。

太阳能子系统由特制的控制模块管理。根据阵列电压设定值和过充电电压设定值，光伏阵列子系统控制模块有三个反馈回路。第一个反馈回路将阵列电压的采样值与阵列电压的设定值进行比较。一个PI调节器用于修改以上两个值的差值。第二反馈回路比较充电电压样本值与过充电压设定值。最后一个反馈回路采用PI调节器作为预处理控制器。

图3 光伏阵列子系统控制模块

1.3 子系统3及控制单元

储能子系统是该系统的核心部分，由电池组和逆变器组成。电池组具有过流保护和负载短路保护功能。当负载电流大于额定电流或负载短路时，空开应立即断开。电池组有开路保护。当电池处于开路状态或风力发电机/光伏阵列正在给电池充电时，电池管理系统关闭电池组与负载之间的连接，确保负载处于安全状态，不被电池组损坏。储能子系统具有过充保护功能。在储能子系统中，采用双向逆变器，将电池组与电网连接起来可为光源、电视机等终端用户供电。

2 结束语

综上所述，本系统基于电气微网的先进理念，设计打造了“风光储”综合电力系统，该耦合系统可以有效的实现多种能源形式的有效匹配。此外，在某些情况下，该混合系统可以作为电网的二次电源。例如，该混合动力系统可以在当地电力紧缺的高峰期提供电力。如果一些高校、研究院所等事业单位必须短时间切断电源，该混合系统就可以为整个建筑维持基本的电力。此外，对于电网无法到达的地区，该系统也可以很好的互补柴油发电机。