新能源风光互补充电与用电系统的智能控制研究

新能源风光互补充电与用电系统的智能控制研究

葛娟

东枫源电力有限公司  

摘要

进入21世纪后，随着科学技术的不断发展，人们对能源的需求持续增长。然而，地球数亿年积累的生物化石能源储量却不断减少，难以满足人类的物质和精神文化需求。并且全球的环境问题日益严重。因此，人们必须利用全新的、安全的、可持续利用的清洁能源，逐步替代旧有的燃烧化石能源。风能和光能都是清洁的可再生能源，储量几乎无限，不会对环境造成太大的污染，然而两种资源易受外部环境的影响，它们的电能输出不稳定，需要将两者结合起来使用，实现功能的互补，同时将两者结合使用，控制的对象较多，有多个输入输出量，传统的控制方法难以控制。现代的智能控制技术和电子技术发展迅猛，为智能控制提供了技术支撑。

本研究基于新能源风光互补充电与用电系统的智能控制研究，解决当前新能源风光互补应用过程中存在的有功功率、电压和频率控制难题，通过智能控制研究为新能源风光互补充电与用电系统制定一套实用的控制方法，从而提高新能源风光发电的利用效率，它还能够弥补国内研究空白，具有一定技术创新。

关键词：充电；用电；智能控制

1 引言

风能和光能来源于自然，资源储量近乎无穷无尽，能源使用清洁而无污染。然而，依靠风能和太阳能建立的发电用电系统，容易受到地理自然环境的制约，在不同的时间和空间条件下，系统的发电具有不确定性、不稳定的缺点。同时，风能发电变化频繁、光伏发电易受天气条件的影响，难以使用。要想使用必须平衡发电负荷与用电负荷，将之转化、存储和控制。发挥它们在功能方面的互补性，将两者搭配使用。要将两种能源搭配起来使用，针对它们的控制是非常复杂的。传统的控制方法，难以控制多个输入和输出的变量，并且现代的电子技术进步巨大，智能控制可以对充电和用电部分进行控制。

智能控制是针对控制对象和环境的一种智能化控制。智能控制不同于人工操作，它能通过对蓄电池充电的控制，完成电池的恒流，恒压过程，并对电池进行过电流、过电压保护。对电压和频率在一定范围内的波动做出调整，大大提高充电系统的稳定性。对于用电部分，智能控制可以通过智能控制器实现对用电系统的自动控制，构建完善高效的用电管理体系，提高用电系统的安全性、便利性、舒适性，达到节能环保的要求。

2风光互补应用现状与控制难点

2.1风光互补应用现状

从风能资源的空间结构特征来看，中国大陆风能最大的区域是东海岸。该区域内的平均风能密度大于或等于200 W/m2的等高线与海岸线相垂直，海岸海岛的风能密度大于或等于300 W/m2，其产生的有效风能的时数为80~90%，大于或等于8 m/s的风速在每年大约7000~8000 h，大于、等于6 m/s的风速也有4000 h左右。然而，因为我们的内地多山，可以阻挡风的伸展。因此，只有从海岸到内地数十公里处的东南沿海才有更多的风力，到了内地，风力就会急剧下降。在福建省，一些海岛的风力可以达到3米/秒，而且一天的风速可以达到3米/秒，可以说是全国最大的风力发电站。内蒙、甘肃也是风能最好的区域，由于地处西部，又时常被寒流侵袭，这里的风能浓度在200~300 W/m2之间，其最大的风能浓度约为70%，大于或等于3米/秒的风速超过5000小时，超过或等于6米/s的风速超过2000小时，由南北方向逐步减小，但没有东南海岸的变化趋势。在全国风电最多的区域内，风电分布广泛，是全国最大的风电资源区。东北风能资源也比较充裕，风力强度大于200 W/m2，大于、等于3 m/s、6 m/s的风力累计时间累计时间是5000-7000小时，而在3 m/s以上的累计时间是3000小时。再往前是青藏、中原和北部的海岸，风力发电量在150-200 W/m2之间，每年累计的风力总量为3米/秒。

在4000-5000小时内，大于或等于6米/秒的风力累计超过3000小时。其次是云贵川，甘肃，陕西，河南，湖南，福建，广东，广西，塔里木，是国内风能最少的区域，其平均风能浓度不到50 W/平方米，平均可使用的风能只占20%左右，超过、等于3米/秒的累计时间不超过2000小时，超过、等于6米/秒的风速低于150小时，其风能的价值就很低了。这样的风能资源分配不均匀，对风电的开发和风电的需求也很大，对风电设备的需求也很大，单个风能的单台功率不足，风电的利用率就会降低，从而降低风电的效益。

相比风力，光能更容易地进行，风机需要单个设备的能力，太阳能板可以采用多片小片的组装方式进行组装。中国大多数地方的日照强度都在2000小时以上，而青藏高原、甘肃北部、新疆、河北北部、山西北部、内蒙古以南等区域的年平均日照达3000小时以上；其次是山东，河南东部，新疆北部，吉林，辽宁和云南，年平均光照量在2000-3000小时之间；在南部和其他多雨的地方，年平均光照强度为1000-2000小时。相比之下，太阳能发电更易于实施。

2.2风光互补控制难点分析

对于风光互补的控制也有许多问题，首先还是风能和光能这些新能源自身的问题，利用这些能源发电会受到天气、环境等因素的制约，风能和光能发电的输出功率不稳，在无风或无光的环境下，它们的功率输出可能不连续，针对它们的控制难以实现。其次就是风光互补存在的一些问题，风机和电池板的输出功率不同，还要研究如何平抑它们互补后的功率。控制的实现也存在一些问题，充电部分的控制就要考虑许多问题，信息的采集，天气环境等物理信息，电机运行时的各种电子信息，蓄电池内部的各种数据信息，以及对储能装置的控制。

用电部分还需要考虑对交流负载的控制，也就是对逆变器的控制，对用电端数据的采集这都是问题。实现智能化控制是只利用智能控制器呢，还是加设其它的模块，将控制精细化，如果加设模块，就需要加设新的电路。

3新能源风光互补充与用电系统智能控制方案研究

3.1系统整体方案

为了实现风光互补，整个系统应该由多个部分组成，首先充电部分和用电部分是有的。

接下来就是核心的控制部分，实现控制的智能控制器可以是单片机也可以是PLC。我仔细研究了利用单片机和PLC控制系统发现：单片机控制小型的系统相对简便一些。而用PLC控制需要很多的模块，需要数据采集模块，通讯模块，计算机分析模块，针对交流负载的控制也相对复杂。因此使用单片机控制相对简单。充电部分，用电部分，控制部分。

3-1系统整体结构框图

3.2新能源风光互补系统智能控制方案

针对风光互补的智能控制，主要是监测天气和环境信息以及对用户用电信息的反馈决定是由风光共同发电还是风力单独发电或光伏发电。

由于该装置不仅与 AC负荷相连，而且还与 DC负荷相连，因此该系统可以将从电池中输出的 DC电流转换成 AC电流。另外，该逆变电源还具备稳定电压的作用，从而改善了电源的使用效果和品质。目前，我国的逆变电源主要有两大类型：正弦变换和方形波形变换。由于目前最普遍使用的是正弦波型的逆变器，它具有高效、低噪声、价格合理等特点，因此采用了正弦波变换。

在整个控制中，以微处理器为中心，继电作为其功能器件，由继电器对电池进行充放电的控制，以保证其不会出现过充或过放。当收到单片机的命令时，该中继设备能够迅速工作。

MCU是一种由微处理器和 IC晶片组成的微电脑，它利用 VLSI技术，将运算器、内存 RAM、 ROM、控制器功能以及多种输入/输出装置整合在一起。该控制体系包含了风力和光电功率的两个控制器。他们的内核是一个微控制器。该控制器内建有预先存储的电子信号，并将其与输入端的电子数据进行对比，从而达到接通与接通的目的。

MCU最少式是指在基本不受外界线路影响的情况下，构成一个可以单独工作的微处理器，也是最少操作的一种，可以确保微处理器的工作。单片机最少的系统一般包括四个部件：单片机芯片、晶振复位电路、开关输入电路和输出显示器电路，或者仅仅包括芯片、晶振电路和复位电路，这就是整个电路的最低要求。

继电作为一种保护装置和一种用于在输入电流满足一定需求时，将受控容量按预先确定的阶梯改变的电器。该装置采用了一种保护回路，该回路利用继电器控制回路来对电池进行过充电和过放电。继电器由单片微处理器的电子信号进行开关，由三极管来驱动，该控制器利用三极管的饱、关的特点，使其具有开启或关闭的作用。

3.3充电系统智能控制方案

充电站：风机、光电设备、电池、开关、微处理器、中继、感应器。

将风电机组与太阳能电池、电池相结合，构成一个由电池作为能量存储设备的充电站，而采用 MCU作为控制器，由 MCU作为控制器，由 MCU控制后继设备进行充电。

风电场可以为电池供电，为电池供电，并确保电力供应的稳定性。风力发电设备：它最重要的部件是风扇，它是一个发电设备。三片风扇采用三片式，三片叶片为横轴，选用强度较高、质量较低的 FRP材质，这种材质能防止酸雨和盐碱的侵蚀。采用钕铁硼永磁体发电机，具有超强的过载性能，具有较低的体积、较轻的功率和较高的功率利用率。

从外观看，风轮和风轮是由风轮、机舱和塔座组成的。在风机的机仓中，包括对风装置，调速装置，传动装置和刹车装置，还有发电机。风车和发电机是最重要的部件。除了这些，风力发电设备也是配套的。由于风力发电机的构造比较特殊，所以能够把大自然中的风力转换为优质电力。

光伏发电设备是由一块巨大的太阳能板组成，由电力控制器组成。发电机组是一种将光电转换成光电的常规设备。

太阳能光伏板是发电设备和发电设备中的关键部件。硅光电池是一种能够把太阳能转换成电的单晶体硅。

光伏发电设备是一种单独的发电设备，其动力来自于钢化玻璃， EVA，电池片，背板，铝合金，接线盒，硅胶，利用光电效应，在太阳能的两端，形成一种电力。除了正方形外，太阳能

该发电机还有一个可防止蓄电池过度充气和过度放电的充放电控制装置。另外，采用了一种将 DC电流转换成 AC电流来确保电池和蓄电池的稳定性。

该蓄能设备是一组多组的蓄能器，它起到调节和均衡全电荷的作用。该设备把风电和太阳能发电的电力转换成化学能，以备电力短缺时的需要。

在充电器中，电池的作用不言而喻，因为它可以为整个体系提供能量。蓄电池是目前全球使用范围最大的一种能量储存装置，它具有稳定、安全、便宜、使用方便等特点，可以确保可以反复使用，是目前最易于制造的一种电池。

充电部主要承担电力的生成与储存，在电荷区的每个结点上都有一个切换单元，该单元可以接收外界的数据，接收并传输该单元的数据，从而可以接收和传输不同的数据，比如电子和其他的物理信息，实时传输电压，频率，谐波，电流，功率因素，功率，电测量等，以表示不同的状况。由微处理器连接到继电器组，完成诸如关闭等多种工作，继电控制器用于对发电机进行供电，并将电池中的电子数据传送给 MCU，由 MCU将其所收到的电子信号与 MCU的完全电子数据进行比对，确定是否接通，即对风力和光电进行了控制。

3.4用电系统智能控制方案

用电部分：交流负载、直流负载、逆变器、单片机、继电器。

发电、输电、变电、配电、用电是电力系统运行的五个环节，其中的用电就是消耗电能的过程。在现实中各种形式的电子器件不断消耗着电能，这些连接在充电系统的用电负荷充斥着生活的各个角落：城市用电、农村用电、工业用电以及商业用电。用电部分主要是管理用户对电力资源的使用，以及监测用户的不规则用电情况，这些用电数据就是对充电端最好的反馈。

用电部分主要是连接各种用电设备，用电端有各种电传感器，它们要监测使用端的电流电压情况和用电设备的用电情况。这些电信号传至单片机中，单片机根据自身内部的运行逻辑，控制继电器工作，利用继电器控制风能和光能怎样发电，发电的输出功率，形式等。用电部分，逆变器也会发挥作用将直流电变为交流电，能够满足交流负载的使用。

4某新能源风光互补系统充/用电智能控制方案应用

目前中国正在进行智能化网络的开发，并采用了一种基于风光互补的智能控制系统，其中包括了新的电力系统和分布式系统，以及智能的控制技术。

而在这种情况下，风光互补的电力系统，则采用了一种基于微处理器和 PLC的智能控制器。

该发电设备采用 PLC进行控制， PLC由西门子公司S7-200驱动，由风力发电、光伏发电、逆变发电、远程监控四部分构成。该设备包含一台用变频器来设定的用于仿真风电场的风量的风量，该风电场的风向是通过马达的周向运动来改变的，并且利用马达来驱动风向，同时利用西门子 PLC来控制两个电源设备的动作和系统工作状况的指示灯，该逆变器将 DC电流转化为工频 AC电流供负荷，监测系统通过 HMI接口进行遥控。

这套设备可以分为六个模块，分别是风能和太阳能，分别是风能和太阳能， DSP控制器可以对电池进行充电和充电，可以储存能量的锂电池，可以转换为 AC，还有负荷。太阳能发电设备具有微动开关、接近开关、风速仪为 PLC提供信号，储能电池组用于储存两种新型能源所生成的 DC电力，两者相辅相成，电池的电力由变流器转换为流电，而监测系统则利用串行通讯方式，将电压表、安培计和 PLC的输入/输出信息与电力控制器相连，从而实现非就地控制。此套系统可同时兼顾风力和太阳能，两者相辅相成，并可通过 PLC进行智能化的控制，是一种新型的新型电力系统。将两种能量集中于一个系统，既可以达到互补性，又可以通过 PLC来控制太阳能电池的方位和方位，从而改善电力生产的效率和可靠性。

5总结

风光互补的智能控制确实存在许多的难点，本研究提供了一个新的思路，风能和光能的互补使用可以根据用电情况和环境天气信息来确定发电的状态。究竟是由风机或光伏电池板单独发电，还是让两者组合发电。这些信息的采集可以是在充电前，也可以是在用电后。采集的信息输入到单片机，以单片机作为智能控制器控制系统的充电和用电。对用电的控制就是对用电信息的采集，进而实现对整个系统的反馈。

风光互补发电技术能适应多种不同的环境和气候，在夜间和阴雨天气无光的环境下利用风能发电，晴天无风时，利用光能进行发电，既有风又是晴天时，两者同时发挥作用，非常的经济和科学，有了电能的供应，可以将电能通过线路输入到蓄电池中，实现完整的充电过程。

利用智能控制能够实现多个信息的输入和输出，降低控制难度，同时对提高能源的利用率也是起着积极的作用。它能为用户、企业乃至整个社会节省宝贵的电能资源，并且可以改变整个电力网络的用能效率，以及促进整个电力产业的技术革新，引导整个社会节能环保。

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