摘要：為了在偏遠(yuǎn)的沙漠地區(qū)及海島上建立可再生獨(dú)立能源電站，本文以某沙漠地區(qū)建設(shè)的混合發(fā)電站為例，基于風(fēng)能和太陽能等可再生能源，對其備用柴油機(jī)組成的混合發(fā)電站的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行研究.該系統(tǒng)對蓄電池組的電壓、電流等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并估算蓄電池組的儲能狀態(tài)，對能流進(jìn)行控制。

　　通過無線通信模塊，將電站的狀態(tài)信息等發(fā)送到管理人員的手機(jī)上.運(yùn)行結(jié)果表明，該能量管理系統(tǒng)提高了可再生能源的利用率，延長了蓄電池組的使用壽命，保證了獨(dú)立能源發(fā)電站高效、穩(wěn)定的運(yùn)行.該研究對提高可再生能源的利用率、延長蓄電池使用壽命和降低發(fā)電成本具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：可再生能源;混合發(fā)電站;能量管理系統(tǒng);蓄電池組;監(jiān)測;無線通信模塊

　　隨著人類社會的發(fā)展，可再生能源的利用得到廣泛重視.由于受地理氣候等自然條件的影響，可再生能源提供的電力并不穩(wěn)定，且用電端的電力使用也不穩(wěn)定，為保證用電穩(wěn)定，系統(tǒng)必須增加蓄能環(huán)節(jié).而蓄電池是最常見的蓄能組件，若能獲取蓄電池的狀態(tài)和控制充放電電流，可很好地延長蓄電池的使用時(shí)長，降低發(fā)電成本，提高可再生能源的利用率.P.Nema等人[12]主要對采用可再生能源技術(shù)與柴油混合發(fā)電站進(jìn)行研究。

　　WangLi等人[3]研究了海風(fēng)風(fēng)能和海浪波浪能的混合能源，并引入飛輪、壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量存儲;楊蘋等人[4]論述了太陽能、風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)中的新型發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了能量管理系統(tǒng)，對混合發(fā)電系統(tǒng)的電能指標(biāo)進(jìn)行全局優(yōu)化，從而提供穩(wěn)定的清潔能源;常一琳等人[5]論述了一種包含太陽能電池和燃料電池的復(fù)合能源管理系統(tǒng)。

　　CaiYP等人[6]研究了混合隨機(jī)和模糊環(huán)境的可再生能源管理系統(tǒng);J.Figueiredo等人[7]詳細(xì)論述了智能建筑中可再生能源能量生產(chǎn)及其能源管理系統(tǒng);楊雪蛟[8]研究了家庭并離網(wǎng)一體光儲系統(tǒng);苗田銀[9]對大型光伏電站提出了針對性的能量管理策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和能量的優(yōu)化利用;平朝春等人[10]研究了海洋可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)方案、電能變換、儲能、能量管理及系統(tǒng)穩(wěn)定等電能變換與能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　王亦新[11]建立孤島新能源發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì).基于此，本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池聯(lián)合發(fā)電進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)能源的互補(bǔ)，并將多個(gè)蓄電池組作為儲存環(huán)節(jié)，有效的解決了發(fā)電和用電功率不平衡的問題.同時(shí)，在蓄電池組儲能不足或存在大電流放電時(shí)，采用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力補(bǔ)充.該研究提高了可再生能源的利用率。

　　1可再生獨(dú)立能源電站概述

　　系統(tǒng)采用將電站產(chǎn)生的電能以直流電形式送至直流母線，母線與蓄電池組和逆變器的輸出端相連的直流并聯(lián)方式[12]進(jìn)行電能的儲存和使用。太陽能控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測太陽能板的發(fā)電電壓，使系統(tǒng)以最大功率輸出向直流母線供電;風(fēng)力發(fā)電機(jī)和備用柴油發(fā)電機(jī)分別通過相應(yīng)的整流器供電，再通過逆變器將直流母線上的電壓轉(zhuǎn)換為交流電，為負(fù)載提供能量。

　　本文采用備用柴油機(jī)和可控負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)更大范圍的平衡.當(dāng)可再生能源不足時(shí)，則啟動備用柴油發(fā)電機(jī)，補(bǔ)充電能;當(dāng)可再生能源過剩時(shí)，則啟動海水淡化裝置、空調(diào)和電爐等可控負(fù)載，充分利用可再生資源。

　　2能流調(diào)控方法

　　2.1蓄電池建模

　　蓄電池模型與蓄電池電壓、電流、內(nèi)阻、有效電荷量、荷載狀態(tài)數(shù)和溫度等物理量有關(guān).其中，電壓、電流、電荷量與化學(xué)勢能之間的關(guān)系建模是一個(gè)復(fù)雜的課題.

　　2.2能流控制方法

　　為了有效的保護(hù)蓄電池組[1416]，電站的能量管理系統(tǒng)對蓄電池的充放電電流、化學(xué)電勢及儲存的電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，采取相應(yīng)的措施對蓄電池進(jìn)行保護(hù)，避免對蓄電池組造成較大的傷害。假定各個(gè)蓄電池組的參數(shù)相同，此假定不失一般性.定義充放電電流IL，ILH和ILL分別為充放電電流的閾值;EH和EL分別為化學(xué)電勢的最大和最小允許值;WH和WL分別為存儲電能的最大和最小允許值。蓄電池組管理的具體措施如下:對某一蓄電池組，當(dāng)IL≥ILH，或者E≥EH，且IL>0;或者Wc≥WH，且IL>0時(shí)，啟動下一蓄電池組，同時(shí)關(guān)閉此蓄電池組，延時(shí)一段時(shí)間后，繼續(xù)進(jìn)行判斷.若全部蓄電池都已充滿關(guān)閉，防止蓄電池大電流充電或過充;對某一蓄電池組，當(dāng)IL≤ILL，或者E≤EL，且IL<0;或者Wc≤WL，且IL<0時(shí)，啟用其他蓄電池組，延時(shí)一段時(shí)間后，繼續(xù)判斷.若全部蓄電池組都已放電完畢，上述條件仍然滿足，則啟動備用柴油發(fā)電機(jī)，防止蓄電池大電流放電或過放.

　　其中，E為蓄電池的化學(xué)電勢，而蓄電池組存儲電能Wc是蓄電池充放電實(shí)際功率在時(shí)間上的積分.然而在實(shí)際使用中，每一時(shí)刻僅有一個(gè)蓄電池組進(jìn)行充放電.同時(shí)，為保證幾個(gè)蓄電池組的使用壽命均衡，蓄電池組充放電的順序遵循“先充先放，先放先充”的原則。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，蓄電池組的相關(guān)參數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.另外，統(tǒng)計(jì)各蓄電池組的充放電時(shí)間。

　　3能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文所研究的可再生獨(dú)立電站能源管理系統(tǒng)，采用西門子S7G200PLC作為下位機(jī)，上位機(jī)通過西門子軟件WinCC[1718]對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。下位機(jī)放在機(jī)房，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)配備觸摸屏，顯示數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，還可進(jìn)行部分參數(shù)設(shè)置;上位機(jī)放在系統(tǒng)監(jiān)控室，除顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，還包括所有參數(shù)的設(shè)置.西門子WinCC與S7200PLC的通信采用用于過程控制的OLE(OLEforprocesscontrol，OPC)通信協(xié)議[1920]，PCAccess是S7200PLC專用OPC服務(wù)器.

　　為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用西門子GPRS模塊MD7203進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.MD7203是一個(gè)GPRS/GSM調(diào)制解調(diào)器模塊，有終端和OPC兩種不同的操作模式，終端模式主要是發(fā)送和接收手機(jī)短信;OPC模式能夠?qū)崿F(xiàn)PLC和OPC服務(wù)器SINAUTMICROSC之間GPRS通信.上位機(jī)WinCC操作界面和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)主要包括系統(tǒng)狀態(tài)顯示、操作界面、趨勢視圖和報(bào)警消息等.本文所研究的獨(dú)立可再生能源電站能量管理系統(tǒng)，已在某地調(diào)試完畢，運(yùn)行效果良好。

　　4結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了基于西門子S7200PLC和WinCC的風(fēng)能和太陽能等可再生能源以及備用柴油機(jī)組成的混合發(fā)電站的能量管理系統(tǒng).該系統(tǒng)對蓄電池組的電壓和電流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而估算蓄電池組的儲能狀態(tài)，同時(shí)利用無線通信模塊，將電站的狀態(tài)信息等發(fā)送到操作管理人員的手機(jī)上.經(jīng)過運(yùn)行測試，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好，具有較好的應(yīng)用前景。

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