关键词：风力发电系统；光伏发电系统；并网技术；PSCAD

Abstract: In view of the instability of power generation and the waste of energy spillover in the single off grid new energy generation system, this paper proposes a design concept of complementary grid connected power generation system which combines wind power and photoelectricity. Using the strong complementarity of wind and solar energy, the problem of intermittent power supply in the day and night of traditional single generation system is solved. At the same time, the grid connected structure is adopted in the power generation system, which can feed back the excess energy to the power grid system, realize the effective utilization of the power generation capacity of the system, and ensure the long-term stability of the power supply system. Finally, the famous power system CAD software PSCAD is used to simulate and verify the wind solar complementary grid connected power generation system. The results show that the scheme can effectively achieve the stability of the power generation system and complete the grid connection of 10kV medium voltage urban distribution network, which is of great significance to improve regional economic development.

Key words: Wind power generation; Photovoltaic power system; Grid technology;Power systems computer aided design

1  引言

随着传统以化石能源为基础的能源系统正在日益枯竭，世界能源发展面临能源需求加大，后备资源不足，环境污染恶化等问题。为了响应和协调政府可持续发展战略，保证能源与社会环境、生态文明的绿色健康发展，可再生能源的大力推广与研究是当前各国经济发展的首要选择。其中，太阳能与风能作为储量最大、分布最广的能源是目前人类所能利用的较理想型清洁能源。

然而，风能资源和太阳能资源不仅存在着昼夜性差异，在某些地区两者资源还存在着季节性差异，使用风能或太阳能这种单一式能源发电不能实现发电效益的最大化。对此，于上世纪七十年代，国外学者N.E.Busch首次提出了将太阳能、风能混合利用进行互补发电的概念。经过半个世纪的研究与发展，风光互补发电作为一种新能源发电方式，已经得到了越来越广泛的应用。但就目前绝大多数的风光互补发电系统，多是离网型孤岛式发电站，主要应用于海岛，边防哨所、通讯基站等人烟稀少地区。本文就上述新能源发电的种种缺陷与不足，通过阅读大量文献对比多种电路后，设计了一种风光互补并网式发电系统，实现风能与太阳能的最大化利用。

2 风光互补分布式发电系统结构组成

由图1可知，风光互补分布式发电系统整体结构较为简单，主要由三部分构成，分别是能量产生环节、能量存储环节和能量消耗环节^[1-2]。

图1 风光互补发电结构图

能量产生环节由风力发电系统和光伏发电系统两部分组成，将风能和太阳能转化为高品质的电能；能量存贮环节是将可再生能源转化而来的电力能源储存起来，防止由于天气等自然因素影响导致风能和太阳能不能正常转换或者过量供应，造成用户电力不稳、断电或者电压过高，如果并网的话还会造成电力网的波动。能量消耗环节是指电能的消耗，具体指直流负载和交流负载。一般风能太阳能转化成的电能先要变成直流电，若接交流负载，需要在接入负载前进行DC/AC逆变，通常由逆变器来完成。此外，为了防止供电的中断，保证供电的连续性，有些地区根据自身地理，气候条件，适当的引入了不同功率的柴油机发电系统，作为其后备发电系统。但是通过增大风力机的功率、扩大光伏阵列板或者加大蓄电池容量都可以有效避免供电中断问题^[3-4]。

2.1 风力发电子系统结构建模

风光互补分布式发电系统的重要组成部分之一便是风力发电系统。风力发电系统主要负责将风能转换成电能。大体可以分为两大部分：

（1）风能-机械能转化系统

风能到机械能的转变主要是通过风力机来实现。通过风吹动风力机的叶轮带动其轴转动从而产生机械能。

（2）机械能-电能转化系统

机械能到电能的转变是通过发电机来实现的。

由流体力学相关知识我们可以得到流体的动能：

                                                 (1)

式中：m——气体的质量，kg；V——气流速度，m/s。

气体的质量公式为：

                                                    (2)

式中：ρ——空气密度，kg/m²；S——流过物体的横截面积，m²。

风力机并不是百分之百的吸收利用风能，假设叶轮从风能中吸收能量的大小用风能利用系数——Cp表示，

则风力机实际获得的轴功率P为：

                                               (3)

风力机的工作风速、输出功率和风能的关系如图3所示，纵坐标表示输出功率，单位W/m²，横坐标表示风能大小，单位m/s。

图2  风速与功率关系

由图2可以得知，A——风能理论曲线；B——折扣空气动力损失后风力机吸收功率；C——机械传动损失后的功率曲线；D——风力机实际输出功率。曲线D为最终所需要的风力机实际输出功率曲线，我们可以用一分段函数来表示风力机实际输出功率与不同风速之间的关系。风力机输出功率P_w可以表示为：

                      (4)

2.2 光伏发电子系统结构建模

由于光伏阵列工作受光照强度和温度两种因素的影响，因此我们需到搭建数学模型来分析光伏阵列的工作特性。

光伏电池等效电路如图3所示。该模型由光伏电源，二极管和电阻组成。电路中，左边电流源电流Ig称为光生电流，其大小受主要受光照强度和温度的影响。Id为反向二极管中的饱和电流，位于光伏电池板的内部^[5-7]。因为电池板长期暴露在外，为了模拟因电池板老化以及电池磨损所造成的漏电现象，因此引入并联电阻Rsh，其阻值比较大，通常为几百甚至几千欧姆。Rsv用来模拟电池板和导线中的电阻率。I为光伏电池输出电流，从图7中可以得到：

图3 光伏电池等效电路

如图4所示，该图为光伏电池I-V特性曲线，从图中可得，光伏电池的输出电压和电流，功率间的关系^[8]。分析图像可得，光伏电池产生的电压与电流并不恒定，呈现出非线性，输出电流I_m在0~18V左右的工作电压范围内呈水平直线，十分稳定；当电压超出某一特定值后，电压和电流几乎同时下降，且下降速度十分快速，直至到0。

图4  光伏电池I-V特性曲线

由光伏发电的工作特性和原理得知，光伏效应主要受日照强度和温度影响。因此，采用控制变量法来寻找光伏电池最大输出功率。

如图5所示。在温度一定的条件下，通过改变光照强度可以发现：短路电流I_SCR几乎和光照强度成线性关系，但是开路电压U随光照强度减少变化十分缓慢，且二者呈对数关系曲线^[8]。即I_CSR∝I_m∝S，以及V_oc∝V_m∝lnS，式中S表示光照强度，单位W/m²。

如图6所示。在光照强度一定的条件下，通过改变温度我们可以发现其特性和改变过光照强度是恰恰相反：开路电压U几乎与温度成线性关系，而短路电流ISCR随温度降低几乎不变化或者说是略微变化。需要特别指出的是，这里所说的温度，并不是指环境温度，而是指光照下光伏电池板的温度。但是二者之间的关系都与光照强度相关。

3  风光互补分布式发电系统PSCAD模型
3.1 风力发电系统的PSCAD模型

风力发电系统的流程框图，如图7所示。

图7 风力发电系统流程图

根据上述流程图，可以得出，风力发电子系统主要是由风力机、整流电路、逆变电路组成。由于本设计是不可调度式并网系统，因此流程框图中无需加入蓄电池，电压经逆变电路输出后可以直接与电力网相连^[9-11]。

本设计风力机采用的是恒速恒频风机模型，实际中恒速恒频风机对风的适应力强，根据风速的不同，叶轮可以自行调节转速使发电机转速恒定。仿真中，通过调节按钮（如图8所示）来改变风速大小，实现模拟现实风能的不稳定性。

图8 风力调节按钮

整流电路采用电容滤波的三相不可控整流电路，这可以保证直流侧输出电压始终与交流侧输入电压的最大值保持一致，达到电能的最大化利用。

输出直流电压经逆变器后直接与配电网或者交流负载相连。

风力发电子系统PSCAD仿真建模图如图9所示。

图9  风力发电系统PSCAD仿真建模图

3.2 光伏发电系统的PSCAD模型

类似于风力发电系统，图10给出光伏发电系统的流程框图。

图10 光伏发电流程框图

根据上述流程图，我们可以得出，光伏发电子系统主要由光伏阵列，阻塞二极管，Boosts升压斩波电路以及逆变电路组成。与风力发电子系统不同的是，光伏电池输出的为直流电，所以不需要整流电路。本设计是不可调度式并网系统，流程框图中无需加入蓄电池，电压经逆变电路输出后可以直接与电力网相连^[12-15]。

光伏阵列采用PVshading光伏电池模块，其优点是用户可以自行调试光照强度和温度来进行模拟现实环境；光伏阵列后接一组阻塞二极管，目的是利用二极管的单向导通性防止电流逆流；由于光伏电池产生的电压极小（单片太阳板产生的电压约为0.07V），因此需要串联升压电路，本文采用的是Boost直流升压电路，其优点是结构简单，稳定性好，是一种常见的直流升压电路。后经逆变电路直接与电网或者交流负载相连^[16]。

PSCAD电力仿真软件下光伏发电子系统建模如图11所示。

图11  光伏发电系统PSCAD建模图

3.3 风光互补分布式发电系统PSCAD模型

由于二者发电量的不一致性，很难实现统一并网。因此，将上述的两种发电系统采用下图12所示电路进行逆变，实现三相380V电压的统一。

图12 三相并网逆变电路

风光互补分布式发电系统整体PSCAD建模图如图13所示。

图13 风光互补分布式发电系统整体PSCAD建模图

4  仿真结果及分析
4.1 风力发电系统仿真结果

图14 风力机输入风力与输出力矩

图14表示风机输入风速和输出力矩波形。由图14可知，系统风速并不稳定，风速在6.5m/s到10m/s间变化，以此来模拟现实风能的不稳定性。风力机出力曲线起初并不稳定，经过一段时间调整后，其大体可以稳定在100N左右。

图15 整流器输出直流电压

图15表示整流电路输出直流电压波形。由图15可知，整流器输出直流电压从0开始呈直线迅速增加，经过一段时间后，达到最大值约1.3kV后，电压开始略微下降，最终稳定在1kV左右，实现了直流电压的稳定输出。

图16 逆变器输出交流电压波形

图16表示逆变器输出交流电压波形。由图16可知，直流电压经逆变器逆变升压后输出交流电压稳步提升，最终达到300V后，波形稳定。
4.2 光伏发电子系统仿真结果

图17 升压电路两侧直流电压波形

图17表示升压电路两侧的直流电压波形。由图17可知，升压斩波电路输出与输入电压从0开始升高，电压稳定下来，输出与输入电压相差1kV左右。

图18 逆变器输出交流电压波形

图18表示逆变器输出的交流电压波形。由图18可知，光伏发电系统经逆变器后输出交流电压最后稳定在300V.
4.3 电力网侧仿真结果

图19表示电力网输入侧的电压波形，即风光互补发电系统主母线输出电压波形；图20表示经变压器后并网输出电压的有效值。图21表示经变压后电压的有功与无功功率。

光伏发电系统和风力发电系统经母线合并后，输出300V的交流电压且波形稳定，后流经变压器升压，并入10kV公共电网。

5  结论

本设计就新能源中最为常见的风能和太阳能展开讨论研究，提出了风光互补分布式发电系统，分别对风力发电子系统和光伏发电子系统的原理、工作特性和电路结构进行了研究与分析，结合地理学，空气动力学，电力电子学等，通过计算使其达到最大功率输出，并搭建了PSCAD仿真模型，给出了仿真结果，证明了风光互补并网发电系统实施的可能性。对于能源、环境问题给出了一个较为可行的解决方案。

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作者简介：

龙泰旭（1991-），男，苗族，吉林省四平市，大连交通大学，硕士研究生在读，研究方向：电力电子与电力传动。