适用于季节性用电台区电力设备监测的风光互补备电系统方案

李志峰，刘林清

（国网河南西峡县供电公司，河南 南阳 473550）

关键字：风光能互补发电；市电检测；逆变输出；通信控制；电源系统

1 系统需求

近年来，电力系统中季节性用电、时段性、周期性用电（如阶段性生产用电的企业、农业生产、排灌抗旱等）的台区大量增加，当台区处于长时间不使用状态时，为了降低铁损、铜损及其他损耗，会断开跌落保险。此时，因无电源，以至于主站无法对现场采集终端、电能表进行监控，使得该部分电力设备处于脱离控制状态。一方面设备状态安全性无法控制，另一方面制约了电力公司抄表成功率、费控执行成功率、线损等指标数据的完整性、准确性。

所以应利用风光能互补发电，结合应用更广泛更成熟的蓄电池蓄能技术和现代电力电子技术，设计研发一套“发电+充电+蓄能+市电检测+实时逆变输出”的电源系统，作为台区的辅助电源，在台区主线路停电时，实时投入，保证采集终端、智能电能表仍有可靠的电源供电，有效解决台区停电时，主站无法对现场采集终端、电能表进行监控的问题。

2 风光互补备电系统构成

本项目研究的风、光能离线式台区备电系统，是一种利用风光能互补发电技术，结合应用更广泛更成熟的蓄电池蓄能技术和现代电力电子技术，具有发电、充电、蓄能、市电检测、实时切换逆变输出以及通信控制功能的电源系统。

作为台区的辅助电源，在台区主线路未停电时，利用风、光进行发电、蓄能，监测主线路市电输入是否正常，当主线路停电时，设备实时投入备电，保证采集终端、智能电能表仍有可靠的电源供电，有效解决台区停电时，主站无法对现场采集终端、电能表进行远抄、远控的问题。

2.1 系统设计及逻辑电路

风光互补，充分利用两者能源的特点，使得系统可全天候工作，保证能源供应。风光发电具备各自的特点需要分别处理，根据风能的特点，因其发电过程是机械能向电能转化的过程，电机转化的电能只能是交流电（交流13～25 V）；太阳能的特点是光能向电能转化，输出的是直流电（18 V）。要想给蓄电池（12 V）充电，需要全部转化为直流电，因此，由于二者的特性不同，需要在风能发电的后端加入整流稳压电路，让风能和太阳能充分结合，以达到需要的结果。由于二者都具有间歇性、不稳定性，考虑两者的功率均衡问题，需选取专用的功率控制芯片及相关充电均衡逻辑判断解决二者的非线性优化问题。最终形成以太阳能电池、风力发电机为供电源，充分利用太阳能与风能的互补特性，配比一定储能蓄电池，通过一套智能交直流逆变能量控制系统，合理分配优化太阳能和风能二种间歇性能源，从而稳定输出交流电，保证台区电网计量、监测、控制设备正常在线运行。

2.2 系统组成及逻辑电路设计

备电系统由4部分构成。

发电模块：由风力发电机组包括风叶、电机、风电控制器，太阳能发电系统包括光伏板、光伏控制器。使风能和光能转换为电能，如图1所示。

图1 发电模块

蓄电模块：由蓄电池模块成，配合控制系统进行能源储存、供能。蓄电池模块采取12 V并联设计，可根据需求便捷增减容量，并配置电池保护板保护，如图2所示。

图2 蓄电模块

逆变输出模块：通过逆变器控制，将太阳能电池和蓄电池中的直流电能变换成交流电能，纯正弦波输出保证电力设备的正常运行。逆变器内部主要采用TL496组成的稳压逆变电路，TL496是一种固定频率脉宽调制电路，经过相关电路设计能够达到所需要求提供稳定的输出。主要指标：输入电压DC 10—14.5 V；输出电压AC200—220V±10%；输出频率50 Hz±1%；转换效率大于85%。电路图如图3所示。

图3 逆变模块

控制模块：包括主控CPU、能效均能调节器、充放电控制器、状态传感器、继电器模块等组成，完成风光互补系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。控制系统以CPU与能效均能调节器为核心，对状态传感器获取系统运行状态及各组件工作电压、电流情况进行分析处理，通过对控制继电器模块的控制和能效均能调节器的调节，使各组件处于正常稳定的工作状态，如图4所示。

图4 控制模块

3 系统工作原理及能耗控制优化

3.1 系统工作原理

系统工作时有两种工作状态，未投运（储能）模式和投运（供能）模式。

作为台区的备用电源，在台区主线路未停电时，利用风、光模块进行发电、蓄能，设备处于未投运（储能）模式。设备实时监测主线路市电是否正常，当主线路停电时，设备切换投运（供能）模式，线路切换，逆变电路部分工作，开始输出电能，采集终端、智能电能表继续运行。

未投运（储能）模式工作原理：发电系统将风力发电机、太阳能板转换的电能，分别先进行交流转直流、直流电压调节稳压调节，然后经过能效均能调节器的调节将非线性的发电电能进行优化叠加，最终经充电芯片控制将电能储存到蓄电池中。

投运（供能）模式工作原理：主线路断电后自动进入，此时逆变器投入工作将蓄电池中的电能转换成纯正玄波交流电输出，供给外部设备消耗使用。同时通过能量控制管理系统，控制风力发电机、太阳能板发电电能的接入功率与储能蓄电池的放电功率，合理分配到逆变系统中进行输出，实现系统的长时间节能、稳定运行。

3.2 风光互补系统能效均能调控制

风光互补系统是通过一套能量管理系统控制实现，该系统可实现多种分布式能源的综合优化，合理分配出力，系统集成风、光、储能源的综合预报功能，为能量管理系统的稳定运行提供预测数据。

能效均能调控系统系统原理图如图5所示。系统并网前，检测蓄电池组、并网逆变器状态，当系统正常，系统接入风光发电组件，进行实时发电功率检测，不符则切除，复合则通过对应的交直流转换（风电）、直流电压调节后接入能效均能调节器。通过能效均能调节器，检测风机与光伏组件可以输出发电的实时功率进行风光互补的控制策略，进行发电电能进行优化叠加；若风机或光伏组件某项不能正常工作，也不影响另一路的发电运行。当设备处于逆变输出状态时，逆变器所需的能源也会通过能效均能调器进行调节。系统实时检测发电功率，发电功率达标充足时提高实时发电功率在能源输出消耗中的占比，以减轻对蓄电池的消耗。

图5 系统原理图

能效均能调器通过调节限制风机的发电输出功率、光伏的发电输出功率与蓄电池放电输出功率（逆变的输出工作时）的功率，实时加大优质能源在整体能源中的占比，实现系统能源的均衡叠加稳定的。若风机的输出功率远小于光伏与储能逆变的输出功率，能效均能调器将增大限制风能的功率输出，满足光伏的大功率发电需求。反之亦然。在逆变输出是主动降低蓄电池输出功率，以减轻对蓄电池的消耗，延长系统工作时间，优化系统输出。

4 方案意义

4.1 风能、太阳能互补发电在台区管理上的首次运用

首次在台区管理上，将风能、太阳能发电结合，给负载提供备用电源。利用了二者的优点，解决了时段上的间歇性问题，实现了均衡充电；通过能效均能调器解决了二者的非线性优化问题。

4.2 解决台区无电时，主站无法对现场采集终端、电能表进行远抄、远控的问题，提升电力公司考核指标

通过研发风、光能离线式台区备电系统，可有效解决台区停电时，主站无法对现场采集终端、电能表进行远抄、远控的问题，从而有效提高采集成功率、费控执行成功率、同期线损准确计算率，降低集中器离线率，有效提升电力公司的管控技术水平。

4.3 解决周期性、阶段性用电的台区需要反复的报停、报复，给供电企业的日常管控增加成本的问题

季节性用电、时段性用电的台区，不用电时，为了少交基本电费，会报停台区的使用，将跌落保险断开，导致采集终端、电能表无电；用电时，会报复台区的使用。在此期间，监管是一大问题。使用本系统研发的台区辅助电源系统，可给采集终端、电能表提供可靠的电源，从而可解决电力公司对用户的监管问题。