1. 研究背景及意義
人類生存和發展的能源主要依賴于石油、天然氣、煤炭等化石燃料（不可再生資源）。隨著人口的增長和社會生活水平的提高，能源消耗將不斷增加，這些不可再生的化石燃料也將會越來越少，直到用盡，這也帶來了嚴重的環境污染和生態系統的破壞。面對經濟的快速發展，必須有強大的能源供應保障現代化。同時，為了滿足世界各國對環境保護的追求，加快發展清潔能源和可再生能源，充分利用可再生能源和清潔能源是解決能源需求問題和破壞生態環境的唯一途徑。其中風能和太陽能是最廣泛使用、清潔無污染的可再生能源，受到了廣泛關注。更值得注意的是，風能和太陽能這兩種產能充足的新能源具有很強的互補性。由于風能和太陽能受天氣、氣候、季節、時間等因素的影響，單獨使用風電和光伏電網存在系統能量穩定性差的問題。風能和太陽能同時受這些因素的影響趨勢基本相反，在時間和季節上具有很強的互補性。例如，從時間上看，白天日照強度較高，太陽能資源相對較好，而風能一般較小，風能資源相對較差；夜間照明強度很弱，太陽能幾乎為零，但風力一般比白天強，風能資源很好。在季節上，夏季日照較強，太陽能資源分布較多，而風力較弱，風能資源較少；反之冬季日照較弱，風力較大。由于風能和太陽能發電可以互補時間和季節資源不穩定問題，風能太陽能混合發電系統將成為一個更加理想的具有良好的應用前景的應用模式。
2. 風能太陽能混合發電系統分析
2.1 運行方式
目前，風力發電為混合系統的主要供能，風電有兩種運行方式：離網獨立運行和并網運行。與并網風力發電相比，離網的風力發電規模較小，可通過儲能裝置向無電網的偏遠地區供電，并可與其他發電技術相結合。風電并網發電是世界風電發展的主要方向，風電裝機容量大，一般在兆瓦到幾百兆瓦之間。由于它與大電網相連，可以得到大電網的補償和支持，同時使風能資源的開發利用也更加完善。本文討論獨立風光儲微網系統。根據儲能方式的不同，儲能裝置主要可分為化學儲能、物理儲能和電磁儲能三類。儲能裝置在微電網中主要起到了以下作用：削峰填谷，即減少峰谷之間的差距來提高能源利用效率；幫助負荷功率曲線跟蹤的實現，有助于系統充分的利用新能源并增大輸出功率；平滑風能太陽能混合輸出功率曲線，提高微電網安全穩定性和電能的質量。根據調控目的的不同，儲能裝置的控制策略和容量配置也不盡相同。此外，考慮到蓄電池技術在與風光儲微電網相結合的方面已經比較成熟，本文采用了這種形式。
2.2 風光儲獨立微網系統結構與控制策略
風能和太陽能是兩種新型能源。風光儲微網發電系統由于其隨機性和波動性，其輸出功率不穩定。通常，為了保證負荷所需電力的可靠供應，在新能源微電網系統中會增加儲能裝置來幫助控制電力。本文中，鉛酸蓄電池模塊仍在風光混合動力儲能系統中使用，其結構圖如圖1所示。光伏發電模塊與風機發電模塊并聯作為主電源。蓄電池與匹配的DC/DC雙向變換器負責協調供能和剩余能量的存儲，逆變器負責將直流電源轉換為交流電源供負載使用。將電網側負荷和局部負荷合并為負荷，由圖中三相負荷代替，直流母線電壓的穩定標志著兩側的功率平衡，可以作為電源平衡的標志，風光儲聯合控制器則是作為整個系統的控制中心。通過對風光儲微電網系統的結構和供電過程的分析，可得到了該系統的聯合控制策略。
圖1 風光儲微電網的結構圖
本文將風機兩端與光伏模塊并聯在直流母線兩端，其連接方式與IGBT開關與卸載電阻組成的卸載電路相同，IGBT開關的控制參數為蓄電池的荷電狀態（SOC）。當風能和光伏系統總輸出功率大于負載所需功率時，會產生功率冗余，直流母線電容兩側電壓升高。在風能和太陽能蓄電池混合微網發電系統中，由于蓄電池及其對應的雙向DC/DC變換器并聯在直流總線處，當電力供應不足，也就是說，電源提供的風機和光伏模塊仍達不到負載功率的需求時，則蓄電池放電。所述電源之間的差值由蓄電池提供，以保證電源的平衡與直流母線電壓的穩定耦合；此外當電量冗余時，蓄電池充電，如控制1所示過多的電量通過DC/DC轉換器流入電池，控制1流程調整蓄電池的充放電過程并通過控制DC/DC電路調整電源之間的差異。然而，由于其自身的特點，蓄電池模塊不能無限期地接受這種能量。當蓄電池充電狀態超過80%時，我們將蓄電池設置為臨界狀態�？刂破骺刂艻GBT連接卸載電路，通過卸載電阻消耗多余的功率，直到直流母線兩側的電源達到平衡，如圖1所示的控制2過程。
2.3 風光儲微電網系統仿真實驗
利用Matlab/Simulink平臺對上述風光儲微電網系統進行了仿真實驗。本文主要對風光儲微電網在經常出現的三種情況下進行仿真：有光無風環境、有風無光環境、有風有光環境。通過仿真驗證所提出的策略能否很好地實現風光儲微電網的運行，以及在這三種情況下能否滿足負荷所需的電力供應，維持系統的安全穩定。仿真系統圖如圖2所示，通過以上運行結果分析可知，通過風光儲聯合控制器的調控，在有光無風環境、有風無光環境、有風有光環境條件下，風光儲微電網均能實現功率供需的平衡和系統安全穩定的運行。
3. 結論與展望
本文關注的問題是風能和太陽能（光伏）混合發電系統。通過對儲能裝置充放電過程的控制，補償了供電與負荷需求之間的差異，從而實現了風光儲微電網在各種環境條件下的安全穩定運行。
圖2 系統仿真圖
雖然本文對風光儲微電網的結構和控制方法進行了一些研究，但由于時間和水平的限制，還需要進一步的研究，并需在許多方面進行改進。在未來的研究和發展方向中，將進一步提出家庭微電網監控系統輸出接口設計，比如將直流電源連接到USB壁掛的輸入連接器上，使用USB供電的USB加載設備，將USB傳輸電纜插頭插入USB壁掛，通過直流電源將USB傳輸線的另一端連接到各種負載上，實現USB直流供電系統。移動終端電壓顯示部分采用無線傳輸和接收數據模式，微處理器電壓/電流測量單元測量電壓/電流的值通過ADC模塊轉換成數字信號，計算和程序算法濾波后，可以獲得真正的電壓，并可以將獲得的實際電壓值送入緩沖寄存器。Wi-Fi模塊通過串口與單片機連接，緩沖寄存器中的電壓通過串口通信發送。手機上的客戶端程序使用socket通訊的方法，將Wi-Fi模塊發送的信號連接到單片機上，并顯示在手機上，得到電壓值。同時在小型風光儲微電網系統中，還需要適當的設備，并添加智能保護原件對電網進行檢測與實時監測。
