徐源源

摘要：为了在偏远的沙漠地区及海岛上建立可再生独立能源电站，本文以某沙漠地区建设的混合发电站为例，基于风能和太阳能等可再生能源，对其备用柴油机组成的混合发电站的能量管理系统进行研究。该系统对蓄电池组的电压、电流等信号进行实时监测，并估算蓄电池组的储能状态，对能流进行控制;通过无线通信模块，将电站的状态信息等发送到管理人员的手机上。运行结果表明，该能量管理系统提高了可再生能源的利用率，延长了蓄电池组的使用寿命，保证了独立能源发电站高效、稳定的运行。该研究对提高可再生能源的利用率、延长蓄电池使用寿命和降低发电成本具有重要意义。

关键词：可再生能源; 混合发电站; 能量管理系统; 蓄电池组; 监测; 无线通信模块

随着人类社会的发展，可再生能源的利用得到广泛重视。由于受地理气候等自然条件的影响，可再生能源提供的电力并不稳定，且用电端的电力使用也不稳定，为保证用电稳定，系统必须增加蓄能环节。而蓄电池是最常见的蓄能组件，若能获取蓄电池的状态和控制充放电电流，可很好地延长蓄电池的使用时长，降低发电成本，提高可再生能源的利用率。P.Nema等人[1-2]主要对采用可再生能源技术与柴油混合发电站进行研究;Wang Li等人[3]研究了海风风能和海浪波浪能的混合能源，并引入飞轮、压缩空气储能系统进行能量存储;杨苹等人[4]论述了太阳能、风能混合发电系统中的新型发电机及其控制系统，设计了能量管理系统，对混合发电系统的电能指标进行全局优化，从而提供稳定的清洁能源;常一琳等人[5]论述了一种包含太阳能电池和燃料电池的复合能源管理系统;Cai Y P等人[6]研究了混合随机和模糊环境的可再生能源管理系统;J.Figueiredo等人[7]详细论述了智能建筑中可再生能源能量生产及其能源管理系统;杨雪蛟[8]研究了家庭并离网一体光储系统;苗田银[9]对大型光伏电站提出了针对性的能量管理策略，以实现系统的稳定运行和能量的优化利用;平朝春等人[10]研究了海洋可再生能源发电系统中的并网方案、电能变换、储能、能量管理及系统稳定等电能变换与能量管理系统的关键技术;王亦新[11]建立孤岛新能源发电系统，并进行能量管理系统的应用设计。基于此，本文对风力发电机和太阳能电池联合发电进行研究，实现能源的互补，并将多个蓄电池组作为储存环节，有效的解决了发电和用电功率不平衡的问题。同时，在蓄电池组储能不足或存在大电流放电时，采用柴油发电机进行电力补充。该研究提高了可再生能源的利用率。

1 可再生独立能源电站概述

系统采用将电站产生的电能以直流电形式送至直流母线，母线与蓄电池组和逆变器的输出端相连的直流并联方式[12]进行电能的储存和使用。混合能源发电系统如图1所示。图1中，太阳能控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，使系统以最大功率输出向直流母线供电;风力发电机和备用柴油发电机分别通过相应的整流器供电，再通过逆变器将直流母线上的电压转换为交流电，为负载提供能量。

本文采用备用柴油机和可控负载，以实现更大范围的平衡。当可再生能源不足时，则启动备用柴油发电机，补充电能;当可再生能源过剩时，则启动海水淡化装置、空调和电炉等可控负载，充分利用可再生资源。

2 能流调控方法

2.1 蓄电池建模

2.2 能流控制方法

为了有效的保护蓄电池组[14-16]，电站的能量管理系统对蓄电池的充放电电流、化学电势及储存的电能进行实时监控。当监控指标出现异常时，采取相应的措施对蓄电池进行保护，避免对蓄电池组造成较大的伤害。

假定各个蓄电池组的参数相同，此假定不失一般性。定义充放电电流IL，ILH和ILL分别为充放电电流的阈值;EH和EL分别为化学电势的最大和最小允许值;WH和WL分别为存储电能的最大和最小允许值。

蓄电池组管理的具体措施如下：对某一蓄电池组，当IL≥ILH，或者E≥EH，且IL>0;或者Wc≥WH，且IL>0时，启动下一蓄电池组，同时关闭此蓄电池组，延时一段时间后，继续进行判断。若全部蓄电池都已充满关闭，

但是上述条件仍然满足，则启动可控负载，防止蓄电池大电流充电或过充;对某一蓄电池组，当IL≤ILL，或者E≤EL，且IL<0;或者Wc≤WL，且IL<0时，启用其他蓄电池组，延时一段时间后，继续判断。若全部蓄电池组都已放电完毕，上述条件仍然满足，则启动备用柴油发电机，防止蓄电池大电流放电或过放。其中，E为蓄电池的化学电势，而蓄电池组存储电能Wc是蓄电池充放电实际功率在时间上的积分。然而在实际使用中，每一时刻仅有一个蓄电池组进行充放电。同时，为保证几个蓄电池组的使用寿命均衡，蓄电池组充放电的顺序遵循“先充先放，先放先充”的原则。

系统在运行过程中，蓄电池组的相关参数可进行适当调整。另外，统计各蓄电池组的充放电时间。电站能量管理流程如图2所示。

3 能源管理系统设计

本文所研究的可再生独立电站能源管理系统，采用西门子S7200 PLC作为下位机，上位机通过西门子软件WinCC[17-18]对整个系统进行监控，能量管理控制系统硬件框图如图3所示。下位机放在机房，负责数据采集和处理，同时配备觸摸屏，显示数据和系统状态，还可进行部分参数设置;上位机放在系统监控室，除显示相关数据和状态，还包括所有参数的设置。西门子WinCC与S7-200 PLC的通信采用用于过程控制的OLE（OLE for process control，OPC）通信协议[19-20]，PC Access是S7-200 PLC专用OPC服务器。为实现远程监控功能，采用西门子GPRS模块MD720-3进行远程数据的发送和接收。MD720-3是一个GPRS/GSM调制解调器模块，有终端和OPC两种不同的操作模式，终端模式主要是发送和接收手机短信;OPC模式能够实现PLC和OPC服务器SIN AUT MICRO SC之间GPRS通信。上位机WinCC操作界面和触摸屏监控系统画面结构主要包括系统状态显示、操作界面、趋势视图和报警消息等，上位机界面如图4所示。本文所研究的独立可再生能源电站能量管理系统，已在某地调试完毕，运行效果良好。

4 结束语

本文设计了基于西门子S7-200 PLC和WinCC的风能和太阳能等可再生能源以及备用柴油机组成的混合发电站的能量管理系统。该系统对蓄电池组的电压和电流信号进行实时监测，从而估算蓄电池组的储能状态，同时利用无线通信模块，将电站的状态信息等发送到操作管理人员的手机上。经过运行测试，该控制系统运行稳定可靠，效果良好，具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] Nema P， Nema R K， Rangnekar S. A current and future state of art development of hybrid energy system using wind and PVsolar： a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2009， 13（8）： 2096-2103.

[2] 王坤林， 游亚戈， 张亚群. 海岛可再生独立能源电站能量管理系统[J]. 电力系统自动化， 2010， 34（14）： 13-17.

[3] Wang L， Lee D J， Lee W J， et al. Analysis of a novel autonomous marine hybrid power generation/energy storage system with a highvoltage direct current link [J]. Journal of Power Sources， 2008， 185（2）： 1284-1292.

[4] 杨苹， 杨金明， 张昊， 等. 新型太阳能-风能混合发电系统的研制[J]. 华北电力技术， 2004（1）： 12-15.

[5] 常一琳， 隋升， 杨永胜， 等. 一种复合可再生能源管理系统[J]. 电源技术， 2009， 33（7）： 618-620.

[6] Cai Y P， Huang G H， Tan Q， et al. Planning of communityscale renewable energy management systems in a mixed stochastic and fuzzy environment[J]. Renewable Energy， 2009， 34（7）： 1833-1847.

[7] Figueiredo J， Martins J. Energy production system managementrenewable energy power supply integration with building automation system Martins[J]. Energy Conversion and Management， 2010， 51（6）： 1120-1126.

[8] 杨雪蛟. 家庭并离网一体光储系统的能量管理系统研究[D]. 上海： 东华大学， 2015.

[9] 苗田银. 大型光伏电站能量管理系统研究[D]. 北京： 华北电力大学， 2017.

[10] 平朝春， 张理， 郝富强， 等. 海洋可再生能源发电系统的电能变换与能量管理系统关键技术研究[J]. 中国海上油气， 2013， 25（6）： 119-123.

[11] 王亦欣. 孤岛新能源发电微电网的能量管理方案设计[D]. 上海： 东华大学， 2017.

[12] 刘恺， 陈亦平， 张昆， 等. 大型交直流并联输电网网损优化理论及其在南方电网中的实现[J]. 中国电机工程学报， 2014， 34（1）： 130-137.

[13] 金晓东， 丁明， 茆美琴. 分布式发电系统中的蓄电池模型[J]. 仪器仪表用户， 2008， 15（2）： 88-90.

[14] 冉春森. 蓄电池组智能监测保护的研究[J]. 电子世界， 2018（8）： 177-178.

[15] 宋江颂. 蓄电池组防止过充电保护控制[J]. 电气技术， 2018， 19（7）： 72-77.

[16] 李靖， 劉东红. 变电站蓄电池日常监测原理缺陷的探讨[C]∥中国电力系统保护与控制学术研讨会. 珠海： 中国电器工业协会， 2006： 844-846.

[17] 刘华波， 王雪， 何文雪. 组态软件WinCC及其应用[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2018.

[18] 朱建军. 监控组态软件WinCC应用教程[M]. 北京： 中国电力出版社， 2014.

[19] 刘华波， 马艳. 西门子S7200 PLC编程及应用案例精选[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2016.

[20] 李会宁. 西门子S7200与WINCC通信技术问题分析[J]. 煤炭与化工， 2014（3）： 78-79.