新聞主題	發(fā)電機組的混合能源電站智慧管理系統(tǒng)

 

摘要：近年來，可再生能源發(fā)展很快，已經(jīng)成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而風(fēng)能和太陽能的利用正是其中重要的內(nèi)容。風(fēng)能和太陽能發(fā)電的類型有很多種，本文要研究的是風(fēng)能和太陽能、柴發(fā)混合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)適于在一些偏遠的地區(qū)或孤島微電網(wǎng)的使用。由于不能并網(wǎng)供電，為了保證供電的可靠性，采用風(fēng)能和太陽能、柴油發(fā)電機組混合發(fā)電系統(tǒng)是一種最好的選擇。并通過使用仿真軟件Matlab的powersystem工具箱構(gòu)建該系統(tǒng)仿真模型，具體地分析了風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能。結(jié)果表明風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電技術(shù)非常適合偏遠地區(qū)的電力供應(yīng)，仿真分析證明了系統(tǒng)性能的可靠性。

 

一、混合能源管理系統(tǒng)功能

 

      發(fā)電機組的混合能源電站控制單元是一個智能控制系統(tǒng)，采用Linux的操作系統(tǒng)，具有強大的通信及控制功能。控制單元具有與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的通信接口，實時讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)并對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進行控制；實時采集直流母線電壓及電池組的充放電電流，根據(jù)控制策略完成系統(tǒng)的控制；具備遠程通信接口，可實現(xiàn)混合能源系統(tǒng)的集中化管理。控制柜結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1、控制功能

（1）強大的本地數(shù)據(jù)顯示功能，實時采集太陽能變換器、整流器、電池組、逆變器的數(shù)據(jù)，檢測設(shè)備和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，本地顯示這些數(shù)據(jù)并傳送至集中監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況時進行報警操作，并進行報警記錄，記錄的條數(shù)大于1000條。可本地或遠程查詢報警記錄。

（3）可以根據(jù)系統(tǒng)的配置對系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)置，例如：電池的安時數(shù)，報警的閾值和其他的參數(shù)。

（4）可對系統(tǒng)中設(shè)備進行控制，例如：柴油發(fā)電機組的起停，電池開關(guān)的通斷。

（5）具有遠程監(jiān)控功能，豐富的通信接口，可通過TCP/IP、RS232/485及干接點等進行遠程監(jiān)控。

2、工作原理

      以光伏新能源為例，在比較典型的柴油光伏互補發(fā)電系統(tǒng)當中，重點包含了光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機、后備發(fā)電系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)控制系統(tǒng)以及蓄電池等幾個重要環(huán)節(jié)所構(gòu)成，是集太陽能、柴油發(fā)電機以及蓄電池等多種不同能源開發(fā)技術(shù)于一體的復(fù)合型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      光伏發(fā)電環(huán)節(jié)可以有效運用太陽能電池板將太陽能有效地轉(zhuǎn)化成電能，然后對蓄電池組進行充電的同時，通過逆變器直接將直流電轉(zhuǎn)化成交流電對負載來進行供電，柴油機作為后備輔助發(fā)電設(shè)施，有效保證了用電設(shè)備的工作連續(xù)性，使得整個供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在逆變系統(tǒng)當中主要是通過多臺逆變器設(shè)備所組成，將蓄電池當中的直流電轉(zhuǎn)化成標準的220 V交流電源，充分保證了交流電負載設(shè)備的正常使用，同時還具有良好的自動穩(wěn)壓功能，可以有效改變光柴互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

      在控制工作環(huán)節(jié)當中需要對日照的強度以及柴油機組的工作負載狀況來進行有效切換和調(diào)節(jié)，一方面來講需要將調(diào)整完成之后的電力資源直接送往直流或者是交流負載當中；另一方面，將多余的電力資源直接儲存到蓄電池當中，當發(fā)電量不能有效滿足負載的需求時，需要將蓄電池當中的電能直接進行補充，有效保證了整個供電系統(tǒng)的供電聯(lián)系和供電穩(wěn)定性。蓄電池組模塊當中通過多塊電池組設(shè)施所構(gòu)成，在供電系統(tǒng)當中起到了良好的電能調(diào)節(jié)和電能平衡負載等相關(guān)作用，將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能直接轉(zhuǎn)化成化學(xué)能進行儲存，以此在供電系統(tǒng)供電不足的情況下來進行補充使用。

 

圖1  發(fā)電機組混合能源控制柜

圖2  光伏和柴發(fā)互補發(fā)電系統(tǒng)框圖

 

二、太陽能與柴發(fā)系統(tǒng)混合模式

 

      混合能源系統(tǒng)原理如圖3所示。系統(tǒng)的控制模式分為以下幾種情況：

1、充電模式

      當陽光充足時，由太陽能供電系統(tǒng)為電池和負載提供電力，混合能源管理系統(tǒng)通過電池電流的檢測，控制太陽能變換器完成電池的充電過程，如圖4所示。蓄電池組充電采用三段式充電模式，具體過程如下：

① 第一階段

      恒流充電階段。通過調(diào)節(jié)充電電壓，使充電電流保持恒定（膠體電池充電電流為0.15C左右），此時電池充入電量快速增加，電池電壓上升。

② 第二階段

      恒壓充電階段。充電電壓保持恒定，充入電量繼續(xù)增加，充電電流下降。

③ 第三階段

      浮充充電階段。充電電流降至低于浮充轉(zhuǎn)換電流時，電池轉(zhuǎn)入浮充階段。

      監(jiān)測到電池轉(zhuǎn)入浮充階段約3h后，蓄電池組充電結(jié)束。

 

圖3  發(fā)電機組合能源管理系統(tǒng)示意圖

圖4  光伏系統(tǒng)供電模式

 

2、太陽能與電池聯(lián)合供電

      當太陽能供電系統(tǒng)不能單獨滿足系統(tǒng)的供電時，這時系統(tǒng)由太陽能變換器和電池共同為系統(tǒng)供電，如圖5所示。

3、太陽能與柴發(fā)聯(lián)合供電

      隨著電池的放電，系統(tǒng)的直流電壓會逐漸地降低。當太陽能不能完全滿足系統(tǒng)的供電，電池的直流電壓會持續(xù)地降低，當電壓低于系統(tǒng)設(shè)置的電壓下限時，由混合能源管理系統(tǒng)控制啟動柴油發(fā)電機組工作，通過整流器為系統(tǒng)供電，同時混合能源管理系統(tǒng)控制整流器為蓄電池組充電，如圖6所示。

 

圖5  光伏系統(tǒng)和蓄電池組共同供電模式

圖6  柴油發(fā)電機組供電模式

 

4、智能供電切換

      在柴油發(fā)電機組工作時，混合能源管理系統(tǒng)檢測太陽能供電系統(tǒng)，當太陽能充足時，由柴油發(fā)電機組切換至太陽能供電，柴油發(fā)電機組停止工作，如圖7所示。當太陽能供電不足，由電池組為系統(tǒng)供電，當蓄電池電壓低至電壓下限時，啟動柴油發(fā)電系統(tǒng)又失敗時，電池電壓將會繼續(xù)降低，當電池電壓低至電池電壓保護值時，由混合能源管理系統(tǒng)控制電池控制單元開關(guān)脫扣，以保護電池，如圖8所示。

 

圖7  柴油發(fā)電機組切換至光伏系統(tǒng)供電模式

圖8  因保護切斷蓄電池組無法供電模式

 

三、風(fēng)能與柴發(fā)混合模式

 

1、風(fēng)力柴發(fā)混合發(fā)電系統(tǒng)的仿真

（1）風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統(tǒng)概述

      風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統(tǒng)是由柴油機驅(qū)動的同步發(fā)電機和風(fēng)力機驅(qū)動的異步電機組成的發(fā)電部分，以及頻率調(diào)整裝置和負荷構(gòu)成。當風(fēng)速低的時候，異步電機和柴油機驅(qū)動的同步電機共同向負荷供給電力；而當風(fēng)速高到能夠提供所有負荷功率消耗時，關(guān)掉柴油發(fā)動機，由風(fēng)力機驅(qū)動下的異步電機供給全部電力消耗。在風(fēng)力供電大于負荷用電量的情況下，同步電機用作同步調(diào)相機，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，通過勵磁裝置的調(diào)節(jié)控制保證供電電壓的穩(wěn)定。為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率，使之穩(wěn)定在額定頻率，一個可以分級調(diào)節(jié)的配平負載被用于吸收超過實際負荷功率的風(fēng)能。這個可調(diào)的配平負荷的具體投切量由頻率偏移額定頻率的情況決定。

（2）仿真流程和實現(xiàn)

      Matlab的simulink/powersystem工具箱提供了異步電機、同步電機等基本電氣元件的數(shù)學(xué)模型單元，只需將需要的對象拖人仿真文件工作窗口即可，并雙擊后輸入對象的電氣參數(shù)。

     風(fēng)力機的特性是一定的風(fēng)速和一定風(fēng)葉轉(zhuǎn)速就對應(yīng)一個數(shù)值的機械功率，形成轉(zhuǎn)矩加在異步電機的轉(zhuǎn)子軸上，即原動轉(zhuǎn)矩。異步電機在風(fēng)力機的驅(qū)動下，無論在低同步轉(zhuǎn)動，還是高同步轉(zhuǎn)動都能處于發(fā)電狀態(tài)；如果異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工作在同步轉(zhuǎn)速偏高附近的范圍，可以獲得最好的風(fēng)能電能轉(zhuǎn)換效率。通過測量風(fēng)速和異步電機的轉(zhuǎn)速，由特性關(guān)系知道加在電機軸上的力矩，Matlab提供了查函數(shù)表的單元，仿真結(jié)構(gòu)。

      同步電機的勵磁系統(tǒng)向同步電機提供勵磁功率，起著調(diào)節(jié)電壓、保持發(fā)電網(wǎng)電壓恒定的作用，并可控制并列運行發(fā)電機的無功功率分配。在仿真系統(tǒng)中為了分析電網(wǎng)頻率隨負載投入的波動情況，認為風(fēng)力足夠負載使用時，同步電機處于電動調(diào)相運行狀態(tài)，異步電機發(fā)電的功率因數(shù)無法自己調(diào)節(jié)，在本系統(tǒng)中就通過調(diào)節(jié)同步電機的勵磁實現(xiàn)。其實現(xiàn)基本原理就是通過測量電網(wǎng)電壓與給定電壓的比較，通過PI調(diào)節(jié)同步機的勵磁電流的大小而改變轉(zhuǎn)子功以及電機端電壓。Powersystem中直接提供了勵磁模塊。

      頻率調(diào)節(jié)器使用一個標準的三相鎖相環(huán)來測量系統(tǒng)的頻率。測量到的電網(wǎng)頻率與參考頻率作比較，得出頻率誤差，這個誤差信號經(jīng)積分運算得到相位誤差，再與給定容許相位誤差比較，經(jīng)比例微分環(huán)節(jié)后產(chǎn)生一個模擬控制信號。這個模擬信號經(jīng)過數(shù)字化后變成八位的數(shù)字量，用來控制配平負載的投切量，從而改變了發(fā)電機的電流大小，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定，為了使切換過程電壓波動最小，開關(guān)采用交流電壓過零的時候操作。

      系統(tǒng)中還用到了三相電壓電流的測量單元，可以非常方便測量顯示有功及無功的波形。

2、仿真結(jié)果

      仿真系統(tǒng)由一臺同步發(fā)電機及勵磁模塊、一臺異步電機及風(fēng)力機模塊、一個頻率調(diào)節(jié)器和一個可256級調(diào)節(jié)的三相電阻構(gòu)成的配平負載、一個主負載、一個次負載、一個負載投切開關(guān)和功率因數(shù)補償電容構(gòu)成。

      風(fēng)速給定為10m/s，異步電機運行在高于同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電狀態(tài)(本系統(tǒng)電網(wǎng)頻率定為60 Hz)，根據(jù)風(fēng)力機的特性圖，風(fēng)力機輸出功率是206kW，減去異步電機的損耗，異步電機輸出200 kW功率。當主負載消耗50 kW功率時，為了維持穩(wěn)定的60 Hz電網(wǎng)頻率，配平負載要消耗150 kW功率。在時間0.2 s時，又有25kW負載投入電網(wǎng)，瞬時電網(wǎng)頻率降到59.8 Hz。這個時候頻率調(diào)節(jié)器根據(jù)頻率的偏移，自動減小配平負載以使電網(wǎng)頻率回到60 Hz，從仿真波形可以看出電壓維持不變、配平負載變化范圍從446.25～0kW變化，以1.75 kW步進。

      從仿真波形可以看出：電網(wǎng)頻率在0.5 s隨負載的投人發(fā)生了波動，1.5 s后又回到了原來頻率，這個過程中的電網(wǎng)電壓一直保持穩(wěn)定；整個電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)。實驗結(jié)果證明了該系統(tǒng)可靠性以及良好的動態(tài)響應(yīng)性能。

 

 總結(jié)：

      基于一次性能源日益匱乏、新能源蓬勃發(fā)展的情況，新能源和柴發(fā)系統(tǒng)互補的發(fā)電模式受到了更多的關(guān)注和重視，越來越多的發(fā)展中國家開始重點發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。本文中闡述的光柴、風(fēng)柴互補發(fā)電系統(tǒng)可以有效保證供電工作的穩(wěn)定性和安全性，以有效提高微電網(wǎng)發(fā)電站的整體發(fā)電工作質(zhì)量，防止微電網(wǎng)發(fā)電存在異常波動問題。通過有功功率參考值的實現(xiàn)，將電壓的測量環(huán)節(jié)直接進行對應(yīng)的數(shù)據(jù)收集，然后和系統(tǒng)的額定電壓之間進行有效對比，通過該環(huán)節(jié)的計算工作之后，可以有效得到無功功率的真實參考值大小。

 

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