新聞主題	發(fā)電機(jī)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(yuǎn)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(jī)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(yuǎn)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(jī)組的混合能源電站控制單元是一個(gè)智能控制系統(tǒng)，采用Linux的操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)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(shí)時(shí)讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)并對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制；實(shí)時(shí)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(yuǎn)程通信接口，可實(shí)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(qiáng)大的本地?cái)?shù)據(jù)顯示功能，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警操作，并進(jìn)行報(bào)警記錄，記錄的條數(shù)大于1000條。可本地或遠(yuǎn)程查詢報(bào)警記錄。

（3）可以根據(jù)系統(tǒng)的配置對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如：電池的安時(shí)數(shù)，報(bào)警的閾值和其他的參數(shù)。

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

（5）具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，豐富的通信接口，可通過TCP/IP、RS232/485及干接點(diǎn)等進(jìn)行遠(yuǎn)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，重點(diǎn)包含了光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、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(gè)重要環(huán)節(jié)所構(gòu)成，是集太陽能、柴油發(fā)電機(jī)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(yùn)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(jìn)行充電的同時(shí)，通過逆變器直接將直流電轉(zhuǎn)化成交流電對負(fù)載來進(jìn)行供電，柴油機(jī)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(gè)供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在逆變系統(tǒng)當(dāng)中主要是通過多臺逆變器設(shè)備所組成，將蓄電池當(dāng)中的直流電轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的220 V交流電源，充分保證了交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用，同時(shí)還具有良好的自動穩(wěn)壓功能，可以有效改變光柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

      在控制工作環(huán)節(jié)當(dāng)中需要對日照的強(qiáng)度以及柴油機(jī)組的工作負(fù)載狀況來進(jìn)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(fù)載當(dāng)中；另一方面，將多余的電力資源直接儲存到蓄電池當(dāng)中，當(dāng)發(fā)電量不能有效滿足負(fù)載的需求時(shí)，需要將蓄電池當(dāng)中的電能直接進(jìn)行補(bǔ)充，有效保證了整個(gè)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(dāng)中通過多塊電池組設(shè)施所構(gòu)成，在供電系統(tǒng)當(dāng)中起到了良好的電能調(diào)節(jié)和電能平衡負(fù)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(jìn)行儲存，以此在供電系統(tǒng)供電不足的情況下來進(jìn)行補(bǔ)充使用。

 

圖1  發(fā)電機(jī)組混合能源控制柜

圖2  光伏和柴發(fā)互補(bǔ)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(dāng)陽光充足時(shí)，由太陽能供電系統(tǒng)為電池和負(fù)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(shí)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(shí)，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(jī)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(dāng)太陽能供電系統(tǒng)不能單獨(dú)滿足系統(tǒng)的供電時(shí)，這時(shí)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(dāng)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(dāng)電壓低于系統(tǒng)設(shè)置的電壓下限時(shí)，由混合能源管理系統(tǒng)控制啟動柴油發(fā)電機(jī)組工作，通過整流器為系統(tǒng)供電，同時(shí)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(jī)組供電模式

 

4、智能供電切換

      在柴油發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，混合能源管理系統(tǒng)檢測太陽能供電系統(tǒng)，當(dāng)太陽能充足時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)組切換至太陽能供電，柴油發(fā)電機(jī)組停止工作，如圖7所示。當(dāng)太陽能供電不足，由電池組為系統(tǒng)供電，當(dāng)蓄電池電壓低至電壓下限時(shí)，啟動柴油發(fā)電系統(tǒng)又失敗時(shí)，電池電壓將會繼續(xù)降低，當(dāng)電池電壓低至電池電壓保護(hù)值時(shí)，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(hù)電池，如圖8所示。

 

圖7  柴油發(fā)電機(jī)組切換至光伏系統(tǒng)供電模式

圖8  因保護(hù)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(jī)驅(qū)動的同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的異步電機(jī)組成的發(fā)電部分，以及頻率調(diào)整裝置和負(fù)荷構(gòu)成。當(dāng)風(fēng)速低的時(shí)候，異步電機(jī)和柴油機(jī)驅(qū)動的同步電機(jī)共同向負(fù)荷供給電力；而當(dāng)風(fēng)速高到能夠提供所有負(fù)荷功率消耗時(shí)，關(guān)掉柴油發(fā)動機(jī)，由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動下的異步電機(jī)供給全部電力消耗。在風(fēng)力供電大于負(fù)荷用電量的情況下，同步電機(jī)用作同步調(diào)相機(jī)，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(gè)可以分級調(diào)節(jié)的配平負(fù)載被用于吸收超過實(shí)際負(fù)荷功率的風(fēng)能。這個(gè)可調(diào)的配平負(fù)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(shí)現(xiàn)

      Matlab的simulink/powersystem工具箱提供了異步電機(jī)、同步電機(jī)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(jī)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(gè)數(shù)值的機(jī)械功率，形成轉(zhuǎn)矩加在異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，即原動轉(zhuǎn)矩。異步電機(jī)在風(fēng)力機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，由特性關(guān)系知道加在電機(jī)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(jī)的勵磁系統(tǒng)向同步電機(jī)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(yùn)行發(fā)電機(jī)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(fù)載投入的波動情況，認(rèn)為風(fēng)力足夠負(fù)載使用時(shí)，同步電機(jī)處于電動調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)，異步電機(jī)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(jī)的勵磁實(shí)現(xiàn)。其實(shí)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(jī)的勵磁電流的大小而改變轉(zhuǎn)子功以及電機(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)誤差信號經(jīng)積分運(yùn)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(gè)模擬控制信號。這個(gè)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(fù)載的投切量，從而改變了發(fā)電機(jī)的電流大小，使發(fā)電機(jī)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(shí)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(jī)及勵磁模塊、一臺異步電機(jī)及風(fēng)力機(jī)模塊、一個(gè)頻率調(diào)節(jié)器和一個(gè)可256級調(diào)節(jié)的三相電阻構(gòu)成的配平負(fù)載、一個(gè)主負(fù)載、一個(gè)次負(fù)載、一個(gè)負(fù)載投切開關(guān)和功率因數(shù)補(bǔ)償電容構(gòu)成。

      風(fēng)速給定為10m/s，異步電機(jī)運(yùn)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(jī)的特性圖，風(fēng)力機(jī)輸出功率是206kW，減去異步電機(jī)的損耗，異步電機(jī)輸出200 kW功率。當(dāng)主負(fù)載消耗50 kW功率時(shí)，為了維持穩(wěn)定的60 Hz電網(wǎng)頻率，配平負(fù)載要消耗150 kW功率。在時(shí)間0.2 s時(shí)，又有25kW負(fù)載投入電網(wǎng)，瞬時(shí)電網(wǎng)頻率降到59.8 Hz。這個(gè)時(shí)候頻率調(diào)節(jié)器根據(jù)頻率的偏移，自動減小配平負(fù)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(fù)載變化范圍從446.25～0kW變化，以1.75 kW步進(jìn)。

      從仿真波形可以看出：電網(wǎng)頻率在0.5 s隨負(fù)載的投人發(fā)生了波動，1.5 s后又回到了原來頻率，這個(gè)過程中的電網(wǎng)電壓一直保持穩(wěn)定；整個(gè)電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)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(bǔ)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(diǎn)發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。本文中闡述的光柴、風(fēng)柴互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)，將電壓的測量環(huán)節(jié)直接進(jìn)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(jìn)行有效對比，通過該環(huán)節(jié)的計(jì)算工作之后，可以有效得到無功功率的真實(shí)參考值大小。

 

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