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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(lái),可再生能源發(fā)展很快,已經(jīng)成為世界各國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,而風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用正是其中重要的內(nèi)容。風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的類型有很多種,本文要研究的是風(fēng)能和太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(dòng)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??刂茊卧哂信c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(duì)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??刂乒窠Y(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(yáng)能變換器、整流器、電池組、逆變器的數(shù)據(jù),檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(duì)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(duì)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(kāi)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(guò)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(yáng)能、柴油發(fā)電機(jī)以及蓄電池等多種不同能源開(kāi)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(yáng)能電池板將太陽(yáng)能有效地轉(zhuǎn)化成電能,然后對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電的同時(shí),通過(guò)逆變器直接將直流電轉(zhuǎn)化成交流電對(duì)負(fù)載來(lái)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(guò)多臺(tái)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(dòng)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(duì)日照的強(qiáng)度以及柴油機(jī)組的工作負(fù)載狀況來(lái)進(jìn)行有效切換和調(diào)節(jié),一方面來(lái)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(chǔ)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(guò)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(chǔ)存,以此在供電系統(tǒng)供電不足的情況下來(lái)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(yáng)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(yáng)光充足時(shí),由太陽(yáng)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(guò)電池電流的檢測(cè),控制太陽(yáng)能變換器完成電池的充電過(guò)程,如圖4所示。蓄電池組充電采用三段式充電模式,具體過(guò)程如下:
① 第一階段
恒流充電階段。通過(guò)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(cè)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(yáng)能與電池聯(lián)合供電
當(dāng)太陽(yáng)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(yáng)能變換器和電池共同為系統(tǒng)供電,如圖5所示。
3、太陽(yáng)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(huì)逐漸地降低。當(dāng)太陽(yáng)能不能完全滿足系統(tǒng)的供電,電池的直流電壓會(huì)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(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組工作,通過(guò)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(cè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng),當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí),由柴油發(fā)電機(jī)組切換至太陽(yáng)能供電,柴油發(fā)電機(jī)組停止工作,如圖7所示。當(dāng)太陽(yáng)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(dòng)柴油發(fā)電系統(tǒng)又失敗時(shí),電池電壓將會(huì)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(kāi)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(wú)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(dòng)的同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī),由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)勵(lì)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(jí)調(diào)節(jié)的配平負(fù)載被用于吸收超過(guò)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(duì)象拖人仿真文件工作窗口即可,并雙擊后輸入對(duì)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(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩。異步電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,無(wú)論在低同步轉(zhuǎn)動(dòng),還是高同步轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)測(cè)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(lì)磁系統(tǒng)向同步電機(jī)提供勵(lì)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(wú)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(dòng)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(dòng)調(diào)相運(yùn)行狀態(tài),異步電機(jī)發(fā)電的功率因數(shù)無(wú)法自己調(diào)節(jié),在本系統(tǒng)中就通過(guò)調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)基本原理就是通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)電壓與給定電壓的比較,通過(guò)PI調(diào)節(jié)同步機(jī)的勵(lì)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(lì)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(lái)測(cè)量系統(tǒng)的頻率。測(cè)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(hào)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(hào)。這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化后變成八位的數(shù)字量,用來(lái)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(guò)程電壓波動(dòng)最小,開(kāi)關(guān)采用交流電壓過(guò)零的時(shí)候操作。
系統(tǒng)中還用到了三相電壓電流的測(cè)量單元,可以非常方便測(cè)量顯示有功及無(wú)功的波形。
2、仿真結(jié)果
仿真系統(tǒng)由一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁模塊、一臺(tái)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(jí)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(kāi)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(dòng)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(dòng),1.5 s后又回到了原來(lái)頻率,這個(gè)過(guò)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(dòng)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(lái)越多的發(fā)展中國(guó)家開(kāi)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(dòng)問(wèn)題。通過(guò)有功功率參考值的實(shí)現(xiàn),將電壓的測(cè)量環(huán)節(jié)直接進(jìn)行對(duì)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(duì)比,通過(guò)該環(huán)節(jié)的計(jì)算工作之后,可以有效得到無(wú)功功率的真實(shí)參考值大小。
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