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發(fā)電機組的混合能源電站智慧管理系統 |
摘要：近年來(lái)，可再生能源發(fā)展很快，已經(jīng)成為世界各國能源發(fā)展戰略的重要組成部分，而風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用正是其中重要的內容。風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的類(lèi)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，該系統適于在一些偏遠的地區或孤島微電網(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)電機組混合發(fā)電系統是一種最好的選擇。并通過(guò)使用仿真軟件Matlab的powersystem工具箱構建該系統仿真模型，具體地分析了風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統的動(dòng)態(tài)性能。結果表明風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電技術(shù)非常適合偏遠地區的電力供應，仿真分析證明了系統性能的可靠性。
一、混合能源管理系統功能
發(fā)電機組的混合能源電站控制單元是一個(gè)智能控制系統，采用Linux的操作系統，具有強大的通信及控制功能?？刂茊卧哂信c系統內設備的通信接口，實(shí)時(shí)讀取設備的數據并對系統內的設備進(jìn)行控制；實(shí)時(shí)采集直流母線(xiàn)電壓及電池組的充放電電流，根據控制策略完成系統的控制；具備遠程通信接口，可實(shí)現混合能源系統的集中化管理?？刂乒窠Y構組成如圖1所示。
1、控制功能
（1）強大的本地數據顯示功能，實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能變換器、整流器、電池組、逆變器的數據，檢測設備和系統的工作狀態(tài)，本地顯示這些數據并傳送至集中監控系統。
（2）檢測系統的工作狀態(tài)，可實(shí)時(shí)監測，出現異常情況時(shí)進(jìn)行報警操作，并進(jìn)行報警記錄，記錄的條數大于1000條?？杀镜鼗蜻h程查詢(xún)報警記錄。
（3）可以根據系統的配置對系統的參數進(jìn)行設置，例如：電池的安時(shí)數，報警的閾值和其他的參數。
（4）可對系統中設備進(jìn)行控制，例如：柴油發(fā)電機組的起停，電池開(kāi)關(guān)的通斷。
（5）具有遠程監控功能，豐富的通信接口，可通過(guò)TCP/IP、RS232/485及干接點(diǎn)等進(jìn)行遠程監控。
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)電系統當中，重點(diǎn)包含了光伏發(fā)電系統、柴油發(fā)電機、后備發(fā)電系統、逆變系統控制系統以及蓄電池等幾個(gè)重要環(huán)節所構成，是集太陽(yáng)能、柴油發(fā)電機以及蓄電池等多種不同能源開(kāi)發(fā)技術(shù)于一體的復合型可再生能源發(fā)電系統。具體結構如圖2所示。
光伏發(fā)電環(huán)節可以有效運用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能有效地轉化成電能，然后對蓄電池組進(jìn)行充電的同時(shí)，通過(guò)逆變器直接將直流電轉化成交流電對負載來(lái)進(jìn)行供電，柴油機作為后備輔助發(fā)電設施，有效保證了用電設備的工作連續性，使得整個(gè)供電系統更加穩定，在逆變系統當中主要是通過(guò)多臺逆變器設備所組成，將蓄電池當中的直流電轉化成標準的220 V交流電源，充分保證了交流電負載設備的正常使用，同時(shí)還具有良好的自動(dòng)穩壓功能，可以有效改變光柴互補發(fā)電系統的供電質(zhì)量。
在控制工作環(huán)節當中需要對日照的強度以及柴油機組的工作負載狀況來(lái)進(jìn)行有效切換和調節，一方面來(lái)講需要將調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(mǎn)足負載的需求時(shí)，需要將蓄電池當中的電能直接進(jìn)行補充，有效保證了整個(gè)供電系統的供電聯(lián)系和供電穩定性。蓄電池組模塊當中通過(guò)多塊電池組設施所構成，在供電系統當中起到了良好的電能調節和電能平衡負載等相關(guān)作用，將光伏發(fā)電系統輸出的電能直接轉化成化學(xué)能進(jìn)行儲存，以此在供電系統供電不足的情況下來(lái)進(jìn)行補充使用。
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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)電系統框圖 |
二、太陽(yáng)能與柴發(fā)系統混合模式
混合能源系統原理如圖3所示。系統的控制模式分為以下幾種情況：
1、充電模式
當陽(yáng)光充足時(shí)，由太陽(yáng)能供電系統為電池和負載提供電力，混合能源管理系統通過(guò)電池電流的檢測，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)調節充電電壓，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換電流時(shí)，電池轉入浮充階段。
監測到電池轉入浮充階段約3h后，蓄電池組充電結束。
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圖3 發(fā)電機組合能源管理系統示意圖 |
圖4 光伏系統供電模式 |
2、太陽(yáng)能與電池聯(lián)合供電
當太陽(yáng)能供電系統不能單獨滿(mǎn)足系統的供電時(shí)，這時(shí)系統由太陽(yáng)能變換器和電池共同為系統供電，如圖5所示。
3、太陽(yáng)能與柴發(fā)聯(lián)合供電
隨著(zhù)電池的放電，系統的直流電壓會(huì )逐漸地降低。當太陽(yáng)能不能完全滿(mǎn)足系統的供電，電池的直流電壓會(huì )持續地降低，當電壓低于系統設置的電壓下限時(shí)，由混合能源管理系統控制啟動(dòng)柴油發(fā)電機組工作，通過(guò)整流器為系統供電，同時(shí)混合能源管理系統控制整流器為蓄電池組充電，如圖6所示。
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圖5 光伏系統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(shí)，混合能源管理系統檢測太陽(yáng)能供電系統，當太陽(yáng)能充足時(shí)，由柴油發(fā)電機組切換至太陽(yáng)能供電，柴油發(fā)電機組停止工作，如圖7所示。當太陽(yáng)能供電不足，由電池組為系統供電，當蓄電池電壓低至電壓下限時(shí)，啟動(dòng)柴油發(fā)電系統又失敗時(shí)，電池電壓將會(huì )繼續降低，當電池電壓低至電池電壓保護值時(shí)，由混合能源管理系統控制電池控制單元開(kāi)關(guān)脫扣，以保護電池，如圖8所示。
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圖7 柴油發(fā)電機組切換至光伏系統供電模式 |
圖8 因保護切斷蓄電池組無(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)電系統的仿真
（1）風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統概述
風(fēng)力和柴發(fā)混合發(fā)電系統是由柴油機驅動(dòng)的同步發(fā)電機和風(fēng)力機驅動(dòng)的異步電機組成的發(fā)電部分，以及頻率調整裝置和負荷構成。當風(fēng)速低的時(shí)候，異步電機和柴油機驅動(dòng)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(shí)，關(guān)掉柴油發(fā)動(dòng)機，由風(fēng)力機驅動(dòng)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相機，調節功率因數，通過(guò)勵磁裝置的調節控制保證供電電壓的穩定。為了調節系統的頻率，使之穩定在額定頻率，一個(gè)可以分級調節的配平負載被用于吸收超過(guò)實(shí)際負荷功率的風(fēng)能。這個(gè)可調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(shí)現
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。
風(fēng)力機的特性是一定的風(fēng)速和一定風(fēng)葉轉速就對應一個(gè)數值的機械功率，形成轉矩加在異步電機的轉子軸上，即原動(dòng)轉矩。異步電機在風(fēng)力機的驅動(dòng)下，無(wú)論在低同步轉動(dòng)，還是高同步轉動(dòng)都能處于發(fā)電狀態(tài)；如果異步電機的轉子轉速工作在同步轉速偏高附近的范圍，可以獲得最好的風(fēng)能電能轉換效率。通過(guò)測量風(fēng)速和異步電機的轉速，由特性關(guān)系知道加在電機軸上的力矩，Matlab提供了查函數表的單元，仿真結構。
同步電機的勵磁系統向同步電機提供勵磁功率，起著(zhù)調節電壓、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(wú)功功率分配。在仿真系統中為了分析電網(wǎng)頻率隨負載投入的波動(dòng)情況，認為風(fēng)力足夠負載使用時(shí)，同步電機處于電動(dòng)調相運行狀態(tài)，異步電機發(fā)電的功率因數無(wú)法自己調節，在本系統中就通過(guò)調節同步電機的勵磁實(shí)現。其實(shí)現基本原理就是通過(guò)測量電網(wǎng)電壓與給定電壓的比較，通過(guò)PI調節同步機的勵磁電流的大小而改變轉子功以及電機端電壓。Powersystem中直接提供了勵磁模塊。
頻率調節器使用一個(gè)標準的三相鎖相環(huán)來(lái)測量系統的頻率。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)節后產(chǎn)生一個(gè)模擬控制信號。這個(gè)模擬信號經(jīng)過(guò)數字化后變成八位的數字量，用來(lái)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)電機轉速以及電網(wǎng)頻率保持穩定，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(wú)功的波形。
2、仿真結果
仿真系統由一臺同步發(fā)電機及勵磁模塊、一臺異步電機及風(fēng)力機模塊、一個(gè)頻率調節器和一個(gè)可256級調節的三相電阻構成的配平負載、一個(gè)主負載、一個(gè)次負載、一個(gè)負載投切開(kāi)關(guān)和功率因數補償電容構成。
風(fēng)速給定為10m/s，異步電機運行在高于同步轉速的發(fā)電狀態(tài)(本系統電網(wǎng)頻率定為60 Hz)，根據風(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(shí)，為了維持穩定的60 Hz電網(wǎng)頻率，配平負載要消耗150 kW功率。在時(shí)間0.2 s時(shí)，又有25kW負載投入電網(wǎng)，瞬時(shí)電網(wǎng)頻率降到59.8 Hz。這個(gè)時(shí)候頻率調節器根據頻率的偏移，自動(dòng)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(jìn)。
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(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)電壓一直保持穩定；整個(gè)電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)。實(shí)驗結果證明了該系統可靠性以及良好的動(dòng)態(tài)響應性能。
總結：
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)系統互補的發(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)柴互補發(fā)電系統可以有效保證供電工作的穩定性和安全性，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，將電壓的測量環(huán)節直接進(jìn)行對應的數據收集，然后和系統的額定電壓之間進(jìn)行有效對比，通過(guò)該環(huán)節的計算工作之后，可以有效得到無(wú)功功率的真實(shí)參考值大小。
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