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发电机组的混合能源电站智慧管理系统 |
摘要：近年来，可再生能源发展很快，已经成为世界各国能源发展战略的重要组成部分，而风能和太阳能的利用正是其中重要的内容。风能和太阳能发电的类型有很多种，本文要研究的是风能和太阳能、柴发混合发电系统，该系统适于在一些偏远的地区或孤岛微电网的使用。由于不能并网供电，为了保证供电的可靠性，采用风能和太阳能、柴油发电机组混合发电系统是一种最好的选择。并通过使用仿真软件Matlab的powersystem工具箱构建该系统仿真模型，具体地分析了风力和柴发混合发电系统的动态性能。结果表明风力和柴发混合发电技术非常适合偏远地区的电力供应，仿真分析证明了系统性能的可靠性。
一、混合能源管理系统功能
发电机组的混合能源电站控制单元是一个智能控制系统，采用Linux的操作系统，具有强大的通信及控制功能。控制单元具有与系统内设备的通信接口，实时读取设备的数据并对系统内的设备进行控制；实时采集直流母线电压及电池组的充放电电流，根据控制策略完成系统的控制；具备远程通信接口，可实现混合能源系统的集中化管理。控制柜结构组成如图1所示。
1、控制功能
（1）强大的本地数据显示功能，实时采集太阳能变换器、整流器、电池组、逆变器的数据，检测设备和系统的工作状态，本地显示这些数据并传送至集中监控系统。
（2）检测系统的工作状态，可实时监测，出现异常情况时进行报警操作，并进行报警记录，记录的条数大于1000条。可本地或远程查询报警记录。
（3）可以根据系统的配置对系统的参数进行设置，例如：电池的安时数，报警的阈值和其他的参数。
（4）可对系统中设备进行控制，例如：柴油发电机组的起停，电池开关的通断。
（5）具有远程监控功能，丰富的通信接口，可通过TCP/IP、RS232/485及干接点等进行远程监控。
2、工作原理
以光伏新能源为例，在比较典型的柴油光伏互补发电系统当中，重点包含了光伏发电系统、柴油发电机、后备发电系统、逆变系统控制系统以及蓄电池等几个重要环节所构成，是集太阳能、柴油发电机以及蓄电池等多种不同能源开发技术于一体的复合型可再生能源发电系统。具体结构如图2所示。
光伏发电环节可以有效运用太阳能电池板将太阳能有效地转化成电能，然后对蓄电池组进行充电的同时，通过逆变器直接将直流电转化成交流电对负载来进行供电，柴油机作为后备辅助发电设施，有效保证了用电设备的工作连续性，使得整个供电系统更加稳定，在逆变系统当中主要是通过多台逆变器设备所组成，将蓄电池当中的直流电转化成标准的220 V交流电源，充分保证了交流电负载设备的正常使用，同时还具有良好的自动稳压功能，可以有效改变光柴互补发电系统的供电质量。
在控制工作环节当中需要对日照的强度以及柴油机组的工作负载状况来进行有效切换和调节，一方面来讲需要将调整完成之后的电力资源直接送往直流或者是交流负载当中；另一方面，将多余的电力资源直接储存到蓄电池当中，当发电量不能有效满足负载的需求时，需要将蓄电池当中的电能直接进行补充，有效保证了整个供电系统的供电联系和供电稳定性。蓄电池组模块当中通过多块电池组设施所构成，在供电系统当中起到了良好的电能调节和电能平衡负载等相关作用，将光伏发电系统输出的电能直接转化成化学能进行储存，以此在供电系统供电不足的情况下来进行补充使用。
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图1 发电机组混合能源控制柜 |
图2 光伏和柴发互补发电系统框图 |
二、太阳能与柴发系统混合模式
混合能源系统原理如图3所示。系统的控制模式分为以下几种情况：
1、充电模式
当阳光充足时，由太阳能供电系统为电池和负载提供电力，混合能源管理系统通过电池电流的检测，控制太阳能变换器完成电池的充电过程，如图4所示。蓄电池组充电采用三段式充电模式，具体过程如下：
① 第一阶段
恒流充电阶段。通过调节充电电压，使充电电流保持恒定（胶体电池充电电流为0.15C左右），此时电池充入电量快速增加，电池电压上升。
② 第二阶段
恒压充电阶段。充电电压保持恒定，充入电量继续增加，充电电流下降。
③ 第三阶段
浮充充电阶段。充电电流降至低于浮充转换电流时，电池转入浮充阶段。
监测到电池转入浮充阶段约3h后，蓄电池组充电结束。
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图3 发电机组合能源管理系统示意图 |
图4 光伏系统供电模式 |
2、太阳能与电池联合供电
当太阳能供电系统不能单独满足系统的供电时，这时系统由太阳能变换器和电池共同为系统供电，如图5所示。
3、太阳能与柴发联合供电
随着电池的放电，系统的直流电压会逐渐地降低。当太阳能不能完全满足系统的供电，电池的直流电压会持续地降低，当电压低于系统设置的电压下限时，由混合能源管理系统控制启动柴油发电机组工作，通过整流器为系统供电，同时混合能源管理系统控制整流器为蓄电池组充电，如图6所示。
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图5 光伏系统和蓄电池组共同供电模式 |
图6 柴油发电机组供电模式 |
4、智能供电切换
在柴油发电机组工作时，混合能源管理系统检测太阳能供电系统，当太阳能充足时，由柴油发电机组切换至太阳能供电，柴油发电机组停止工作，如图7所示。当太阳能供电不足，由电池组为系统供电，当蓄电池电压低至电压下限时，启动柴油发电系统又失败时，电池电压将会继续降低，当电池电压低至电池电压保护值时，由混合能源管理系统控制电池控制单元开关脱扣，以保护电池，如图8所示。
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图7 柴油发电机组切换至光伏系统供电模式 |
图8 因保护切断蓄电池组无法供电模式 |
三、风能与柴发混合模式
1、风力柴发混合发电系统的仿真
（1）风力和柴发混合发电系统概述
风力和柴发混合发电系统是由柴油机驱动的同步发电机和风力机驱动的异步电机组成的发电部分，以及频率调整装置和负荷构成。当风速低的时候，异步电机和柴油机驱动的同步电机共同向负荷供给电力；而当风速高到能够提供所有负荷功率消耗时，关掉柴油发动机，由风力机驱动下的异步电机供给全部电力消耗。在风力供电大于负荷用电量的情况下，同步电机用作同步调相机，调节功率因数，通过励磁装置的调节控制保证供电电压的稳定。为了调节系统的频率，使之稳定在额定频率，一个可以分级调节的配平负载被用于吸收超过实际负荷功率的风能。这个可调的配平负荷的具体投切量由频率偏移额定频率的情况决定。
（2）仿真流程和实现
Matlab的simulink/powersystem工具箱提供了异步电机、同步电机等基本电气元件的数学模型单元，只需将需要的对象拖人仿真文件工作窗口即可，并双击后输入对象的电气参数。
风力机的特性是一定的风速和一定风叶转速就对应一个数值的机械功率，形成转矩加在异步电机的转子轴上，即原动转矩。异步电机在风力机的驱动下，无论在低同步转动，还是高同步转动都能处于发电状态；如果异步电机的转子转速工作在同步转速偏高附近的范围，可以获得最好的风能电能转换效率。通过测量风速和异步电机的转速，由特性关系知道加在电机轴上的力矩，Matlab提供了查函数表的单元，仿真结构。
同步电机的励磁系统向同步电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电网电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无功功率分配。在仿真系统中为了分析电网频率随负载投入的波动情况，认为风力足够负载使用时，同步电机处于电动调相运行状态，异步电机发电的功率因数无法自己调节，在本系统中就通过调节同步电机的励磁实现。其实现基本原理就是通过测量电网电压与给定电压的比较，通过PI调节同步机的励磁电流的大小而改变转子功以及电机端电压。Powersystem中直接提供了励磁模块。
频率调节器使用一个标准的三相锁相环来测量系统的频率。测量到的电网频率与参考频率作比较，得出频率误差，这个误差信号经积分运算得到相位误差，再与给定容许相位误差比较，经比例微分环节后产生一个模拟控制信号。这个模拟信号经过数字化后变成八位的数字量，用来控制配平负载的投切量，从而改变了发电机的电流大小，使发电机转速以及电网频率保持稳定，为了使切换过程电压波动最小，开关采用交流电压过零的时候操作。
系统中还用到了三相电压电流的测量单元，可以非常方便测量显示有功及无功的波形。
2、仿真结果
仿真系统由一台同步发电机及励磁模块、一台异步电机及风力机模块、一个频率调节器和一个可256级调节的三相电阻构成的配平负载、一个主负载、一个次负载、一个负载投切开关和功率因数补偿电容构成。
风速给定为10m/s，异步电机运行在高于同步转速的发电状态(本系统电网频率定为60 Hz)，根据风力机的特性图，风力机输出功率是206kW，减去异步电机的损耗，异步电机输出200 kW功率。当主负载消耗50 kW功率时，为了维持稳定的60 Hz电网频率，配平负载要消耗150 kW功率。在时间0.2 s时，又有25kW负载投入电网，瞬时电网频率降到59.8 Hz。这个时候频率调节器根据频率的偏移，自动减小配平负载以使电网频率回到60 Hz，从仿真波形可以看出电压维持不变、配平负载变化范围从446.25～0kW变化，以1.75 kW步进。
从仿真波形可以看出：电网频率在0.5 s随负载的投人发生了波动，1.5 s后又回到了原来频率，这个过程中的电网电压一直保持稳定；整个电网的功率一直保持平衡状态。实验结果证明了该系统可靠性以及良好的动态响应性能。
总结：
基于一次性能源日益匮乏、新能源蓬勃发展的情况，新能源和柴发系统互补的发电模式受到了更多的关注和重视，越来越多的发展中国家开始重点发展新能源产业。本文中阐述的光柴、风柴互补发电系统可以有效保证供电工作的稳定性和安全性，以有效提高微电网发电站的整体发电工作质量，防止微电网发电存在异常波动问题。通过有功功率参考值的实现，将电压的测量环节直接进行对应的数据收集，然后和系统的额定电压之间进行有效对比，通过该环节的计算工作之后，可以有效得到无功功率的真实参考值大小。
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