分散式风力-太阳能混合发电系统的研制
杨 苹1,杨金明1,刘永强1,张 昊2,吴 捷1
(1.华南理工大学电力学院,广州 510640;2.广东省科学院自动化工程研制中心,广州 510070)
摘 要:对国内外中小型风力发电机组及太阳能发电装置进行了综合分析,采用机电一体化设计和滑模变结构控制技术研制开发实用化的分散式风力-太阳能混合发电系统,统一交流电源品质调节装置对混合发电系统的电能指标进行全局优化,即利用统一的滑模变结构控制实现发电系统的快速电压调节、谐波抑制、功率因数补偿和非线性负荷的三相平衡,为边远地区及分散用户提供稳定的清洁能源。混合发电系统既可独立运行,也可多系统并行运行,必要时还可并网运行。
关键词:风力发电;太阳能;机电一体化;滑模变结构控制
中图分类号:TM315 文献标识码:A 文章编号:1005-7439(2002)03-0113-03
近年来,风力发电和太阳能发电技术发展迅速,10年前,世界风电总功率不到100万kW,如今已超过970万kW。据估计,20年内风电将可满足世界电力需求的10%[1],成为21世纪主要的电源之一。
我国对风力发电和太阳能发电技术也给予高度重视,20年来风力发电和太阳能发电在我国的沿海和新疆、内蒙等地得到了一定的推广应用。
2000年8月,国家计委、国家经贸委等联合发出《关于发展热电联产的规定》,我国的电力工业将由大机组、大电厂、大电网逐步走向大电网和分散电源相结合的新格局。对于边远及分散地区,充分利用当地的自然能源,大力推广风力和太阳能发电,是建立小型分散式电源的最好途径之一。
由于进口的太阳能电池和小型风力发电组比较昂贵,我国的一些研究开发机构虽在相关的开发和研制工作中取得了一些成绩,但存在着太阳能电池造价高,小型风力发电机组造价高、可靠性低、无法长期稳定运行等问题,制约了风力及太阳能发电系统的推广应用。为此,通过机电一体化的设计和先进的控制手段,我们研制开发了经济型的分散式风-光互补的发电系统,可为边远地区及分散用户提供较为经济和稳定的清洁能源。
1 分散式风力-太阳能混合发电系统的结构
分散式风力-太阳能混合发电系统的风力发电机在结构上采用了发电机与齿轮箱机电一体化的紧凑式设计,而太阳能发电则采用太阳能电池板和干式蓄电池。经过整流后的风电输出端与太阳能电池在直流侧并联,经充放电控制器向蓄电池组充电,然后通过逆变器向交流负载供电。如果交流负载要求较高,或需要向电网供电,则可接入电源品质控制器提高混合发电系统的电源品质。系统应用微机监测进行能量管理,以实现风力与太阳能的最优功率匹配、系统操作、运行监控及故障诊断。系统由风力发电机组、太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器、数据采集系统组成见图1。由于太阳能电池和蓄电池的成本较高,为降低系统的整机成本,可根据自然条件适当降低太阳能和蓄电池的比例。
2 风力发电机组
近年来,世界各国相继开发了高效的大型风力发电机组,发电能力大大提高,成本大为降低。目前,风电系统的发展趋势是开发大型并网式风电机组和中小型独立运行式风力发电系统并举[2]。大型并网式风电设备应用于风电场,中小型独立运行式风力发电系统构成的分散式电源可解决边远分散地区的就地供电问题。然而,两者都面临两个急待解决的问题,即实现风能最大捕获和提高电源品质,从而降低风电成本和提高风电的质量,这也是推广风电的关键。将发电机与齿轮箱连为一体的机电一体化设计、鲁棒控制技术和先进的电力电子技术的应用可实现最大风能捕获以及电源品质的控制。
2.1 风力发电机的机电一体化设计
在风力发电机组中,由于风力机的转速一般较低,需经齿轮箱升速后再驱动发电机。通常,为降低成本往往采用柔性结构的传动轴和齿轮箱,以减小系统阻尼,但在自然风速发生随机性变化时,这将导致发电机转速和传动链中的力矩波动幅值增大,损伤机械设备,影响传动链机构的使用寿命。采用发电机与齿轮箱连为一体的发电机外壳设计,不但可使风力发电机组的结构更紧凑,而且动力传动刚度也有所增加,同时还降低了风力发电机组的成本,并使发电设备更便于安装和运输。
2.2 最大风能捕获控制[3]
根据风力发电装置空气动力学,风能利用系数是风速和风轮转速(叶尖速比)的非线性函数,在一定风速下存在着一个对应某一确定转速的极大值。为了充分利用风能资源,提高效率,应该在不同风速下及时调整风机转速,实现风能的最大捕获[4]。
机械装置的摩擦力矩也是转速的非线性函数,在风向与风速随机变化、阵风、负荷突变等情况时,要使发电系统既能工作在最优点,同时又具有很强的跟踪、抗负荷扰动以及参数摄动的能力,系统应具有很强的鲁棒性,而且控制算法尽可能简单和易于实现,采用常规控制方法是无法达到目的的。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上,减少其牵引过程,可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性[5,6]。
2.3 电源品质控制[7,8]
风力发电机并网发电需要向电网提供高品质的电能,要求电能波形好、三相对称、频率恒定、电压刚性好。而风速随机变化给风电带来的大量谐波、混合发电系统应用大功率电力电子逆变装置所造成的非线性特性和负载状况的多样性,不但使三相交流电源品质严重下降,而且威胁电网的安全运行,为此必须对电能质量进行控制。以往的方法是针对不同的要求设计不同的控制器,对各个指标进行局部的优化。我们则采用统一交流电源品质调节装置即利用统一的滑模变结构控制电能指标进行全局优化,采用有源滤波与无源滤波电路相结合的设计,既可保证电压和电流的波形,还可以降低调节装置的成本。有源滤波电路的三相参考电压有两个分量:直轴分量提供负荷的有功指令,交轴分量则提供负荷的无功指令。为了调整负荷端的交流电压,分别由两个滑动模控制器进行闭环控制,从而实现电能质量的统一调整。
3 太阳能发电系统
太阳能发电系统主要由光电池、蓄电池、聚光系统、跟踪系统、充放电装置、逆变装置和控制保护系统构成。研制的太阳能发电系统具有以下特点:
(1)阳光跟踪系统根据地平坐标-双轴跟踪原理,利用光敏探头对阳光强弱进行监测,确定聚光装置的最优方位角,然后采用侍服电机驱动聚光装置实现跟踪,实现太阳能的最大捕获。
(2)智能充电装置可根据蓄电池充电电压、放电深度及伏-安特性,灵活地改变充电电流延长蓄电池寿命同时保证蓄电池容量的充分利用。系统拟采用晶闸管触发系统实现,并可根据检测的结果合理的选择恒流方式或恒压方式进行充电。
(3)逆变装置采用PWM型装置,由信号发生器、功率变换和输出部分组成,其功能是将蓄电池存储的能量转换为电压恒定,波形良好的交流电能。系统拟采用MOS功率管和低耗变压器(或无变压器)以减低变流过程中的损耗,同时设置合理的自锁保护电路以提高设备的可靠性。
(4)控制保护系统以单片机为核心统一监控,实现相关信号的检测、控制、运算和输出。
4 混合发电系统的优化管理[2]
混合发电系统的优化管理由智能监控系统完成。根据分散式风力-太阳能混合发电系统的特点,智能监控系统分为两层,底层是基于微处理芯片的监控层,负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数设定,同时具备与上层通讯的能力;上层是基于微机的协调管理层,主要用于处理多台设备并列运行时的协调控制及并网发电。
4.1 监控层
监控主要包括系统状态监测、充放电控制、参数设定、能量管理和连网通讯等多项内容。
(1)系统状态监测:即对系统运行参数进行监测,如蓄电池电压、负荷需求、风能密度、太阳辐射强度等,这些数据一方面用于系统运行控制,另一方面也可以提供给上层协调管理层使用。
(2)充放电控制:实现蓄电池组的容量选择及充放电控制。由于系统运行的费用很大程度上取决于蓄电池的寿命,电池的寿命很大程度上又取决于能否工作在100%的容量状态附近以及放电后能否快速恢复到该状态,故电池组的容量选择及充放电控制对系统的运行成本有较大影响。
(3)参数设定:实现混合发电系统运行参数的设定,如各种保护极限、蓄电池数量等。该部分功能既可以通过本地操作面板来实现,也可以采用通讯方式由上层协调管理层获得。
(4)能量管理:主要负责处理系统的供电模式切换及负荷控制,根据日照状况、风能密度、蓄电池充电状况和负荷需求灵活调节各部分对外供电的比例。同时它还具有一定的保护功能,例如在蓄电池过放电和过充电时切除部分负荷,或者有选择地暂停风电或太阳能发电系统的运行。
(5)连网通讯:负责与上层监控系统通讯,提供上层系统所需要的运行及设备参数,同时根据上层监控系统的指令改变系统的运行工况。
4.2 协调管理层
上层协调管理层的主要功能包括通讯、数据采集、协调控制、并网、设备诊断等。
(1)通讯:通讯功能包括两部分,一方面它要与底层监控层进行通讯,获得系统运行参数,同时向监控层发送控制指令;另一方面,它还必须具备与电网调度自动化系统及并网设备通讯的能力,以实现混合发电系统向电网供电。
(2)数据采集:这是上层协调管理层运行的基础,它通过与底层监控层的通讯来获得各单机的运行参数和设备状态。
(3)协调控制:当多台设备同时运行时,协调控制层能对全部运行参数进行监测,灵活改变各设备的运行工况,使混合发电系统运行在最优状态下。
(4)并网管理:通过与并网设备的协调工作,实现向电网供电。
(5)设备诊断:对设备运行历史数据进行分析,给出各部件的疲劳程度,为设备检修提供必要信息;在系统出现故障时,指出故障部位,方便检修。
在上述两级智能监控系统的控制下,系统既可以在远离电网的地区作为自治系统单机运行,又可以多机并行运行,并实现系统的优化管理工作;必要的时候,还可以并网向电网送电。
分散式风力-太阳能混合发电系统的研制
杨 苹1,杨金明1,刘永强1,张 昊2,吴 捷1
(1.华南理工大学电力学院,广州 510640;2.广东省科学院自动化工程研制中心,广州 510070)
摘 要:对国内外中小型风力发电机组及太阳能发电装置进行了综合分析,采用机电一体化设计和滑模变结构控制技术研制开发实用化的分散式风力-太阳能混合发电系统,统一交流电源品质调节装置对混合发电系统的电能指标进行全局优化,即利用统一的滑模变结构控制实现发电系统的快速电压调节、谐波抑制、功率因数补偿和非线性负荷的三相平衡,为边远地区及分散用户提供稳定的清洁能源。混合发电系统既可独立运行,也可多系统并行运行,必要时还可并网运行。
关键词:风力发电;太阳能;机电一体化;滑模变结构控制
中图分类号:TM315 文献标识码:A 文章编号:1005-7439(2002)03-0113-03
近年来,风力发电和太阳能发电技术发展迅速,10年前,世界风电总功率不到100万kW,如今已超过970万kW。据估计,20年内风电将可满足世界电力需求的10%[1],成为21世纪主要的电源之一。
我国对风力发电和太阳能发电技术也给予高度重视,20年来风力发电和太阳能发电在我国的沿海和新疆、内蒙等地得到了一定的推广应用。
2000年8月,国家计委、国家经贸委等联合发出《关于发展热电联产的规定》,我国的电力工业将由大机组、大电厂、大电网逐步走向大电网和分散电源相结合的新格局。对于边远及分散地区,充分利用当地的自然能源,大力推广风力和太阳能发电,是建立小型分散式电源的最好途径之一。
由于进口的太阳能电池和小型风力发电组比较昂贵,我国的一些研究开发机构虽在相关的开发和研制工作中取得了一些成绩,但存在着太阳能电池造价高,小型风力发电机组造价高、可靠性低、无法长期稳定运行等问题,制约了风力及太阳能发电系统的推广应用。为此,通过机电一体化的设计和先进的控制手段,我们研制开发了经济型的分散式风-光互补的发电系统,可为边远地区及分散用户提供较为经济和稳定的清洁能源。
1 分散式风力-太阳能混合发电系统的结构
分散式风力-太阳能混合发电系统的风力发电机在结构上采用了发电机与齿轮箱机电一体化的紧凑式设计,而太阳能发电则采用太阳能电池板和干式蓄电池。经过整流后的风电输出端与太阳能电池在直流侧并联,经充放电控制器向蓄电池组充电,然后通过逆变器向交流负载供电。如果交流负载要求较高,或需要向电网供电,则可接入电源品质控制器提高混合发电系统的电源品质。系统应用微机监测进行能量管理,以实现风力与太阳能的最优功率匹配、系统操作、运行监控及故障诊断。系统由风力发电机组、太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器、数据采集系统组成见图1。由于太阳能电池和蓄电池的成本较高,为降低系统的整机成本,可根据自然条件适当降低太阳能和蓄电池的比例。
2 风力发电机组
近年来,世界各国相继开发了高效的大型风力发电机组,发电能力大大提高,成本大为降低。目前,风电系统的发展趋势是开发大型并网式风电机组和中小型独立运行式风力发电系统并举[2]。大型并网式风电设备应用于风电场,中小型独立运行式风力发电系统构成的分散式电源可解决边远分散地区的就地供电问题。然而,两者都面临两个急待解决的问题,即实现风能最大捕获和提高电源品质,从而降低风电成本和提高风电的质量,这也是推广风电的关键。将发电机与齿轮箱连为一体的机电一体化设计、鲁棒控制技术和先进的电力电子技术的应用可实现最大风能捕获以及电源品质的控制。
2.1 风力发电机的机电一体化设计
在风力发电机组中,由于风力机的转速一般较低,需经齿轮箱升速后再驱动发电机。通常,为降低成本往往采用柔性结构的传动轴和齿轮箱,以减小系统阻尼,但在自然风速发生随机性变化时,这将导致发电机转速和传动链中的力矩波动幅值增大,损伤机械设备,影响传动链机构的使用寿命。采用发电机与齿轮箱连为一体的发电机外壳设计,不但可使风力发电机组的结构更紧凑,而且动力传动刚度也有所增加,同时还降低了风力发电机组的成本,并使发电设备更便于安装和运输。
2.2 最大风能捕获控制[3]
根据风力发电装置空气动力学,风能利用系数是风速和风轮转速(叶尖速比)的非线性函数,在一定风速下存在着一个对应某一确定转速的极大值。为了充分利用风能资源,提高效率,应该在不同风速下及时调整风机转速,实现风能的最大捕获[4]。
机械装置的摩擦力矩也是转速的非线性函数,在风向与风速随机变化、阵风、负荷突变等情况时,要使发电系统既能工作在最优点,同时又具有很强的跟踪、抗负荷扰动以及参数摄动的能力,系统应具有很强的鲁棒性,而且控制算法尽可能简单和易于实现,采用常规控制方法是无法达到目的的。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上,减少其牵引过程,可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性[5,6]。
2.3 电源品质控制[7,8]
风力发电机并网发电需要向电网提供高品质的电能,要求电能波形好、三相对称、频率恒定、电压刚性好。而风速随机变化给风电带来的大量谐波、混合发电系统应用大功率电力电子逆变装置所造成的非线性特性和负载状况的多样性,不但使三相交流电源品质严重下降,而且威胁电网的安全运行,为此必须对电能质量进行控制。以往的方法是针对不同的要求设计不同的控制器,对各个指标进行局部的优化。我们则采用统一交流电源品质调节装置即利用统一的滑模变结构控制电能指标进行全局优化,采用有源滤波与无源滤波电路相结合的设计,既可保证电压和电流的波形,还可以降低调节装置的成本。有源滤波电路的三相参考电压有两个分量:直轴分量提供负荷的有功指令,交轴分量则提供负荷的无功指令。为了调整负荷端的交流电压,分别由两个滑动模控制器进行闭环控制,从而实现电能质量的统一调整。
3 太阳能发电系统
太阳能发电系统主要由光电池、蓄电池、聚光系统、跟踪系统、充放电装置、逆变装置和控制保护系统构成。研制的太阳能发电系统具有以下特点:
(1)阳光跟踪系统根据地平坐标-双轴跟踪原理,利用光敏探头对阳光强弱进行监测,确定聚光装置的最优方位角,然后采用侍服电机驱动聚光装置实现跟踪,实现太阳能的最大捕获。
(2)智能充电装置可根据蓄电池充电电压、放电深度及伏-安特性,灵活地改变充电电流延长蓄电池寿命同时保证蓄电池容量的充分利用。系统拟采用晶闸管触发系统实现,并可根据检测的结果合理的选择恒流方式或恒压方式进行充电。
(3)逆变装置采用PWM型装置,由信号发生器、功率变换和输出部分组成,其功能是将蓄电池存储的能量转换为电压恒定,波形良好的交流电能。系统拟采用MOS功率管和低耗变压器(或无变压器)以减低变流过程中的损耗,同时设置合理的自锁保护电路以提高设备的可靠性。
(4)控制保护系统以单片机为核心统一监控,实现相关信号的检测、控制、运算和输出。
4 混合发电系统的优化管理[2]
混合发电系统的优化管理由智能监控系统完成。根据分散式风力-太阳能混合发电系统的特点,智能监控系统分为两层,底层是基于微处理芯片的监控层,负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数设定,同时具备与上层通讯的能力;上层是基于微机的协调管理层,主要用于处理多台设备并列运行时的协调控制及并网发电。
4.1 监控层
监控主要包括系统状态监测、充放电控制、参数设定、能量管理和连网通讯等多项内容。
(1)系统状态监测:即对系统运行参数进行监测,如蓄电池电压、负荷需求、风能密度、太阳辐射强度等,这些数据一方面用于系统运行控制,另一方面也可以提供给上层协调管理层使用。
(2)充放电控制:实现蓄电池组的容量选择及充放电控制。由于系统运行的费用很大程度上取决于蓄电池的寿命,电池的寿命很大程度上又取决于能否工作在100%的容量状态附近以及放电后能否快速恢复到该状态,故电池组的容量选择及充放电控制对系统的运行成本有较大影响。
(3)参数设定:实现混合发电系统运行参数的设定,如各种保护极限、蓄电池数量等。该部分功能既可以通过本地操作面板来实现,也可以采用通讯方式由上层协调管理层获得。
(4)能量管理:主要负责处理系统的供电模式切换及负荷控制,根据日照状况、风能密度、蓄电池充电状况和负荷需求灵活调节各部分对外供电的比例。同时它还具有一定的保护功能,例如在蓄电池过放电和过充电时切除部分负荷,或者有选择地暂停风电或太阳能发电系统的运行。
(5)连网通讯:负责与上层监控系统通讯,提供上层系统所需要的运行及设备参数,同时根据上层监控系统的指令改变系统的运行工况。
4.2 协调管理层
上层协调管理层的主要功能包括通讯、数据采集、协调控制、并网、设备诊断等。
(1)通讯:通讯功能包括两部分,一方面它要与底层监控层进行通讯,获得系统运行参数,同时向监控层发送控制指令;另一方面,它还必须具备与电网调度自动化系统及并网设备通讯的能力,以实现混合发电系统向电网供电。
(2)数据采集:这是上层协调管理层运行的基础,它通过与底层监控层的通讯来获得各单机的运行参数和设备状态。
(3)协调控制:当多台设备同时运行时,协调控制层能对全部运行参数进行监测,灵活改变各设备的运行工况,使混合发电系统运行在最优状态下。
(4)并网管理:通过与并网设备的协调工作,实现向电网供电。
(5)设备诊断:对设备运行历史数据进行分析,给出各部件的疲劳程度,为设备检修提供必要信息;在系统出现故障时,指出故障部位,方便检修。
在上述两级智能监控系统的控制下,系统既可以在远离电网的地区作为自治系统单机运行,又可以多机并行运行,并实现系统的优化管理工作;必要的时候,还可以并网向电网送电。
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