楊?lèi)?ài)賢
(重慶能控動(dòng)力技術(shù)有限公司,重慶 400000)
由于單一能源的不穩(wěn)定和不連續(xù),我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究,其重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及給負(fù)載可靠供電等方面的研究,但是目前還處在起步階段。目前已有的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),但存在區(qū)域差別和出力不穩(wěn)定等問(wèn)題。另外,在新能源發(fā)電方面,由于各類(lèi)新能源資源的不穩(wěn)定性,也是不可忽視的一大問(wèn)題。與常規(guī)的化石能源相比,太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整供油量實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率的穩(wěn)定。這樣,就可以有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的速度,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的直接高效地輸出穩(wěn)定的電能[1]。當(dāng)前,新能源發(fā)電多采用升速、穩(wěn)速的機(jī)械裝置,以滿(mǎn)足新能源電源不穩(wěn)定的需求,但其效率低下、投資成本高、系統(tǒng)維護(hù)量大。綜合考慮上述因素,提出一種較為完整的新能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)。利用太陽(yáng)能光伏板,海洋能發(fā)電機(jī),鼓風(fēng)機(jī),交流發(fā)電機(jī),把收集到的電能,通過(guò)變換電路,就可以得到一個(gè)統(tǒng)一的直流電。然后再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的充電后,再將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、標(biāo)準(zhǔn)的交流電。當(dāng)使用者用電時(shí),儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)的電能,可經(jīng)由逆變器,將儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)的直流電能,轉(zhuǎn)化為交流電能。如果有必要,還可以向DC 負(fù)載提供電力。在系統(tǒng)的電能交換環(huán)節(jié),用電能的能量交換代替升速和穩(wěn)速的機(jī)械裝置的能量交換,即用電變換代替機(jī)械變換,將機(jī)械的動(dòng)態(tài)能量變換轉(zhuǎn)換為電的靜態(tài)能量變換,從而解決了效率較低、投資成本較高及系統(tǒng)維護(hù)量較大的問(wèn)題。風(fēng)能、光能和海能的互補(bǔ)性使得風(fēng)能和光能的出力更加穩(wěn)定,不僅能提升新能源的轉(zhuǎn)化效率,還能保證供電的安全可靠,具有較高的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的應(yīng)用前景[2]。
多能融合實(shí)體互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能(波浪能)為基礎(chǔ),主要包含了采集新能源后的電能轉(zhuǎn)換和電能儲(chǔ)存兩部分。
系統(tǒng)的整體方案需要可以完成對(duì)太陽(yáng)能,海洋能(波浪能),風(fēng)力能之間的電能轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存,并且要與能源的分布特點(diǎn)相結(jié)合,采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?,?lái)提升新能源各個(gè)組成部分的發(fā)電的利用率與能量轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)還要切實(shí)地確保能源輸出的穩(wěn)定,以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
對(duì)系統(tǒng)的操作性能的要求如下。
(1)按照電源電壓基準(zhǔn),所述主回路的輸出電壓的偏移可為-5%~+5%。
(2)為了避免多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在局地時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電力過(guò)飽和,造成電池的過(guò)充、過(guò)放,設(shè)置了一個(gè)電壓保護(hù)門(mén)限,以提高充、放的頻率。
(3)為了使該系統(tǒng)將來(lái)能夠接入網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)置一個(gè)用于對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)的電力供應(yīng)的電力調(diào)度平臺(tái),以提高電力的利用率。
將指標(biāo)數(shù)據(jù)帶入上述白化權(quán)函數(shù)中,得出xij在第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中的權(quán)值fki(xij)(1≤k≤s),然后根據(jù)式(8)計(jì)算得出指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)nik以及總灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)ni:
(4)考慮到風(fēng)力、太陽(yáng)能和海洋能源(海浪能源)容易受到環(huán)境影響,存在著間歇性和不穩(wěn)定的能源來(lái)源等問(wèn)題,本項(xiàng)目將充分發(fā)揮多種能源的互補(bǔ)作用,提升發(fā)電效率,實(shí)現(xiàn)最大限度的收益[3]。
(5)系統(tǒng)中每個(gè)供電設(shè)備的裝機(jī)容量都是由現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件及負(fù)載決定的,應(yīng)在最大負(fù)載范圍內(nèi),建立供電設(shè)備的實(shí)際裝機(jī)容量,并對(duì)供電設(shè)備的切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(6)因?yàn)樾铍姵厥怯袎勖?,在不同的環(huán)境下,它的使用壽命是不一樣的,所以為了防止蓄電池充電和放電過(guò)多,讓它一直保持在一個(gè)低電量的狀態(tài),所以,在設(shè)計(jì)的時(shí)候,要將蓄電池充電和放電的頻率,進(jìn)行合理的分配。
系統(tǒng)電能主要有風(fēng)能、海洋能、太陽(yáng)能等。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,電網(wǎng)接入電網(wǎng),電網(wǎng)接入方式多種多樣,風(fēng)電、海洋能(波濤能)所需的能量轉(zhuǎn)換裝置均為專(zhuān)用的交流發(fā)電機(jī)。所以,它是以交流的方式輸出的,而太陽(yáng)能是以光電的方式輸出的,所以,它是以直流的方式輸出的。
多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的電力系統(tǒng)。
(1)電力系統(tǒng)的發(fā)電方式應(yīng)該主要是多能互補(bǔ),把新能源轉(zhuǎn)變成電能;然后,將風(fēng)力、太陽(yáng)能、海洋能(海浪能)等產(chǎn)生的粗電(不能獲得)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電(可獲得的細(xì)電);可以存儲(chǔ),也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定交流電能。
(2)所述能量?jī)?chǔ)存主要是利用電池來(lái)儲(chǔ)存所述能量,所述電池群管理是為了降低由于過(guò)度產(chǎn)生的持續(xù)充/放電的問(wèn)題以及由于充電次數(shù)增多而產(chǎn)生的效果而設(shè)計(jì)的,所述電池群管理是為了降低所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存所述能量?jī)?chǔ)存[4]。
(3)可以由蓄電池直接提供給負(fù)荷提供電源,也可以由逆變電路提供電源,從而在未來(lái)實(shí)現(xiàn)接入電網(wǎng)的功能。
其中,太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能源(波能)的綜合利用,是一種新的能源利用方式。每一種能源都可以利用各自的能量轉(zhuǎn)換裝置和AC-DC,DC-DC 變換電路,來(lái)對(duì)新能源得到的電能展開(kāi)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單能發(fā)電模式,多能互補(bǔ)模式具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性,并可提高新能源的利用率,保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。多能互補(bǔ)方式還可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的峰谷負(fù)荷調(diào)節(jié),并可通過(guò)增設(shè)配電網(wǎng),進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的負(fù)荷容量。在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中,為了保證多能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出電力,需要設(shè)置一個(gè)蓄電池組。電池是通過(guò)直流母線采集電力,通過(guò)逆變電路為負(fù)荷提供電力。通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行群組管理,可以有效地解決由于多能互補(bǔ)產(chǎn)生的多余能量而引起的電池充電和放電過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí),也可以減少維護(hù)費(fèi)用,減少蓄電池?fù)p耗,提高蓄電池的使用壽命。
太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能(波浪能)收集的電能,進(jìn)行相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換,如圖1 所示。利用風(fēng)力、海洋等能源,可將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為DC-DC 斬波器。必須用ACDC 整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)整流。然后經(jīng)過(guò)DC-DC 斬波器,在經(jīng)過(guò)整流和斬波器后,得到穩(wěn)定的直流電能,最終匯入直流母線,為以后的電能儲(chǔ)存及負(fù)荷提供動(dòng)力。
圖1 能源轉(zhuǎn)換和電力變換
該系統(tǒng)使用的交流-直流、直流-直流、直流-直流-直流轉(zhuǎn)換回路,對(duì)各種新能源的轉(zhuǎn)換分別進(jìn)行獨(dú)立控制。太陽(yáng)能、海洋能的BOOST 轉(zhuǎn)換電路用于風(fēng)電,BOOST/BUCK 轉(zhuǎn)換電路用于風(fēng)電。不同的能量通過(guò)不同的電能轉(zhuǎn)換方式來(lái)獲得穩(wěn)定的直流電壓,從而降低對(duì)各個(gè)電能變換器的影響,增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。這樣的設(shè)計(jì),其中一條線路發(fā)生故障,不會(huì)影響到另一條線路的電能轉(zhuǎn)換,所以系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高[5]。
該系統(tǒng)中所使用的AC-DC 整流器電路,需將風(fēng)能、波能發(fā)電所獲得的交流電能轉(zhuǎn)化成直流電能。由于不需要對(duì)整流器進(jìn)行整流器的設(shè)計(jì),所以在此不再作過(guò)多的介紹。
DC-DC 逆流器電路主要是將一個(gè)直流電流直接或間接地轉(zhuǎn)換,變?yōu)榱硪环鹊闹绷鳌V苯有停ǚ墙^緣型)DC 轉(zhuǎn)換電路又稱(chēng)作斬波器。BUCK 降壓斬波器轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。
圖2 BUCK 降壓斬波器轉(zhuǎn)換電路
在多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,對(duì)儲(chǔ)能和充電回路進(jìn)行了研究。針對(duì)電池組和直流母線的不同聯(lián)接方式,分別進(jìn)行了相應(yīng)的分析。
模式1 為采用半橋式電池組進(jìn)行充電,可將電池組與直流母線相連,可直接從直流母線獲得電能。再對(duì)電池組進(jìn)行單向充電,再在電池組的背后加上一個(gè)逆變器,就可以給交流負(fù)載提供電力。
圖3 為在上一部分中采用了半橋二極管結(jié)構(gòu)的半橋電池包的充電電路。在直流電壓足夠使二極管導(dǎo)通的情況下,這個(gè)半橋充電回路能同時(shí)為二極管導(dǎo)通。因?yàn)槎O管的正向?qū)?,在背面與逆變電路相連的部分,其輸出的電壓只能是蓄電池組中所處電壓容量高的變流。在充放電回路的作用下,對(duì)電池進(jìn)行充放電,使逆變器的輸出電壓保持在最大值。
第二種方法是采用電流可逆的斬波法,將電池從直流母線中分離出來(lái),并經(jīng)逆變器給負(fù)荷提供電力。
一個(gè)電流可逆斷路器(雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器)電池充電電路如圖4 所示。該電流可逆斷路器也可以稱(chēng)作雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器2。因?yàn)樗袃蓚€(gè)方向的導(dǎo)電功能,因此能夠給兩個(gè)方向的電力供應(yīng)。在直流母線上有一定的電壓時(shí),一方面,可以利用逆變器直接給交流負(fù)荷提供電力;另一種則是將電能經(jīng)由由開(kāi)關(guān)管V、二極管VD1、電感L 所組成的降電壓BUCK 斬波器電路來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電。在直流母線上的電壓不夠高的情況下,電池可以利用由開(kāi)關(guān)管V2、二極管VD2、電感L 組成的升壓斷路器將電源供給到DC 母線上,再經(jīng)過(guò)逆變器路將電源供給到AC 負(fù)荷。
圖4 電流可逆斬波(雙向DC-DC 變換器)蓄電池充電電路
為了克服單種新能源發(fā)電的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性,本文提出了一種多能互補(bǔ)的新能源發(fā)電系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了多能互補(bǔ)轉(zhuǎn)換電路和儲(chǔ)能電路。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,得到了如下結(jié)果。
(1)所設(shè)計(jì)的多能互補(bǔ)電力回路性能較好,在該回路中,各新能量源不穩(wěn)定,各能量源之間互不干擾,但多能量采集到的直流電壓通過(guò)升、降、降、壓斬波電路,最后得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出直流電壓。在這種體系結(jié)構(gòu)中,可以確保能量的高效轉(zhuǎn)化,不同類(lèi)型的能量,可以相互補(bǔ)充,將每一種新能源所帶來(lái)的能量,都進(jìn)行了有效的轉(zhuǎn)化和利用。
(2)由多個(gè)能量經(jīng)互補(bǔ)變換電路得到的穩(wěn)定的直流電壓為精電力,再由直流母線給充電電路提供電力,也可直接將其轉(zhuǎn)化為交流電,并輸出與對(duì)應(yīng)的負(fù)荷相匹配的穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電力,如此,在整體上,各種新能量從不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化而來(lái)的粗電力,最后得到了穩(wěn)定的交直流精電力。
(3)多能互補(bǔ)系統(tǒng)較單一能量源更易取得穩(wěn)定的輸出,增加了長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的可能,本文所設(shè)計(jì)的線路系統(tǒng),可以提高各新能量的利用率,使各新能量之間能夠更好的互相補(bǔ)充,更好的利用新能量。
在自然條件下,電力生產(chǎn)過(guò)程中往往存在著大量的電力,這些過(guò)剩電力被卸壓回路所消耗,造成了資源的浪費(fèi)。在未來(lái),如何降低發(fā)電系統(tǒng)和用電負(fù)荷間出現(xiàn)過(guò)大的電量差,從而降低系統(tǒng)的能量波動(dòng),提升系統(tǒng)的發(fā)電、供電質(zhì)量,將是一個(gè)新的研究方向。