分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

楊麟， 李明， 李國良， 馮志康， 曾林濱， 杜文平

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué)，太陽能研究所，云南 昆明 650500)

近年來，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電在我國發(fā)展迅速，截至2017年底,我國累計(jì)并網(wǎng)風(fēng)電容量已達(dá)1.64億千瓦時(shí)，但由于我國電網(wǎng)的抗過負(fù)荷性、抗波動性較弱，大量的風(fēng)電因無法整合到電網(wǎng)中被浪費(fèi)，2017年全國平均棄風(fēng)率據(jù)統(tǒng)計(jì)高達(dá)12%[1].發(fā)展分布式離網(wǎng)風(fēng)能系統(tǒng)可以促進(jìn)風(fēng)能資源的就近消納，是解決棄風(fēng)的主要辦法之一[2].

分布式離網(wǎng)風(fēng)能系統(tǒng)缺乏電網(wǎng)的支持，為了平抑風(fēng)電波動，解決供需不匹配的問題，往往需要配備儲能裝置.當(dāng)前常用的離網(wǎng)風(fēng)能儲能方式包括蓄電池儲能[3]、壓縮空氣儲能[4]、飛輪儲能[5]、抽水儲能[6]和電解氫氣儲能[7]等，這些儲能技術(shù)已經(jīng)成熟并獲得應(yīng)用.但目前，還鮮有學(xué)者研究采用蓄冷的方式儲存離網(wǎng)風(fēng)能.水蓄冷作為主要的蓄冷儲能形式之一，因其適用性強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于夏季建筑供冷，起到了削峰填谷、降低制冷系統(tǒng)運(yùn)行成本的作用，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力[8-11].

本文構(gòu)建了分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)，將風(fēng)電以冷量的形式儲存在工質(zhì)水中，以滿足用戶用冷需求.該系統(tǒng)可以兩種模式運(yùn)行：(1)將輸出風(fēng)電全部儲存于蓄電池中，再由蓄電池供給直流制冷機(jī)組制冷儲能(先蓄電后制冷模式)；(2)將輸出的風(fēng)電一部分儲存在蓄電池中，另一部分用以驅(qū)動壓縮機(jī)制冷并將風(fēng)電以冷量的形式儲存在制冷水中，當(dāng)風(fēng)電功率足夠驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，將多余的部分電能儲存在蓄電池中，而當(dāng)風(fēng)電不足以驅(qū)動壓縮機(jī)時(shí)，則由蓄電池作為補(bǔ)充，以保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行(邊蓄電邊制冷模式).基于以上兩種運(yùn)行模式，在室外風(fēng)況下開展了風(fēng)電制冷儲能對比實(shí)驗(yàn)，并分析比較了兩種模式的系統(tǒng)性能.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)主要部件包括：永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(PMSG)[12]、三相整流橋、DC-DC升壓穩(wěn)壓器、鉛酸蓄電池組以及直流壓縮機(jī)制冷機(jī)組.

圖1 分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)示意圖

Fig.1Schematicdiagramofdistributedoff-gridwindpowerrefrigerationenergystoragesystem

系統(tǒng)由一臺額定功率為400 W的PMSG作為能量驅(qū)動源.PMSG輸出的交流電經(jīng)整流橋以及升壓穩(wěn)壓器處理后變?yōu)?4 V穩(wěn)定輸出的直流電供給負(fù)載使用.負(fù)載則由額定電壓為24 V的鉛酸蓄電池組和直流制冷機(jī)組組成.系統(tǒng)主要部件參數(shù)見表1.

表1 系統(tǒng)部件參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中，采用建大仁科RS-FS-V10風(fēng)速儀采集實(shí)時(shí)風(fēng)速，測量范圍0～30 m/s；通過EC-P-B3功率儀采集PMSG輸出的交流電功率，測量范圍0～600 W；采用變送器測量系統(tǒng)各部件的電壓和電流信號;將各個(gè)測量儀器采集的風(fēng)速以及電信號輸送至FLUKE 3628 A記錄儀并通過電腦進(jìn)行記錄，為了保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，記錄儀每隔3秒采集一組數(shù)據(jù).環(huán)境溫度由TYD-ZS2型光伏電站環(huán)境測試系統(tǒng)測量采集.

2 分布式離網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)性能評價(jià)

風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率描述為PMSG輸出的電能和捕獲的風(fēng)能總量的比值，表征PMSG將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電功率輸出的能力；電路傳遞效率為升壓穩(wěn)壓器輸出電能與PMSG輸出電能的比值，表征電路系統(tǒng)能量損耗的大?。挥行эL(fēng)能利用率為負(fù)載獲得實(shí)際電能與風(fēng)能總量的比值，它是風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率與電路傳遞效率的乘積；對于后端負(fù)載，則既要考慮蓄電池充放電過程的能量損失，也要考慮直流制冷機(jī)組將風(fēng)電轉(zhuǎn)換為冷量儲存在工質(zhì)水中的制冷效率(制取冷量與壓縮機(jī)耗電量的比值).最終，綜合系統(tǒng)各部件的效率得到系統(tǒng)整體的風(fēng)-冷轉(zhuǎn)換效率，其描述為風(fēng)電制冷總量和捕獲風(fēng)能總量的比值，是評價(jià)系統(tǒng)性能的最重要指標(biāo)[12].

3 實(shí)驗(yàn)對比與結(jié)果分析

在室外風(fēng)況下開展了系統(tǒng)在兩種運(yùn)行模式下的對比實(shí)驗(yàn)，并在大量的實(shí)驗(yàn)中挑選了兩組平均風(fēng)速約為3 m/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析.其中，邊蓄電邊制冷和先蓄電后制冷實(shí)驗(yàn)分別于2019年5月29日和6月06日進(jìn)行，兩組實(shí)驗(yàn)期間的平均環(huán)境溫度約為28 ℃，并控制實(shí)驗(yàn)總時(shí)長均為78 min.采集實(shí)驗(yàn)過程中各部件的參數(shù)，得到各測量參量平均值如表2所示.

表2 各測量參量平均值

由表可知，在平均風(fēng)速為3 m/s時(shí)，兩種模式下風(fēng)輪捕獲的平均風(fēng)功率和PSMG輸出的平均線電壓近乎相等，但后端負(fù)載獲得的功率卻呈現(xiàn)較大差異，表明系統(tǒng)在邊蓄電邊制冷的運(yùn)行模式下負(fù)載能獲得更多的風(fēng)能.

系統(tǒng)各部件的能量傳遞與轉(zhuǎn)換效率如表3所示.

表3系統(tǒng)各部件的能量傳遞與轉(zhuǎn)換效率

Table3Energytransformandconversionefficiencyofeachcomponentsinsystem

邊蓄電邊制冷輸入能量/kJ輸出能量/kJ損失能量/kJ效率/%PMSG269.581.0188.530.1控制器81.074.07.091.4蓄電池組10.3229.915.893.4制冷機(jī)組287.4639.9/222.7

先蓄電后制冷輸入能量/kJ輸出能量/kJ損失能量/kJ效率/%PMSG264.456.3208.121.3控制器56.342.913.476.7蓄電池組42.931.911.373.7制冷機(jī)組31.6108.1/342.1

由表3可知，系統(tǒng)在邊蓄電邊制冷的運(yùn)行模式下，共捕獲269.5 kJ風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為81.0 kJ的交流風(fēng)電輸出，再經(jīng)整流升壓后將74.0 kJ直流電輸送至負(fù)載，其中的10.3 kJ充入蓄電池儲存，剩余的63.7 kJ則直接供給直流制冷機(jī)組制冷儲能.由于實(shí)驗(yàn)平均風(fēng)速較低，PMSG輸出的風(fēng)電不能滿足壓縮機(jī)運(yùn)行需求，蓄電池額外向直流制冷機(jī)組供給了電能.直流制冷機(jī)組共獲得了287.4 kJ電能，并最終成功制取了639.9 kJ冷量.其風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率、電路傳遞效率以及有效風(fēng)能利用率分別為30.1%、91.4%和27.5%；蓄電池共損失15.8 kJ電能，充放電效率為93.4%；直流制冷機(jī)組制冷效率為222.7%.當(dāng)系統(tǒng)以先蓄電后制冷的模式運(yùn)行時(shí)，PMSG共捕獲了264.4 kJ的風(fēng)能，但僅有42.9 kJ供給蓄電池，最終輸出至直流機(jī)組的電能為31.6 kJ，共制取冷量108.1 kJ.其風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率、電路傳遞效率以及有效風(fēng)能利用率為21.3%、76.7%和16.3%；蓄電池共損失11.3 kJ電能，充放電效率為73.7%；制冷效率為342.1%.究其原因：由于實(shí)驗(yàn)過程中的平均風(fēng)速較小，PMSG輸出的功率偏低，經(jīng)升壓器穩(wěn)壓處理后不能完全滿足蓄電池的充電要求，蓄電池呈現(xiàn)出高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此一部分風(fēng)電轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱和被升壓變換器的卸荷電阻消耗，導(dǎo)致先蓄電后制冷模式下系統(tǒng)的風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和電路傳遞效率很低.而邊蓄電邊制冷模式下，直流制冷機(jī)組與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，降低了負(fù)載的等效阻抗，在PMSG輸出電壓相近時(shí)，負(fù)載阻抗越小獲得的功率越大，風(fēng)能利用效率也更高.同時(shí)，由于壓縮機(jī)阻抗小，優(yōu)先消納了PMSG輸出的大部分風(fēng)電，只有少量風(fēng)電被充入蓄電池，減少了蓄電池充放電損耗，蓄電池的工作效率更高.但邊蓄電邊制冷模式下，直流制冷機(jī)組由風(fēng)電和蓄電池共同驅(qū)動，受風(fēng)速波動的影響，控制器輸出至負(fù)載的電壓很不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動，降低了制冷效率.

綜上所述，綜合考慮系統(tǒng)各部件的能量轉(zhuǎn)換效率，由表3中的數(shù)據(jù)可算得在先蓄電后制冷和邊蓄電邊制冷運(yùn)行模式下系統(tǒng)的風(fēng)-冷轉(zhuǎn)換效率分別為40.9%和60.7%.顯然，在實(shí)驗(yàn)工況條件下，系統(tǒng)以邊蓄電邊制冷模式運(yùn)行時(shí)具有更高的工作效率.

4 結(jié) 語

在平均風(fēng)速為3 m/s、平均環(huán)境溫度為28 ℃的室外工況條件下，實(shí)驗(yàn)比較分析了分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)在先蓄電后制冷和邊蓄電邊制冷兩種運(yùn)行模式下的系統(tǒng)性能，得出以下結(jié)果：

(1)邊蓄電邊制冷運(yùn)行模式下，直流制冷機(jī)組與蓄電池并聯(lián)作為負(fù)載，有效降低了后端負(fù)載的等效阻抗，相較于先蓄電后制冷模式，系統(tǒng)的風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率由21.3%提升至30.1%，有效風(fēng)能利用率由16.33%提升至27.5%；此外，由于壓縮機(jī)優(yōu)先消納了PMSG輸出的大部分風(fēng)電，減少了蓄電池充放電損耗，相較于先蓄電后制冷模式，蓄電池充放電效率由73.7%提升至93.4%.

(2)邊蓄電邊制冷運(yùn)行模式下，由于壓縮機(jī)運(yùn)行受風(fēng)電波動的影響較大，導(dǎo)致直流制冷機(jī)組的制冷效率僅為222.7%，低于先蓄電后制冷模式下的342.1%.

(3)綜合系統(tǒng)各部件的能量轉(zhuǎn)換效率得出，在邊蓄電邊制冷運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的風(fēng)-冷轉(zhuǎn)換效率為60.7%，遠(yuǎn)高于先蓄電后制冷運(yùn)行模式下的40.9%.顯然，對于分布式離網(wǎng)風(fēng)電制冷儲能系統(tǒng)，邊蓄電邊制冷要優(yōu)于先蓄電后制冷.