新能源供電多能互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

謝 嘉,桑成松,馬 勇,王世明,李永國,張增敏,謝輝林,李 斌

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

目前能源結(jié)構(gòu)以非再生石油、煤炭能源為主,能源的需求在不斷增長,國家的能源供應及環(huán)境保護壓力巨大,迫切需要調(diào)節(jié)能源內(nèi)部結(jié)構(gòu)。綠色新能源具有清潔、分布廣泛等特性[1],其中風能、太陽能、海洋能(波浪能)儲量豐富,來源廣,成為研究重點?？茖W技術(shù)的不斷提高,綠色新能源利用取得了顯著的發(fā)展,但是這些能源發(fā)電都具有隨機性,易受地理位置、氣候等條件影響的缺點。比如太陽能發(fā)電不能保證全天24 h最大利用率,在沒有太陽的情況下,發(fā)電效率低下。風能發(fā)電受地理位置和季節(jié)的影響,在不同的地理分布和不同時段,風力大小不同,風力發(fā)電不能穩(wěn)定輸出,存在間歇性。海洋蘊藏巨大的能量,但海洋能發(fā)電也受區(qū)域性和季節(jié)性影響,不同區(qū)域和季節(jié)氣候,海洋能發(fā)電不同,發(fā)電不穩(wěn)定。文獻[2]單一性的新能源發(fā)電系統(tǒng)存在無規(guī)律和間接性,具有很大的波動性,不能滿足對負載連續(xù)供電的需求。文獻[3]針對單一能源發(fā)電不穩(wěn)定性和不連續(xù)性,我國就開始研究風光互補發(fā)電系統(tǒng),主要研究系統(tǒng)的模型、優(yōu)化設(shè)計給負載可靠供電,但都處于初級階段。文獻[4]設(shè)計的多能互補綜合發(fā)電系統(tǒng)可以實現(xiàn)互補發(fā)電,但是地區(qū)差異的影響,能源產(chǎn)量不穩(wěn)定。另外,新能源發(fā)電領(lǐng)域還有一個客觀存在的問題是各個新能源在源頭不穩(wěn)定,它們不像傳統(tǒng)化石能源那樣通過調(diào)節(jié)燃料的供給量來穩(wěn)定能量輸出的大小,從而可以有效地控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,以便發(fā)電機高效直接的轉(zhuǎn)化出穩(wěn)定的電能?，F(xiàn)有的新能源發(fā)電基本采用升速和穩(wěn)速的機械裝置來克服新能源源頭不穩(wěn)定的問題,效率比較低,投資成本比較大,系統(tǒng)維護量比較大。

基于以上因素,設(shè)計一個相對完整的新能源多能互補發(fā)電系統(tǒng),用太陽能板、海洋能發(fā)電機、風機和交流發(fā)電機將獲取的電能通過轉(zhuǎn)換電路獲得統(tǒng)一的直流電能,再利用充電電路進入蓄電池中或者直接逆變成穩(wěn)定標準的交流電能。儲存在蓄電池中的電能在用戶需要電力時通過逆變將電池組件中存儲的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能,將電能發(fā)送給交流負載,或者也可以需要時直接對直流負載供電。同時系統(tǒng)的電能互換環(huán)節(jié)通過電能的能量互換來代替升速和穩(wěn)速的機械裝置的能量互換,即電變換代替了機械變換,將機械的動態(tài)能量變換變成了電的靜態(tài)能量變換,克服了效率比較低、投資成本比較大和系統(tǒng)維護量比較大的問題。風能、太陽能和海洋能互補發(fā)電系統(tǒng)是利用多能源的互補性,比單種能源輸出穩(wěn)定,能量的相互補充不僅提高了新能源的轉(zhuǎn)化效率和利用率,同時也保證了供電的可靠性,多能互補發(fā)電是一個全新、成本效益高的發(fā)電系統(tǒng),具有良好的使用前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)基于太陽能、風能和海洋能(波浪能)為一體[5],主要包括獲取新能源后的電能轉(zhuǎn)換和電能存儲。如圖1所示。

系統(tǒng)總體方案要求能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能,海洋能(波浪能)、風能的電能轉(zhuǎn)換和存儲,結(jié)合能源分布特征,采取合適的控制策略,提高新能源各部分發(fā)電的利用率和能量轉(zhuǎn)換效率,并切實保證能源輸出的穩(wěn)定性以保證用戶應用。

系統(tǒng)工作性能要求為:

(1)根據(jù)供電電壓標準,主電路輸出電壓偏差允許波動范圍在-5%～+5%之間[6];

(2)為防止多能互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量局部時間過飽和,導致蓄電池過度充電放電,增加充放電的次數(shù),設(shè)定電壓保護閾值[7];

(3)為系統(tǒng)未來實現(xiàn)并網(wǎng),配置電網(wǎng)能量調(diào)度平臺,協(xié)調(diào)系統(tǒng)各電源,提高能源利用率;

(4)系統(tǒng)總體設(shè)計方案要考慮風能、太陽能、海洋能(波浪能)易受環(huán)境因素影響,具有間歇性及能量源頭不穩(wěn)定的缺點,從而要充分利用多能互補的特性,提高發(fā)電效率,使得效益最大化;

(5)系統(tǒng)各電源的裝機容量受限于現(xiàn)場的安裝條件和負荷確定,要充分考慮最大負荷,制定電源實際裝機容量,協(xié)調(diào)控制電源投切,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;

(6)由于蓄電池存在使用壽命,環(huán)境不同,導致使用壽命不同,安裝要求也不同,要避免電池過度充放電,長期處于低荷電狀態(tài),系統(tǒng)電路設(shè)計中要考慮分散電池充放電次數(shù)。

圖1是本系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。系統(tǒng)電能包括風能、海洋能(波浪能)以及太陽能,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在系統(tǒng)中添加了市電,市電的添加可根據(jù)具體情況而定,其中風能和海洋能(波浪能)使用的能源轉(zhuǎn)換裝置是專用交流發(fā)電機,所以是交流輸出,而太陽能使用光伏發(fā)電,為直流輸出。

多能互補發(fā)電系統(tǒng)有3個部分:新能源的電能轉(zhuǎn)換、電能存儲以及負載供電。

(1)新能源的電能轉(zhuǎn)換首先采用多能互補方式發(fā)電[8];然后將風能、太陽能、海洋能(波浪能)發(fā)電獲得的粗電能(不可用)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電能(可用的精電能);再進行存儲或者逆變成穩(wěn)定標準的交流電能。

(2)電能存儲主要采用蓄電池存放電能,包括充電電路和鉛蓄電池分組管理[9]和逆變電路,其中蓄電池分組管理以減少因發(fā)電過量不斷充放電的問題和充電次數(shù)增加的影響為設(shè)計目的。

(3)負載供電可通過鉛蓄電池直接供電,也可使用逆變電路供電,在將來實現(xiàn)并網(wǎng)功能[10]。

對于多能互補發(fā)電系統(tǒng),系統(tǒng)可實現(xiàn)太陽能、風能、海洋能(波浪能)多能互補供電,各個能源經(jīng)過各自的能源轉(zhuǎn)換裝置和AC-DC,DC-DC變換電路對新能源得到的電能進行轉(zhuǎn)換和存儲[11]。相對于傳統(tǒng)的單一能源發(fā)電方式,多能互補發(fā)電比單一的依靠風力發(fā)電和波浪能發(fā)電更加穩(wěn)定,同時也提高了新能源發(fā)電的利用率,保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。多能互補發(fā)電方式也可實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)峰,增強系統(tǒng)的負荷能力,同時可以根據(jù)實際情況的需求,系統(tǒng)可添加市電,進一步增強系統(tǒng)負荷能力。在多能互補發(fā)電系統(tǒng)中,為了能夠輸出穩(wěn)定的電能,提高電的質(zhì)量,本系統(tǒng)配置蓄電池儲能系統(tǒng)。蓄電池通過直流母線獲取電能,并通過逆變電路為負載供電,蓄電池采取分組管理方式,減少因多能互補發(fā)電過量造成過量充放電的問題,降低維護成本和電池損耗,延長電池的使用壽命。

2 能源轉(zhuǎn)換和電能變換電路設(shè)計

2.1 能源轉(zhuǎn)換和電能變換總體設(shè)計

對太陽能、風能、海洋能(波浪能)獲取的電能進行相應的能量轉(zhuǎn)換,如圖2能源轉(zhuǎn)換和電能變換框圖所示。太陽能直接經(jīng)過DC-DC斬波器轉(zhuǎn)換,風能和海洋能獲取的電能需要經(jīng)過AC-DC整流器整流,然后再經(jīng)過DC-DC斬波器,經(jīng)過整流和斬波器得到穩(wěn)定的直流電能最終匯入直流母線,用于后續(xù)電能的存儲和負載供電。

系統(tǒng)采用單輸入AC-DC,DC-DC變換電路,每種新能源電能變換單獨控制。對太陽能和海洋能采BOOST變換電路,對風力發(fā)電采用BOOST/BUCK變換電路[11],不同能源采取不同的電能轉(zhuǎn)換得到穩(wěn)定的直流電壓,減小對各自電能變換器的沖擊,提高系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。這樣的設(shè)計某一路出現(xiàn)故障不影響其它路的電能轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)穩(wěn)定性比較高。

2.2 非隔離型DC-DC變換電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的AC-DC整流變換電路需要將風力發(fā)電機和波浪發(fā)電機獲取的交流電轉(zhuǎn)換為直流電[12],本文采用不可控整流方式,無需整流控制,不做過多介紹。

DC-DC變流變換電路主要功能就是將直流電直接或間接轉(zhuǎn)化為另一幅值的直流電。直接型(非隔離型)直流變流變換電路也簡稱為斬波電路。如圖3所示為BUCK降壓斬波變換電路的原理圖。

降壓(Buck)斬波變換電路工作原理首先假設(shè)所有的元器件都是理想狀態(tài),電感L和電容C都是最大值,在Ts控制周期內(nèi),可控開關(guān)V導通一段時間ton,電源Us向電感L充電、電容C和負載R供電;把開關(guān)V關(guān)閉一段時間toff,電感L通過二極管VD及負載回路R和電容C續(xù)流,整個過程中電容C起到穩(wěn)壓的作用[13]。一個周期Ts內(nèi)平均的電壓等式[14,15]為

Uston=UoTs

(1)

式中:Us為電源,ton為導通時間,Uo為輸出直流電壓,Ts為周期。

從而得出直流電壓Uo輸出為

(2)

其中

Ts=ton+toff

(3)

在圖3中,想輸出特定的電壓Uo,只需調(diào)節(jié)開通時間ton,調(diào)節(jié)PWM波形觸發(fā)脈沖的占空比即可。圖中改變電感L的大小可改變降壓斬波電路工作的時間快慢。

升壓(BOOST)斬波變換電路是指輸出的電壓高于電源電壓。其工作原理是在一個控制周期Ts內(nèi),設(shè)V開通的時間為ton,在自開始設(shè)定電感L和電容C的值都很大,電源向電感L充電,電容C向負載供電,此時定值電流i1和電感L上存儲的能量為Usi1ton,V斷開時,設(shè)定V斷開時間是toff電源Us和電感L同向電容C和負載R提供能量,這個階段中電感L放出電能(Uo-Us)i1toff。在控制周期Ts,電感存儲的能量和釋放的能量相等[16-20]。由于電路工作在穩(wěn)定狀態(tài),可整理得輸出電壓Uo為

(4)

式中:toff為關(guān)閉時間。

如圖4所示為BOOST升壓斬波變換電路的原理圖。想要得到特定的輸出電壓Uo,只需要調(diào)節(jié)為開關(guān)管提供的PWM波形觸發(fā)脈沖的占空比,主要是Ts/toff的值。與降壓斬波變換電路類似,改變電感L的大小可改變電路工作的時間快慢。

3 電能儲能電路設(shè)計

3.1 蓄電池原理及參數(shù)

蓄電池是存儲化學能量,并為負載供電的一種儲電設(shè)備,蓄電池的工作原理以鉛酸蓄電池為例,將陽極(PbO2)和陰極(Pb)浸入到電解液中,兩級之間發(fā)生反應產(chǎn)生電能,根據(jù)蓄電池的充放電原理,可用方程式表示

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2HO2

式中:正方反應是為蓄電池充電,逆向反應是蓄電池放電[21,22]

圖5為蓄電池的簡化等效電路[24-26],其中蓄電池表示為電壓為Em、內(nèi)阻為R組成的電路,可表示流經(jīng)蓄電池的電流I為

(5)

在生產(chǎn)生活中,蓄電池的電壓一般為6 V和12 V,在本文多能互補發(fā)電系統(tǒng)中,額定電壓24 V,需串聯(lián)兩個12 V蓄電池使用。

3.2 蓄電池充電電路原理及充電方式

在多能互補發(fā)電系統(tǒng)的電能存儲及充電電路設(shè)計過程中采用兩種充電電路。分別對應了蓄電池組與直流母線不同的連接傳輸方式。

方式1是運用半橋式蓄電池組充電電路,可將電路直接接在直流母線上,直接獲取直流母線上的電能。然后單方向為蓄電池組充電,在后面添加逆變電路即可為交流負載供電[26,27]。

圖6為半橋式蓄電池組充電電路圖,運用了半橋式二極管結(jié)構(gòu),前一部分,在直流電壓足夠使二極管導通的情況下,此半橋式充電電路為設(shè)計的兩組蓄電池充電。因為二極管的正向?qū)ǖ奶匦?在后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存電壓容量高的一組,當充電電路運作使蓄電池充滿后,逆變部分的輸出電壓將會保持在最高電壓。

方式2是運用電流可逆斬波充電電路,使蓄電池與直流母線隔離,由直流母線通過逆變電路為負載供電。

如圖7為電流可逆斬波(雙向DC-DC變換器)蓄電池充電電路,電流可逆斬波充電電路又可稱為雙向DC-DC變換電路[28],因為它具有雙向?qū)娔艿脑?可以雙向供電。當直流母線處電壓足夠,一方面可以直接通過逆變電路為交流負載供電;另一方面電能通過開關(guān)管V1,二極管VD1,電感L構(gòu)成的降壓BUCK斬波變換電路為蓄電池充電。當直流母線處的電壓不足時,蓄電池可通過開關(guān)管V2,二極管VD2,電感L構(gòu)成的升壓BOOST斬波變換電路為直流母線供電,然后通過逆變電路為交流負載供電。

4 系統(tǒng)仿真分析

以下仿真實驗中,控制開關(guān)管開通與關(guān)斷的觸發(fā)脈沖所需的PWM波均由脈沖發(fā)生器提供。

4.1 BUCK降壓斬波變換電路仿真

仿真電路分別如圖8～圖10所示,部分參數(shù)如下:脈沖發(fā)生器的開關(guān)頻率為20 kHz,開關(guān)管采用電力MOSFET器件,占空比按輸出電壓要求設(shè)定。直流電壓設(shè)置為100 V,負載電阻R為20 Ω,電感L值為37.5 mH,電容C值為26 mF。

本降壓斬波仿真實驗假設(shè)風力發(fā)電機經(jīng)整流后獲得100 V直流電壓,通過控制調(diào)節(jié)PWM波的占空比,此斬波電路可獲得30 V左右的直流電壓為蓄電池充電。其中圖8為BUCK變換器仿真電路。圖9輸出電壓波形,將100 V直流電壓通過此電路轉(zhuǎn)變?yōu)?0 V。圖10為BUCK變換器各器件電流電壓波形,分別為控制電力MOSFET的電壓UG、電路中電感L電壓UL、MOSFET的電流、輸出電壓UO微觀瞬時波形、電感L電流IL和二極管電流?？梢钥闯龈鞑糠值牟ㄐ问呛涂刂齐妷篣G對應的,輸出電壓UO波動范圍僅有0.23 V,滿足設(shè)計要求。

4.2 BOOST升壓斬波變換電路仿真結(jié)果

如圖11～13所示,部分參數(shù)如下:

脈沖發(fā)生器的開關(guān)頻率為40 kHz,占空比按輸出電壓要求設(shè)定。直流電壓DC設(shè)置為10 V,負載電阻R=200 Ω,電感L=12 μH,電容C=1 mF。

本升壓斬波仿真實驗假設(shè)太陽能板獲得10 V直流電壓,通過控制調(diào)節(jié)PWM波的占空比,此斬波電路可獲得30 V左右的直流電壓為蓄電池充電。其中,圖11為BOOST變換器仿真電路。圖12為輸出電壓波形,將10 V直流電壓通過此電路升壓為30 V。圖13為BOOST變換器各器件電流電壓波形,分別為提供電力MOSFET的電壓UG、電路中電感L電壓UL、MOSFET的電流、輸出電壓UO微觀瞬時波形、電感L電流IL和二極管電流。同樣,各部分的波形是和控制電壓UG對應的,輸出電壓UO脈動很小,符合設(shè)計要求。

4.3 半橋式充電電路仿真設(shè)計

本仿真實驗使用兩組蓄電池,其部分參數(shù)如下:兩個蓄電池組額定電壓24 V,額定容量100 AH,內(nèi)阻為0.000 2 Ω,容量百分比分別為100%和50%(放電量由額定量決定)。直流電壓受控源DC使用階躍函數(shù)控制,設(shè)置初值為0 V,5 s后階躍為30 V。卸荷電阻R1與負載電阻R2阻值均為10 Ω。實驗總時長設(shè)定為10 s。

如圖14為半橋式充電仿真電路。其中二極管導通壓降為0.8 V。在0～5 s內(nèi),二極管不導通,無電流,5～10 s內(nèi),二極管導通,有電流流過且電壓變?yōu)檎等鐖D17所示。

圖15與圖16分別是蓄電池組1和蓄電池組2充放電波形圖。從圖中可以看出蓄電池組1容量為100%,蓄電池組2容量為50%,蓄電池組1的容量及電壓大于蓄電池組2,蓄電池組2不會給負載供電。

前0～5 s內(nèi),二極管D3導通,蓄電池組1對R2放電且容量略有下降,電壓也略有下降。5～10 s內(nèi),二極管D1和D2導通,電源DC對蓄電池組充電。其中,蓄電池組2并聯(lián)了卸荷電阻,目的是防止蓄電池充電電流過大。從圖17可以看出,卸荷電阻可以對降低蓄電池充電時的充電電流有一定的作用?？梢愿鶕?jù)所需要求的限制電流值,來修改卸荷電阻值的大小。實際的電路中每個蓄電池組均可以按需求加入卸荷電阻。這樣的分組管理模式使電池的充放電的效率顯著提高。所以通過本次仿真實驗可以驗證,使用半橋式的充電電路可以實現(xiàn)若干蓄電池組(本仿真實驗為兩組)的有效分組式管理。

4.4 電流可逆斬波充電電路仿真設(shè)計

本仿真實驗使用一組蓄電池,其部分參數(shù)如下:蓄電池額定電壓為24 V,額定容量為100 AH,內(nèi)阻為0.000 2 Ω(仿真時需固定參數(shù))。直流電壓受控源DC使用階躍函數(shù)控制,設(shè)置初值為0 V,0.01 s后階躍為30 V。脈沖發(fā)生器1/2的開關(guān)頻率為50 kHz,占空比按輸出電壓要求設(shè)定(應調(diào)整兩發(fā)生器的起振時間,并使之不同時導通)。實驗總時長設(shè)定為0.02 s。

圖18為電流可逆斬波充電電路仿真圖。通過觀察圖19的蓄電池充放電曲線可以直觀發(fā)現(xiàn),0～0.01 s內(nèi),由于設(shè)定初試直流電壓為0 V,直流電壓不夠,蓄電池就為直流母線供電,使蓄電池電量下降;在0.01～0.02 s內(nèi),通過階躍控制,直流電壓足夠,直流母線為蓄電池充電。上述仿真結(jié)果證明了這個方案的可行性,電路可以實現(xiàn)可逆運行。

5 結(jié)論

本文針對單一新能源發(fā)電系統(tǒng)無規(guī)律性,不穩(wěn)定的問題,提出了多能互補發(fā)電系統(tǒng),通過詳細的研究,設(shè)計了多能互補轉(zhuǎn)換電路及電能存儲電路,通過理論設(shè)計與仿真得出具體結(jié)論:

(1)設(shè)計的多能互補發(fā)電電路具有良好的性能,系統(tǒng)中各個新能源在源頭不穩(wěn)定,其發(fā)電單元相互獨立,但是多能源獲取的直流電壓經(jīng)過降壓斬波電路和升壓斬波電路最終獲得穩(wěn)定輸出直流電壓。這樣從系統(tǒng)的整體架構(gòu)上就保證了能量的有效轉(zhuǎn)換,各種能量之間此缺它補,很好地轉(zhuǎn)化利用了各個新能源攜帶的能量。

(2)多能源經(jīng)過互補變換電路獲取的穩(wěn)定直流電壓是精電,通過直流母線為充電電路供電,或者直接逆變成交流電,輸出適合相應負載的穩(wěn)定標準電能,這樣總體上從不穩(wěn)定的各種新能源轉(zhuǎn)換的粗電能最終獲得了穩(wěn)定的交直流精電能。

(3)多能互補發(fā)電系統(tǒng)比單種能源發(fā)電系統(tǒng)更容易獲得穩(wěn)定輸出,提高長期平穩(wěn)供電的可能性,通過本文設(shè)計的電路系統(tǒng),各個新能源的利用率得到了提高,較好地實現(xiàn)各個新能源的相互補充,達到了新能源較好的有效運用。

由于天然因素,發(fā)電量不能保持絕對合理,發(fā)電過量導致多余電能通過卸載電路消耗,浪費資源。在未來可以通過減少發(fā)電系統(tǒng)與用電負荷之間產(chǎn)生較大的電量差值的可能性,來減少系統(tǒng)能量波動,以提高系統(tǒng)的發(fā)電、供電質(zhì)量,這是另一個研究方向。