太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)中的新型發(fā)電機(jī)及其控制

太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)中的新型發(fā)電機(jī)及其控制

隨著科學(xué)技術(shù)的衰落和人類棲息地的惡化，世界各國都把開發(fā)的可支配能源作為能源發(fā)展的方向。為促進(jìn)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,減少環(huán)境污染,培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),我國也把新能源的開發(fā)利用作為能源開發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一,因地制宜地開發(fā)和推廣風(fēng)能、太陽能等清潔能源,其中風(fēng)能發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化應(yīng)用前景的清潔能源發(fā)電技術(shù),現(xiàn)已成為我國電力工業(yè)的一個組成部分。目前,風(fēng)能發(fā)電主要朝著兩個方向發(fā)展:用于風(fēng)電場的大功率高效率的大機(jī)組和面向邊遠(yuǎn)或分散地區(qū)的小型風(fēng)電機(jī)組。由于風(fēng)能的間歇性缺陷,利用太陽能發(fā)電實(shí)現(xiàn)風(fēng)能-光能發(fā)電互補(bǔ),為邊遠(yuǎn)或分散地區(qū)的用戶提供穩(wěn)定的清潔能源,是當(dāng)今新能源開發(fā)利用的一個主流方向。目前,進(jìn)口的太陽能電池和小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組比較昂貴,我國的一些研究機(jī)構(gòu)分別對太陽能電池及小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了開發(fā)和研制。目前,國產(chǎn)的太陽能電池仍然存在造價太高的問題,而國產(chǎn)的小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)組或是造價較高,或是可靠性低,無法長期穩(wěn)定運(yùn)行,這些問題,都極大地妨礙了風(fēng)能及太陽能發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。為此,我們在前期研究工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了新型無刷雙饋發(fā)電機(jī)以簡化傳統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu),利用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變速恒頻與風(fēng)能最大捕獲;同時,對太陽能逆變器采用極值調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)功率傳輸,并采用智能化的能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電與太陽能發(fā)電的優(yōu)化組合,從而研制高效而實(shí)用的太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)。另外,通過統(tǒng)一交流電源品質(zhì)調(diào)節(jié)裝置,對混合發(fā)電系統(tǒng)的電能指標(biāo)進(jìn)行全局優(yōu)化,從而為用戶提供穩(wěn)定的清潔能源。1太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)本系統(tǒng)采用太陽能-風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式,其中風(fēng)能發(fā)電機(jī)采用專門設(shè)計(jì)的無刷雙饋發(fā)電機(jī),即采用新穎的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計(jì)方案,研制能與風(fēng)力機(jī)直接匹配的低速雙饋發(fā)電機(jī),省去了低速風(fēng)力機(jī)與高速發(fā)電機(jī)之間的齒輪升速裝置,簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),不但便于搬運(yùn)和安裝,而且易于維護(hù);而太陽能發(fā)電則采用無污染太陽能電池板和干式蓄電池,以減少對環(huán)境的污染。經(jīng)過整流后的風(fēng)電與太陽能電池在直流側(cè)并聯(lián),經(jīng)充放電控制器向蓄電池組充電,然后通過逆變器向交流負(fù)載供電。如果交流負(fù)載要求較高,或需要向電網(wǎng)供電,則應(yīng)接入電源品質(zhì)控制器,以提高混合發(fā)電系統(tǒng)的電源品質(zhì),使系統(tǒng)具有較廣的應(yīng)用范圍。該系統(tǒng)既可獨(dú)立運(yùn)行,也可多系統(tǒng)并行運(yùn)地,還可以并網(wǎng)運(yùn)行。新型太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的能量管理,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與太陽能的最優(yōu)功率匹配、系統(tǒng)操作、運(yùn)行監(jiān)控及故障診斷。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖可見,新型太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。為降低系統(tǒng)的整機(jī)成本,可根據(jù)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的自然條件,在設(shè)計(jì)時盡量降低太陽能和蓄電池的比例。另一方面,利用現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)行單機(jī)控制以提高單機(jī)運(yùn)行效率,同時采用能量管理系統(tǒng)對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化管理,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能及太陽能能量的最優(yōu)匹配,并提高發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能,使新型太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。2風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展前景風(fēng)能發(fā)電機(jī)組一般由風(fēng)力機(jī)、升速齒輪箱、發(fā)電機(jī)構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、易于搬運(yùn)和安裝的特點(diǎn)。近年來,由于采用了新技術(shù)、新材料和計(jì)算機(jī)管理,風(fēng)能發(fā)電有了很大發(fā)展,發(fā)電成本較以前大為降低。因此,風(fēng)能發(fā)電機(jī)組得到廣泛推廣,并產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。目前,風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是開發(fā)大型并網(wǎng)式風(fēng)電機(jī)組和中小型獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)并舉,大型并網(wǎng)式風(fēng)電設(shè)備應(yīng)用于風(fēng)電場,風(fēng)電的成本比中小型獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)低;而中小型獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成的分散式電源可解決邊遠(yuǎn)分散地區(qū)的就地供電問題,省去供電網(wǎng)絡(luò)。然而,不論是大型并網(wǎng)式風(fēng)電機(jī)組還是中小型獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng),都面臨兩個急待解決的問題,即風(fēng)能最大捕獲的實(shí)現(xiàn)和電源品質(zhì)的提高。這兩個問題的解決,將可進(jìn)一步降低風(fēng)電成本和提高風(fēng)電的質(zhì)量,使風(fēng)電成本與火電成本具有可比性,這也是推廣風(fēng)電的關(guān)鍵。可見,研制適用于風(fēng)能發(fā)電的新型發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。2.1風(fēng)力機(jī)直接匹配的低頻雙饋發(fā)電機(jī)在風(fēng)能發(fā)電機(jī)組中,由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較低,需經(jīng)齒輪箱升速后再驅(qū)動發(fā)電機(jī)。為降低成本,往往采用柔性結(jié)構(gòu)的傳動軸和齒輪箱,以減小系統(tǒng)阻尼。在自然風(fēng)速發(fā)生隨機(jī)性變化時,將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動鏈中的力矩波動幅值大,易損傷機(jī)械設(shè)備,影響傳動鏈機(jī)構(gòu)的使用壽命。我們研制的能與風(fēng)力機(jī)直接匹配的低速雙饋發(fā)電機(jī),不但簡化了整個風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),還省去了升速齒輪箱這樣一個主要的大修部件,大大提高了風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性。另外,由于簡化了中間傳動環(huán)節(jié),也提高了風(fēng)電系統(tǒng)的效率。無刷雙饋電機(jī)具有類似鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu),我們采取新穎的磁路設(shè)計(jì)方案,研制能與風(fēng)力機(jī)直接匹配的低速無刷雙饋電機(jī),使其在并網(wǎng)時基本無電流沖擊。設(shè)計(jì)時使功率回路與控制回路的功率之比為偶數(shù)/奇數(shù),并使控制回路的功率較小,一方面提高無刷雙饋電機(jī)工作的可靠性,另一方面使無刷雙饋電機(jī)的控制易于實(shí)現(xiàn),控制回路需要提供的功率較小,降低了電力電子裝置的成本。相比于采用繞線式結(jié)構(gòu)的普通雙饋電機(jī)而言,無刷雙饋電機(jī)避免了電刷的使用與更換,對于長期在野外運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組來說是一個很大的優(yōu)勢,不但使風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)緊湊,而且使其動力傳動剛度增加,在提高了風(fēng)能發(fā)電機(jī)組效率的同時,降低了風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的成本,使發(fā)電設(shè)備更便于安裝和運(yùn)輸。2.2風(fēng)能最大捕獲提高風(fēng)能利用率是降低風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本的有效方法,而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲控制則是提高風(fēng)能利用率最為有效的途徑。根據(jù)對風(fēng)能發(fā)電裝置空氣動力學(xué)的研究,風(fēng)能利用系數(shù)是風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(葉尖速比)的非線性函數(shù),在一定風(fēng)速下,存在著一個對應(yīng)某一確定轉(zhuǎn)速的極大值,為了充分利用風(fēng)能資源,提高效率,應(yīng)該在不同風(fēng)速下及時調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲,并使風(fēng)能成為高效、優(yōu)質(zhì)、可控的能源,必須對無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行控制。我們利用電力電子變流技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變風(fēng)速條件下的電能頻率恒定,以解決最大風(fēng)能捕獲所引起的變速與電能頻率要求恒定之間的矛盾。首先,通過變頻電路實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)頻率誤差的無源性控制,以利于對頻率的動態(tài)變化進(jìn)行控制,避免諧波進(jìn)入系統(tǒng)。由于空氣動力的非線性變化特性,采用自抗擾控制方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。自抗擾控制器由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律組成。跟蹤微分器產(chǎn)生信號的不含噪聲污染的廣義微分信號,擴(kuò)張狀態(tài)觀測器實(shí)時量測系統(tǒng)狀態(tài)和外擾,從而實(shí)現(xiàn)被控對象的動態(tài)反饋線性化和反饋確定化。自抗擾控制器采取經(jīng)典PID控制的結(jié)構(gòu),又避免了PID控制對信號處理過于簡單的缺陷,通過非線性配置構(gòu)成的非線性狀態(tài)誤差反饋控制律可使風(fēng)能發(fā)電這類模型擺動較大的系統(tǒng)取得滿意的動態(tài)性能,且具有很好的魯棒性和可實(shí)現(xiàn)性。2.3統(tǒng)一交流電源品質(zhì)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)風(fēng)能發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時,需要向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能,要求電能波形好,三相對稱,頻率恒定,電壓剛性好。由于風(fēng)速的隨機(jī)變化,給風(fēng)電帶來了大量的諧波;而根據(jù)混合發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求,系統(tǒng)中應(yīng)用了大功率電力電子逆變裝置,電力電子裝置的非線性特性和負(fù)載狀況的多樣性,不但使三相交流電源品質(zhì)嚴(yán)重下降,而且威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。為了有效地對諧波進(jìn)行抑制,并能同時考慮由于非線性負(fù)荷變化和不平衡而造成的電壓和功率因數(shù)變化,以及解決三相不對稱問題,必須對電能質(zhì)量進(jìn)行控制。以往的方法是針對不同的要求設(shè)計(jì)不同的控制器,對各個指標(biāo)進(jìn)行局部的優(yōu)化。我們則采用統(tǒng)一交流電源品質(zhì)調(diào)節(jié)裝置,對以上所有電能指標(biāo)進(jìn)行全局的優(yōu)化,即利用統(tǒng)一的滑模變結(jié)構(gòu)控制,實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)的快速電壓調(diào)節(jié)、諧波抑制、功率因數(shù)補(bǔ)償和非線性負(fù)荷的三相平衡。在具體實(shí)現(xiàn)上,我們采用有源濾波與無源濾波電路相結(jié)合的設(shè)計(jì),既保證電壓的波形,也保證電流的波形,這種設(shè)計(jì)可以降低統(tǒng)一交流電源品質(zhì)調(diào)節(jié)裝置的成本。有源濾波電路的三相參考電壓有2個分量:其直軸分量提供負(fù)荷的有功指令;交軸分量提供負(fù)荷的無功指令。為了調(diào)整負(fù)荷端的交流電壓,將采用2個滑動控制回路。分別由2個滑動?？刂破鬟M(jìn)行閉環(huán)控制,從而實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的統(tǒng)一調(diào)整。3太陽能功率極值調(diào)節(jié)器太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由光電池、蓄電池、聚光系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、充放電裝置、逆變裝置和控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。我們采用太陽能電池-逆變器-負(fù)荷輸出回路的最優(yōu)功率傳輸與極值調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì),采用跟蹤太陽軌跡的伺服機(jī)構(gòu)使太陽能電池板接受最大的輸入功率,實(shí)現(xiàn)太陽能電池發(fā)電效率的最優(yōu)化;考慮到天氣、負(fù)載擾動等因素的影響,設(shè)計(jì)一種太陽能輸出功率極值調(diào)節(jié)器,保證使太陽能電池陣列輸出最大功率。我們研制的太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)陽光跟蹤系統(tǒng)可以根據(jù)地平坐標(biāo)-雙軸跟蹤原理,利用光敏探頭對陽光強(qiáng)弱進(jìn)行監(jiān)測,確定聚光裝置的最優(yōu)方位角,然后采用侍服電機(jī)驅(qū)動聚光裝置的機(jī)械部分,實(shí)現(xiàn)太陽能的最大捕獲。(2)智能充電裝置將根據(jù)蓄電池充電電壓和放電深度的關(guān)系,針對蓄電池的伏—安特性,靈活地改變充電電流,使得蓄電池的壽命能夠得到延長,同時保證蓄電池容量的充分利用,減小蓄電池的備用容量。系統(tǒng)擬采用晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),通過檢測的結(jié)果,合理地選擇恒流方式和恒壓方式進(jìn)行充電。(3)逆變裝置采用PWM型裝置,它由信號發(fā)生器、功率變換和輸出部分組成,其功能是將蓄電池存儲的能量轉(zhuǎn)換為電壓恒定,波形良好的交流電能。系統(tǒng)擬采用MOS功率管和低耗變壓器(或無變壓器)以減低變流過程中的損耗,同時設(shè)置合理的自鎖保護(hù)電路以提高設(shè)備的可靠性。(4)控制保護(hù)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心構(gòu)成,通過統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng),完成相關(guān)信號的檢測、控制、運(yùn)算和輸出功能。4混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制混合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化管理由智能監(jiān)控系統(tǒng)完成。根據(jù)新型太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn),智能監(jiān)控系統(tǒng)分為2層,底層是基于微處理芯片的監(jiān)控層,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對單臺設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制和參數(shù)設(shè)定,同時具備與上層通信的能力;上層是基于微機(jī)的協(xié)調(diào)管理層,主要用于處理多臺設(shè)備并列運(yùn)行時的協(xié)調(diào)控制及并網(wǎng)發(fā)電問題。監(jiān)控層的主要功能包括:系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、充放電控制、參數(shù)設(shè)定、能量管理、連網(wǎng)通信。(1)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測:即對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,如蓄電池電壓,負(fù)荷需求,風(fēng)能密度,太陽輻射強(qiáng)度等,這些數(shù)據(jù)一方面用于系統(tǒng)運(yùn)行控制,另一方面也可以提供給上層協(xié)調(diào)管理層使用。(2)充放電控制:實(shí)現(xiàn)蓄電池組的容量選擇及充放電控制。系統(tǒng)運(yùn)行的費(fèi)用很大程度上取決于蓄電池的壽命,電池的壽命很大程度上取決于能否工作在100%的容量狀態(tài)附近,以及在放電后能否快速地恢復(fù)到該狀態(tài),故電池組的容量選擇及充放電控制對系統(tǒng)的運(yùn)行成本有較大影響。(3)參數(shù)設(shè)定:實(shí)現(xiàn)混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定,如各種保護(hù)極限,蓄電池數(shù)量等,該部分功能既可以通過本地操作面板來實(shí)現(xiàn),也可以采用通信方式由上層協(xié)調(diào)管理層獲得。(4)能量管理:主要負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的供電模式切換及負(fù)荷控制問題。由于系統(tǒng)電能來源于風(fēng)電、太陽能及蓄電池,故需要根據(jù)日照狀況,風(fēng)能密度,蓄電池充電狀況和負(fù)荷需求來靈活地調(diào)節(jié)各部分對外供電的比例,同時需要具有一定的保護(hù)功能,如在蓄電池過放電和過充電時,需要切除部分負(fù)荷或者有選擇地暫停風(fēng)能或太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。(5)連網(wǎng)通信該部分負(fù)責(zé)與上層監(jiān)控系統(tǒng)通信,提供上層系統(tǒng)所需要的運(yùn)行及設(shè)備參數(shù),同時根據(jù)上層監(jiān)控系統(tǒng)的指令改變系統(tǒng)的運(yùn)行工況。上層協(xié)調(diào)管理層的主要功能包括:通信、數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)控制、并網(wǎng)、設(shè)備診斷等。(1)通信:通信功能包括2部分,一方面它要與底層監(jiān)控層進(jìn)行通信,獲得系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),同時向監(jiān)控層發(fā)送控制指令;另一方面,它還必須具備與電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)及并網(wǎng)設(shè)備通信的能力,以實(shí)現(xiàn)混合發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電。(2)數(shù)據(jù)采集:是上層協(xié)調(diào)管理層運(yùn)行的基礎(chǔ),它通過與底層監(jiān)控層的通信來獲得各單機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。(3)協(xié)調(diào)控制:當(dāng)多臺設(shè)備同時運(yùn)行時,通過對各臺設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,可以靈活地改變各設(shè)備的運(yùn)行工況,從而使混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)下。(4)并網(wǎng):通過與并網(wǎng)設(shè)備的協(xié)調(diào)工作,實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)供電。(5)設(shè)備診斷:通過對設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)的分析,給出各部件的疲勞程度,向定期設(shè)備檢修提供必要的參考信息;在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,指出故障部位,方便檢修。在上述兩級智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制下,系統(tǒng)既可以在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)作為自治系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行,又可以多機(jī)并行運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化管理工作;必要的時候,還可以并網(wǎng)向電網(wǎng)送電。5混合發(fā)電系統(tǒng)本文的目標(biāo)是開發(fā)性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠,以風(fēng)能為主,以太陽能為輔的高效而實(shí)用的太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng),提供高品質(zhì)的穩(wěn)定清潔能源。在前期研究工作的基礎(chǔ)上,面向邊遠(yuǎn)、分散地區(qū)電能的自給供應(yīng),我們開發(fā)研制實(shí)用化的新型太陽能-風(fēng)能混合發(fā)電系統(tǒng)?；旌习l(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電的結(jié)構(gòu)形式,其中風(fēng)能發(fā)電機(jī)采用專門設(shè)計(jì)的能與風(fēng)力機(jī)直接匹配的低速雙饋發(fā)電機(jī),省去了低速風(fēng)力機(jī)與高速發(fā)電機(jī)之間的齒輪升速裝置,簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),便于搬運(yùn)、安裝和維護(hù);而太陽能發(fā)電則采用無污染太陽能電池板和干式蓄電池,以減少對環(huán)境的污染?；旌习l(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是適于風(fēng)能發(fā)電用的低速雙饋發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì);旨在提高風(fēng)能利用率的最大風(fēng)能捕獲控制;為改善風(fēng)電品質(zhì)的變速恒頻控制技術(shù)