新能源供电多能互补发电系统设计

谢 嘉,桑成松,马 勇,王世明,李永国,张增敏,谢辉林,李 斌

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

目前能源结构以非再生石油、煤炭能源为主,能源的需求在不断增长,国家的能源供应及环境保护压力巨大,迫切需要调节能源内部结构。绿色新能源具有清洁、分布广泛等特性[1],其中风能、太阳能、海洋能(波浪能)储量丰富,来源广,成为研究重点。科学技术的不断提高,绿色新能源利用取得了显著的发展,但是这些能源发电都具有随机性,易受地理位置、气候等条件影响的缺点。比如太阳能发电不能保证全天24 h最大利用率,在没有太阳的情况下,发电效率低下。风能发电受地理位置和季节的影响,在不同的地理分布和不同时段,风力大小不同,风力发电不能稳定输出,存在间歇性。海洋蕴藏巨大的能量,但海洋能发电也受区域性和季节性影响,不同区域和季节气候,海洋能发电不同,发电不稳定。文献[2]单一性的新能源发电系统存在无规律和间接性,具有很大的波动性,不能满足对负载连续供电的需求。文献[3]针对单一能源发电不稳定性和不连续性,我国就开始研究风光互补发电系统,主要研究系统的模型、优化设计给负载可靠供电,但都处于初级阶段。文献[4]设计的多能互补综合发电系统可以实现互补发电,但是地区差异的影响,能源产量不稳定。另外,新能源发电领域还有一个客观存在的问题是各个新能源在源头不稳定,它们不像传统化石能源那样通过调节燃料的供给量来稳定能量输出的大小,从而可以有效地控制发电机的转速,以便发电机高效直接的转化出稳定的电能。现有的新能源发电基本采用升速和稳速的机械装置来克服新能源源头不稳定的问题,效率比较低,投资成本比较大,系统维护量比较大。

基于以上因素,设计一个相对完整的新能源多能互补发电系统,用太阳能板、海洋能发电机、风机和交流发电机将获取的电能通过转换电路获得统一的直流电能,再利用充电电路进入蓄电池中或者直接逆变成稳定标准的交流电能。储存在蓄电池中的电能在用户需要电力时通过逆变将电池组件中存储的直流电能转换为交流电能,将电能发送给交流负载,或者也可以需要时直接对直流负载供电。同时系统的电能互换环节通过电能的能量互换来代替升速和稳速的机械装置的能量互换,即电变换代替了机械变换,将机械的动态能量变换变成了电的静态能量变换,克服了效率比较低、投资成本比较大和系统维护量比较大的问题。风能、太阳能和海洋能互补发电系统是利用多能源的互补性,比单种能源输出稳定,能量的相互补充不仅提高了新能源的转化效率和利用率,同时也保证了供电的可靠性,多能互补发电是一个全新、成本效益高的发电系统,具有良好的使用前景。

1 系统总体方案设计

本系统基于太阳能、风能和海洋能(波浪能)为一体[5],主要包括获取新能源后的电能转换和电能存储。如图1所示。

系统总体方案要求能够实现对太阳能,海洋能(波浪能)、风能的电能转换和存储,结合能源分布特征,采取合适的控制策略,提高新能源各部分发电的利用率和能量转换效率,并切实保证能源输出的稳定性以保证用户应用。

系统工作性能要求为:

(1)根据供电电压标准,主电路输出电压偏差允许波动范围在-5%～+5%之间[6];

(2)为防止多能互补发电系统发电量局部时间过饱和,导致蓄电池过度充电放电,增加充放电的次数,设定电压保护阈值[7];

(3)为系统未来实现并网,配置电网能量调度平台,协调系统各电源,提高能源利用率;

(4)系统总体设计方案要考虑风能、太阳能、海洋能(波浪能)易受环境因素影响,具有间歇性及能量源头不稳定的缺点,从而要充分利用多能互补的特性,提高发电效率,使得效益最大化;

(5)系统各电源的装机容量受限于现场的安装条件和负荷确定,要充分考虑最大负荷,制定电源实际装机容量,协调控制电源投切,提高系统稳定性;

(6)由于蓄电池存在使用寿命,环境不同,导致使用寿命不同,安装要求也不同,要避免电池过度充放电,长期处于低荷电状态,系统电路设计中要考虑分散电池充放电次数。

图1是本系统总体设计框图。系统电能包括风能、海洋能(波浪能)以及太阳能,为了提高系统的稳定性,在系统中添加了市电,市电的添加可根据具体情况而定,其中风能和海洋能(波浪能)使用的能源转换装置是专用交流发电机,所以是交流输出,而太阳能使用光伏发电,为直流输出。

多能互补发电系统有3个部分:新能源的电能转换、电能存储以及负载供电。

(1)新能源的电能转换首先采用多能互补方式发电[8];然后将风能、太阳能、海洋能(波浪能)发电获得的粗电能(不可用)转换成统一的直流电能(可用的精电能);再进行存储或者逆变成稳定标准的交流电能。

(2)电能存储主要采用蓄电池存放电能,包括充电电路和铅蓄电池分组管理[9]和逆变电路,其中蓄电池分组管理以减少因发电过量不断充放电的问题和充电次数增加的影响为设计目的。

(3)负载供电可通过铅蓄电池直接供电,也可使用逆变电路供电,在将来实现并网功能[10]。

对于多能互补发电系统,系统可实现太阳能、风能、海洋能(波浪能)多能互补供电,各个能源经过各自的能源转换装置和AC-DC,DC-DC变换电路对新能源得到的电能进行转换和存储[11]。相对于传统的单一能源发电方式,多能互补发电比单一的依靠风力发电和波浪能发电更加稳定,同时也提高了新能源发电的利用率,保证系统输出稳定。多能互补发电方式也可实现系统调峰,增强系统的负荷能力,同时可以根据实际情况的需求,系统可添加市电,进一步增强系统负荷能力。在多能互补发电系统中,为了能够输出稳定的电能,提高电的质量,本系统配置蓄电池储能系统。蓄电池通过直流母线获取电能,并通过逆变电路为负载供电,蓄电池采取分组管理方式,减少因多能互补发电过量造成过量充放电的问题,降低维护成本和电池损耗,延长电池的使用寿命。

2 能源转换和电能变换电路设计

2.1 能源转换和电能变换总体设计

对太阳能、风能、海洋能(波浪能)获取的电能进行相应的能量转换,如图2能源转换和电能变换框图所示。太阳能直接经过DC-DC斩波器转换,风能和海洋能获取的电能需要经过AC-DC整流器整流,然后再经过DC-DC斩波器,经过整流和斩波器得到稳定的直流电能最终汇入直流母线,用于后续电能的存储和负载供电。

系统采用单输入AC-DC,DC-DC变换电路,每种新能源电能变换单独控制。对太阳能和海洋能采BOOST变换电路,对风力发电采用BOOST/BUCK变换电路[11],不同能源采取不同的电能转换得到稳定的直流电压,减小对各自电能变换器的冲击,提高系统的可扩展性和灵活性。这样的设计某一路出现故障不影响其它路的电能转换,系统稳定性比较高。

2.2 非隔离型DC-DC变换电路设计

本系统采用的AC-DC整流变换电路需要将风力发电机和波浪发电机获取的交流电转换为直流电[12],本文采用不可控整流方式,无需整流控制,不做过多介绍。

DC-DC变流变换电路主要功能就是将直流电直接或间接转化为另一幅值的直流电。直接型(非隔离型)直流变流变换电路也简称为斩波电路。如图3所示为BUCK降压斩波变换电路的原理图。

降压(Buck)斩波变换电路工作原理首先假设所有的元器件都是理想状态,电感L和电容C都是最大值,在Ts控制周期内,可控开关V导通一段时间ton,电源Us向电感L充电、电容C和负载R供电;把开关V关闭一段时间toff,电感L通过二极管VD及负载回路R和电容C续流,整个过程中电容C起到稳压的作用[13]。一个周期Ts内平均的电压等式[14,15]为

Uston=UoTs

(1)

式中:Us为电源,ton为导通时间,Uo为输出直流电压,Ts为周期。

从而得出直流电压Uo输出为

(2)

其中

Ts=ton+toff

(3)

在图3中,想输出特定的电压Uo,只需调节开通时间ton,调节PWM波形触发脉冲的占空比即可。图中改变电感L的大小可改变降压斩波电路工作的时间快慢。

升压(BOOST)斩波变换电路是指输出的电压高于电源电压。其工作原理是在一个控制周期Ts内,设V开通的时间为ton,在自开始设定电感L和电容C的值都很大,电源向电感L充电,电容C向负载供电,此时定值电流i1和电感L上存储的能量为Usi1ton,V断开时,设定V断开时间是toff电源Us和电感L同向电容C和负载R提供能量,这个阶段中电感L放出电能(Uo-Us)i1toff。在控制周期Ts,电感存储的能量和释放的能量相等[16-20]。由于电路工作在稳定状态,可整理得输出电压Uo为

(4)

式中:toff为关闭时间。

如图4所示为BOOST升压斩波变换电路的原理图。想要得到特定的输出电压Uo,只需要调节为开关管提供的PWM波形触发脉冲的占空比,主要是Ts/toff的值。与降压斩波变换电路类似,改变电感L的大小可改变电路工作的时间快慢。

3 电能储能电路设计

3.1 蓄电池原理及参数

蓄电池是存储化学能量,并为负载供电的一种储电设备,蓄电池的工作原理以铅酸蓄电池为例,将阳极(PbO2)和阴极(Pb)浸入到电解液中,两级之间发生反应产生电能,根据蓄电池的充放电原理,可用方程式表示

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2HO2

式中:正方反应是为蓄电池充电,逆向反应是蓄电池放电[21,22]

图5为蓄电池的简化等效电路[24-26],其中蓄电池表示为电压为Em、内阻为R组成的电路,可表示流经蓄电池的电流I为

(5)

在生产生活中,蓄电池的电压一般为6 V和12 V,在本文多能互补发电系统中,额定电压24 V,需串联两个12 V蓄电池使用。

3.2 蓄电池充电电路原理及充电方式

在多能互补发电系统的电能存储及充电电路设计过程中采用两种充电电路。分别对应了蓄电池组与直流母线不同的连接传输方式。

方式1是运用半桥式蓄电池组充电电路,可将电路直接接在直流母线上,直接获取直流母线上的电能。然后单方向为蓄电池组充电,在后面添加逆变电路即可为交流负载供电[26,27]。

图6为半桥式蓄电池组充电电路图,运用了半桥式二极管结构,前一部分,在直流电压足够使二极管导通的情况下,此半桥式充电电路为设计的两组蓄电池充电。因为二极管的正向导通的特性,在后面与逆变电路相连的部分,其输出的电压只能是蓄电池组中所存电压容量高的一组,当充电电路运作使蓄电池充满后,逆变部分的输出电压将会保持在最高电压。

方式2是运用电流可逆斩波充电电路,使蓄电池与直流母线隔离,由直流母线通过逆变电路为负载供电。

如图7为电流可逆斩波(双向DC-DC变换器)蓄电池充电电路,电流可逆斩波充电电路又可称为双向DC-DC变换电路[28],因为它具有双向导通电能的原因,可以双向供电。当直流母线处电压足够,一方面可以直接通过逆变电路为交流负载供电;另一方面电能通过开关管V1,二极管VD1,电感L构成的降压BUCK斩波变换电路为蓄电池充电。当直流母线处的电压不足时,蓄电池可通过开关管V2,二极管VD2,电感L构成的升压BOOST斩波变换电路为直流母线供电,然后通过逆变电路为交流负载供电。

4 系统仿真分析

以下仿真实验中,控制开关管开通与关断的触发脉冲所需的PWM波均由脉冲发生器提供。

4.1 BUCK降压斩波变换电路仿真

仿真电路分别如图8～图10所示,部分参数如下:脉冲发生器的开关频率为20 kHz,开关管采用电力MOSFET器件,占空比按输出电压要求设定。直流电压设置为100 V,负载电阻R为20 Ω,电感L值为37.5 mH,电容C值为26 mF。

本降压斩波仿真实验假设风力发电机经整流后获得100 V直流电压,通过控制调节PWM波的占空比,此斩波电路可获得30 V左右的直流电压为蓄电池充电。其中图8为BUCK变换器仿真电路。图9输出电压波形,将100 V直流电压通过此电路转变为30 V。图10为BUCK变换器各器件电流电压波形,分别为控制电力MOSFET的电压UG、电路中电感L电压UL、MOSFET的电流、输出电压UO微观瞬时波形、电感L电流IL和二极管电流。可以看出各部分的波形是和控制电压UG对应的,输出电压UO波动范围仅有0.23 V,满足设计要求。

4.2 BOOST升压斩波变换电路仿真结果

如图11～13所示,部分参数如下:

脉冲发生器的开关频率为40 kHz,占空比按输出电压要求设定。直流电压DC设置为10 V,负载电阻R=200 Ω,电感L=12 μH,电容C=1 mF。

本升压斩波仿真实验假设太阳能板获得10 V直流电压,通过控制调节PWM波的占空比,此斩波电路可获得30 V左右的直流电压为蓄电池充电。其中,图11为BOOST变换器仿真电路。图12为输出电压波形,将10 V直流电压通过此电路升压为30 V。图13为BOOST变换器各器件电流电压波形,分别为提供电力MOSFET的电压UG、电路中电感L电压UL、MOSFET的电流、输出电压UO微观瞬时波形、电感L电流IL和二极管电流。同样,各部分的波形是和控制电压UG对应的,输出电压UO脉动很小,符合设计要求。

4.3 半桥式充电电路仿真设计

本仿真实验使用两组蓄电池,其部分参数如下:两个蓄电池组额定电压24 V,额定容量100 AH,内阻为0.000 2 Ω,容量百分比分别为100%和50%(放电量由额定量决定)。直流电压受控源DC使用阶跃函数控制,设置初值为0 V,5 s后阶跃为30 V。卸荷电阻R1与负载电阻R2阻值均为10 Ω。实验总时长设定为10 s。

如图14为半桥式充电仿真电路。其中二极管导通压降为0.8 V。在0～5 s内,二极管不导通,无电流,5～10 s内,二极管导通,有电流流过且电压变为正值如图17所示。

图15与图16分别是蓄电池组1和蓄电池组2充放电波形图。从图中可以看出蓄电池组1容量为100%,蓄电池组2容量为50%,蓄电池组1的容量及电压大于蓄电池组2,蓄电池组2不会给负载供电。

前0～5 s内,二极管D3导通,蓄电池组1对R2放电且容量略有下降,电压也略有下降。5～10 s内,二极管D1和D2导通,电源DC对蓄电池组充电。其中,蓄电池组2并联了卸荷电阻,目的是防止蓄电池充电电流过大。从图17可以看出,卸荷电阻可以对降低蓄电池充电时的充电电流有一定的作用。可以根据所需要求的限制电流值,来修改卸荷电阻值的大小。实际的电路中每个蓄电池组均可以按需求加入卸荷电阻。这样的分组管理模式使电池的充放电的效率显著提高。所以通过本次仿真实验可以验证,使用半桥式的充电电路可以实现若干蓄电池组(本仿真实验为两组)的有效分组式管理。

4.4 电流可逆斩波充电电路仿真设计

本仿真实验使用一组蓄电池,其部分参数如下:蓄电池额定电压为24 V,额定容量为100 AH,内阻为0.000 2 Ω(仿真时需固定参数)。直流电压受控源DC使用阶跃函数控制,设置初值为0 V,0.01 s后阶跃为30 V。脉冲发生器1/2的开关频率为50 kHz,占空比按输出电压要求设定(应调整两发生器的起振时间,并使之不同时导通)。实验总时长设定为0.02 s。

图18为电流可逆斩波充电电路仿真图。通过观察图19的蓄电池充放电曲线可以直观发现,0～0.01 s内,由于设定初试直流电压为0 V,直流电压不够,蓄电池就为直流母线供电,使蓄电池电量下降;在0.01～0.02 s内,通过阶跃控制,直流电压足够,直流母线为蓄电池充电。上述仿真结果证明了这个方案的可行性,电路可以实现可逆运行。

5 结论

本文针对单一新能源发电系统无规律性,不稳定的问题,提出了多能互补发电系统,通过详细的研究,设计了多能互补转换电路及电能存储电路,通过理论设计与仿真得出具体结论:

(1)设计的多能互补发电电路具有良好的性能,系统中各个新能源在源头不稳定,其发电单元相互独立,但是多能源获取的直流电压经过降压斩波电路和升压斩波电路最终获得稳定输出直流电压。这样从系统的整体架构上就保证了能量的有效转换,各种能量之间此缺它补,很好地转化利用了各个新能源携带的能量。

(2)多能源经过互补变换电路获取的稳定直流电压是精电,通过直流母线为充电电路供电,或者直接逆变成交流电,输出适合相应负载的稳定标准电能,这样总体上从不稳定的各种新能源转换的粗电能最终获得了稳定的交直流精电能。

(3)多能互补发电系统比单种能源发电系统更容易获得稳定输出,提高长期平稳供电的可能性,通过本文设计的电路系统,各个新能源的利用率得到了提高,较好地实现各个新能源的相互补充,达到了新能源较好的有效运用。

由于天然因素,发电量不能保持绝对合理,发电过量导致多余电能通过卸载电路消耗,浪费资源。在未来可以通过减少发电系统与用电负荷之间产生较大的电量差值的可能性,来减少系统能量波动,以提高系统的发电、供电质量,这是另一个研究方向。