柴油发电机与太阳能、风力装置混合供电模式

近年来，可再生能源发展很快，已经成为世界各国能源发展战略的重要构造部分，而风能和太阳能的利用正是其中重要的内容。柴发混合发电系统，该装置适于在一些偏远的地区或孤岛微大电的使用。因为无法并网供电，为了保证供电的可靠性，采用通过操作仿真软件Matlab的powersystem工具箱构建该系统仿真模型，具体地分析了风力和柴发混合发电装置的动态性能。结果表明

      发电机组的混合能源电站控制单元是一个智能控制系统，采用Linux的使用装置，具有强大的通信及控制用途。控制单元具有与装置内装置的通信接口，实时读取设备的数据并对系统内的设备进行控制；实时采集直流母线电压及电池组的充放电电流，根据控制对策完成系统的控制；具备远程通信接口，可实现混合能源机构的集中化管理。控制柜组成构造如图1所示。

（1）强大的本地数据显示功用，实时采集太阳能变换器、整流器、电池组、逆变器的参数，检查设备和装置的作业状态，本地显示这些数据并传送至集中监控装置。

（2）检查机构的工作状态，可实时监测，发生异样情况时进行报警使用，并进行报警记录，记录的条数大于1000条。可本地或远程查询报警记录。

（5）具有远程监控用途，丰富的通信接口，可通过TCP/IP、RS232/485及干接点等进行远程监控。

      以光伏新能源为例，在比较典型的柴油光伏互补发电系统当中，重点包含了光伏发电系统、柴油发电机、后备发电装置、逆变系统控制系统以及电瓶等几个重要环节所构造，是集太阳能、柴油发电机以及电瓶等多种不同能源开发技术于一体的复合型可再生能源发电机构。详细结构如图2所示。

      光伏发电环节可以高效应用太阳能电池板将太阳能高效地转化成电能，然后对蓄电池组进行充电的同时，通过逆变器直接将直流电转化成交流电对负载来进行供电，柴油发电机作为后备辅助发电设施，有效保证了用电装备的工作连续性，使得整个供电系统更加稳定，在逆变装置当中具体是通过多台逆变器装置所构造，将蓄电池当中的直流电转化成标准的220 V交流电源，充分保证了交流电负载设备的正常操作，同时还具有良好的自动稳压功用，可以有效改变光柴互补发电装置的供电质量。

      在控制作业环节当中需要对日照的强度以及柴油发电机组的作业负载情况来进行高效转换和调整，一方面来讲需要将调节完成之后的电力资源直接送往直流或者是交流负荷当中；另一方面，将多余的电力资源直接储存到蓄电池当中，当发电量不能有效满足负载的需求时，需要将电瓶当中的电能直接进行补充，有效保证了整个供电系统的供电联系和供电稳定性。蓄电池组模块当中通过多块电池组设施所组成，在供电机构当中起到了良好的电能调节和电能平衡负载等相关用途，将光伏发电机构输出的电能直接转化成化学能进行储存，以此在供电机构动力不佳的情形下来进行补充操作。

      混合能源系统机理如图3所示。系统的控制模式分为以下几种情形：

      当阳光充足时，由太阳能供电机构为电池和负荷提供电力，混合能源管理机构通过电池电流的检测，控制太阳能变换器完成电池的充电过程，如图4所示。电瓶组充电采用三段式充电模式，具体流程如下：

      恒流充电阶段。通过调节充电电压，使充电电流保持恒定（胶体电池充电电流为0.15C左右），此时电池充入电量快速增加，电池电压上升。

      恒压充电阶段。充电电压保持恒定，充入电量继续增加，充电电流下降。

      浮充充电阶段。充电电流降至低于浮充切换电流时，电池转入浮充阶段。

      监测到电池转入浮充阶段约3h后，电瓶组充电结束。

      当太阳能供电系统无法单独满足装置的供电时，这时装置由太阳能变换器和电池共同为装置供电，如图5所示。

      随着电池的放电，装置的直流电压会逐渐地减小。当太阳能无法完全满足装置的供电，电池的直流电压会连续地减小，当电压低于机构设置的电压下限时，由混合能源管理装置控制启动柴油发电机组工作，通过整流器为机构供电，同时混合能源管理机构控制整流器为蓄电池组充电，如图6所示。

      在康明斯发电机组工作时，混合能源管理装置检查太阳能供电装置，当太阳能充足时，由柴油发电机组切换至太阳能供电，康明斯发电机组停止作业，如图7所示。当太阳能供电不足，由电池组为系统供电，当电瓶电压低至电压下限时，起动柴油发电系统又失败时，电池电压将会继续减轻，当电池电压低至电池电压保护值时，由混合能源管理系统控制电池控制单元开关脱扣，以保护电池，如图8所示。

      风力和柴发混合发电系统是由柴油发电机驱动的同步发电机和风力机驱动的异步发电机构成的发电部分，以及频率调整系统和负载组成。当风速低的时候，异步发电机和柴油发电机驱动的同步发电机共同向负荷供给电力；而当风速高到能够供应所有负载功率消耗时，关掉柴油发电机，由风力机驱动下的异步发电机供给全部电力消耗。在风力供电大于负荷用电量的情形下，同步发电机用作同步调相机，调节功率因数，通过励磁系统的调整控制保证供电电压的稳定。为了调整装置的频率，使之稳定在额定频率，一个可以分级调整的配平负载被用于吸收超过实际负载容量的风能。这个可调的配平负载的具体投切量由频率偏移额定频率的情形决定。

      Matlab的simulink/powersystem工具箱提供了异步发电机、同步发电机等基础电气元件的数学模型单元，只需将需要的对象拖人仿真文件作业窗口即可，并双击后输入对象的电气数据。

     风力机的特点是一定的风速和一定风叶转速就对应一个数值的机械容量，形成转矩加在异步发电机的转子轴上，即原动转矩。异步发电机在风力机的驱动下柴油发电机是如何起动的，无论在低同步转动，还是高同步转动都能处于发电状态；如果异步发电机的转子转速作业在同步速度过高附近的范围，可以获得较好的风能电能切换效率。通过检测风速和异步发电机的速度，由特征关系知道加在电机轴上的力矩，Matlab提供了查函数表的单元，仿真构造。

      同步发电机的励磁装置向同步发电机供应励磁容量，起着调整电压、保持发大电电压恒定的功能，并可控制并列运转发电机的无功容量分配。在仿真装置中为了解析电网频率随负荷投入的波动状况，认为风力足够负荷使用时，同步发电机处于电动调相运行状态，异步发电机发电的功率因数不能自己调节，在本机构中就通过调整同步发电机的励磁实现。其实现基本原理就是通过测定市电电压与给定电压的比较，通过PI调节同步机的励磁电流的大小而改变转子功以及电机端电压。Powersystem中直接供应了励磁模块。

      频率调整器使用一个标准的三相锁相环来测量装置的频率。检测到的市电频率与参考频率作比较，得出频率误差，这个误差信号经积分运算得到相位误差柴油发电机启动不了，再与给定容许相位误差比较，经比例微分环节后发生一个模拟控制信号。这个模拟信号经过数字化后变成八位的数字量，用来控制配平负荷的投切量，从而改变了发电机的电流大小，使发电机转速以及大电频率保持稳定，为了使转换程序电压波动较小，开关采用交流电压过零的时候操作。

      机构中还用到了三相电压电流的测定单元，可以非常方便测定显示有功及无功的波形。

      仿真装置由一台同步发电机及励磁模块、一台异步发电机及风力机模块、一个频率调节器和一个可256级调整的三相电阻结构的配平负荷、一个主负载、一个次负载、一个负荷投切开关和功率因数补偿电容结构柴油机故障灯一览表。

      风速给定为10m/s，异步发电机运转在高于同步速度的发电状态(本装置市电频率定为60 Hz)，根据风力机的特征图，风力机输出容量是206kW，减去异步发电机的损耗，异步发电机输出200 kW功率。当主负载消耗50 kW功率时，为了维持稳定的60 Hz大电频率，配平负载要消耗150 kW容量。在时间0.2 s时，又有25kW负载投入市电，瞬时市电频率降到59.8 Hz。这个时候频率调整器根据频率的偏移，自动减轻配平负荷以使大电频率回到60 Hz，从仿真波形可以看出电压维持不变、配平负荷变化范围从446.25～0kW变化，以1.75 kW步进。

      从仿真波形可以看出：市电频率在0.5 s随负载的投人发生了波动，1.5 s后又回到了原来频率，这个步骤中的电网电压一直保持稳定；整个市电的容量一直保持平衡状态。实验结果证明了该系统可靠性以及良好的动态响应性能。

      基于一次性能源日益匮乏、新能源蓬勃发展的状况，新能源和柴发系统互补的发电模式受到了更多的关注和重视，越来越多的发展中国家开始重点发展新能源产业。本文中浅析的光柴、风柴互补发电系统可以高效保证供电作业的稳定性和安全性，以有效提升微大电发电站的整体发电作业质量，防止微大电发电存在异常波动问题。通过有功容量参考值的实现，将电压的测定环节直接进行对应的参数收集，然后和机构的额定电压之间进行有效对比，通过该环节的计算作业之后，可以高效得到无功容量的真实参考值大小。