分散式风力-太阳能混合发电系统的研制

清洁能源与新能源分散式风力太阳能混合发电系统的研制，杨苹杨金明刘永强张昊吴捷1.+南理工大学电力学院，广州564，2.广东省科学院自动化工程研制中心，广州57，+摘胃对国内外中小型风力发电机组及太阳能发电装置进行了综合分析采用机电本化1十=模变结构控制技术研制开发实用化的分散式风力太阳能混合发电系统，统交流电源品2调卞装置对昆合发电系统的电能指标进行全局优化。即利用统滑模变结构控制实现发电系，快速压调节谐波抑制功率因数补偿和非线性负菏的相平衡，为边远地区及分散用户提供稳定的洁能源。混合发电系统既可独立运行。也可多系统并疔运行。必要时还可并网运行。     能源技水近年来，风力发电和阳能发电技术发展迅速，10年前，卅畀风电总功率不到100万14界，如今已超过970万，椐估汁，2丰内风电将可满足世邛电力需求的成为21世纪主要的电源之。     我国对风力发电和太阳能发屯技术也给予高度1代视，20年来风力发电和太阳能发电在我国的沿海和新疆内蒙等地得到了定的推广应用。     2000年8月，国家计委国家经贸委等联合发出关于发展热电联产的规定。我国的电力工业将基金项目广东省自然科学基金团队项目，3049广东省十科技计划重大专项人1050401广东省十科技计划重大专项人50202由大机组大电厂大电网逐步走向大电网和分散电源1结合的新格，对边远及分散地。充分利用当地的自然能源，大力推广风力和太阳能发电，是建立小型分散式电源的最好途径之。     由于进的太阳能电池和小甩风力发电组比较昂贵，我国的些研究开发机构虽在相关的开发和研制工作中取得了些成绩，但存在着太阳能电池造价高，小型风力发电机组造价高可靠性低无法长期稳定运行等问，制约了风力及太阳能发电系统的推广应用，为此，通过机电体化的设计和先进的控制手段，我们研制开发经济型的分散式风光化补的发电系统。可为边远地区及分散用户提供较为经济和稳定的清洁能源。     1分散式风力太阳能混合发电系统的结构分散式风力攻阳能混合发电系统的风力发电机在结构1采广没电机与齿轮箱机电体化的紧凑式设计，而太1能发电则采太1能电池板和干在直流侧并联，经充放电控制器向蓄电池组充电，然厂通过逆变器向交流负载供电。如果交流负载要求较高，或需要向电网供电，则可接入电源品质控制器提高混合发电系统的电源品质。系统应用微机监测进行能量管理，以实现风力与太阳能的最优功率匹配系统操作运行监控及故障诊断。系统由风力发电机组太阳能电池阵列溶电池逆变器数据采集系统组成1.由于太阳能电池和蓄电池的成本较，为降低系统的整机成木，可根据然条件站1降低太阳能和蓄电池的比例。     2风力发电机组近年，世界各国相继开发了高效的大型风力发电机组，发电能力大大提高，成本大为降低。目前，风电系统的发展趋势是开发大型并网式风电机稂和中小型，立运行式风力发电系统汴举2，大型并网式风电设备应用于风电场，中小型独立运行地区的就地供电问。然而，两者都面临两个急待解决的问，即实现风能最大捕获和提高电源品质，从而降低风电成本和提高风电的质量，这也是推广风电的关键。将发电机与齿轮箱连为体的机电体化设计鲁棒控制技术和先进的电力电子技术的应用可实现最大风能捕获以及电源品质的控制。     2.1风力发电机的机电体化设计在风力发电机组中，由于风力机的转速般较低需经齿轮箱升速后再驱动发电机。通常，为降低成本往往采用柔性结构的传动轴和齿轮箱，以减小系统阻尼。似在1然风，发化随机忭变化，这将导致发电机转速和传动链中的力矩波动幅值，大，损伤机械设备，影响传动链机构的使用寿命。采用发电机与齿轮箱连为体的发电机外壳设计，不但可使风力发屯机组的结构更紧凑，而动力传动刚度也有所增加，同时还降低了风力发电机组的成本，并使发电设济史便子安装和运输2.2最大风能捕获控制131根据风力发电装置交动力学，风能利用系数是风速和风轮转速叶尖速比的非线性函数，在定风速下存在着个对应某确定转速的极大值。     为了充分利用风能资源，提高效率，应该在不同风速下及时调整风机转速。实现风能的最大捕获4机械装置的摩擦力矩也是转速的非线性函数，在风向与风速随机变化阵风负荷突变等情况时，要使发电系统既能工作在最优点，同时又具有很强的跟踪抗负荷扰动以及参数摄动的能力，系统应具有很强的鲁棒性，而且控制算法尽可能简单和易于实现，采用常规控制方法是无法达到目的的。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上，减少其牵引过程可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性5气2.3电源品质控泡厂8风力发电机并网发电需要向电网提供高品质的电能。要求电能波形好相付称频率怕定电压刚性好。而风速随机变化给风电带来的大量谐波混合发屯系统应大功中。屯力电，逆变装盟所造成的非线性特性和负载状况的多样性，不但使相交流电源品质严重下降，而且威胁电网的安全运行，为此必须对屯能质遣进行控制。以往的法是针对不1优化我们则采用统1交流屯源品质调节装置即利用统的滑模变结构抟制电能指标进厅全局优化，采用有源滤波与无源滤波电路相结合的设计，既可保证电卡和电流的波形。还可以降低调节装置的成本。有源滤波电路的相参考电压有两个分量直轴分量提供负荷的有功指令。交轴分则提供负仰两个滑动模控制器进行闭环控制，从而实现电能质量的统调整。     3太阳能发电系统太阳能发电系统主要由光电池蓄屯池聚光系统跟踪系统充放电装置逆变装迓和控制保护系统构成。研制的太阳能发电系统具有以下特点⑴阳光跟踪系统根据地平坐标双轴跟踪原理，利用光敏探头对阳光强弱进行监测，确定聚光装置的最优方位角，然后采用侍服电机驱动聚光装置实现跟踪，实现太阳能的最大捕获。     智能充电装置可根据蓄电池充电电压放电深役及伏安特性，减活地改变免屯电流延蓄电池寿命同时保证蓄电池容量的充分利用。系统拟采用晶闸管触发系统实现并可根据检测的结果合理的选择恒流方式或恒压方式进行充电。     器功率变换和输出部分组成。其功能是将蓄电池存诸的能转换为电压恒定。波形以好的交流电能系统拟采用105功率符和低耗变压器或无变压器以减低变流过程中的损耗，同时设置合理的自锁保护电路以提高设备的可靠性。     控制保护系统以单片机为核心统监拧。     实现相关信号的检测控制运算和输出。     4混合发电系统的优化管理121混合发屯系统的优化矜理由智能监控系统完成。根据分散式风力太阳能混合发电系统的特点，智能监控系统分为两层。底层是基于微处理芯片的监控层，负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数设同时具备与上层通讯的能力；上层是基于微机的协调管理层，主要用于处理多台设备并列运行时的协调控制及并网发电。     4.1监控层监控小要包拈系统状态监测充放电控制参数设定能景管理和连网迎讯等多项内容系统状态监测即对系统运行参数进亍监测，如蓄电池电压负荷需求风能密度太阳福射强度等。这些数据厅面产系统运行控制，另方面也可以提供给上层协调管理层使用。     充放电控制实现蓄电池组的容量选择及充放电控制。由于系统运行的费用很大程度上取决于蓄电池的寿命，电池的寿命很大程度上又取决于能否工作在100的容量状态附近以及放电后能否快违恢复到该状态。故电池组的容试选择及充放电控制对系统的运于成木有较大影响。     参数设定实现混合发电系统运行参数的设定，如各种保护极限蓄电池数量等。该部分功能既可以通过本地操作面板来实现，也可以采用通讯方式由上层协调管理层获得。     能量管理主要负责处理系统的供电模式切换及负荷控制，根据日照状况风能密度蓄电池充电状况和负荷需求灵活调节各部分对外供电的比例。同时它还具有定的保护功能，例如在蓄电池过放电和过充电时切除部分负荷，或者有选择地暂停风电或太阳能发电系统的运行。     连网通讯负责与上层监控系统通讯，提供层系统所需要的运行及设备参数，同时根据上层监控系统的指令改变系统的运1况4.2协调管理层层协调管理层的主要功能包括通讯数据采集协调控制并网设备诊断等。     通讯通讯功能包括两部分，方面它要与底层监控层进行通讯获得系统运行参数，同时向监控层发送控制指令；另方面，它还必须具备与电网调度自动化系统及并网设备通讯的能办以实现混合发电系统向电网供电。     数据采集这是上层协调管理层运厅的坫础，它通过与底层监控层的通讯来获得各单机的运行参数和设备状态协调控制当多台设备同时运行时，协调控制层能对全部运行参数进行监测，灵活改变各设备的运行工况，使混合发电系统运行在最优状态下。     并网管理通过与并网设备的协调工作，实现向电网供电设备诊断对设备运行历史数据进行分析，给出各部件的疲劳程度，为设备检修提供必要信息；在系统出现故障时，指出故障部位，方便检修在上述两级智能监控系统的控制下，系统既可以在远离电1的地13作为自治系统单机运行，又以多机行这行，实现系统的优化符理1作必要国际能源机构。中国2020年能源展望。能源政策研L.iyy9.4.     孙同抵。除德。风力发电机集群控，技术太能m，1998.1905109.     电池的技术。该系统将天然气预处理后送入催化转化器产生氢气供磷酸燃料电池使用。在转化器中，如氢转化成站。它会与酸反应。缩短燃料电池组合块寿命。脱氮系统采用空心纤维膜，在由微孔聚丙稀支撑的结构上涂覆0.5心厚聚硅氧，形成气体分离阻档层阻止心，通过第套工业化装置处理的气体己供应给0爪1的台2001贾燃料电池组运行。氮的减少可使该燃料电池组寿命延长倍，达到6年。更换燃料电池的费用为2500美元而降氮费用小于600美元界。天然气的含氮量从8.5减小到6即可满足用户要求。该公司拟建矜输规格，3甲醇燃料电池戴姆勒克莱斯勒公司开发了新代以甲醇为动力的燃料电池汽车15，动力更大，更可靠。甲醇是种理想的液体贮氢介质，可像汽油或柴油那样运输贮存和处理。戴姆勒克莱斯勒公1斯夫公司！公司1腿公331公司和父8；8公司合作将甲醇燃料电池汽车推向商业化，5的推出，标志了甲醇燃料电池技术商业化迈出了重要步。甲醇转化器所用催化剂由巴斯夫公司提供，含有氧化铜和其它金属氧化物，活性更高更稳定。甲醇与水混合进入转化器，高活性的催化剂可使甲醇转化产生大量氢气，操作温度为200350，5燃料屯池汽车可介；令态快速启动。     河6此1公司也与菱和井公司合作，推进甲醇燃料电池汽车在日木的应用。     4汽油燃料电池通用汽车0肘公司和丰田汽车公司均致力于汽油燃料电池汽车的开发。该技术从清洁碳氢化合物燃料的汽汕中制取氢气，采叫这种制氢方式的燃料电池优点是采用含硫少的清洁燃料，可延长燃料电池自身寿命，并且容从维修。由于使用汽现有高，内燃机能量效率为15，汽油燃料电池可高达2232.排放002也较少，内燃机排放002为通用汽车公司和埃克森美孚公司开发了的汽油为燃料的燃料电池高效转化器，可产生高质量的氢气用以驱动燃料电池。现己完成汽油转化器集成系统的验证，该燃料电池组可产生251动力。     5燃料电池用组件材料的开发进展杜邦公司参与燃料电池的开发，并提供先进的燃料电池组件衬札包怙，迅乍皈化脱和工程聚合物，应用于质子交换膜，河燃料电池。2000年5杜邦已投资数百刀美儿作美下1山切0建41燃料电池技术开发中心。现在，50以上，厘燃料屯池组件村料都由杜邦公司制造提供塞拉尼斯065，公司与日本本田汽车公司共同研制汽车燃料电池的聚合物膜和膜电极纟合件MEA用以改进汽车燃料电池性能降低造价，1由同体聚合物膜和催化电极组成。寒拉尼斯研制成功以聚苯并咪唑为聚合物膜的高温河人。     用这种材料制造的燃料电池操作温度可高达180而传统的氟树脂膜的工作温度约为1.     提高温度可使燃料电池更耐原料中的杂质。塞拉尼斯公司可望成为领先的燃料电池用河人供应商。

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