分布式离网风力发电制冰蓄冷系统能量传递研究

分布式离网风力发电制冰蓄冷系统能量传递研究

0离网风电系统中国的风力利用主要集中在集中网络上。2019年，风能排放量为2057亿kwh。然而，受电网适应性不足、风速变化较大等因素的影响，年处理风速为168.6亿kwh。综上所述，采用蓄冷代替部分蓄电池储存风电具有较高的可行性，但少有人对离网风电制冰蓄冷系统不同运行模式间的能效差异进行研究。因此，本文采用建立数学模型和实验对比的方法，对系统能量传递特性及运行机理进行探究，并针对运行模式的调控提出优化策略，为风电制冷蓄能相关研究提供依据。1系统构建和能量传递模型1.1系统主要配套工具的确定本文设计的分布式离网风力发电制冰蓄冷系统，由供能及控制系统、制冰蓄冷系统2个部分组成，其结构如图1所示，实物如图2所示。供能及控制系统由永磁同步风力发电机（PMSG）、风速传感仪、三相整流桥、升压变换器、蓄电池开关、辅助蓄电池和控制器组成，制冰蓄冷系统由变频压缩机、冷凝器、储液罐、膨胀阀、蒸发器和蓄冰槽组成。系统运行时，风轮通过捕获分布式风力资源开始旋转，将风能转换为机械能，并通过转轴带动永磁同步发电机转子旋转，二者转速相等。发电机定子输出三相交流电，将机械能转换为电能，三相整流桥将三相交流电变换为直流电，并输出至升压变换器。控制器根据预设电压电流值改变升压变换器占空比并提高输出电压等级，为制冰蓄冷系统供电。变频压缩机吸入低温低压的气态工质，耗电做功进行绝热压缩，使工质温度和压力升高。工质进入冷凝器后向外放出热量，冷凝成为液态。将低温高压的液态工质导入储液罐中暂存，并经由膨胀阀调整工质流量，降低工质压力。工质进入蒸发器后，吸收蓄冰槽内水的热量并蒸发成为气态，水体温度降低实现制冷蓄能。最终，低温低压的气态工质再次被压缩机吸收，完成制冷循环，实现风-电-冷的能量转化。辅助蓄电池用于在短期无风或风速波动剧烈时保证压缩机的稳定运行，而不作为主要的蓄能装置。接通蓄电池开关时，系统处于浮充运行模式，此时蓄电池处于边充边放的工作状态；断开开关时，系统处于直驱运行模式，由风电直接驱动压缩机带动制冷机组运行。系统所用各部件主要参数如表1所示。经过为期一年的气象统计发现，昆明地区（纬度25°N，经度102.7°E，海拔1891m）的风速频率分布集中在3～5m/s范围内，因此通过模拟计算，选用额定功率为400W的PMSG和运行功率为15～50W的变速压缩机以实现系统的功率匹配。1.2浮充系统运行动态简化的系统电路拓扑结构如图3所示。风轮从分布式风能中捕获的瞬时风功率P式中，ρ——空气密度，kg/m风轮输出的机械功率P式中，CPMSG发出的三相交流电平均功率为：式中，UPMSG的能量传递效率（即风电转换效率）为：三相整流桥输出的平均电压电流值及整流效率为：式中，U如图3所示，升压变换器采用Boost斩波控制，将升压电压U式中，U同理，升压变换器效率为：系统采用浮充运行模式时，蓄电池处于边充边放的工作状态，而充电及放电过程均存在一定损失。如图3所示，可通过I蓄电池剩余容量C式中，P蓄电池充放电过程能量损失Q式中，SOC——蓄电池荷电状态（stateofcharge);C式中，Q定义直驱模式系统COP定义浮充模式系统COP式中，Q通过上述模型可计算出系统各部件的传递效率，但是由于存在功率损耗，各部件实际获得能量与应获得能量有所差别，经过理论计算与实际测量，各部件获得功率的平均损耗如表2所示。风轮旋转时转轴与PMSG间存在摩擦力从而产生摩擦损耗，摩擦系数约为0.005，三相整流桥、升压控制器和变速压缩机的获得功率受到导线电阻影响而产生电路损耗。上述功率损耗对实验结果的影响程度较低，可忽略不计。2系统运行性能分析传统的离网风电系统一般采用浮充运行模式，但蓄电池会影响系统转化效率，若摒弃蓄电池采用直驱模式，则无法保证系统运行的稳定性。为探究系统2种运行模式的能量传递特性及运行机理，需要在不同风况下进行实验对比。一般可将风速变化情况分为4种，即：基本风速、渐变风速、阵风风速和随机风速2.1浮充模式下蓄电池的运行效率稳态风况实验使用如图2b所示的变频轴流风机作为模拟风源，基于气象数据统计和系统功率匹配计算，在平均风速3.5m/s的低风速工况和5.5m/s的中风速工况下开展实验。低风速工况实验中的可控初始参数数值如表3所示。在风速和实验时长相同的情况下，2种模式风轮平均捕获功率几乎一致，但由于浮充模式有蓄电池存在，系统后端等效阻抗大于直驱模式，导致浮充模式的平均风轮转速低于直驱模式。在水的质量、初始水温和运行时长几乎一致的情况下，2种模式最终的产冰量也相近，分别为0.29和0.35kg。2种运行模式下系统各部件能量传递特性如表4所示。直驱模式下PMSG效率（即风电转换效率）为31.96%，三相整流桥能量损失较小，仅有2.12%，升压转换器实现升压稳压，实验过程中压缩机全程保持工作状态，制冰蓄冷系统共产生0.104kWh冷量，系统COP为0.267。浮充模式下升压变换器输出电压无法满足蓄电池充电要求，大量电能被卸荷电阻消耗，导致升压变换器能量传递效率仅为61.02%。同时，蓄电池具有动态负荷跟踪特性，能够为制冷压缩机提供电流补偿，除去充放电损失，蓄电池共向外放出0.023kWh的电量，因此在相同时间内，浮充模式制冰量高于直驱模式，系统COP为0.212。值得注意的是，制冷系统消耗高品位的电能用于传输低品位的热能，故传递效率高于100%，其效率与蒸发器面积、制冷工质的流量和种类相关。上述实验结果表明，低风速工况下蓄电池端电压对浮充模式钳位作用较为明显。作为对比，平均风速5.5m/s的中风速工况下，直驱和浮充模式各部件能量传递特性如表5所示。风速升高后，直驱模式风-电和电-冷转化效率与低风速工况时相近，但升压器转化效率降至68.08%，原因是压缩机达到额定功率，多余部分的电能无法被卸荷电阻以热能的形式散发。这也导致系统COP降至0.23，低于低风速工况的0.267。浮充实验中，由于风力发电机输出功率及电压等级随风速的增大而增大，蓄电池钳位作用减弱，风-电转换效率及升压器效率提高至35.93%和70.76%。同时，蓄电池一直处于充电状态，共充入约0.026kWh的电量，充放电损失约0.003kWh，该风速条件下系统COP为0.255，高于低风速工况的0.212。在系统直驱模式可正常运行的风速范围内，系统不同模式COP与平均风速间的关系如图4所示。当风速低于3.5m/s时，风电输出功率低于变频压缩机的最低启动功率，系统无法正常运行；当风速为3.5～5.0m/s时，直驱模式下风电输出功率与压缩机运行功率匹配，压缩机转速随获得功率的增大而增大，不同风速下系统的COP相近；浮充模式受蓄电池电压钳位作用，大部分风电无法被输送至压缩机，系统主要由蓄电池供电，导致系统COP低于直驱模式。风速为5m/s时，风电输出功率达到变频压缩机运行功率上限，浮充模式下蓄电池充放电平衡，2种模式下的COP相近。风速高于5m/s时，直驱模式下风电输出功率超过压缩机最大运行功率，多余风电无法用于制冷，导致系统COP降低；浮充模式下蓄电池可储存多余部分电能，但存在充放电损失，系统COP随风速的增大而减小。因此，在稳态工况下，采用直驱模式可有效避免蓄电池端电压的钳制和蓄电池充放电损失，提高风-电-冷转换效率；采用浮充模式可保证制冰蓄冷系统稳定运行，同时将剩余电能储存在蓄电池中。2.2浮充模式系统参数随时间的变化规律上述实验对比了系统在2种运行模式不同稳态风速下的制冷效率，并验证了风力发电制冰蓄冷储能的可行性。但实际风况往往复杂多变，必然会对风-电-冷平稳转换造成影响。为探究其中规律，需在非稳风况下进行实验对比。系统组件及结构不变，将风力发电机置于室外，以自然风作为单一风源展开实验。直驱和浮充实验过程中，风速在0～5.4m/s内波动变化，平均风速约为3.4m/s，直驱模式系统各参数随时间的变化规律如图5所示。从图5a可看出，风轮转速随风速的起伏不断升降，二者变化规律近乎一致。升压控制器将直流电压提升到预设电压24V以满足压缩机的运行电压要求，但无风时电压跌至接近零值。由于风电是唯一的能量来源，因此压缩机功率与风轮捕获功率呈线性关系，电流的大幅波动导致压缩机平均每分钟停机约2次。这也导致蓄冰槽内水体温度下降缓慢，甚至出现微小的温度回升。如图5b所示，以2180～2420s区间为例，此段区间内风速在2.4～4.0m/s内剧烈波动，压缩机获得功率多次跌至零值，只有近一半时间正常运行。浮充模式系统各参数随时间的变化规律如图6所示。图6a中I由于系统升压控制器最大功率点追踪（MPPT）速度较慢，且风轮具有旋转惯量，导致非稳态风况下PMSG无法时刻运行在最大功率曲线上，风电转换效率仅为25.19%和22.66%。直驱模式下压缩机频繁停机，启动能耗较大且这部分能量无法用于制冷，故制冷机组的电-冷转化效率仅为36.75%，系统COP为0.063。浮充模式下蓄电池共输出约0.01kWh的电量，占总供电量的27.8%，系统COP为0.166。3试验结果分析上述实验表明，系统无单一的最佳运行模式，应根据实时风况对系统进行调整，从而在保证稳定运行的前提下，提高系统综合效率。因此，在蓄电池前端加装继电器以实现即时通断，设计模式切换控制器，控制流程如图7所示。首先采集三相频率信号及风速脉冲信号，获得实时风轮转速及风速数据，根据式（5）计算出惯性时间常数H，并计算该时段内风速变化率，然后判断当前风速是否满足直驱条件，若不满足，则切换至浮充运行模式；若满足，再根据ε值界定当前风况，只有当风速波动较缓时，输出高电平信号至继电器，切断蓄电池，将系统切换至直驱运行模式。基于稳态和非稳态风况的实验结果，当风速为3.5～5.0m/s且波动较小时，切断蓄电池开关，将系统切换至直驱模式；其他情况下则接通蓄电池采用浮充模式。在自然风况下开展实验对控制器性能进行验证，风速在0～12.7m/s内随机波动，平均风速约为3.3m/s系统各参数随时间的变化规律如图8所示。图8中S(t)表示蓄电池开关通断状态，0表示关断，1表示接通。从图8可看出，风速变化范围和频率极大，导致风轮转速无规律变化，当风速高于9m/s时，风轮转速达到上限510r/min后不再提高。蓄电池开关状态根据风况自动调整，使系统在直驱与浮充运行模式间切换，但压缩机运行不受影响，获得功率较为稳定，在实验过程中未出现停机现象，水温平缓降至结冰温度。蓄电池在风速波动剧烈及不满足直驱条件时，能够追踪负荷动态输出电能保证压缩机稳定运行，并在风速增大后存储多余电能。直驱模式累计运行时长占总时长的29.4%，在此期间压缩机也保持正常运行。系统各组件能量传递特性如表7所示。采用模式切换控制器后，风电转换效率及升压变换器效率均高于单一直驱和浮充模式。由于压缩机全程稳定运行，电-冷转化效率与稳态风况下相近。实验过程中平均风速较低，大部分时间由蓄电池主供电，蓄电池共输出约0.024kWh的电量，系统COP为0.186，在平均风速相近的情况下，高于直驱模式的0.063和浮充模式的0.166。以昆明地区的风况（3～5m/s）作为模拟基础，对比风电制冷系统和市电制冷系统的经济性。风电制冰系统的额外成本约为2200元，包括PMSG、控制器和65Ah辅助铅酸蓄电池，市电价格约0.8元/kWh。在制冷功率相同的情况下，风电制冷系统的投资回收期约为4.1a，具有较好的经济价值。4浮充模式的经济性1）本文构建分布式离网风力发电制冰蓄冷系统，验证了将风能转换为冷量储存的可行性。2）在稳态风况下，若供能系统与制冷系统功率相匹配，采用直驱模式能解除蓄电池端电压的钳位作用，有效提高风-电-冷转化效率，系统COP最高为0.264；采用浮充模式可在保证系统稳定运行的前提下，存储盈余风电，系统COP最高为0.26。3）在非稳风况