分布式離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電制冰蓄冷系統(tǒng)能量傳遞研究

分布式離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電制冰蓄冷系統(tǒng)能量傳遞研究

0離網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中國的風(fēng)力利用主要集中在集中網(wǎng)絡(luò)上。2019年，風(fēng)能排放量為2057億kwh。然而，受電網(wǎng)適應(yīng)性不足、風(fēng)速變化較大等因素的影響，年處理風(fēng)速為168.6億kwh。綜上所述，采用蓄冷代替部分蓄電池儲存風(fēng)電具有較高的可行性，但少有人對離網(wǎng)風(fēng)電制冰蓄冷系統(tǒng)不同運(yùn)行模式間的能效差異進(jìn)行研究。因此，本文采用建立數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)對比的方法，對系統(tǒng)能量傳遞特性及運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行探究，并針對運(yùn)行模式的調(diào)控提出優(yōu)化策略，為風(fēng)電制冷蓄能相關(guān)研究提供依據(jù)。1系統(tǒng)構(gòu)建和能量傳遞模型1.1系統(tǒng)主要配套工具的確定本文設(shè)計(jì)的分布式離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電制冰蓄冷系統(tǒng)，由供能及控制系統(tǒng)、制冰蓄冷系統(tǒng)2個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。供能及控制系統(tǒng)由永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（PMSG）、風(fēng)速傳感儀、三相整流橋、升壓變換器、蓄電池開關(guān)、輔助蓄電池和控制器組成，制冰蓄冷系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、儲液罐、膨脹閥、蒸發(fā)器和蓄冰槽組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)輪通過捕獲分布式風(fēng)力資源開始旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過轉(zhuǎn)軸帶動永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，二者轉(zhuǎn)速相等。發(fā)電機(jī)定子輸出三相交流電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，三相整流橋?qū)⑷嘟涣麟娮儞Q為直流電，并輸出至升壓變換器?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)設(shè)電壓電流值改變升壓變換器占空比并提高輸出電壓等級，為制冰蓄冷系統(tǒng)供電。變頻壓縮機(jī)吸入低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)，耗電做功進(jìn)行絕熱壓縮，使工質(zhì)溫度和壓力升高。工質(zhì)進(jìn)入冷凝器后向外放出熱量，冷凝成為液態(tài)。將低溫高壓的液態(tài)工質(zhì)導(dǎo)入儲液罐中暫存，并經(jīng)由膨脹閥調(diào)整工質(zhì)流量，降低工質(zhì)壓力。工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器后，吸收蓄冰槽內(nèi)水的熱量并蒸發(fā)成為氣態(tài)，水體溫度降低實(shí)現(xiàn)制冷蓄能。最終，低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)再次被壓縮機(jī)吸收，完成制冷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)-電-冷的能量轉(zhuǎn)化。輔助蓄電池用于在短期無風(fēng)或風(fēng)速波動劇烈時(shí)保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，而不作為主要的蓄能裝置。接通蓄電池開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)處于浮充運(yùn)行模式，此時(shí)蓄電池處于邊充邊放的工作狀態(tài)；斷開開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)處于直驅(qū)運(yùn)行模式，由風(fēng)電直接驅(qū)動壓縮機(jī)帶動制冷機(jī)組運(yùn)行。系統(tǒng)所用各部件主要參數(shù)如表1所示。經(jīng)過為期一年的氣象統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，昆明地區(qū)（緯度25°N，經(jīng)度102.7°E，海拔1891m）的風(fēng)速頻率分布集中在3～5m/s范圍內(nèi)，因此通過模擬計(jì)算，選用額定功率為400W的PMSG和運(yùn)行功率為15～50W的變速壓縮機(jī)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率匹配。1.2浮充系統(tǒng)運(yùn)行動態(tài)簡化的系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。風(fēng)輪從分布式風(fēng)能中捕獲的瞬時(shí)風(fēng)功率P式中，ρ——空氣密度，kg/m風(fēng)輪輸出的機(jī)械功率P式中，CPMSG發(fā)出的三相交流電平均功率為：式中，UPMSG的能量傳遞效率（即風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率）為：三相整流橋輸出的平均電壓電流值及整流效率為：式中，U如圖3所示，升壓變換器采用Boost斬波控制，將升壓電壓U式中，U同理，升壓變換器效率為：系統(tǒng)采用浮充運(yùn)行模式時(shí)，蓄電池處于邊充邊放的工作狀態(tài)，而充電及放電過程均存在一定損失。如圖3所示，可通過I蓄電池剩余容量C式中，P蓄電池充放電過程能量損失Q式中，SOC——蓄電池荷電狀態(tài)（stateofcharge);C式中，Q定義直驅(qū)模式系統(tǒng)COP定義浮充模式系統(tǒng)COP式中，Q通過上述模型可計(jì)算出系統(tǒng)各部件的傳遞效率，但是由于存在功率損耗，各部件實(shí)際獲得能量與應(yīng)獲得能量有所差別，經(jīng)過理論計(jì)算與實(shí)際測量，各部件獲得功率的平均損耗如表2所示。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸與PMSG間存在摩擦力從而產(chǎn)生摩擦損耗，摩擦系數(shù)約為0.005，三相整流橋、升壓控制器和變速壓縮機(jī)的獲得功率受到導(dǎo)線電阻影響而產(chǎn)生電路損耗。上述功率損耗對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度較低，可忽略不計(jì)。2系統(tǒng)運(yùn)行性能分析傳統(tǒng)的離網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)一般采用浮充運(yùn)行模式，但蓄電池會影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，若摒棄蓄電池采用直驅(qū)模式，則無法保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為探究系統(tǒng)2種運(yùn)行模式的能量傳遞特性及運(yùn)行機(jī)理，需要在不同風(fēng)況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。一般可將風(fēng)速變化情況分為4種，即：基本風(fēng)速、漸變風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速2.1浮充模式下蓄電池的運(yùn)行效率穩(wěn)態(tài)風(fēng)況實(shí)驗(yàn)使用如圖2b所示的變頻軸流風(fēng)機(jī)作為模擬風(fēng)源，基于氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)功率匹配計(jì)算，在平均風(fēng)速3.5m/s的低風(fēng)速工況和5.5m/s的中風(fēng)速工況下開展實(shí)驗(yàn)。低風(fēng)速工況實(shí)驗(yàn)中的可控初始參數(shù)數(shù)值如表3所示。在風(fēng)速和實(shí)驗(yàn)時(shí)長相同的情況下，2種模式風(fēng)輪平均捕獲功率幾乎一致，但由于浮充模式有蓄電池存在，系統(tǒng)后端等效阻抗大于直驅(qū)模式，導(dǎo)致浮充模式的平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低于直驅(qū)模式。在水的質(zhì)量、初始水溫和運(yùn)行時(shí)長幾乎一致的情況下，2種模式最終的產(chǎn)冰量也相近，分別為0.29和0.35kg。2種運(yùn)行模式下系統(tǒng)各部件能量傳遞特性如表4所示。直驅(qū)模式下PMSG效率（即風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率）為31.96%，三相整流橋能量損失較小，僅有2.12%，升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)升壓穩(wěn)壓，實(shí)驗(yàn)過程中壓縮機(jī)全程保持工作狀態(tài)，制冰蓄冷系統(tǒng)共產(chǎn)生0.104kWh冷量，系統(tǒng)COP為0.267。浮充模式下升壓變換器輸出電壓無法滿足蓄電池充電要求，大量電能被卸荷電阻消耗，導(dǎo)致升壓變換器能量傳遞效率僅為61.02%。同時(shí)，蓄電池具有動態(tài)負(fù)荷跟蹤特性，能夠?yàn)橹评鋲嚎s機(jī)提供電流補(bǔ)償，除去充放電損失，蓄電池共向外放出0.023kWh的電量，因此在相同時(shí)間內(nèi)，浮充模式制冰量高于直驅(qū)模式，系統(tǒng)COP為0.212。值得注意的是，制冷系統(tǒng)消耗高品位的電能用于傳輸?shù)推肺坏臒崮?，故傳遞效率高于100%，其效率與蒸發(fā)器面積、制冷工質(zhì)的流量和種類相關(guān)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低風(fēng)速工況下蓄電池端電壓對浮充模式鉗位作用較為明顯。作為對比，平均風(fēng)速5.5m/s的中風(fēng)速工況下，直驅(qū)和浮充模式各部件能量傳遞特性如表5所示。風(fēng)速升高后，直驅(qū)模式風(fēng)-電和電-冷轉(zhuǎn)化效率與低風(fēng)速工況時(shí)相近，但升壓器轉(zhuǎn)化效率降至68.08%，原因是壓縮機(jī)達(dá)到額定功率，多余部分的電能無法被卸荷電阻以熱能的形式散發(fā)。這也導(dǎo)致系統(tǒng)COP降至0.23，低于低風(fēng)速工況的0.267。浮充實(shí)驗(yàn)中，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率及電壓等級隨風(fēng)速的增大而增大，蓄電池鉗位作用減弱，風(fēng)-電轉(zhuǎn)換效率及升壓器效率提高至35.93%和70.76%。同時(shí)，蓄電池一直處于充電狀態(tài)，共充入約0.026kWh的電量，充放電損失約0.003kWh，該風(fēng)速條件下系統(tǒng)COP為0.255，高于低風(fēng)速工況的0.212。在系統(tǒng)直驅(qū)模式可正常運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，系統(tǒng)不同模式COP與平均風(fēng)速間的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)風(fēng)速低于3.5m/s時(shí)，風(fēng)電輸出功率低于變頻壓縮機(jī)的最低啟動功率，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速為3.5～5.0m/s時(shí)，直驅(qū)模式下風(fēng)電輸出功率與壓縮機(jī)運(yùn)行功率匹配，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速隨獲得功率的增大而增大，不同風(fēng)速下系統(tǒng)的COP相近；浮充模式受蓄電池電壓鉗位作用，大部分風(fēng)電無法被輸送至壓縮機(jī)，系統(tǒng)主要由蓄電池供電，導(dǎo)致系統(tǒng)COP低于直驅(qū)模式。風(fēng)速為5m/s時(shí)，風(fēng)電輸出功率達(dá)到變頻壓縮機(jī)運(yùn)行功率上限，浮充模式下蓄電池充放電平衡，2種模式下的COP相近。風(fēng)速高于5m/s時(shí)，直驅(qū)模式下風(fēng)電輸出功率超過壓縮機(jī)最大運(yùn)行功率，多余風(fēng)電無法用于制冷，導(dǎo)致系統(tǒng)COP降低；浮充模式下蓄電池可儲存多余部分電能，但存在充放電損失，系統(tǒng)COP隨風(fēng)速的增大而減小。因此，在穩(wěn)態(tài)工況下，采用直驅(qū)模式可有效避免蓄電池端電壓的鉗制和蓄電池充放電損失，提高風(fēng)-電-冷轉(zhuǎn)換效率；采用浮充模式可保證制冰蓄冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)將剩余電能儲存在蓄電池中。2.2浮充模式系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律上述實(shí)驗(yàn)對比了系統(tǒng)在2種運(yùn)行模式不同穩(wěn)態(tài)風(fēng)速下的制冷效率，并驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電制冰蓄冷儲能的可行性。但實(shí)際風(fēng)況往往復(fù)雜多變，必然會對風(fēng)-電-冷平穩(wěn)轉(zhuǎn)換造成影響。為探究其中規(guī)律，需在非穩(wěn)風(fēng)況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。系統(tǒng)組件及結(jié)構(gòu)不變，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)置于室外，以自然風(fēng)作為單一風(fēng)源展開實(shí)驗(yàn)。直驅(qū)和浮充實(shí)驗(yàn)過程中，風(fēng)速在0～5.4m/s內(nèi)波動變化，平均風(fēng)速約為3.4m/s，直驅(qū)模式系統(tǒng)各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5a可看出，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的起伏不斷升降，二者變化規(guī)律近乎一致。升壓控制器將直流電壓提升到預(yù)設(shè)電壓24V以滿足壓縮機(jī)的運(yùn)行電壓要求，但無風(fēng)時(shí)電壓跌至接近零值。由于風(fēng)電是唯一的能量來源，因此壓縮機(jī)功率與風(fēng)輪捕獲功率呈線性關(guān)系，電流的大幅波動導(dǎo)致壓縮機(jī)平均每分鐘停機(jī)約2次。這也導(dǎo)致蓄冰槽內(nèi)水體溫度下降緩慢，甚至出現(xiàn)微小的溫度回升。如圖5b所示，以2180～2420s區(qū)間為例，此段區(qū)間內(nèi)風(fēng)速在2.4～4.0m/s內(nèi)劇烈波動，壓縮機(jī)獲得功率多次跌至零值，只有近一半時(shí)間正常運(yùn)行。浮充模式系統(tǒng)各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。圖6a中I由于系統(tǒng)升壓控制器最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）速度較慢，且風(fēng)輪具有旋轉(zhuǎn)慣量，導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)風(fēng)況下PMSG無法時(shí)刻運(yùn)行在最大功率曲線上，風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率僅為25.19%和22.66%。直驅(qū)模式下壓縮機(jī)頻繁停機(jī)，啟動能耗較大且這部分能量無法用于制冷，故制冷機(jī)組的電-冷轉(zhuǎn)化效率僅為36.75%，系統(tǒng)COP為0.063。浮充模式下蓄電池共輸出約0.01kWh的電量，占總供電量的27.8%，系統(tǒng)COP為0.166。3試驗(yàn)結(jié)果分析上述實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)無單一的最佳運(yùn)行模式，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)況對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而在保證穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，提高系統(tǒng)綜合效率。因此，在蓄電池前端加裝繼電器以實(shí)現(xiàn)即時(shí)通斷，設(shè)計(jì)模式切換控制器，控制流程如圖7所示。首先采集三相頻率信號及風(fēng)速脈沖信號，獲得實(shí)時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及風(fēng)速數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）計(jì)算出慣性時(shí)間常數(shù)H，并計(jì)算該時(shí)段內(nèi)風(fēng)速變化率，然后判斷當(dāng)前風(fēng)速是否滿足直驅(qū)條件，若不滿足，則切換至浮充運(yùn)行模式；若滿足，再根據(jù)ε值界定當(dāng)前風(fēng)況，只有當(dāng)風(fēng)速波動較緩時(shí)，輸出高電平信號至繼電器，切斷蓄電池，將系統(tǒng)切換至直驅(qū)運(yùn)行模式?；诜€(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)風(fēng)況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)風(fēng)速為3.5～5.0m/s且波動較小時(shí)，切斷蓄電池開關(guān)，將系統(tǒng)切換至直驅(qū)模式；其他情況下則接通蓄電池采用浮充模式。在自然風(fēng)況下開展實(shí)驗(yàn)對控制器性能進(jìn)行驗(yàn)證，風(fēng)速在0～12.7m/s內(nèi)隨機(jī)波動，平均風(fēng)速約為3.3m/s系統(tǒng)各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8所示。圖8中S(t)表示蓄電池開關(guān)通斷狀態(tài)，0表示關(guān)斷，1表示接通。從圖8可看出，風(fēng)速變化范圍和頻率極大，導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速無規(guī)律變化，當(dāng)風(fēng)速高于9m/s時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到上限510r/min后不再提高。蓄電池開關(guān)狀態(tài)根據(jù)風(fēng)況自動調(diào)整，使系統(tǒng)在直驅(qū)與浮充運(yùn)行模式間切換，但壓縮機(jī)運(yùn)行不受影響，獲得功率較為穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過程中未出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，水溫平緩降至結(jié)冰溫度。蓄電池在風(fēng)速波動劇烈及不滿足直驅(qū)條件時(shí)，能夠追蹤負(fù)荷動態(tài)輸出電能保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，并在風(fēng)速增大后存儲多余電能。直驅(qū)模式累計(jì)運(yùn)行時(shí)長占總時(shí)長的29.4%，在此期間壓縮機(jī)也保持正常運(yùn)行。系統(tǒng)各組件能量傳遞特性如表7所示。采用模式切換控制器后，風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率及升壓變換器效率均高于單一直驅(qū)和浮充模式。由于壓縮機(jī)全程穩(wěn)定運(yùn)行，電-冷轉(zhuǎn)化效率與穩(wěn)態(tài)風(fēng)況下相近。實(shí)驗(yàn)過程中平均風(fēng)速較低，大部分時(shí)間由蓄電池主供電，蓄電池共輸出約0.024kWh的電量，系統(tǒng)COP為0.186，在平均風(fēng)速相近的情況下，高于直驅(qū)模式的0.063和浮充模式的0.166。以昆明地區(qū)的風(fēng)況（3～5m/s）作為模擬基礎(chǔ)，對比風(fēng)電制冷系統(tǒng)和市電制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電制冰系統(tǒng)的額外成本約為2200元，包括PMSG、控制器和65Ah輔助鉛酸蓄電池，市電價(jià)格約0.8元/kWh。在制冷功率相同的情況下，風(fēng)電制冷系統(tǒng)的投資回收期約為4.1a，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。4浮充模式的經(jīng)濟(jì)性1）本文構(gòu)建分布式離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電制冰蓄冷系統(tǒng)，驗(yàn)證了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為冷量儲存的可行性。2）在穩(wěn)態(tài)風(fēng)況下，若供能系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)功率相匹配，采用直驅(qū)模式能解除蓄電池端電壓的鉗位作用，有效提高風(fēng)-電-冷轉(zhuǎn)化效率，系統(tǒng)COP最高為0.264；采用浮充模式可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，存儲盈余風(fēng)電，系統(tǒng)COP最高為0.26。3）在非穩(wěn)風(fēng)況