離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的模擬供電試驗

葉會華，楊 龍，高 濱，甄宏巔，趙 旭

(1. 天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2. 北京奧思得建筑設(shè)計有限公司 機(jī)電工作室，北京 100022)

能源與機(jī)械

離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的模擬供電試驗

葉會華1，楊 龍1，高 濱1，甄宏巔1，趙 旭2

(1. 天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2. 北京奧思得建筑設(shè)計有限公司 機(jī)電工作室，北京 100022)

以離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的抽油機(jī)供電關(guān)鍵技術(shù)研究為理論基礎(chǔ)，確立了離網(wǎng)風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)供電系統(tǒng)模擬試驗研究方案；通過建立模擬試驗平臺，確定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬發(fā)電系統(tǒng)，并基于計算機(jī)設(shè)計了一套完整的信號測量與控制系統(tǒng)；進(jìn)行了模擬供電的試驗研究．

離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電；互補(bǔ)供電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬；機(jī)組測試

風(fēng)力發(fā)電是目前利用技術(shù)相對成熟、發(fā)電成本較低的可再生能源．截止到2012年底，我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)6,083萬kW，發(fā)電1,008億kW·h[1]，而其中投資成本低、風(fēng)能利用率高的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電比例卻不高．究其原因，主要是離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用途徑受限所致，即使是風(fēng)能資源好，但電網(wǎng)延伸可達(dá)的用電場所也無人問津．為此，對于具有較好風(fēng)能資源、但不宜建立并網(wǎng)發(fā)電的場所(如油田采油區(qū))，可針對用電需求，建立一個小型的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，與原有電網(wǎng)互補(bǔ)供電，對節(jié)能環(huán)保具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值．本文便是在基于抽油機(jī)的離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計組裝了離網(wǎng)風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)的模擬供電試驗裝置，對互補(bǔ)供電系統(tǒng)發(fā)電及互補(bǔ)雙電源切換控制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了試驗研究[2]．

1 離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電試驗系統(tǒng)

圖1為離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電試驗的系統(tǒng)簡圖．其中：1為MM440變頻器；2為三相異步電動機(jī)；3為JN338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；4為風(fēng)力發(fā)電機(jī)；5為控制器；6為主逆變器；7為并網(wǎng)逆變器；8為蓄電池充放電切換控制開關(guān)；9為蓄電池組Ⅰ；10為蓄電池組Ⅱ；11為風(fēng)-網(wǎng)雙電源切換控制開關(guān)；12為用電負(fù)載．

圖1 離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電試驗系統(tǒng)簡圖

2 離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬及測控方法

本離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電試驗系統(tǒng)中，模擬發(fā)電部分采用由山東卡特風(fēng)電設(shè)備公司生產(chǎn)的規(guī)格為5,kW三相交流永磁發(fā)電機(jī)、配套的WWS50-220-N00控制器與WI50-220-3N11型離網(wǎng)正弦波逆變器，逆變器輸出50,Hz、220,V AC交流電．蓄電池選用天津藍(lán)天電源公司生產(chǎn)的閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)36塊(其中每塊容量為12,V、100,A·h)，組成兩個蓄電池組．發(fā)電機(jī)由變頻器控制的調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動，并由計算機(jī)控制，變頻器模擬不同風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩．

2.1 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性模擬

氣流與風(fēng)力機(jī)的相互作用要考慮多個幾何與力學(xué)參數(shù)．在風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換的研究中，通常采用以下簡易的功率表達(dá)式[3]

式中：P為風(fēng)力機(jī)的輸出功率；ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)．

由式(2)可知，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩與空氣的物理性質(zhì)、軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)輪的幾何形式等多種參數(shù)有關(guān)．在定槳距角情況下，槳距角β與風(fēng)輪半徑R是不變的，所以

設(shè)計模擬風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵是通過計算機(jī)控制的變頻器，使驅(qū)動電機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速符合實(shí)際風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出特性．由式(1)可得

為此，本試驗采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家實(shí)測的風(fēng)速-功率數(shù)據(jù)推導(dǎo)出不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，如圖2所示．由計算出的不同風(fēng)速下對應(yīng)的模擬風(fēng)力機(jī)(調(diào)速電機(jī))輸出轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，并編程控制變頻器輸出勵磁電流及電壓信號．

圖2 實(shí)測P-v曲線與推導(dǎo)Cp-v曲線

2.2 模擬風(fēng)力機(jī)控制及發(fā)電機(jī)組測試

對模擬風(fēng)力機(jī)采用矢量控制的方法：勵磁電流通過兩相坐標(biāo)系，先后進(jìn)行VR逆變換和2/3變換，送入逆變電路驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，反饋時將電機(jī)電流由相反的坐標(biāo)變換完成．在實(shí)際控制過程中，該部分的變換控制由變頻器完成[4-7]．

發(fā)電機(jī)組的試驗測試分四組進(jìn)行，對比四組測試數(shù)據(jù)，各數(shù)值取平均值如表1所示．

表1 發(fā)電機(jī)組試驗測試參數(shù)平均值

對表1實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，發(fā)電機(jī)發(fā)電功率與轉(zhuǎn)速的數(shù)值關(guān)系經(jīng)過三次多項式擬合為

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速關(guān)系數(shù)值經(jīng)過三次多項式擬合為

由以上數(shù)據(jù)分析及所顯示的變頻器輸入電壓-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-風(fēng)速關(guān)系，可最終得出如圖3所示關(guān)系：每個風(fēng)速數(shù)值均對應(yīng)一個變頻器輸入電壓值，即若使風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬裝置模擬一組風(fēng)速數(shù)據(jù)的運(yùn)行及發(fā)電情況，只要于工控機(jī)中輸入一組與之對應(yīng)的變頻器電壓值即可．

圖3 變頻器輸入電壓-實(shí)時風(fēng)速關(guān)系曲線

圖4為在一定風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論發(fā)電功率、通過轉(zhuǎn)化為變頻器勵磁電流與電壓信號下的實(shí)測功率的曲線．由圖4可以看出，在相同風(fēng)速下兩功率值較接近，實(shí)測功率略低于理論功率值，其原因是由實(shí)驗臺安裝中的機(jī)械誤差及測量儀表的測量誤差所致．

圖4 理論功率與實(shí)測功率曲線

3 互補(bǔ)供電的信號檢測與控制

圖5為互補(bǔ)供電的信號檢測與控制系統(tǒng)簡圖(見39頁)．在信號檢測中，J1-J9分別為三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率信號、蓄電池組電壓信號及用電負(fù)載功率信號．ADAM-4017通過DATA數(shù)據(jù)線連接，傳輸至RS232/485轉(zhuǎn)換器，并與計算機(jī)進(jìn)行通信[8-10]．在切換控制中，蓄電池充放電切換控制開關(guān)與風(fēng)-網(wǎng)雙電源切換控制開關(guān)利用“遠(yuǎn)程軟件控制—控制信號處理接口—控制電路—被控開關(guān)”的模式，達(dá)到試驗系統(tǒng)合理運(yùn)行的目的．

4 試驗過程分析

離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的模擬供電試驗測試步驟如下：

(1)計算機(jī)啟動，利用風(fēng)速數(shù)據(jù)對該電路進(jìn)行測試，因此在VB6.0編程環(huán)境下編輯與風(fēng)速相對應(yīng)的變頻器輸入電壓；

(2)閉合相關(guān)空氣開關(guān)，接通網(wǎng)電，此時離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)供電電路準(zhǔn)備工作結(jié)束；

(3)于控制軟件“連續(xù)控制”中運(yùn)行“變頻器自動輸出”模式，此時三相異步電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電；蓄電池組開關(guān)控制為“電池Ι充/電池Ⅱ放”按鈕；

(4)在控制軟件控制界面打開“電機(jī)1風(fēng)電開”，此時負(fù)載電機(jī)1的供電電源由網(wǎng)電變?yōu)轱L(fēng)電；依此打開電機(jī)2-4的“風(fēng)電開”，4臺負(fù)載電機(jī)均由風(fēng)電供電；C7-C10顯示在風(fēng)電供電下的電機(jī)消耗功率；

(5)正常運(yùn)行10,min后，將控制軟件控制界面中“電機(jī)1網(wǎng)電開”打開，負(fù)載電機(jī)1的供電電源轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)電；依此打開電機(jī)2、3的“網(wǎng)電開”，此時，負(fù)載電機(jī)1-3為網(wǎng)電供電，負(fù)載電機(jī)4為風(fēng)電供電；C7-C10顯示在不同供電下的電機(jī)消耗功率；

(6)變頻器20,min模擬風(fēng)速數(shù)據(jù)輸出完畢，關(guān)閉測量與控制軟件，各空開開關(guān)斷開；

(7)離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的模擬供電試驗測試完畢．

試驗過程中，軟件工作狀態(tài)如圖6所示．圖7為在20,min工作過程中，用電負(fù)載的理論耗電功率與實(shí)際耗電功率．由圖7可知，理論功率與試驗臺實(shí)際運(yùn)行功率吻合度高，沒有發(fā)生明顯電壓波動及載荷沖擊現(xiàn)象．

圖6 控制軟件工作狀態(tài)

圖7 用電負(fù)載理論與實(shí)際耗電功率比較

圖5 信號檢測與控制簡圖

5 結(jié) 語

抽油機(jī)能耗大、運(yùn)行效率低，一直是石油作業(yè)亟需解決的問題．本文在前期研究的基礎(chǔ)上，針對離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的抽油機(jī)供電系統(tǒng)，搭建了風(fēng)能利用中關(guān)鍵技術(shù)測試試驗臺．通過計算機(jī)控制變頻器來控制變頻電機(jī)，以推動風(fēng)力發(fā)電機(jī)，模擬風(fēng)力機(jī)實(shí)際發(fā)電運(yùn)行，并對模擬抽油機(jī)供電．通過試驗測試研究證明：搭建的試驗系統(tǒng)能夠完成風(fēng)-網(wǎng)互補(bǔ)供電中關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)參數(shù)測試．利用變頻器控制調(diào)速電機(jī)可以較準(zhǔn)確地模擬風(fēng)力機(jī)發(fā)電，在控制計算機(jī)給定風(fēng)速下，發(fā)電機(jī)輸出功率與風(fēng)速特性具有較好的吻合性．風(fēng)力發(fā)電的充放電過程對周期波動供電可靠，并未出現(xiàn)電壓的明顯波動．風(fēng)-網(wǎng)雙電源供電切換控制靈活、可靠，切換過程沒有載荷沖擊現(xiàn)象發(fā)生．該試驗研究對建立離網(wǎng)風(fēng)電-網(wǎng)電互補(bǔ)的抽油機(jī)供電系統(tǒng)具有重要意義，推近了與實(shí)際應(yīng)用的距離．

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Supply Simulation Experimental Research Based on Integration of Off-grid Wind Power and Grid Power

YE Hui-hua1，YANG Long1，GAO Bin1，ZHEN Hong-dian1，ZHAO Xu2
(1. School of Energy and Safety Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Electromechanical studio，Beijing Honest Architectural Design Co. Ltd.，Beijing 100022，China)

Based on the core technology research of complementary supply system of off-grid wind power and grid power, this paper presented a new simulation research design of mutual complementary system between off-grid wind power and grid power；the authors set up a simulation platform so as to design a wind generator simulation system, meanwhile, a new signal testing and control system was designed by computers, which was used to carry out an experimental research of simulation power.

off-grid wind power；complementary supply；wind generator simulation；unit testing

TM614

A

2095-719X(2014)01-0036-05

2013-11-29；

2014-01-09

天津市科技支撐計劃項目(10ZCGYG02000)

葉會華（1958—），男，遼寧義縣人，天津城建大學(xué)教授，碩士.