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独立风电系统中的VRB模型
独立风电系统中的VRB模型
摘要:
本文引进了一个适用于钒液流电池的模型,并且介绍了在一个风速不断变化的典型风电储能系统中,VRB的综合性能以及其在不同的负载下的暂态性能。
系统由一个风速可变的3kW永磁同步风力发电机组(PMSG) 、二极管整流桥、降压-升压转换器、 双向充电控制器、变压器、逆变器、交流负载 以及一个VRB组成。
由于VRB的高效率,易扩展性应用, 响应速度快,寿命长,低维护要求等特点,在该系统中使用钒氧化还原电池非常适合。
索引词:
VRB,电池建模,风能,SOC, 能源储存,独立系统
1引言
在过去的十到十五年间,风能在工业应用中得到了迅速推广。
在过去的几年里,作为无公害的可再生能源 ,单位功率为0.5-5.0兆瓦的兆瓦级风力发电机被大量制造并安装入网。
同时,为满足一些地方的电力需求 ,许多小型风力发电机也被用作独立的电源供电。
一个转子直径为1m到15m,装机容量为0.2-30千瓦的小规模风力动力涡轮机,就可以作为一个可灵活运用的重要应急电源为偏远地区供电 [1]。
永磁式风力发电机是小规模变速风力发电的最佳方案之一。
变速式风力涡轮机的优点是其能吸收更多风能,改善电能质量并降低 对风力涡轮机机械应力。
缺点是电力电子设备的损耗、使用的组件的损耗,以及因为电力电子设备所增加的成本[2]。
之所以引进和使用电池的等效模型,主要是为了研究电池在风力发电系统的应用。
由于风能普及率的提高,人们越来越关心如何使用短期和长期存储设备,来减小风力发电机组输出功率的波动。
对于一个独立系统,能量存储设备必须能够存储能量,以保证无风时的用电需要。
因输出功率与风速的三次方成正比,风力发电系统输出功率随风速变化的波动较大。
将一个合适的能量存储系统整合到风力发电机系统中,可以消除功率波动,并且可以最大限度地保证负载用电的可靠性 。
此外,系统电压和频率也能够 加以调节和控制[3]。
在风力发电系统中使用存储设备 的优点包括:
-可以分为对风力波动的短期、中期以及长期管理三种类型;
-在传输系统短路和瞬变时,实时地将电压和无功功率真实值提供给当地电网 ;
-在不增加发电机数量情况下,满足用电高峰期负荷不中断用电需求,最大限度地提高风电场容量。
能源存储系统可以单机使用,也可以并网使用。
在混合动力系统中,人们对增加风能渗透、降低柴油消耗成本、避免电压和频率变化等方面越来越感兴趣。
在互联电网风电系统中,工作重点是改善在不同功率范围内的电能质量和稳定性 [4]。
为了研究风电场中的电池储能装置,快速、精确的电池模型是必需的。
钒氧化还原液流电池相比于其他存储技术有很多优点 ,包括可以在较大的输出功率范围内运行,存储效率高,响应快速 ,维护成本低,使用寿命长。
此外,钒电池系统可用于平滑负载功率[3],[5][6]。
运行条件的不断变化对效率都没有造成影响, 因为总液泵可确保电极附近的电解液在任何时间都是可用的。
钒电池的功率及电压范围取决于电池堆,而容量取决于储液罐的大小。
钒电池容量及其功率的独立性,为电池的设计提供了很高的灵活性。
这些特点使得钒电池适合用于储存能量。
本文就该模型进行了概述并进行了仿真分析。
我们的目标就是得到一个可用于研究风电储能系统的VRB模型。
本文结构如下:
第二节-钒电池的描述及建模;第三节-介绍了所研究的钒电池模型的系统配置;第四节-介绍了对电池模型的仿真以及仿真结果 ;而第五节则主要是提供结论。
2钒液流电池
A.VRB模型的描述
全钒氧化还原液流电池(VRB)就是一个电化学单元,它由装有电解液的正负极两个储液罐,液泵以及将电解液从储液罐输送到电池单元的管道所组成。
VRB正负电极的活性物质均是由溶解于硫酸溶液中的钒离子组成,并且其金属离子的价态变化如图 1所示[5] -[7]。
图1:
VRB的工作原理
钒氧化还原液流电池通过使用液泵控制流量,提高了电池的性能及效率。
在VRB电池中,系统储存的总能量取决于荷电状态(SOC)以及系统中活性化学物质的数量。
总可用功率与电堆内的电极面积相关。
B.VRB的模型
VRB模型是建立在功率为5kW-20kW、 56Vdc、假设初始电压为48V条件基础上的。
这个简单的液流电池模型, 如图2所示,考虑到了电池的内部电阻以及外部寄生电阻。
内部电阻包括由反应动力学等引起的电阻和由质量迁移、膜、溶液、电极和双极板等引起的电阻组成。
外部寄生电阻由循环泵损
系统控制器损耗以及因单电池旁路电流所导致的功率损耗组成。
通过递推方法获取系统参数的方法可应用于不同型号的钒电池系统[8]-[10]。
图2:
VRB模型的研究
VRB等效电路参数值是在较恶劣的条件下估计损耗为21%(内阻损耗为15%和寄生损耗为6%),
,电压为最低值42V,电流为112A条件下计算出来的。
为保证在电池额定功率为5kW时能够提供21%的损耗,,电堆的输出功率应为[8],[9]:
单体钒电池电压Ucell与其SOC之间的关系为
式中,T为电池的工作温度;
R为电池的内部电阻(VRB中该值一般为常数)。
Rinternal值为0.075欧;
F为法拉第常数。
对于一个由n节单电池组成的电堆,
等于
。
在 这种情况下,39节单电池组成的电堆是必要的。
该模型中控制电压取决于单电池数以及SoC。
寄生电阻损耗包括固定损耗(可视为一个固定电阻)和可变损耗( 可视为一个可控电流源)。
这些损耗 如下:
寄生电阻损耗以及液泵损耗可由以下计算获得:
泵损损耗可等效的视为一个受控电流源,其值由SOC以及流经寄生电阻固定电阻部分的电流决定(见图2)。
估计钒电池荷电状态的一种方法是根据流入电堆的功率大小不断更新 SOC值。
进行仿真计算时,采用的是固定步长,SOC值也均在上一循环周期基础上改变。
电池建模时一个重要问题就是其暂态性能的处理。
系统对突变的快速反应能力对平滑功率曲线有重要影响。
VRB电池中的瞬态效应与电极的电容值相关。
电池的电化学模型将着重考虑电极电容的瞬态性能,如图2所示。
Rinternal分为Rreaction(0.045)和Rresistive(0.03)。
若每个单电池系列电容值为6F时,那么39节单电池组成的电池模块的Celectrodes估计值为0.15F。
3.系统配置
本文使用的独立风电系统由一个风速可变的3kW永磁同步风力发电机组(PMSG) 、二极管整流桥、降压-升压转换器、 双向充电控制器、变压器、逆变器、交流负载 以及一个VRB储能装置组成。
在一个实验风力涡轮机系统中,交流电压被整流为直流电,并且储存于VRB电池中,而逆变器则用于向消费者提供交流电(如图3)。
我们的方案中,采用230V-50Hz的单向逆变器向家用电力设备供电。
这种方案允许风机的速度变化,因为在不需要使用价格昂贵的制冷控制设备的条件下,它可以从不断变化的风速中获得更多的能量。
逆变器的使用稍微降低了整个系统的效率,之所以仍然被大量使用于风电系统中是因为其电流值是可变的[11],[12]。
含VRB储能装置的独立风电系统模型如图3所示。
图3:
系统配置
为了从风力资源中获得最佳可用功率,降压升压转换器通过风速控制了电磁转矩 。
通过整流桥输入到 降压升压转换器的电压随着风速变化而变化,而供应到VRB的输出电压则保持不变 。
这一点很重要,因为可变直流电压不适合用于给电池充电,这主要是因其提供的功率值要么太大要么不稳定,从而对电池造成损害。
当风速低于一个阈值时,钒电池可以通过风力发电机组给负载提供充足的电能 。
流入流出钒电池的电流值受控于双向充电控制器[7]。
双向充电控制器为电池充电提供合适的条件,并且调节电流大小以防止过充。
它还能为钒电池保持恒定的负载电压提供必要的功率。
4仿真过程及结果
在文献[13],[14]介绍了多种钒氧化还原液流电池模型 ,但本文使用的钒电池模型则是由文献[8]、[9]、[10]的作者提出的, 选择这个钒电池模型的原因如下:
-钒电池的SOC,它代表了电池内活性化学物质量,建模时将其视为一个动态更新的变量。
控制方法 如文献[15]中所述;
-电池堆电压建模为一个受控控制电压源,流经此受控源的功率 使得SOC发生改变;
-泵损建模为一个受控电流源。
我们的目标是确定一个适用于风能储能系统的钒电池模型。
本文提供了一个钒电池模型,并用一个含3kW独立风机系统带动可变负载时实施了仿真,以验证系统稳定性 及暂态性能。
图 4显示了VRB的仿真模块图。
系统建模所使用的主库是
图4:
VRB仿真模型
系统建模已利用Matlab/Simulink环境进行了仿真 。
图 5显示了其模型框图。
该配置包括PMSG,一 个三相整流桥,降压升压转换器, 双向充电控制器,5千瓦的VRB电池,逆变器,变压器,阻性负载和一个风汽轮机模块。
测量模块也包括在内。
一个3千瓦的PMSG有一个呈正弦分布的磁通和4 个对极。
这是一个型号为2300–RPM、14.20Nm的机器。
其参数如下:
每相定子电阻:
R=0.4578Ω
d轴和q轴方向定子电感:
定子绕组诱导的磁通:
Ψ=0.171Wb
为了验证含VRB模型的系统是否正常运作 ,进行了以下仿真:
-固定负载下风速可变;
-固定风速下负载瞬态变化。
图5:
仿真模块图
A.固定负荷下风速的变化
在下面的例子中,风速从10米/秒( t=10秒)下降至7米/秒(t=15秒)就认为 系统处于稳态。
钒电池的额定容量为5Kw、20kWh、56Vdc,仿真初始电压为48V。
VRB的输出电压和电流值如图6 所示 。
3kW的风力发电机组不能为负载(4kW)完全供电 ,所以差额的1kW将由钒电池供应。
图 7表明钒电池运行在放电时,系统的功率平衡状况。
因此,当
时VRB充电,当
时VRB放电。
图6:
VRB的电压及电流
图7:
系统的功率平衡
钒电池的初始SOC值假定为0.8(标幺值)。
当 VRB电池放电时,为保证向负荷稳定供电,电池的SOC 下降。
结果如图 8所示。
由于钒电池充放电周期为4小时,分析钒电池SOC的变化所需的20s可以忽略。
图8:
VRB的荷电状态变化
B.固定风速下负荷的暂态变化
下面的仿真过程中,假设风速恒定在10米/秒。
钒电池的电压和电流,以及 系统的功率平衡,分别如图9和图10所示 。
初始时,将一个1kW的负载连接到系统中。
在t=10s时,额外将一个3kW的负载添加到系统中直至t=15s。
在图 9中可以看出,VRB的运行模式从充电过程到放电过程的瞬间,功率变为负值(即放电)。
由于初始负载是1kW,由风涡轮机提供的功率差储存在电池中(2kW)。
钒电池中储能的能量在3kW的负载连入电路时开始使用,从而保证对负载的供电。
因此,图10显示了系统功率的供需平衡 。
图9:
VRB的电压及电流值
图10:
系统的功率平衡
为了保证对负荷的持续供电,VRB将工作于循环充放电状态模式下,如图11所示。
图11:
VRB的荷电状态变化
5结论
在此文中,对VRB电池的模型以及典型的单机风电转换系统进行了分析。
逐步叠加法分析系统的参数,适用于不同型号的钒电池系统。
该仿真研究表明,在瞬态负载及可变风速条件下,系统的功率平衡是令人满意的。
无论风速及负荷如何变化, VRB始终确保了对负载的安全供电。
总之,使用文中所提出的装置,系统的稳定性可以很容易地得到保证 。
六。
参考文献
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[12]号马丁内斯罗德里戈,L.C.雷罗德卢卡斯,圣地亚哥巴勃罗戈麦斯德拉富恩特JM冈萨雷斯,“改进的效率分析小型风力发电机组时,速度控制“,工业电子,ISIE2007年,符合IEEE6月4-7日于2007年,437页国际研讨会-
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