储能节能技术（共7篇）
储能节能技术 篇1
转载机作业过程中存在着频繁的起动和制动, 在减速制动时会释放出大量的能量, 通过采用混合动力技术回收制动动能和重力势能成为装载机储能节能有效的措施。针对现存的轮式装载机燃油消耗高, 维修费较高, 装载作业效率低等问题, 设计出一种新型蓄能节能工作装置液压系统[1], 通过采用这种液压蓄能对浪费掉的动能进行一定的回收, 在一定程度上不仅降低了轮式装载机燃油消耗, 而且还能提高装载作业效率。本文就对论述转载机液压储能节能技术进行简单的分析和阐述。
1 轮式装载机技能技术
1.1 减少阻力
轮式转载机在作业过程中会产生三种工作阻力, 使得燃油消耗的提高, 在作业中产生的摩擦力对轮式装载机工作的影响。其中一种是装载机对料堆要克服一定的阻力, 一种是物料与铲斗之间产生的摩擦力, 另一种是地面对轮胎的阻力。在目前现状中, 轮式装载机使用成本较高, 消耗的主要的是轮式转载机的油耗以及严重的磨损。所以说减小阻力能够有效的提高轮式装载机作业的工作效率。
1.2 进一步优化发动机与变矩器和变速箱的特性
1) 在轮式装载机工作过程中主要是以柴油发动机为动力源, 由于柴油发动机转矩适应系数小, 通常难以适应转载机外栽荷频繁变化的要求, 如果长时间在负荷不足的工作下, 在一定程度上降低了发动机的功率利用率。液压变矩器与柴油发动机合理的匹配对轮式装载机各项性能的发挥都有着非常重要的影响。充分发挥出柴油发动机功率, 使得发动机运转较为稳定以及油耗的降低, 从而使轮式装载机具有良好的经济性。
2) 由于近几年为了适应各国排放法规和油耗法规, 柴油发动机得到了一定的发展, 通过采用可调涡轮增加, 进一步优化进气、喷油系统, 从而改善燃烧。在对排放进行降低的同时, 还改善了柴油发动机转矩特性, 在与变矩器进行匹配时, 充分发掘其在动力、经济上的改善, 不仅能够提高轮式装载机的牵引性能, 而且还能使得经济性得以体现。
涡轮增加是一种提高发动机进气能力的方法, 通过采用专门的压气机, 预先对进入气缸的气体进行压缩, 进而提高进入气缸的气体密度, 增大进气量, 能够更好的满足燃料的燃烧需要, 从而提高了发动机功率的目的。
3) 共轨柴油喷射是一种新型开发的一种技术, 能够使得柴油在高压力下喷入气缸内的技术, 通过应用这种新型技术和涡轮增加技术以及效率更高的燃烧室设计, 使得柴油机运行的更加平稳, 共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程进行完全分开, 有着良好的经济效益。
1.3 液压系统节能技术
1) 在轮式装载机作业中, 根据工况分配发动机功率, 当轮式装载机铲入料堆中, 功率全部输入到变矩器中, 在进行工作中, 提升和运送运料中, 可以将功率分配给变矩器和液压泵, 轮式装载机发热主要原因产生较多的能量损失, 然后转化为热能发热, 因此液压系统的节能问题成了提高轮式转载机性能的主题。
根据轮式装载机动臂依靠自重降落的原理, 改进原液压系统, 并在下降过程中是工作泵卸荷, 从而减少了节能的损失;将原有的单工作泵系统改为双泵系统, 根据轮式转载机实际工作过程进行合分流, 使得压力和流量相匹配减少了节能的损失, 起到了液压储能节能技术。
2) 将先导泵用蓄能器进行取代, 当转向系统不工作时转向泵给蓄能器进行冲油, 进而给先导系统做油源, 从而减少了能力的损失。转向液压系统在装载机节能中的应用, 利用负荷敏感控制技术, 使得轮式装载机的工作装置以及转向由阀控系统变为了泵控系统, 从而大大提高了效率, 在一定程度上了节约了能源, 能够真正的实现轮式装载机液压储能节能。还可以通过利用良好的静液压系统最大效率的根据负载使用发动机功率, 从而达到了节约能量的作用。
2 对轮式装载机液压储能节能技术研究方向
1) 为了能够有效的解决轮式装载机在进行作业过程中因阻力过大从而引起的轮胎严重的磨损, 功率消耗过大等多种问题, 通过对铲装物料的特性和轮式装载机铲装过程的受力特点进行一定的分析, 在进行铲入料堆中通过液压振动能够有效的减小阻力, 进而能够使得轮式装载机顺利的完成铲装作业, 不仅避免了轮胎的严重受损, 而且还提高了工作效率和实现了节能的技术。
论述装载机的工作机构是由液压传动提供一定的动力, 因此具备着采用液压振动的基本条件, 从而将转斗油缸作为铲斗振动插入到激振元件, 通过进一步的控制转斗油缸往复运动的位移及换向频率达到对铲斗实施激振的目的。能够有效的提高装载作业效率, 使得动臂举升、动臂下降和铲斗翻转卸料效率比原液压系统高, 还能实现降低装载作业过程中的燃油消耗, 进而起到了节能的作用。
2) 在轮式装载机作业过程中, 根据轮式装载机整个作业循环过程中负载状态, 能够有效的自动调节车速以及柴油发动机飞轮转矩, 实现高速、小转矩和低俗、大转矩的动力输出。随着科学技术的不断发展, 对轮式装载机液压储能节能还应开发出更多的创新技术, 进一步提高了轮式装载机的技术含量, 促进了轮式装载机的发展。
3 结语
综上所述, 本文主要介绍了轮式装载机在进行作业过程中对能量的消耗, 进而提出了相应的措施实现轮式装载机液压储能节能的技术, 不仅对消耗掉的各种能源进行再回收利用, 而且还大大提高了轮式装载机的工作效率。由于社会经济的不断发展, 对轮式转载机节能技术有着更深层的节能, 并且还开发出多种创新结构以及零件, 进而有效的实现轮式装载机液压储能技能技术, 不仅带来了一定的经济效益, 而且还对轮式装载机的发展有着一定的积极作用[2]。
参考文献
[1]石荣玲, 赵继云, 孙辉.液压混合动力轮式装载机节能影响因素分析与优化[J].农业机械学报, 2011.
[2]齐吉富.轮式装载机节能技术研究[J].建筑机械 (上半月) , 2010.
储能节能技术 篇2
1建筑节能用相变材料的选择与分类
被应用于建筑节能的理想相变材料必须具有以下性能: 相变温度合适、相变潜热大、化学性能稳定、无毒害、成本低、 热物性良好等。但实际上,没有一种相变材料可以包含以上所有性能。因此,选择相变材料时,优先考虑的是合适的相变温度和较大的相变焓,之后再考虑其他因素的影响。
目前,在建筑节能领域应用较多的相变材料主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合型相变材料[5]。有机类相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、醇类等,其优点是应用温度范围较广、无过冷和相分离现象、可循环利用,缺点是导热系数低,易燃。无机类相变材料主要包括无机水合盐、无机金属等,其优点是单位体积潜热储存量大、成本低而易得、导热性能优良、不易燃,缺点是相变时体积变化较大、有过冷及相分离现象[6]。复合类相变材料主要包括有机-有机、有机-无机和无机-无机类相变材料,通过复合的方式,可以克服单一类型相变材料的缺点,因此这一方式已成为目前研究的热点。 表1列出了在建筑领域应用的常见的一些相变材料。
2相变材料与建筑材料的复合方式
2.1直接加入法
直接加入法是指将相变材料与水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料直接混合,这种方法简便易行,经济成本较低。但是采用这种方法必须注意以下几点:(1)相变材料不能参与水泥的水化反应且不能与水化产物反应;(2)相变材料不能影响粘结剂和骨料之间的结合作用;(3)相变材料不能严重影响建筑材料的力学性能和耐久性。然而,大多数情况下直接加入法往往会导致相变材料发生泄漏,从而会与水化产物反应或者影响整个系统的力学性能和耐久度。Feldman等[10]通过直接加入法在石膏板中掺入21%~22%的硬脂酸丁酯制成相变墙体,该墙体物理性能与普通石膏板相差不大,蓄热能力提高了近9倍。
2.2浸渗法
浸渗法是指将混凝土、砖块、墙板等建筑材料浸泡在液相相变材料中,通过毛细管作用吸收相变材料。李乔明[11]使用浸渗法制备了含相变石蜡的复合建筑石膏材料,发现经过100次热循环后,相变温度升高了4.3%,相变潜热下降 了11%,耐久性较差。因此,此种方法制备的石膏板在实际使用中有较大的局限性。
2.3封装法
传统的复合方式会导致相变储能材料在与建筑材料的复合过程中出现严重的泄露情况,且较低的耐久性制约了相变储能材料在建筑节能领域的应用。为了解决这一问题,科研工作者们在将相变材料加入到建筑材料中之前,先进行了一次封装,从而可以有效地防止相变材料泄露,并且可以提高其力学性能和热物性。常见的封装方式包括吸附封装和微胶囊封装等。
2.3.1吸附封装
吸附封装是以吸附和浸渍的方式将相变材料吸附到膨胀珍珠岩、膨胀石墨、膨润土等多孔材料中,制备成颗粒型相变材料。多孔基体材料来源广泛,价格便宜,制得的颗粒型相变材料有效地解决了相变材料与建筑材料的相容性问题, 同时某些多孔材料还可以提高整个系统的传热性能。Sari等[12,13]以膨胀珍珠岩为支撑材料,分别以癸酸和月桂酸为相变材料,制备了颗粒储能相变材料,两种脂肪酸与珍珠岩有着很好的相容性,并且珍珠岩能够吸附大量的相变材料,经过1000次以上的热循环后,两种相变材料仍然保持了良好的化学稳定性和热稳定性。在后续的研究中[14,15,16],又以脂肪酸的二元复合物以及脂肪酸酯作为相变材料,与水泥、石膏、 蛭石、硅藻土、珍珠岩等多孔材料复合,制备了一系列的多孔基体相变复合材料。结果表明,通过二元复合法可以得到相变温度适宜的相变材料,而脂肪酸酯类的相变材料则具有较高的相变焓,且绝大多数的相变材料都具有良好的热稳定性和化学稳定性。魏艳玲等[17]以膨胀珍珠岩为支撑材料,癸酸-硬脂酸二元复合物为相变材料,利用真空吸附法制备了颗粒型储能相变材料,并将其添加到石膏基体中,制备了相变储能石膏板。结果表明,通过真空吸附法二元复合相变材料的吸附质量分数达到了75%,且经过500次热循环后仍然保持了良好的热稳定性,加入2%的铜粉后,石膏板的导热性能有了很大的提高。
2.3.2微胶囊封装
在微胶囊封装过程中,在粒径为1~1000μm的颗粒相变材料表面包覆一层较薄的天然或者人工合成的高分子膜, 这种封装方式可以制备出相变温度为-10~80 ℃的相变材料。微胶囊封装可以有效地防止相变材料的泄漏,增大相变材料的表面积从而提高传热速率。尚红波[18]分别以原位聚合法和界面聚合法合成了十二醇/脲醛微胶囊、硬脂酸丁酯/ 聚脲微胶囊和硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊相变材料,研究发现当采取脲醛树脂与蜜胺树脂复配的方式时,十二醇/脲醛微胶囊相变材料的产率从50%提高到90%以上;当芯材壁材质量之比为3∶1时,硬脂酸丁酯/聚脲微胶囊经过400次热循环后、硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊经过1000次热循环后都具有较好的热稳定性。蒋晓曙等[19]研究了影响石蜡-密胺树脂微胶囊的储热性能、包裹效率和表观形态的2个主要因素:三聚氰胺-甲醛的物质的量比和密胺树脂的固含量。结果表明,当密胺树脂固含量控制在10%~15%之间时,对胶囊合成的影响较小,当三聚氰胺-甲醛的物质的量比为1∶3时, 微胶囊颗粒表面光滑,无团聚现象,对石蜡的包裹率可以达到71%。Zhang等[20]分别以甲苯二异氰酸酯、二乙烯三胺、 聚醚胺为油溶性单体,正十八烷为芯材,苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物为乳化剂,乙二胺为水溶性单体,氯化钠为成核剂, 使用界面聚合法制备了正十八烷/聚脲相变微胶囊材料。其中,以聚醚胺为单体制备的微胶囊比其他两者具有更光滑的表面形态,更窄的粒径分布,更高的封装效率和反渗透能力, 但热稳定性相对较差。
微胶囊封装虽然解决了相变储能材料耐久性的问题,但由于其高昂的封装成本,很难实现规模化生产。为了降低微胶囊式相变储能建筑材料的成本,研究者们主要从微胶囊与墙体的复合方式及微胶囊的封装材料两方面着手。Biswas等[21]制备了一种新型的微胶囊相变储能材料,将石蜡封装在高密度聚乙烯小球中,之后将其与纤维板混合,并放置在测试建筑的外墙部分。经实体测试和数值模拟发现,与将相变材料掺入整个外墙墙体相比,将相变材料掺入外墙的内侧部分可以使得墙体具有更优越的热舒适性。这种复合方式大大降低了微胶囊相变储能材料的应用成本。Wang等[22]制备了一系列以碳酸钙封装的正十八烷微胶囊相变储能材料, 该相变材料有良好的热稳定性、导热性和耐久性。由于封装材料是易得、低成本的碳酸钙,使得该相变储能材料在工业化生产中有着良好的前景。
3相变材料在建筑节能领域的应用
3.1被动式相变储能
被动式相变储能指的是相变过程中完全依靠大自然的冷热源来储存能量而不借助人工冷热源[23],此类储能方式适用于昼夜温差较大的地区。Kuznik等[24]对一间翻新的办公室进行了为期1年的温度实时监测,其中一个房间的天花板和侧墙含有60%的相变石蜡微胶囊,另一个不含有相变材料其他完全相同的房间作为对比房间。研究表明,当墙体温度和空气温度在相变温度区间内变化时,相变材料可以充分发挥作用,从而调节整个房间的热舒适性。Neeper等[25]研究了相变储能石膏板的热性能,并研究了 相变材料 的相变温 度、熔化温度的变化区间和单位面积的潜热储存量的影响。 研究表明,在实际使用中日间能量存储量的范围在300~400 kJ/m2之间;当相变材 料的相变 温度接近 墙板的平 均温度时,日间能量存储量可以达到最大。Entrop等[26]研究了地中海气候条件下,含有相变微胶囊的混凝土板材在夜间对整个房间的调温效果。研究者们制作了4个模拟盒子用于测试,其中有2个盒子含有5%的相变微胶囊。研究表明,含有相变微胶囊的混凝土板材的最高表面温度降低了16%,最低温度升高了7%,说明在此气候条件下,相变材料可以在不借助人工冷热源的前提下有效地储存热量。为了提高建筑物内部的热舒适性,Miguel等[27]在抹面砂浆中加入了25%的相变石蜡微胶囊,并建造了模型盒子进行热循环对比实验。 研究表明,以相变储能砂浆制造的模型在春季和夏季的最高室温分别要比普通盒子低2.6 ℃和2 ℃,通过数值模拟得到的温度曲线也与实际检测的温度曲线非常接近,对相变材料的一些参数进行分析后发现,在砂浆中增加相变材料的掺量并不能明显降低室内最高温度,而针对不同的环境条件,需要使用不同相变温度区间的相变材料,从而达到最佳效果。 Sayyar等[28]以癸酸和月桂酸的二元复合物为相变材料,石墨为多孔基体,制备了定形相变材料,并制成了含有夹层结构的相变石膏板,之后分别建造了含有相变石膏板和普通纸面石膏板的测试模型,对模型内的温度进行实时监控,发现含有相变石膏板的模型室内温差要比对比参照模型低11 ℃。 经过数值模拟发现,相变材料的加入使得将温度维持在人体舒适度范 围内所需 要的能量 节约了近79%。Pasupathy等[29]制备了一种含有无机水合盐相变材料的建筑屋顶,经数值模拟和实验验证后,发现该建筑屋顶在冬季时能将温度维持在相变温度范围内,但是到了夏季,由于屋顶温度始终维持在相变温度以上,相变材料始终处于液相,因此无法发挥蓄热作用。对此,研究者通过数值方法从理论上研究了一种含有双层相变材料的屋顶的调温作用,上层相变材料的相变温度为32 ℃,下层相变材料的温度为27 ℃。经理论分析, 上层相变材料的相变温度需比夏季清晨的环境温度高6~7 ℃,从而可以使相变材料在热循环开始前处于凝固态。由于上层相变材料的存在,使得下层相变材料可以充分发挥调温作用,将天花板的温度控制在自身相变温度变化范围内。
3.2主动式相变储能
在某些昼夜温差较小的地区,如夏热冬冷地区,仅仅依靠大自然的冷热源,相变材料很难充分发挥其作用,为了解决这一问题,研究者们引入了人工冷热源来辅助相变材料的加热或制冷。常见的主动式相变储能装置主要包括相变蓄冷吊顶辐射供冷系统、相变储能热水采暖系统等。Koschenz等[30]制备了含有石蜡微胶囊的相变石膏天花板,并引入了毛细管冷却系统用于冷却相变材料,确保相变材料在每次热循环之前都处于完全凝固状态,使其能够充分发挥蓄热能力。 通过数值模拟确定了相变天花板所需要的热性能,经过实验测试后,发现在相变材料完全融化为液相之前,天花板的温度被控制在24 ℃以下,室内温度被控制在28 ℃以下。关于这种相变天花板的防火性能还需进一步验证。冯国会等[31]研制了一种新型的相变太阳能热水采暖地板,该地板包含毛细管热水加热装置和大体积封装的相变储能材料。对该地板的热性能进行数值分析和实验验证后,发现在热水加热装置关闭的16h内,相变地板为面积为11.02m2的房间提供了37677.6kJ的热量。进一步研究表明,改变供暖水温和装饰层材料的导 热系数有 助于调节 地板表面 温度。Ansuini等[32]在轻质辐射地板中加入了颗粒相变储能材料,并在辐射地板内部插入定制的钢片,提高其导热性能。经过有限元数值分析后,发现对于一个16m2的房间,在夏季相变材料的引入可以使蓄冷辐射的用水量降低25%,但是在冬季,相变材料对于整个系统的采暖辐射没有影响。Dubovsky等[33]以冬季亚热带地区的一间中间楼层的房间为研究对象,该房间配有8扇1.5m×1.5m的窗户,同时在地板下铺设了一层20mm厚的相变石蜡层作为热源,利用便宜的谷电来加热, 另一间除了没有窗户,其他配置相同。经实验比较,没有窗户的房间需要16kW的电量,要比有窗户的房间节约20% 的电量。在加入了翅片后,相变材料融化和凝固的速率都得到了提高。而相变材料给予了整个房间较高的热惰性,使得即使在电加热功率不足的情况下,室内温度降低依然缓慢。 牛润萍等[34]建造了两间主动式太阳房,以太阳能热水为热源,其中一间采用相变蓄热地板供暖,另一间采用干式地板供暖。经比较,使用相变蓄热供暖的房间室内最低温度比干式地板供暖的房间高2~3 ℃,室内温差减小3.5 ℃,相变材料与节能建筑围护结构结合使用,最大程度地利用了太阳能光热。闫全英等[35]研究了相变材料对热水采暖墙体热性能的影响,实时监测了墙体表面温度和热流变化,同时利用有限元分析分别对普通墙板和相变墙板的传热过程进行了数值模拟。结果表明,虽然在供暖过程中,相变墙板的表面温度比普通墙板低,但是当停止供暖后,相变墙板的表面温度和热流下降缓慢,仍然能持 续向室内 供热,室温波动 较小。 李建立等[36]以微胶囊石蜡作为相变材料,以木粉和高密度聚乙烯复合物为基质,制备了一种新型的定形相变材料,该相变材料有良好的导热性和力学性能,但是有明显的过冷度。 之后,研究者们通过数值方法分析了该相变材料作为地板电采暖系统中储热层的可行性。经分析,该相变材料能够有效地调节室内温度和降低用电成本,并且相变材料的作用很大程度上取决于电采暖系统的工作模式和相变材料自身的厚度。Mazo等[37]自建了数学模型用于模拟相变材料在辐射地板中的传热过程,首先通过Energy Plus建筑能耗模拟软件验证了所建立的建筑模型的精确度,之后建立了一维模型用于模拟辐射地板的传热过程,在此基础上引入了相变温度为27 ℃的颗粒定形相变材料作为案例分析。经数值模拟后发现,辐射地板引入相变材料后几乎可以完全把电能消耗从高峰期转移到非高峰期,与传统的辐射地板相比,节约了接近18%的能源消耗成本。
虽然主被动式相变储能的原理比较简单,但是目前国内对于整个建筑体系储能效果的评价仍不完善,影响了相变储能材料的规模化应用。周全等[38]提出了相对时间滞后率、节能效率和峰温差3种评价指标,并自主研制了评价装置。通过相变储能石膏板和绝热材料参比板的对照试验,验证了节能评价装置的可行性。其中节能效率和相对时间滞后率能够直接和间接地评价相变材料的主被动节能性,而峰温差的引入可以进一步评价被动式相变储能建筑的节能性。
4结语
目前国内外学者已经开发了大量不同类型的相变储能材料,并将其用于被动式或者主动式的建筑节能中。对于被动式相变储能,需要根据当地的气候条件及建筑围护结构的组成、朝向等选择具有合适相变温度的相变材料;对于主动式相变储能,其评价标准应当是相变材料的引入能否在原有的基础上带来能耗的降低。大量的实验探究和数值分析已经证明了相变材料在建筑结构中所起的积极作用,但是由于影响相变材料在建筑结构中表现的因素是多元化的,对此仍然需要进行长期的监测和进一步的研究。
摘要：将相变材料与建筑材料相结合,可以有效提高建筑的蓄热能力,降低室温波幅,实现建筑节能。主要介绍了相变材料的分类、与建筑材料的复合方式,并分析了国内外通过实验探究和数值模拟对被动式和主动式相变储能这两种节能方式的研究现状。针对不同地区的气候环境,需要选择不同相变温度区间的相变材料,必要时需要引入人工冷热源辅助完成相变过程。
储能节能技术 篇3
本文主要研究利用变频技术和单片机技术控制热泵机组和各种水泵的运行, 同时利用一种双储能缓冲装置, 开发利用水源热泵如何在供暖、制冷的同时制备生活热水。
1 双储能缓冲装置
通常, 在水源热泵系统中, 一台热泵机组同一时间只能有一种工作方式, 供暖或制冷, 其热源或冷热源一端一直与地下水源系统相接, 只要机组运行就需要抽取地下水, 没有冷、热同供的功能, 泵机组的使用率低, 能源的利用率也低。
双储能缓冲装置由两个储水箱和若干个电磁阀及离心水泵连接组成, 在热泵机组的两热端分别通过管道和电磁阀连通带出水口的供热储水箱, 其中一管道上安装离心循环水泵;在热泵机组的两冷端分别通过管道、电磁阀连通供暖/制冷储水箱, 其中一管道上安装离心循环水泵, 供暖/制冷储水箱上安装连接空调机组的进出水管, 出水管中安装变频控制泵;一对热泵机组的热、冷端通过管道、电磁阀连通深井泵;另一对热泵机组的热、冷端通过管道、电磁阀连通回灌管;供热储水箱通过管道、电磁阀连通供暖/制冷储水箱, 其结构示意图如图1所示。
1—热泵机组2—供热储水箱3—供暖/制冷储水箱4-1—电磁阀4-2—电磁阀5-1—电磁阀5-2—电磁阀6-3—电磁阀7-3—电磁阀8-4—电磁阀8-5—电磁阀9-4—电磁阀9-5—电磁阀10-6—电磁阀11-6—电磁阀12、13—离心循环水泵14—深井泵15—空调出水泵16—出水口17—进水管18—回灌管
在夏天需要同时制热水和制冷, 此时, 机组优先使用两水箱中的冷、热源, 从而在制取热水的同时产生冷水, 用冷水供给空调系统, 实现一机两用, 能效比可达1:10左右, 任何一方不足时, 可通过智能控制方式从地下水中提取能量。在冬天, 同时供热即供热水和供暖, 此时, 从地下水中提供热量分别进入两个储水箱中, 一个储水箱用作供热, 另一个水箱用来供暖。
双储能缓冲装置能够实现对地下水源供给系统的控制, 夏季尽可能在储能装置中进行能量交换, 从而有效提高能源和热泵机组的利用率, 并尽可能减少对地下水源的利用, 减缓回灌井的老化。
2 变频变流量节能控制方案
2.1 变频调速原理
交流异步电动机的转速与电源频率之间的关系为:
式中, n、f、S、P分别为电机的转速、供电电源频率、转差率、电机极对数。
由式 (1) 可知, 当转差率变化不大时转速正比于电源频率, 只要能平滑调节电源频率, 就能平滑调节电机转速。因此, 变频调速实际上是调节异步电动机的供电频率, 将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电, 变频伴随变压, 平滑调节异步电动机的同步转速, 从而实现异步电动机的无级调速。
2.2 变流量节能方案
变流量的含义是流体 (液体或气体) 在特定管道或风道中流动时, 其流量是按照某种特定的规律变化的。采用变流量输送流体的目的, 是在满足终端负荷需要的前提下, 实现输送系统的节能。
在没有调速的系统中, 水泵一年四季在工频状态下全速运行, 而在实际运行中, 所需的流量往往比设计的流量小很多, 这就浪费了大量的电能。而仅通过改变水泵起、停台数或调节节流阀开度来控制流量, 则是以电机的使用寿命和调节阀上的能耗为代价的。
根据水泵的相似律, 水泵的流量、扬程、功率具有如下关系:
式中, Q、H、N、n分别为水泵的流量、扬程、轴功率和转速。
从式 (2) 可以看出, 水泵的扬程与水泵流量的平方成正比, 轴功率与流量的立方成正比, 而流量又与转速成正比。即降低转速运行时, 可以节约大量的电能。因此, 当水源热泵系统需要的水流量减小时, 电机的转速降低, 消耗的能量就会明显减小。
3 控制系统的结构
本文利用宏晶STC89S51单片机设计水源热泵的控制系统, 单片机控制技术已经十分成熟, 便于实现智能控制算法。同时根据系统运行和终端需要, 利用变频器调节各水泵的运行。
系统采用STC89S51作为控制核心, 利用多个温度传感器采集两个水箱、地下水源、输出口的温度量和水位, 以及终端需求, 通过内部控制算法输出开关量控制各阀门的开闭以及变频器的输出频率。具体结构如图2所示。
4 系统控制软件设计
系统运行过程中, 为了充分利用地下水源热能, 分为5个工作模式, 即:单独制热水模式、单独供暖模式、单独制冷模式、供暖制热水模式和制冷制热水模式。
4.1系统运行控制策略
(1) 单独制热水模式。这一模式下, 系统仅仅制备生活用热水, 只需要使用双储能缓冲装置中一只水箱, 因此采用闭环控制方式。根据水箱水温和出水流速, 计算出当前热水的需求范围, 通过变频器调节电源频率, 从而调节深井泵抽取地下水和图1中左侧离心循环水泵抽取的冷水的流量, 使得热交换更加高效。
(2) 单独供暖/制冷模式。单独供暖与单独制热水模式控制策略类似, 仅仅通过管路阀门控制, 将储热水箱改变即可。单独制冷模式下, 需要地下水将室内热能带到地下, 应通过管路阀门的控制改变地下水与循环水在热泵机组中交换的位置, 达到制冷的目的。单独供暖/制冷模式下, 需要采集各空调终端的温度、开关状态等信息, 因此可通过串行通信方式, 与房间终端分控制器互相通信, 根据终端需求, 驱动变频器调节水泵的运行。
(3) 供暖制热水模式。此模式对于地下水源的热能需求最大, 既要制备生活热水, 又要对空调房间供暖。在双储能缓冲装置的管路设计中, 制热水和供暖共用一个离心循环水泵, 因此, 该模式下需要协调热水和供暖之间的热能分配。根据不同时段热水和供暖的需求, 在一定时间内分段分别制热水和供暖, 这样可以解决不能同时进行制热水和供暖的问题。
(4) 制冷制热水模式。夏天, 室内外热量很大, 空调的作用是将室内热能转移到室外;同时夏天也需要大量的生活用热水, 这就产生了制冷制热水模式。这种情况下, 可以不需要地下水的参与就可以实现热能的转移。同时开启两个离心循环水泵, 内部互相进行热交换。由制热水水箱的水温和出水流速, 计算出当前热水的需求范围;同时根据房间各终端的温度调节需求, 综合计算各自热交换需要的流量。通过变频器的输出频率调节两个离心循环水泵的的转速。必要时, 采用深井泵抽取地下水补充能源。
4.2 控制流程
以单独制热水模式为例, 采用C编制控制程序。首先, 采集热水水箱的水温、水位等信息;根据当前的热水状况, 判断系统状态, 给出变频器的输出频率;循环采集信息, 通过PID控制算法, 不断调节变频器的输出, 达到平稳输出热水的目的。程序流程如图3所示。
5 结语
双储能缓冲装置可以极大地提高水源热泵低品位能源的利用率, 运用单片机和变频调速技术可以有效地减少高品位能源的损耗。当前变频调速技术已经较多地应用于水源热泵空调系统中, 实践效果良好。根据不同工况, 在单片机程序的控制下, 双储能缓冲装置按照不同模式运行可以实现生活热水制备和同时供暖或制冷的要求, 提高了能源的利用率, 降低了运行成本。
参考文献
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[3]唐义锋等.一种基于热泵机组的双储能缓冲装置.专利号:ZL200820034665.4
储能节能技术 篇4
在工业生产过程中,回收利用电机回馈再生电能已成为电机系统节能的重要途径之一。研究表明,该回馈再生电能非常大,如采油系统中,抽油机用电机有33.67%的时间处于发电状态,发电量占总用电量的12.85%;在轨道交通中,电力机车回馈再生能量一般为牵引能量的30%甚至更多[1]。为回收和利用这部分巨大的再生电能,开展储能节能系统双向DC-DC变换器建模与控制研究具有十分重要的现实意义。
DC-DC变换器常用的建模方法为“状态空间平均法”或“周期平均方法”[2,3],这种通过忽略模型中高次项,而近似得到变换器小信号模型的方法存在建模精度不高,当大信号扰动时系统可能不稳定等诸多问题。为建立系统精确模型,许多学者开展了DC-DC变换器的混杂系统建模研究。文献[4,5]分别建了DC-DC变换器的二阶混杂系统模型、切换仿射线性系统模型等,并提出了对应的控制策略。而用于储能系统的双向DC-DC变换器,其负载与一般纯电阻负载不同,属于阻容性负载,其端电压随储能量的增减而不断变化,这种动态特性使得系统阶次较高,不利于系统稳定性分析。文献[6]是采用“状态空间平均法”建立了降压模式下阻容性负载的双向DC-DC变换器等效电路模型。文献[7]开展了超级电容储能节能系统的研究,提出了基于规则的能量管理方法。
本文回顾了当前回收和利用制动状态电机再生电能的常用方法,在分析储能节能系统运行过程的基础上,得到储能节能系统的等效电路,进而,建立双向DC-DC变换器的切换系统模型,构造用于系统稳定性分析的Lyapunov函数,并以此获得系统切换控制律。最后分储能和放电两种工况进行仿真研究,仿真结果验证了所建模型的合理性和切换控制律的有效性。
2 系统结构与等效电路
为了回收和利用电机制动时的再生电能,多电机共用直流母线的系统结构被广泛应用,当系统中一台或多台电机处在制动状态时,制动状态电机再生的电能被回馈到共用的直流母线上,供耗能状态电机吸收,从而既处理了回馈电能又达到了节能目的。但该结构存在着制动状态电机再生电能不能被耗能状态电机完全吸收时,直流母线电压升高、设备无法正常运行或损坏等问题。为避免直流母线电压升高,将超级电容通过双向DC-DC变换器接于系统直流母线上,储存不能被耗能状态电机完全吸收的再生电能,保持直流母线电压的稳定,减小网侧供电功率的波动。系统结构如图1所示。
对于图1所示储能节能系统,超级电容可等效为理想电容Csc与等效并联电阻REPR并联的电路形式[8]。REPR也叫漏电电阻,表征超级电容的自放电现象。文献显示6V300F超级电容漏电流为19mA,约为320Ω[9]。工程实际中,REPR一般不能忽略,因此超级电容储能系统可等效为如图2所示电路。其中S1、S2为理想开关,L为理想电感,r为超级电容和电感内阻之和,C为直流母线侧电容,R电容漏电电阻。系统直流母线的功率变化用受控功率源P来描述,如果不考虑储能系统的损耗,P=0时,i0=0,系统处于平衡状态,u保持不变,储能系统不储能,也不释放能量;P>0时,i0>0,超级电容储能;P<0时,i0<0,超级电容释放电能。共用直流母线系统增加储能系统后,直流母线电压变化相对较小,也可用受控电流源取代受控功率源描述直流母线功率的变化。
3 双向DC-DC变换器切换系统模型
对图2所示等效电路,设电感工作在连续电流模式(CCM),电路中的开关器件S1、S2可视为一对互质开关S。变换器在互质开关闭合S=1和断开S=0的两子系统Σ1、Σ2间切换,如图3所示。则双向DC-DC变换器可用切换系统描述为:
通过第二章讨论,等效电阻r很小,于是,
系统切换稳定时,并不是某一子系统稳定,也不是所有子系统都是稳定,而是系统在子系统间的切换达到平衡,在切换平衡点的邻域切换稳定[10]。系统处在切换平衡点时,令,开关量sσ(t)可看作连续量,用seq表示,则有
其中是子系统Σi的占空比,因此,那么式(2)可写为
对于该储能系统,为保持直流母线电压稳定,把直流母线电压期望值ueq作为已知参数参与求解平衡点,解式(3)可得
但对于由超级电容构成的阻容负载,在储能和放电过程中,超级电容端电压不断发生变化,因此系统并不存在严格意义上的切换平衡点,总是处于过渡过程中,但由于超级电容容量巨大,在一个采样周期内其电压变化很小,可以认为是常量,基于此得到的平衡点,称之为准平衡点,准平衡点的不断变化构成了储能系统的动态过程。
4 变换器的切换控制律
变换器的性能完全取决于切换信号σ(t),在电流连续模态下,双向DC-DC变换器在Σ1、Σ2两个子系统间切换。
定理1对式(1)线性切换系统,若存在正定对称矩阵P∈R3×3,满足Lyapunov函数,则存在切换控制律σ(t),使得V·(x-xeq)<0,切换线性系统相对平衡点是渐近稳定的。此时切换控制律可取
证明:考虑到双向DC-DC变换器是端口受控的哈密顿系统,取时,显然P为正定对称矩阵。系统相对于准平衡点的Lyapunov函数,显然有。若系统运行在第i个子系统,那么:
式(2)两边同乘2(x-xeq)TP,和式(6)相减,得:
把P、Aeq、xeq代入式(7)可得为:
对子系统Σ1,则有:
对子系统Σ2,则有:
当系统运行在子系统Σ1时,若,系统向切换平衡点靠近,是稳定的;若,由于,那么,根据式(5)切换控制律,σ(t)=2,子系统Σ2已被激活,系统运行在子系统Σ2,仍向切换平衡点靠近,系统是稳定的。当系统运行在子系统Σ2时亦然。因此,在切换控制律式(5)作用下,双向DC-DC变换器相对切换平衡点是稳定的。
5 仿真研究
为验证所建模型的合理性和切换控制律的有效性,根据直流母线电压期望值,由式(4)和式(5)得到系统平衡点和切换律,分储能和放电两种工况进行仿真。设仿真参数:采样频率f=20kHz,电感L=500μH,直流侧电容C=1000μF,直流侧电容漏电电阻R=100kΩ,超级电容Csc=33F,REPR=10kΩ,超级电容初始电压usc=200V。仿真时,取直流母线稳态电压期望值为540V。
(1)储能系统储能。当受控功率源P>0,直流母线电压升高,大于电压期望值,需要系统储能时,仿真结果如图4所示。从图4可以看出,在切换信号σ(t)作用下,储能系统在子系统Σ1和Σ2之间切换,电感电流流向超级电容,超级电容电压升高,系统储能,直流母线电压稳定在期望值。从图4还可看出,当P=0,网侧供电功率等于系统耗电功率,不需要储能系统储能也不需要释放时,在切换信号σ(t)作用下,电感平均电流为零,储能系统不储能,也不释放电能,直流母线与超级电容电压保持不变。
(2)储能系统放电。当受控功率源P<0,直流母线电压下降,需要储能系统释放电能时,仿真结果如图5所示。从图5可以看出,在切换信号σ(t)作用下,电感电流由超级电容流向直流母线,电流为负,超级电容电压下降,储能系统释放电能,直流母线电压稳定在(略低于)期望值。
从两种工况的仿真可以看出,储能系统在切换信号σ(t)作用下,实现储能系统的储能和放电功能,并保持直流母线电压稳定在期望值,验证了所建模型的合理性和切换控制律的有效性。
6 结论
通过分析共用直流母线交流传动系统节能原理,构造了储能节能系统等效电路,在此基础上,建立了储能系统模型,并构造了系统的Lyapunov函数,进而得到了系统切换控制律。分储能和放电两种情况对模型进行了仿真,结果表明,该模型通过储存、释放电机回馈电能,使得回馈电能得到回收并充分利用,达到节能目的,并保持直流母线电压稳定。
参考文献
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储能电站并网测试技术研究与实现 篇5
随着新能源发电和并网规模扩大,其对电网的冲击和对电能质量的影响不容忽视,储能技术作为解决该问题的有效方法得到了迅速发展[1]。储能系统能够同时提供有功及无功支撑,增强配电网对分布式电源的接纳能力,稳定电网末端节点电压水平,并可作为电网故障或检修时的备用电源,在智能电网建设的变用电环节中发挥巨大作用[2,3]。
并网储能电站一般由电池储能单元、能量转换系统( PCS) 、升压变压器及储能电站并网连接系统4个部分构成[4]。储能电站并网后,其输出电能质量、并网充放电规律、功率调节及响应特性、并网保护功能等将对配电网安全可靠运行产生影响。因此,有必要针对储能电站进行并网测试。传统的单装置开环测试只能对储能电站部分结构或功能进行单一测试,不能满足储能电站并网系统的整体性能测试[5],无法确保并网后储能系统的可靠运行。随着储能技术及大型储能电站建设的不断发展,有必要针对储能电站进行并网测试技术研究及整体测试系统开发。
结合储能电站结构及其并网系统特点、并网应用目的等,国内外已开展了相关研究。国外储能电站并网检测主要集中在并网变流器、控制系统及储能电池组充放电曲线检测3个方面[6,7]。国内储能技术及储能电站并网发展较为缓慢,其研究主要集中在储能电站监控系统设计[8]、分区保护设计[9]、 标准规范[10,11,12]制定等方面,储能电站并网测试研究尚少。文献[13]对储能电站特性指标及测试内容做出了明确规定,包括能量效率、充放电功率、自放电特性、储能容量及寿命周期等; 同时,还规定了电池制造商应提供3项检测报告: 正常工作情况检测、 异常工作情况检测、故障保护能力试验。文献[14] 设计了一种测试平台,可实现高电压储能电站能效、 电能质量、变流器保护等可靠性测试。文献[15]针对新能源发电中平抑功率波动的并网储能电站,设计了一种闭环硬件回路测试平台,对储能电站整体性能及变流器、电池单元的模块功能进行测试。
本文结合国内外储能电站的发展状况,分析总结了储能电站并网测试指标及相关测试方法; 提出了储能电站并网一体化测试平台构架,阐述了测试平台软硬件及功能设计。根据测试平台制定了储能电站并网测试工程实现方案,确保储能电站并网后正常工作,为大规模储能电站的发展及并网测试提供了理论与技术支撑。
1储能电站并网测试技术内容
根据储能电站并网测试规范[10,11,12]及测试时储能电站运行条件,并网测试可分为检测与试验2部分。检测项目在储能电站并网条件下进行,试验类项目在储能电站离网条件下进行。本文所提储能电站并网测试包括8项检测指标和4项试验指标。
1.1检测指标及测试内容
正常并网运行条件下对储能电站进行相关项目检测。检测内容包括储能电站容量、额定功率充放电时间、额定功率充放电响应时间及转换时间、能效特性、自放电率、动态响应检测及电能质量检测。
储能电站容量、额定功率充放电响应及转换时间、能效特性等测试均在储能电站额定功率充放电条件下进行。额定功率充放电响应时间为充放电功率从额定功率10% 以阶跃模式转换为90% 的响应时间,以及充放电转换时间为额定功率90% 充( 放) 电以阶跃模式转换为额定功率90% 放( 充) 电的平均时间。能效特性即放电时输出能量与此前充电时输入能量之比。自放电率指储能电站在满充状态下,单位时间内自放电损失电量与满充电量之比。
动态响应测试是指启停和充放电切换时储能电站响应时间、并网点电能质量及功率变化曲线测试。
电能质量检测在储能电站并网正常运行状态下进行。测试内容包括: 实时运行工况下基本电量、电能质量参数、波形及谐波信息等。基本电量有电压、 电流、频率、功率等; 电能质量参数包括电压偏差、频率偏差、电压/电流不平衡度、电压波动及闪变、谐波与间谐波、总谐波畸变率和直流分量等。
1.2试验指标及测试方法
1.2.1耐压特性试验
储能电站离网状态下,在主电路与地之间运用耐压试验仪,对储能电站装置及回路耐压水平进行耐压试验。耐压测试仪的试验电压为50 Hz正弦波,电压等级根据储能变流器额定电压选取,持续时间为1 min。试验结束后记录试验结果。
1.2.2电网适应性能力试验
根据国家电网公司相关企业标准,储能电站应对电网侧电压或频率的规定范围内变化具有耐受性。试验时,调节模拟电网侧电压幅值或频率,使之在规定的范围内变动,在最大值和最小值的持续时间不小于1 min时,并网储能电站应能正常运行。 当电网侧电压或频率变化超出一定范围时,并网储能电站应根据要求对电压异常或频率异常做出响应,其离网响应时间应满足标准要求。电网适应性能力测试原理见图1。
电网扰动发生装置可模拟电网电压频率特性, 同时将储能电站输出功率馈入电网。试验时,断开K3,闭合K1和K2,储能电站处于离网运行状态。 由电网扰动发生装置向储能电站发送电压频率信号,并通过数字示波器记录储能电站响应时间及响应曲线等。
当储能电站容量较大( ≥200 k W) 并接入10 ~ 35 k V配电网时,应具有一定的耐受电网频率异常的能力,满足电网公司相关规范。
储能电站并网点电压异常时,保护设备应能检测到异常并快速响应不同状况,实现储能电站电压异常保护。电压异常响应保护离网时间要求见表1[11]。
注: UN为额定电压。
1.2.3低电压穿越与防孤岛保护试验
除了上述电压/频率异常响应测试外,还需考虑储能电站的孤岛效应。孤岛效应指当配电网出现中断时,储能电站与本地负荷形成孤岛自给供电,这将给配电网用户端造成较大影响,严重时甚至威胁到电网维修人员人身安全。因此,储能电站应具备防孤岛保护能力,当故障发生时,应在一定时间内停止储能电站对电网的供电。
当储能电站容量较大时,其并离网运行将对电网产生较大影响,应具备低电压穿越能力; 反之,对于小型储能电站,其并离网变化对电网影响较小,应具备防孤岛保护能力。因此,大型储能电站应进行低电压穿越能力测试; 小型储能电站应进行防孤岛保护能力测试。
低电压穿越能力测试原理见图2,大型储能电站低电压穿越能力应满足规程要求。
低电压穿越模拟器模拟电压变化状态,包括三相对称电压跌落、相间电压跌落和单相电压跌落。 低电压穿越测试包括空载测试与负载测试2种情况。测试时,选取5个电压跌落点,其中应包含0和0. 2UN跌落点,其他各点应在UN的20% ~ 50% , 50% ~ 75% ,75% ~ 90% 这3个区间内有分布。由低电压穿越模拟器模拟电压变化,并从示波器中记录被测储能电站的电压、电流波形及有功、无功功率曲线等数据。具体测试步骤如下。
1) 闭合开关K1和K2,储能电站处于热备用状态,进行空载测试。由模拟装置模拟电压跌落情况, 并记录从电压跌落前10 s到电压恢复后6 s间被测储能电站相应测试结果。
2) 闭合开关K1和K2,储能电站的输出功率保持在额定功率的10% ~ 90% 间,进行负载测试。由模拟装置模拟电压跌落情况,并记录从电压跌落前10 s到电压恢复后6 s间被测储能电站相应测试结果。
防孤岛保护能力测试原理见图3,采用RLC并联阻抗回路进行测试。
防孤岛保护测试的具体测试步骤如下。
步骤1: 闭合开关K1,K2和K3,通过调节直流侧输入,使输出功率PEUT等于交流额定输出功率,并测量输出无功功率QEUT。
步骤2: 停机,断开K3。
步骤3: 调节RLC电路,使频率因数Qf= 1. 0 ± 0. 05。
步骤4: 闭合K4,接入RLC测试电路; 闭合K3, 启动储能电站,确认其输出符合步骤1规定; 调节RLC,直到流过K3的基频电流小于稳态时储能变流器额定输出电流的1% 。
步骤5: 断开K3,记录储能电站输出电流下降并维持在额定输出电流的1% 以下的时间t。
步骤6: 按以上步骤,根据储能电站测试规程规定,测试其不同功率输出情况下t的变化,并判断是否满足标准要求。
1.2.4保护特性试验
储能电站并网保护特性试验分为元件保护和系统保护2类。元件保护包括变压器、变流器及储能元件配置的保护装置,如欠压、过压保护和频率保护等。系统保护主要是指采用专线方式通过10 ~ 35 k V电压等级接入电网的储能系统,此时系统宜配置光纤电流差动保护或方向保护。
采用继电保护测试仪对储能电站各元件及系统配置的相关保护进行试验,并记录继电保护装置的动作数据,从可靠性、安全性、速动性、灵敏性4个方面对测试结果做出评价。
2储能电站并网测试技术方案
2.1硬件设计方案
储能电站并网一体化测试是指将并网储能电站视为一个整体系统,通过合理的二次侧接线,对该系统的各项指标进行测试,从而保证测试时系统输入信息的完整性。
储能电站并网一体化测试系统构架见图4,包括设备层和集控层。
设备层包括并网检测装置及相关二次子单元, 完成储能电站运行参数及运行工况的实时采集和记录; 集控层包括PC终端、打印设备及通信设备等, 实现数据的集中存储、记录、分析报表生成等。测试系统还提供远程服务器功能,通过专用通信通道将测试结果传送至远程后台,实现远程测控功能。
2.1.1并网检测单元
并网检测装置安装在储能电站并网点处,实现储能电站电能质量、充放电转换/响应时间、效率等检测。装置内主CPU为采用多片ARM9的最新一代精简指令集计算机( RISC) 架构的双32位处理机和现场可编程逻辑门阵列( FPGA) 高速逻辑芯片, 处理速度更快,内存空间更大,处理数据更多。硬件采用16位AD转换芯片,同时采用一种新型的适用于高速采样计算的插值算法,在硬件采样频率固定时,离线计算采样插值所需参数的固化表格、软件在线判断查表来计算插值采样点,从而防止过采样或欠采样,保证计算精度。
检测装置硬件平台构成如图5所示。装置包括模拟量采集、通信处理插件、数据存储插件、中央信号及出口模件、开入光隔离插件及人机界面处理插件等。其中,交流变换模件SCM-971、信号调理模件SCM-973和数据计算及存储( DPS) 子板SCM912完成模拟量采集及处理; 通信处理插件SCM-911实现通信功能,同时与DPS子板共同完成数据存储; 通信处理插件控制中央信号和输出中间模块SCM-951实现中央信号及出口输出; 通信处理插件控制开入光隔离插件SCM-981实现31路开入的输入; 通信处理插件与SCM-931插件完成人机界面交互功能。 装置通过多个CPU和FPGA协同工作,实现了高速数据处理能力。
装置人机界面具备液晶( LCD) 显示功能,其主菜单包括电能质量测试主要内容、电能质量事件记录、装置定值整定、精度校正和其他参数设定( 如时间设定、通信设置) 等功能。
2.1.2二次子单元
二次子单元包括就地测控装置及继电保护测试仪等。测控装置实现电网适应性能力测试、防孤岛保护测试及低电压穿越测试等; 继电保护测试仪对储能电站相关保护进行测试。试验结果经通信管理机进行数据处理后,由光纤以太网将满足通信协议要求的数据上传至集控层终端,完成测试结果的分析输出。
2.1.3测试终端
测试终端包括PC机、打印设备及通信设备等。 PC机上嵌有测试控制、数据处理及波形显示软件, 可对测试项目进行功能选择、流程控制; 对设备层上传的数据进行时域及频域分析,以图表形式输出并存储测试 结果。200 k W以上的储 能系统接 入10 k V及以上电压等级配电网,其测试结果通过远程传输设备上送至调度中心。
2.2软件设计方案
储能电站并网测试软件设计包括数据采集处理模块、控制模块、通信模块及PC终端测控显示软件设计等,分别完成各项检测指标分析计算、测试控制、设备层与集控层间的通信需求及测试功能选择、 结果分析显示等功能。软件采用层次化、模块化设计,各个模块之间独立编写程序并分别调试; 同时提供各模块间调试接口,最后通过系统联调完成储能电站并网测试平台软件设计。程序结构见图6。
接口单元程序包括通信处理程序及数据格式转换处理程序,实现设备层与集控层不同数据格式的转换与通信。集控层发送的控制命令经接口单元处理后下发至设备层; 设备层采集数据通过接口单元进行格式转换后上送至集控层,完成所有指标测试。 图6所示的程序结构可将所有模块功能有机地结合在一起,保证了测试系统运行的完整性。
由于程序模块较多,任一模块出现故障均可影响系统的整体性能。因此集控层设计了逻辑闭锁模块及逻辑保护模块,当程序运行出现错误时,逻辑闭锁模块可自动检测错误并关闭相应硬件。为达到规定测试精度,运行人员还可根据需要通过参数管理模块进行参数整定。
3储能电站并网测试工程实现
3.1现场接线方式
储能电站并网测试平台接线如图7所示,包括检测装置与储能并网系统、继电保护测试仪之间的接线以及电源、模拟采集量输入、PCS监控后台、打印设备接线等。虚线框内为储能电站并网检测系统,包括检测装置及PC后台集控设备两大部分。
储能电站并网测试原理见图8。进行储能电站并网检测时,开关K1闭合,PC后台向检测装置下发检测控制命令,检测装置采集10 k V变压器二次侧相关参数,并与PCS监控后台通信完成所有参数的采集分析,最终检测结果上送至PC后台进行数据处理、报表打印等。进行并网试验时开关K1断开,PC后台向继电保护测试仪下发试验控制指令, 由继电保护测试仪完成相应测试并将结果上送至PC后台,完成测试结果的记录存储等。
3.2储能电站并网测试方案
储能电站并网测试方案流程如下。
1) 首先根据储能电站并网测试目的及具体测试指标要求,确定测试条件,包括储能电站并网或离网运行方式、具体现场测试条件、测试精度要求、测试装置需求等。
2) 根据测试条件,合理地进行储能电站二次侧接线并保证其被测储能系统完整性。
3) 按照测试目的,布置采集模拟器及开关模拟器; 由PC集控后台下发控制指令,设备层根据指令采集计算相关数据,并通过接口数据转换后上送至PC后台。
4) PC后台分析测试结果数据,以图表形式保存并输出测试结果,并进行报表打印生成。
4结语
本文对储能电站并网测试技术进行了深入研究,提出了13项并网测试指标及测试方法; 从软硬件2个方面研制开发了测试平台及测试装置,并提出了相应的测试方案。所提测试平台具有以下特点。
1) 高度集成性。软硬件模块的系统化设计保证了整个测试平台功能及被测储能系统信息的完整性,克服了传统单设备测试的弊端,减少了设备空间及工程调试需求。
2) 友好性。PC后台可实现测试结果的自动报表生成,同时测试人员可根据需求设定测试精度及参数整定,满足了不同环境下的测试需求。
基于相变储能的低温余热回收技术 篇6
能源是提供能量的物质资源, 是人类生存的重要物质基础。当前能量利用浪费的主要原因是因为化石燃料直接使用, 获得温度较低的热量, 同时浪费的大量的热量。据调查显示, 我国余热资源占燃料消耗总量的17%-67%, 其中可利用的为总余热量的60%, 具有很大的节能潜力[1]。
工业余热、废热数量惊人。这些能源具有间歇性、不稳定的特点。能量密度随时间、季节变化、强度也不稳定[2]。相变材料由于蓄热密度大、相变吋温度近似恒定、节能效果显著等特点在余、废热回收利用方面起到了显著的作用。
余热资源根据温度的不同被分为高温余热资源、中温余热资源与高温余热资源。在工业生产中, 200℃以下的泠凝水、热气、水;400℃以下的锅炉产生的烟气与300℃之下的气体等热量。在石化企业中, 把低于120℃的剩余热量定位低温余热[3,4]。
2. 相变储能余热回收技术
根据相变材料封装和工作方式的不同, 应用于余热回收的相变储能系统大致可以分为热管换热器、蓄热式相变储热系统、潜热/显热复合储热材料三类。
2.1 热管换热器
热管换热器同时具有储热与换热能力的相变储能换热装置。通常热管可以分为高温热管、中温热管与高温热管。在钢铁行业中, 热管主要应用在中低温余热的回收利用。
热管具有传热效果好、温差小、热阻低等优点, 非常适合用于低温余热回收;同时热管的传热量大, 在加热端与冷却段都可以安装翅片, 这样可以加强换热器换热能力, 由于冷热流体并不接触, 因此使用热管可以避免流体污染;热管的温度适用范围大, 根据温度的不同可以选用不同的工质。当余热在300℃以下时, 使用热管非常合适, 具有广阔的应用前景, 在钢铁行业中热管换热器也得到了很好的应用[5]。
2.2 蓄热式相变储热系统
蓄热式的相变储能系统最大的不同在于里面含有相变储能物质。
由于圆柱、方块和球体较为容易制作, 所以该种储能系统常采用这几种模式, 与传统的显热储能模式相比, 在储存相同大小的热量下, 蓄能体积可以减少30%-50%, 同时使用蓄热相变储能系统可以克服显热系统体积大、蓄能密度小、温度波动较大等缺点, 在工业应用过程中更加方便。
2.3 潜热/显热复合储热材料
潜热/显热复合蓄能材料, 发展于上世纪80年代, 由无机盐和陶瓷集体粉末烧结而成, 该种材料可以同时利用无机盐与陶瓷基的相变潜热, 相变较显热蓄热量可以提高2-3倍, 且由于材料的复合特性, 相变的温度范围在450℃-1000℃。
3. 基于相变储能的实际换热技术应用
3.1 LYQ相变换热器的应用
LYQ相变换热器是山东奥金节能工程有限公司采用相变技术、换热器自动控制技术的产品, 安装在锅炉烟道上, 能够在锅炉的设计和改造中, 大幅度降低烟气的排放温度, 使大量中低温热能被有效回收。
LYQ相变换热器已在山东耐斯特炭黑有限公司1#尾气余热锅炉成功运用, 且效果显著。该厂1#炭黑尾气余热锅炉空气预热器之后烟温高达180℃多, 未改造之前, 这部分烟气直接排入大气中, 加装相变余热回收装置之后, 烟气自183℃降至107℃, 同时回收的热量用于加热锅炉补水 (除盐水) , 除盐水温度自12℃加热至45℃, 利用余热使除盐水温度提升了33℃[5]。
3.2 复合相变换热器的应用
复合相变换热技术与热管换热等节能技术都不同, 该技术将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”, 将对产生烟气低温结露和腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”。
扬州某发电有限公司的2#炉安装了相变换热器进行锅炉尾气余热回收, 以该技改实例进行节能效果分析。相变换热器总回收热量:2.702t标准煤/h, 该项目节能收益为:6605.20t标准煤a。年减排CO217173.5t, 减排SO2184.9t[6]。
4. 相变储能技术在低温余热回收领域存在的问题
相变材料在应用的过程中尚存在一些问题: (1) 关于相变材料的基理性的研究现在还不完善, 虽然相变储能材料的品种非常多但开发出来的储能密度大且相变温度合适的材料较少; (2) 相变储能材料封装技术还没有成熟, 材料的泄漏问题与安全性温度未能解决; (3) 相变材料与封装材料长期使用的性能有待进一步验证; (4) 提髙相变材料的热导率, 热量, 能够快速的吸收 (释放) 热量 (5) 简化生产工艺和降低生产成本。
摘要：该文以相变储能为基础介绍了热管、热泵、相变蓄热等多种低温余热回收技术, 并介绍了多种实际应用案例, 表明了相变储能在低温余热回收领域的重要作用与应用前景, 同时指出了当前相变储能在低温余热回收领域有待发展的部分, 为今后相变储能在余热回收领域更好的应用指明了方向。
关键词：相变储能,低温余热回收,相变蓄热,热管
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储能节能技术 篇7
关键词：超级电容储能装置,最大风能捕获,单位功率因数并网,功率平抑
目前, 越来越多的大中型风电场相继建成并投入运行。由于大中型风力发电场 (50 MW及以上) 一般直接接入输电网, 故电网对风电电能质量的要求越来越高[1]。风能是一种随机变化的能源, 具有不稳定、不连续、易受外界影响的特点, 风速变化会使原动机输出的机械功率发生变化导致发电机输出功率波动, 进而对电网的电能质量产生不利影响, 所以提高风电场输出功率的可控性, 是目前风力发电技术的重要发展方向。把电力储能系统引入风力发电技术, 能有效地抑制风电功率波动, 平滑功率响应曲线, 提高电能质量, 是保证风力发电并网运行、促进风能利用的关键技术和主流方式[2]。超级电容器作为一种新型的储能器件, 由于其功率密度高、充电速度快、循环使用寿命长、绿色环保、工作温度范围宽等优点, 成为电网储能的首选装置之一。本文所采用的储能系统由超级电容组成的储能装置和双向DC/DC变换器组成。超级电容主要实现能量的储存和释放;双向DC/DC变换器主要实现充放电控制、功率调节和控制等功能。
1系统总体结构
永磁直驱风力发电系统主要包括风力机、永磁同步发电机、不可控整流桥、BUCK变换器、网侧PWM逆变器;储能系统主要包括双向Buck-Boost斩波电路和超级电容器。前级为最大风能捕获电路, 采用BUCK斩波电路作为主电路, 通过控制BUCK驱动脉冲占空比, 使风电机组输出最大功率, C2起到稳定直流电压, 使前后级近似解耦, 向逆变桥提供直流电源;超级电容储能系统并联在直流侧母线上, 通过双向Buck-Boost斩波电路变换吸收或释放功率, 从而平滑直流侧功率轨迹曲线, 达到调节并网功率的目的。网侧PWM逆变器采用基于电网电压定向的并网控制策略, 使并网电流与电网电压同频同相, 实现单位功率因素并网。
图1[3]为超级电容等效电路模型图, 图2[4,5]为直流侧并联超级电容储能系统的风力发电系统结构示意图。
为了向风电场提供足够的功率支持, 超级电容储能系统可根据需要设计为较大容量。当风电机组输出功率高于电网功率参考值时, 超出功率可由超级电容器吸收, 把多余的能量存储在超级电容器中, 当风电机组输出功率低于电网功率参考值时, 超级电容器可释放功率, 为风电场提供功率支撑[6]。图2中开关k2可设计为双向开关, 通过这种方式将能够有效地平抑风电机组输出功率的波动, 使风电系统输出较为平滑的有功功率。
2系统控制策略设计
直流侧并联超级电容储能系统的直驱式风力发电控制系统主要由三部分组成:前级BUCK变换器控制、网侧PWM逆变器控制、储能系统中双向Buck-Boost斩波电路控制。
2.1前级BUCK变换器控制
系统采用两级变流技术, 一方面使最大功率跟踪与功率调节环节解离;另一方面最大功率跟踪器和后级逆变系统的中间有较大的电容, 可以实现能量的解耦。因为斩波器输出侧udc由网侧PWM逆变器控制恒定, 所以前级BUCK电路可通过改变开关管的占空比来控制BUCK直流斩波器的输出电流, 从而控制风能的输入功率, 完成对风力发电系统输出的最大风能捕获。
传统的扰动观察法在稳态时的功率损耗比较大, 而且风速剧变时, 有误判, 而改进的扰动观察法采用变步长扰动, 在远离最大功率点处采用较大的扰动步长, 而在最大功率点附近采用较小的扰动步长, 就可以克服上述问题, 控制流程图如图3[7]所示。
2.2网侧PWM逆变器控制
如图4所示为电压型PWM逆变器 (VSI) , 根据其工作原理可知, 交流侧包含时变的交流量, 因而不利于控制系统设计。根据PARK变换原理, 可将三相对称静止坐标系 (a, b, c) 转换成与电网基波频率同步旋转坐标系 (d-q) 。通过经过坐标变换后, 三相对称静止坐标系中的基波正弦变量变为同步旋转坐标系中的直流变量, 从而实现了控制上的解耦, 在设计电流内环时, 便于闭环调节器的设计, 同时也很方便地与正弦脉宽调制接口, 利于网侧滤波电路的设计。相应地, 也可建立三相VSI在同步旋转坐标系 (d-q) 下的数学模型。
2.2.1三相VSI在同步旋转坐标系 (d-q) 下的数学模型
定义开关函数为:
式中k=a, b, c。
当开关函数Sa=1时, uA=udc;当Sa=0, uA=0。可以推得uA=Saudc, 根据基尔霍夫电压、电流定律可得VSI在三相静止坐标系的微分方程:
在C点由基尔霍夫电流定理可得:
由式 (1) 、式 (2) 和PARK变换可以推出:
在坐标变换过程中, 使d轴方向与网压空间矢量E对齐, 即以网压a相峰值点作为旋转角θ的零点, 则有ed=|E|, eq=0。网侧电压电流相量图如图5所示。
图5中id、iq对应网侧电流中有功和无功分量。稳态时, id、iq均为直流, 其微分项等于零。因此有:
式 (4) 中, ed、eq是电网电动势矢量的d、q分量;ud、uq是交流侧电压矢量的d、q分量;id、iq是交流侧电流矢量的d、q分量。
2.2.2并网侧解耦控制策略
在稳态方程中, 电网电压ed为前馈分量, 可以克服由电网电压波动引起的系统扰动;ωLid和ωLiq为解耦项, 使有功电流和无功电流可以分别控制。在双闭环结构中, 电压外环控制直流电容电压的稳定, 电压外环的输出作为有功电流的给定值, 无功电流由外部给定, 同时通过检测负荷电流的无功分量, 将其作为逆变器补偿无功电流iq的同步控制。这样就可以通过独立控制有功电流、无功电流的大小和方向, 实现对电网的有功输出和无功补偿, 达到了解耦控制的目的[8]。控制流程图[8]如图6所示。
2.3储能系统双向Buck-Boost斩波电路控制
功率平滑控制的系统控制图如图7所示, 系统外环为功率环, 内环为电流环的控制结构。功率环为:风机输出值Pwind经低通滤波器滤波后, 滤除高频量后将其作为系统并网功率的参考设定值P*wind;超级电容的功率设定取为PC*=Pwind-P*wind, 超级电容的实际功率与设定功率做差后, 经PI调节器和限幅环节形成控制电流iC*, 经限幅环节后可以有效限制超级电容的工作电流。内环为:将iC*与超级电容实际电流iC做差, 经PI调节后, 与载波协调控制形成K2和K3的互补且带有死区的驱动脉冲, 使超级电容实际输出电流跟随参考电流, 即输出功率跟随设定功率。
3系统仿真与效果分析
在Matlab/simulink仿真环境下建立了整个系统的仿真电路。仿真时, 系统额定功率为16 k W, 电网线电压380 V, 频率50 Hz, 直流母线参考电压600 V, 超级电容正常工作电压150 V, 额定容量5 A·h。仿真波形见图8~图10。
图8中分别是风机输出的功率、超级电容的工作功率和并网输出功率, 可以看出, 风电系统中, 前级buck能实现风能最大风能捕获, 风力发电机受外界环境影响比较大, 风速的不稳定性导致风机输出的功率瞬态波动较大, 超级电容通过双向流通控制器实现瞬态调节直流侧输出功率轨迹曲线, 进而平滑并网功率, 减小功率波动, 最终实现功率的平滑抑制控制。图8开始在0.4 s时风机由于风速突增, 出现了功率输出高峰, 此时超级电容吸收风机输出的多余电能, 平滑风机输出功率轨迹高峰。由图9可知, 并网电压、电流同频同相, 实现了单位功率因数并网, 即使在风速变化的暂态过程中, 仍可保持相位始终跟踪。在风机输出功率波动区间, 由于有超级电容快速平抑作用, 并网逆变器输出电流几乎没有出现波动。图10中横轴表示谐波次数, 纵轴表示对应谐波含量所占的百分比, THD表示总的谐波含量。由国标可知, THD小于5%的电流或电压波形都较理想, 由于此时THD为4.33%, 并网电流谐波含量较低, 所以并网电能质量较高。
4实验结果
根据以上设计方案, 以DSP2812作为主控芯片, 研制了一台额定功率2 k W的三相并网逆变器。图11为送入IPM的经驱动隔离后的同一桥臂的上下开关管PWM互补控制波形和并网电压电流波形。图11 (a) 驱动波形的幅值为15 V, 开关频率为20 k Hz。另外还在互补的PWM控制信号中增加了死区, 使一侧开关管闭合与另一侧开关管断开有一定的延时, 可以避免同时导通。图11 (b) 为经过霍尔传感器采样得到的电网电压与并网电流的波形, 可知两者同频同相, 在实测风速范围为7~10 m/s的情况下, 并网电流几乎没有发生波动, 并网效果较佳。
5结论
本文采用直流侧并联超级电容储能装置的结构。所设计的控制策略, 可实现风电系统最大风能捕获和网侧PWM逆变器单位功率因数并网以及储能系统功率的调节。仿真和实验结果均表明, 采用本文提出的功率平抑控制策略可以有效控制功率的波动, 减小其变化率, 即使风速变化较大, 风力发电系统输出的并网电流波形几乎没有发生波动, 改善了电网电能质量。
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