CN102646995B - 基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统 - Google Patents

基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统 Download PDF

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Abstract

一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统，包括：风机6、与风机6相连的电机侧电流源型逆变器5、光伏电池板9、单向功率升压变换器8、电压/电流变换器7、第一超导磁线圈3、第二超导磁线圈4、电流源型并网逆变器2，及并网电感1。风力发电系统电机侧变换器的直流侧、光伏发电系统光伏侧变换器的直流侧和超导磁储能的超导磁线圈串接在一起，在电网侧共用电流源型并网逆变器。将超导磁储能系统、风力发电系统和光伏系统在直流侧有效集成，直流侧的超导磁线圈能够储存能量，可以平滑风力发电、光伏发电受自然条件造成的不稳定输出功率，且在电网发生短路故障时，具有很好的限流功能。

Description

基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统
技术领域
本发明是一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统结构，属于电工、电力电子、新能源发电的技术领域。
背景技术
基于可再生能源的分布式发电正在全球范围内快速发展，其原因有：(1) 传统能源如煤炭等会产生碳氧化物，造成环境污染和温室效应。(2) 开放的电力市场将允许更多电能供应商参与电网竞价。(3) 不断增长的用电需求和供电紧缺之间的矛盾。这在中国、印度等发展中国家尤为突出。与煤炭等传统能源增速相比，可再生能源在过去几年的年增长率均超过30%，是增长率最快的能源领域之一。
在各种可再生能源分布式发电系统中，风力发电和光伏发电是两种发展最快的新能源。其中风力发电具有成本低和效率高的优点，其通过风力发电机将桨叶捕获的风能转换为电能，并通过电力电子变换器传送至电网。光伏发电通过光伏电池板将光能转换为电能，并经由电力电子变换器获得符合电网要求的并网电流，光伏发电所需的机械结构部分较少，但目前其相对风力发电来说，成本较高。
但无论风力发电还是光伏发电，都受到自然条件的限制，它们发出的有功功率具有间歇性和不稳定性的特点。为了在发电过程中保证稳定的有功功率输出，这些基于可再生能源的分布式发电系统必须依赖储能系统。在各种储能系统中，超导磁储能系统具有功率密度高、寿命长、充放电速度快、效率高的优点。超导磁储能系统通常由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、变频器、和控制器组成。超导磁线圈是超导磁储能系统的核心。
目前将储能系统和风力发电、以及光伏发电混合使用的发电方式大部分都是基于各自逆变器并网,这样就需要多台独立的并网逆变器，各个系统之间并无直接的联系，这样一方面增加了并网逆变器的数量，使得整个系统的结构更加庞杂，集成度低。其次，由于多个并网逆变器形成多个并网接入点，这就需要各个并网系统之间相互协调进行控制，控制算法较为复杂。最后，目前将风力发电、光伏发电、储能系统集成的混合发电系统大多是基于采用电压源型并网逆变器的。国内外通过电流源型并网逆变器将风力发电、光伏发电和超导磁储能相结合的混合发电系统还是空白。与电压源型并网逆变器不同，电流源型并网逆变器具有拓扑结构简单、逆变器输出电压波形好、短路电流保护能力强、逆变器具有自升压等诸多优点。
这其中存在几个关键技术难点：(1)传统的风、光互补发电系统都是通过风力发电系统和光伏发电系统各自独立的并网逆变器在电网交流侧并联；或是通过电压源型变换器在直流电压母线处实现并联，再通过公共的电压源型逆变器并网。但是如何通过电流源型并网逆变器将风力发电系统和光伏发电系统在直流侧集成仍是一个技术问题。(2)超导磁储能系统作为一种有效的储能方式，可补偿风力发电和光伏发电的发电不稳定性，在可再生能源分布式发电中起到了能量缓冲的作用。如何将超导磁储能系统和风力发电、光伏发电系统有效结合，并在它们之间共用并网逆变器是另一个技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统，本发明能够平滑风力发电、光伏发电受自然条件造成的不稳定输出功率，且在电网发生短路故障时，具有很好的限流功能。
本发明采用如下技术方案： 
一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统，包括：风机、分别与风机的三相输出连接的电机侧电流源型逆变器、光伏电池板、单向功率升压变换器、电压/电流变换器及电流源型并网逆变器，在所述电流源型并网逆变器的输出端上连接有并网电感，所述光伏电池板的输出端与单向功率升压变换器的输入端连接，单向功率升压变换器的输出端与电压/电流变换器的输入端连接，在电机侧电流源型逆变器、电压/电流变换器与电流源型并网逆变器之间分别设有第一超导磁线圈、第二超导磁线圈，并且，所述第一超导磁线圈的一端与电流源型并网逆变器的共阴极连接另一端与电机侧电流源型逆变器的共阳极连接，所述第二超导磁线圈的一端与电流源型并网逆变器的共阳极连接，另一端与电压/电流变换器的第一输出端连接，电机侧电流源型逆变器的共阴极与电压/电流变换器的第二输出端连接，所述电压/电流变换器的第一输出端的电位高于电压/电流变换器的第二输出端的电位。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明特点为风力发电系统、光伏发电系统和超导磁储能系统在电网侧共用电流源型并网逆变器；风力发电系统电机侧变换器的直流侧、光伏发电系统光伏侧变换器的直流侧和超导磁线圈采用串联形式连接，因此仅需控制流过超导磁线圈的电流，就可实现对风力发电系统和光伏发电系统直流母线电流的控制，减少了控制量，且控制更加直接、简单。风力发电系统电机侧变换器用于实现风力发电机的最大功率跟踪控制和效率优化，光伏发电系统光伏侧变换器用于实现光伏电池的最大功率跟踪控制；这种风、光、超导磁储能混合发电系统电网侧共用的电流源型并网逆变器用于实现电网侧输出功率的控制。
从具体结构说，超导磁储能系统的超导磁线圈作为整个风、光、超导磁储能混合发电系统的直流母线电感，风力发电系统电机侧变换器的直流侧和超导磁线圈在直流电流母线处串联，光伏发电系统通过单向功率升压直流/直流变换器和电压转电流直流/直流变换器和超导磁线圈在直流电流母线处串联。该直流电流母线再通过电流源型逆变器并网。
1、本发明所提出的风、光、超导磁储能混合发电系统基于电流源型逆变器并网，不同于以往基于电压源型逆变器的风、光互补新能源并网装置。电流源型逆变器直流母线采用超导磁储能线圈，相比电压源型逆变器直流母线电容使用寿命更长。电流源型逆变器具有升压功能，能将较低的可再生能源输出电压提升，而电压源型逆变器只具有降压功能。由于直流侧的超导磁储能线圈存在，本发明的混合发电系统在电网发生短路故障时，有很好的限流功能，但是传统电压源型并网逆变器不具备这种功能。
2、本发明使得风力发电系统、光伏发电系统和超导磁储能系统共用一台电流源型并网逆变器，不同于以往风力发电系统、光伏发电系统和超导磁储能系统分别采用各自独立并网逆变器的方式。因此本发明减少了并网逆变器的个数，节约了成本。同时由于本发明在电网侧只需要控制一台共用的并网逆变器，因此控制更加直接、简单。
3、本发明将超导磁储能系统、风力发电系统和光伏系统在直流侧有效集成，直流侧的超导磁线圈能够储存能量，可以平滑风力发电、光伏发电受自然条件造成的不稳定输出功率，即风能、光能较大时，超导磁储能系统可吸收多余的能量，而风能、光能较小时，超导磁储能系统可向电网补充能量。另一方面，当电网发生故障时，本发明中的风、光、超导磁储能混合发电系统将和电网断开，和附近的负载一起形成孤岛电网。由于该混合发电系统具有能量吸收和释放的能力，可给孤岛电网中附近负载提供能量，满足供电要求。
4、当电网发生短路故障时，传统的风力发电系统、光伏发电系统无法再向电网传送功率，多余的风能、光能会造成并网逆变器直流母线电压或电流超过安全值。本发明所提出的混合发电系统却能将电网短路故障情况下的风能、光能有效地存储到直流母线的超导磁线圈中，不会造成过流或过压的现象。
附图说明
图1是本发明所提出的基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统结构示意图。其中有：并网电感1、电流源型并网逆变器2、超导磁线圈3、超导磁线圈4、发电机侧电流源型逆变器5、风机6、电压/电流变换器7、单向功率升压变换器8、光伏电池9。
图2是本发明所提出的基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统的具体实施方案示意图。其中有：非线性负载 10、基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11、线性负载12、断路器13、线性负载14、电网15。
具体实施方式
一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统，包括：风机6、分别与风机6的三相输出连接的电机侧电流源型逆变器5、光伏电池板9、单向功率升压变换器8、电压/电流变换器7及电流源型并网逆变器2，在所述电流源型并网逆变器2的输出端上连接有并网电感1，所述光伏电池板9的输出端与单向功率升压变换器8的输入端连接，单向功率升压变换器8的输出端与电压/电流变换器7的输入端连接，在电机侧电流源型逆变器5、电压/电流变换器7与电流源型并网逆变器2之间分别设有第一超导磁线圈3、第二超导磁线圈4，并且，所述第一超导磁线圈3的一端与电流源型并网逆变器2的共阴极连接，第一超导磁线圈3的另一端与电机侧电流源型逆变器5的共阳极连接，所述第二超导磁线圈4的一端与电流源型并网逆变器2的共阳极连接，第二超导磁线圈4的另一端与电压/电流变换器7的第一输出端连接，电机侧电流源型逆变器5的共阴极与电压/电流变换器7的第二输出端连接，所述电压/电流变换器7的第一输出端的电位高于电压/电流变换器7的第二输出端的电位。
下面参照附图，对本发明做出更为详细的描述：
图1中，并网电感1，通过电流源型并网逆变器2和第一超导磁线圈3、第二超导磁线圈4在直流电流母线相联。第一超导磁线圈3、第二超导磁线圈4通过电流源型并网逆变器2和并网电感1交换功率。第一超导磁线圈3通过电机侧电流源型逆变器5和风机6相联。第二超导磁线圈4和电压/电流变换器7相联，电压/电流变换器7通过单向功率升压变换器8和光伏电池9相联。电机侧电流源型逆变器5与光伏侧电压/电流变换器7在直流电流母线处串接，与第一超导磁线圈3、第二超导磁线圈4交换能量。
图2中，非线性负载10、基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11、线性负载12在电网侧并联。当断路器13闭合时，非线性负载10、基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11、线性负载12和线性负载14、电网15相联。基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11向电网15中注入特定的有功、无功功率。
当断路器13断开时，图2中非线性负载10、基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11、线性负载12形成孤岛电网。基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统11将给非线性负载10和线性负载12提供能量。

Claims (1)

1.一种基于电流源型逆变器的风、光、超导磁储能混合发电系统，其特征在于，包括：风机（6）、分别与风机（6）的三相输出连接的电机侧电流源型逆变器（5）、光伏电池板（9）、单向功率升压变换器（8）、电压/电流变换器（7）及电流源型并网逆变器（2），在所述电流源型并网逆变器（2）的输出端上连接有并网电感（1），所述光伏电池板（9）的输出端与单向功率升压变换器（8）的输入端连接，单向功率升压变换器（8）的输出端与电压/电流变换器（7）的输入端连接，在电机侧电流源型逆变器（5）、电压/电流变换器（7）与电流源型并网逆变器（2）之间分别设有第一超导磁线圈（3）、第二超导磁线圈（4），并且，所述第一超导磁线圈（3）的一端与电流源型并网逆变器（2）的共阴极连接，第一超导磁线圈（3）的另一端与电机侧电流源型逆变器（5）的共阳极连接，所述第二超导磁线圈（4）的一端与电流源型并网逆变器（2）的共阳极连接，第二超导磁线圈（4）的另一端与电压/电流变换器（7）的第一输出端连接，电机侧电流源型逆变器（5）的共阴极与电压/电流变换器（7）的第二输出端连接，所述电压/电流变换器（7）的第一输出端的电位高于电压/电流变换器（7）的第二输出端的电位。
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