CN102684183B - 基于直流局域网的分布式发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式发电技术，旨在提供一种基于直流局域网的分布式发电系统及控制方法。该系统包括分离布置的多台发电装置，以及直流母线构成的DC局域网；所述发电装置是直流发电装置或交流发电装置中的至少一种，并通过一一对应的协调器并联接入DC局域网。本发明属于新能源的分布式发电的技术创新，十分有利于风力与光伏发电资源的规模化采集和开发利用。通过本发明将多个光伏或风力发电装置的电能汇集到DC局域网，形成直流供电；或通过大中型逆变器交流供电；或通过大中型逆变器并入市电。本发明将显著改进由多台微型新能源发电装置组成系统的技术经济性能、简化并网控制要求、提高并网可靠性，有利于风力与光伏发电资源的规模化采集和开发利用。

Description

基于直流局域网的分布式发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电技术。本发明是一种新颖的分布式发电系统，应用于小型风力发电与光伏发电（太阳能电池）的发电，尤其适合于由小型风力发电与光伏发电阵列组成的大中型并网发电系统。 

背景技术

新能源发电有离网与并网两种利用方式，并网发电是新能源大规模利用的有效途径，离网发电则能体现新能源分散发电的优势。根据自然资源禀赋的特点，新能源并网发电本身往往采取分布式并网形式，由多台发电装置共同组网也是规模化离网发电的一种趋势。 

对于并网发电，微型逆变器是当前能够实现小型新能源并网发电的实用途径，在许多地区还是充分利用自然资源的重要手段，而由小型风力发电与光伏发电阵列组成的大型并网发电系统，更是一种适应性非常强的新能源开发方式。 

另一方面，由于新能源并网对于并网逆变器的要求非常严格，其中微型并网逆变器的控制并不会比中、大型并网逆变器简单多少。因此，微型并网逆变器在可靠性、高性能与成本约束等方面明显不如大型并网逆变器。目前由微型并网逆变器来组成大中型并网发电系统，无论从运行可靠性、系统成本，还是从安装成本、维护性来说，都还存在很多问题。 

通过将多个中小型新能源发电装置发出的电能汇集到DC局域网，然后通过大中型并网逆变器向市电送电，能简化分布式并网发电的系统结构，同时在离网情况下也能相对容易地想负载提供交流电源；DC局域网本身就能向直流负载提供电力，从而提高用电效率。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何克服现有技术中由小型新能源发电装置组成大中型并网发电系统必须使用微型逆变器的技术与经济瓶颈问题，从而提供一种既能充分利用小微新能源发电群资源，又能避免使用微型逆变器的大中型并网发电系统技术。 

为解决此技术问题，本发明提出的解决方案是： 

提供一种基于直流局域网的分布式发电系统，包括分离布置的多台发电装置；该系统还包括DC局域网，是包括正负电缆的直流母线；所述发电装置是直流发电装置或交流发电装置中的至少一种，并通过一一对应的协调器并联接入DC局域网； 

对于直流发电装置，所述协调器由DC/DC变流单元构成，通过控制其输入与输出之间的电压升降或输入电流达到控制输入功率的目的；对于交流发电装置，所述协调器由整流单元与DC/DC变流单元组成，整流单元的DC端接DC/DC变流单元的输入，整流单元的AC端和DC/DC变流单元的输出分别为协调器的输入与输出。 

本发明中，所述DC局域网通过逆变器接至交流电网或交流负载；或者，所述DC局域网直接与直流负载相接。 

本发明中，还包括至少一台储能装置；所述储能装置是直流储能装置或交流储能装置中的至少一种；对于直流储能装置，所述DC局域网通过一一对应的协调器与储能装置相接，所述协调器为双向DC/DC变流单元，协调器的输入和输出分别接直流储能装置和DC局域网；对于交流储能装置，所述DC局域网通过一一对应的协调器与储能装置相接，所述协调器为双向AC/DC变流单元，协调器的输入和输出分别接交流储能装置和DC局域网。 

本发明中，所述DC/DC变流单元由LLC电路构成。 

本发明中，所述直流发电装置是光伏发电装置、燃料电池或直流发电机；所述交流发电装置是风力发电机。 

本发明进一步提供了一种基于前述系统的分布式发电控制方法，是利用协调器将多个直流发电装置或交流发电装置的电能汇集到DC局域网，形成直流供电；或者进一步通过逆变器实现交流供电或并网供电。 

系统并网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制，而逆变器通过控制向电网输出功率来稳定DC局域网的电压； 

系统离网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制，一旦DC局域网的电压达到其上限时，则通过限制协调器的输入功率来稳定DC局域网的电压；如DC局域网通过逆变器接至交流负载，则通过控制逆变器输出稳定的交流电压。 

本发明的有益效果： 

本发明显著改进了由多台微型新能源发电装置组成系统的技术经济性能： 

（1）将分布式并网发电装置的功能分解为多台协调器与单台（或少数几台）并网逆变器，简化并网结构、提高可靠性； 

（2）系统采用模块化结构，方便生产与维护，易于改变系统并网规模； 

（3）应用协调器应对众多微小新能源电源，显著降低发电系统成本； 

（4）系统结构适应性强，便于构成风电、光伏的单独或是混合的发电系统； 

（5）可以利用DC局域网供电，提高用电效率、简化负载电路； 

（6）离网时，由单台或几台大中型逆变器组成交流局域网供电系统简单易行。 

（7）带储能装置的分布式风光混合直流发电/供电系统，系统简洁。 

基于上述可贵特点，本发明属于新能源的分布式发电的技术创新，十分有利于风力与光伏发电资源的规模化采集和开发利用。 

附图说明

图1是本发明的分布式并网发电系统； 

图2是用于直流发电装置的协调器； 

图3是用于交流发电装置的协调器； 

图4是三相整流桥； 

图5是半桥隔离型DC/DC变流单元； 

图6是一种LLC型DC/DC变流单元； 

图7是一种双向DC/DC变流单元； 

图8是一种双向AC/DC变流单元； 

图9 带储能装置的分布式发电系统； 

图10是一种带储能装置的分布式风光混合发电路灯系统。 

具体实施方式

本发明的实现原理： 

本发明提供了一种新颖的分布式发电系统，利用协调器将多个光伏或风力发电装置的电能汇集到DC局域网，形成直流供电；或通过大中型逆变器交流供电；或通过大中型逆变器并入市电。所谓DC局域网就是包括正负电缆的直流母线，它向分布式能源与直流负载或交流电网提供一个中间链接平台。 

对于分布式并网发电，利用DC局域网概念，将常规的并网逆变系统分解为多个协调器和大中型并网逆变器两部分，通过DC局域网将其连接在一起，构成小型风力发电或光伏发电阵列组成的大中型并网发电系统。 

本发明将显著改进由多台微型新能源发电装置所组成系统的技术经济性能、简化并网控制要求、提高并网可靠性，十分有利于风力与光伏发电资源的规模化采集和开发利用。 

光伏、燃料电池、直流发电机等发电装置提供的是直流电源，而风力发电机等发电装置提供的是交流电源。本发明提出的分布式发电系统由多台发电装置及一一对应的多 台协调器、DC局域网、以及一台或多台逆变器构成，多台发电装置是由直流发电装置或交流发电装置单独或两者共同构成的，协调器的输入与输出分别接发电装置与DC局域网，逆变器的输入与输出分别接DC局域网、交流电网或交流负载。 

对于直流发电装置，其对应的协调器由DC/DC变流单元组成，通过控制其输入与输出之间的电压升降或输入电流达到控制输入功率的目的；对于交流发电机，其对应的协调器由整流单元与DC/DC变流单元组成，整流单元的DC端接DC/DC变流单元的输入，整流单元的AC端与DC/DC变流单元的输出分别为协调器的输入与输出。 

系统并网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制，而逆变器通过控制向电网输出功率来稳定DC局域网的DC电压； 

系统离网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制，一旦DC局域网的电压达到其上限时，系统将通过限制协调器的输入功率来稳定DC局域网的DC电压。如DC局域网通过逆变器接至交流负载，则通过控制逆变器输出稳定的交流电压。这里所谓的限制协调器的输入功率，是由协调器来实现的。对于带储能的分布式系统，在DC局域网上通过协调器挂上蓄能装置。 

系统中所有的协调器输出端都是并接在DC局域网上的，也就是说多个协调器相互之间是属于并联关系。这一点极大简化了系统的构成，有利于系统实现模块化结构。 

本发明的分布式发电系统可以适用于光伏发电系统和风力发电系统，也可以应用于混合发电系统，所不同的仅仅是需要选用相应的协调器，这显著简化了分布式发电系统的结构，并提高了生产安装与维护的性能。图1是本发明的分布式发电系统示意。 

图2、3是两类协调器的结构示意，分别用于直流发电装置的和交流发电装置，图2为DC/DC变流单元，图3为整流单元与DC/DC变流单元的级联。图4是整流单元的一例，为普通三相整流桥。 

上述分布式发电系统中DC局域网通常只需连接一台逆变器，但在DC局域网容量很大而发电系统又不适合分割的情况下，则可以采用多台逆变器,其能量控制都是按照保持DC局域网的电压稳定进行的。逆变器可以采用单相或三相的。多台并网逆变器连接在DC局域网时，发电系统中的多台逆变器需要协调管理，例如采取均流控制。 

光伏发电的输出是直流；风电一类的输出虽是交流，但中间过程往往为直流环节。由新能源发电阵列组成DC局域网，进行直流供电也是新能源的一种高效率利用形式。 

本发明的DC/DC变流单元，可以是隔离型与非隔离型两种之一或混合，通常隔离型的比较有利于系统的安全和可靠性。图5是一种半桥隔离型DC/DC变流单元，类似的常用电路有很多，诸如全桥、推挽、反激、双正激等。上述1或2的系统中的DC/DC变流单元可由LLC电路构成，由此可以取得较高的变流效率，并达到原副边隔离目的。图6 是一种LLC型DC/DC变流电路。上述1或2的系统中的DC/DC变流单元都可以由LLC电路构成，由此可以取得较高的变流效率，并达到原副边隔离目的。 

本发明中的系统，可以通过增加储能装置而实现并网及离网运行，也可以在并网时实现电力储能调节功能。具体做法是增加一台或多台储能装置及一一对应的一台或多台协调器，每台协调器的输入端与输出端分别连接储能装置与DC局域网。所述储能装置是直流储能装置或交流储能装置中的至少一种。对于蓄电池组一类直流储能装置，该协调器为双向DC/DC变流单元，图7是双向DC/DC变流单元的示例。对于飞轮惯性蓄能一类交流储能装置，该协调器为双向AC/DC变流单元，图8是双向AC/DC变流单元的示例。 

应用本发明的技术思想，可以构成多种分布式发电系统，例如： 

（1）分布式光伏发电系统。该系统是在图1中不保留交流发电装置及与之相关的协调器，系统中的直流发电装置为N块光伏电池板，与直流发电装置相关的N个协调器分别由图6的LLC电路构成，逆变器为常规单向或三相并网逆变器。 

（2）分布式风电系统。该系统是在图1中不保留直流发电装置及与之相关的协调器，系统中的交流发电装置为N台交流发电机，与交流发电机相关的N个协调器分别由图6的LLC电路构成，逆变器为常规单向或三相并网逆变器。 

（3）分布式风光混合发电系统。该系统主体结构如图1所示，是上述两种系统的混合。 

（4）带储能装置的分布式风光混合发电系统，其中的储能装置为蓄电池，蓄电池通过对应协的调器（采用双向DC/DC变流单元）挂在DC局域网上，能够实行并网或离网运行。该系统主体结构如图9所示。 

（5）带储能装置的分布式风光混合发电路灯供电系统，该系统主体结构如图10所示。可以通过增加储能装置、电子照明等直流负载而构成一种带储能装置的分布式风光混合发电路灯系统，具体做法是增加一台或多台储能装置及一一对应的一台或多台协调器，若干电子照明负载直接挂在DC局域网上，协调器为双向DC/DC变流单元，每台协调器的输入端与输出端分别连接直流储能装置与DC局域网，直流储能装置可以采用蓄电池组。 

以上所述，仅是本发明的一些较佳实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。 

Claims (3)

1.一种基于直流局域网的分布式发电系统，包括分离布置的多台发电装置，其特征在于，直流局域网包括具有正负电缆的直流母线；所述发电装置是直流发电装置或交流发电装置中的至少一种，并通过一一对应的协调器并联接入直流局域网；

对于直流发电装置，所述协调器由DC/DC变流单元构成，通过控制其输入与输出之间的电压升降或输入电流达到控制输入功率的目的；对于交流发电装置，所述协调器由整流单元与DC/DC变流单元组成，整流单元的DC端接DC/DC变流单元的输入，整流单元的AC端和DC/DC变流单元的输出分别为协调器的输入与输出；

所述直流局域网通过多台逆变器接至交流电网或交流负载；或者，所述直流局域网直接与直流负载相接；

所述协调器的DC/DC变流单元为隔离型的；

所述直流发电装置是光伏发电装置，所述交流发电装置是风力发电机；

系统并网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制；系统离网发电时，每台协调器的输入电流按照对应的发电装置实现其最大功率点来控制，一旦直流局域网的电压达到其上限时，系统将通过限制协调器的输入功率来稳定直流局域网的DC电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协调器的隔离型DC/DC变流单元为LLC电路所构成。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括至少一台储能装置；所述储能装置是直流储能装置或交流储能装置中的至少一种；所述储能装置通过上述协调器和直流局域网相接。