CN103944180A - 基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统 - Google Patents

基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，该系统包括风力发电机、光伏阵列、固态变压器、混合储能模块、电网和控制模块，所述的固态变压器分别与风力发电机、光伏阵列、混合储能模块、电网和控制模块连接，所述的控制模块连接混合储能模块。与现有技术相比，本发明可以显著减小系统体积和成本，提高设备利用率，可较好地平抑系统的功率波动，提高分布式电源的供电可靠性和电能质量，并能在低光照强度、低风速等情况下为系统提供短时能量支撑。

Description

基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统
技术领域
本发明涉及电力电子在风光互补发电并网中应用的技术领域，具体涉及一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统。
背景技术
太阳能和风能是分布最广，利用率最高的可再生能源，但受季节、地理、气候等多种因素的制约，呈现出较强的不确定性。然而，二者在时间和地域上却有一定的互补性，同时在储能、逆变环节均可共用，适合联合发电，实现资源互补，可以提高系统供电的可靠性，并减小对电网的冲击。与独立光伏或风电系统相比，风光互补发电系统(Wind/PV Hybrid Generation System，WPHGS)可以获得较稳定的功率输出，提高设备利用率，降低系统造价，在保证同样供电的情况下，可以减少储能设备的配置容量。为了平抑风光互补发电系统输出功率的剧烈波动、提高逆变器直流侧电压的稳定性，需要合理配置储能设备容量，这样既可减低系统成本，又可提高供电可靠性，即使在功率波动较快或较大的情况下也能够运行在一个稳定的输出水平。目前，国内外学者对离网型WPHGS的研究较多，主要集中于系统结构设计，数学建模与仿真，储能设备的配置等，而对并网型WPHGS的研究刚刚起步，需要更多的深入研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，该系统可以显著减小系统体积和成本，提高设备利用率，可较好地平抑系统的功率波动，提高分布式电源的供电可靠性和电能质量，并能在低光照强度、低风速等情况下为系统提供短时能量支撑。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，该系统包括风力发电机、光伏阵列、固态变压器、混合储能模块、电网和控制模块，所述的固态变压器分别与风力发电机、光伏阵列、混合储能模块、电网和控制模块连接，所述的控制模块连接混合储能模块。
所述的风力发电机的输出端和光伏阵列的输出端分别连接固态变压器的交流输入端和低压直流输入端。
所述的固态变压器包括依次连接的AC-DC整流器、DC-DC变换器和DC-AC逆变器，固态变压器的交流输入端为AC-DC整流器的输入端，所述的低压直流输入端位于AC-DC整流器的输出端与DC-DC变换器的输入端之间。
所述的AC-DC整流器为三相全控整流器，所述的DC-DC变换器包括依次连接的低压侧直流电容、单相全桥逆变器、高频变压器、单相桥式全控整流器和高压侧直流电容，所述的DC-AC逆变器为三相半桥逆变器。
所述的三相全控整流器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥逆变器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相桥式整流器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的三相半桥逆变器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管。
所述的功率开关器件为IGBT、IGCT或MOSFET；所述的二极管为IGBT的体内二极管、IGCT的体内二极管、MOSFET的体内二极管或外接二极管。
所述的单相全桥逆变器和单相全桥整流器均采用PWM控制，所述的DC-AC逆变器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。
所述的混合储能模块包括蓄电池和超级电容，所述的蓄电池接在AC-DC整流器和DC-DC变换器之间，所述的超级电容接在DC-DC变换器和DC-AC逆变器之间。
所述的超级电容用于储备电能和平抑功率波动，在系统供电不足或发生故障时对外放电，提供短时功率支持。
当系统输入电网的功率小于蓄电池放电的下限功率时，蓄电池放电，当系统输入电网的功率大于蓄电池充电的上限功率时，系统给蓄电池充电；蓄电池的剩余容量保持在其正常运行所允许的极限值之内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用固态变压器结构设计，共用直流升压电路和逆变电路，可以显著减小系统体积和成本，提高设备利用率；采用高频变压器升压，在实现电压等级变换的同时达到电气隔离目的。
2、超级电容和蓄电池混合储能系统，克服了单一储能系统难以同时满足短时功率调节和长时功率支撑的需求。
3、在固态变压器的高压直流母线侧配置一定容量的超级电容，除了作为能量储备装置，还可以平抑功率波动，维持直流电压稳定，蓄电池接于固态变压器的低压直流母线处，作为系统的能量储备装置，以提供短时功率支持。
4、适合于大规模风光互补发电系统并网，不需要工频变压器就可实现10kV并网。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明固态变压器的DC-DC变换器的结构图；
图3为本发明固态变压器的AC-DC整流器的结构图；
图4为本发明固态变压器的DC-AC逆变器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，该系统包括风力发电机1、光伏阵列2、固态变压器3、混合储能模块4、电网5和控制模块6，固态变压器3分别与风力发电机1、光伏阵列2、混合储能模块4、电网5和控制模块6连接，控制模块6连接混合储能模块4。
固态变压器3的具体结构包括了依次连接的AC-DC整流器31、DC-DC变换器32和DC-AC逆变器33，AC-DC整流器31的输入端作为固态变压器3的交流输入端，连接风力发电机1的输出端，用于输入交流电，AC-DC整流器31的输出端与DC-DC变换器32的输入端之间为其低压直流输入端，连接光伏阵列2的输出端，用于输入直流电。
AC-DC整流器31为三相全控整流器，其具体结构如图3包括六个功率开关器件S9～S14和并联在功率开关器件两端的二极管D9～D14；DC-AC逆变器33为三相半桥逆变器，其具体结构如图4所示，包括了六个功率开关器件S15～S20和并联在功率开关器件两端的二极管D15～D20；而DC-DC变换器32如图2所示，包括依次连接的低压侧直流电容321、单相全桥逆变器322、高频变压器323、单相桥式整流器324和高压侧直流电容325。其中，单相全桥逆变器322和单相桥式整流器324均包括了四个功率开关器件S1～S4、S5～S8和并联在功率开关器件两端的二极管D1～D4、D5～D8。这些功率开关器件可以采用IGBT、IGCT或MOSFET，而二极管则可以采用IGBT的体内二极管、IGCT的体内二极管、MOSFET的体内二极管或外接二极管。
由于该系统使用固态变压器结构设计，采用高频变压器升压，共用直流升压电路和逆变电路，可以显著减小系统体积和成本，提高设备利用率。
该系统的混合储能模块4包括蓄电池41和超级电容42，蓄电池41接在AC-DC整流器31和DC-DC变换器32之间，超级电容42接在DC-DC变换器32和DC-AC逆变器33之间。蓄电池41配置在固态变压器的低压直流母线侧，作为系统的能量储备装置，当系统输入电网的功率小于蓄电池放电的下限功率时，蓄电池放电，当系统输入电网的功率大于蓄电池充电的上限功率时，系统给蓄电池充电；在此过程中，蓄电池的剩余容量始终保持在其正常运行所允许的极限值之内。而超级电容42则配置在固态变压器的高压直流母线侧，除了作为能量储备装置，还可以平抑功率波动，维持直流电压稳定，在系统供电不足或发生故障时对外放电，提供短时功率支持。本发明采用超级电容和蓄电池组成的混合储能系统，克服了单一储能系统难以同时满足短时功率调节和长时功率支撑的需求，适合于大规模风光互补发电系统并网，不需要工频变压器就可实现10kV并网。
本发明的运行方式为：风力发电机1发出的交流电和光伏阵列2输出的直流电分别接入固态变压器3提供的交流输入端和和低压直流输入端，汇入低压直流母线侧后，经高频变压器升压转换成高压直流，最后经逆变器并入10kV电网。
由于本发明的整体控制目标为保持逆变器直流侧电压稳定，保证网侧单位功率因数运行，输出功率波动小，输出电流是正弦波且谐波分量小。控制模块6对单相全桥逆变器和单相全桥整流器均采用PWM控制，而对DC-AC逆变器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。

Claims (10)

1.一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，该系统包括风力发电机、光伏阵列、固态变压器、混合储能模块、电网和控制模块，所述的固态变压器分别与风力发电机、光伏阵列、混合储能模块、电网和控制模块连接，所述的控制模块连接混合储能模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的风力发电机的输出端和光伏阵列的输出端分别连接固态变压器的交流输入端和低压直流输入端。
3.根据权利要求2所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的固态变压器包括依次连接的AC-DC整流器、DC-DC变换器和DC-AC逆变器，固态变压器的交流输入端为AC-DC整流器的输入端，所述的低压直流输入端位于AC-DC整流器的输出端与DC-DC变换器的输入端之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的AC-DC整流器为三相全控整流器，所述的DC-DC变换器包括依次连接的低压侧直流电容、单相全桥逆变器、高频变压器、单相桥式全控整流器和高压侧直流电容，所述的DC-AC逆变器为三相半桥逆变器。
5.根据权利要求4所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的三相全控整流器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相全桥逆变器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的单相桥式全控整流器包括四个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管；所述的三相半桥逆变器包括六个功率开关器件和并联在功率开关器件两端的二极管。
6.根据权利要求5所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的功率开关器件为IGBT、IGCT或MOSFET；所述的二极管为IGBT的体内二极管、IGCT的体内二极管、MOSFET的体内二极管或外接二极管。
7.根据权利要求5所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的单相全桥逆变器和单相桥式全控整流器均采用PWM控制，所述的DC-AC逆变器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相。
8.根据权利要求3所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的混合储能模块包括蓄电池和超级电容，所述的蓄电池接在AC-DC整流器和DC-DC变换器之间，所述的超级电容接在DC-DC变换器和DC-AC逆变器之间。
9.根据权利要求8所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，所述的超级电容用于储备电能和平抑功率波动，在系统供电不足或发生故障时对外放电，提供短时功率支持。
10.根据权利要求8所述的一种基于固态变压器的混合储能风光互补并网发电系统，其特征在于，当系统输入电网的功率小于蓄电池放电的下限功率时，蓄电池放电，当系统输入电网的功率大于蓄电池充电的上限功率时，系统给蓄电池充电；蓄电池的剩余容量保持在其正常运行所允许的极限值之内。
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