CN104600744A - 一种新型风光储混合式离/并网发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风光储发电技术领域，具体涉及一种新型风光储混合式离/并网发电装置，它包括一台或多台风力发电机、一组或多组太阳能光伏发电机组、储能系统，其中，风力发电机通过AC/DC整流装置连接至公共直流母线上，太阳能光伏发电机组通过单向DC/DC斩波装置连接至公共直流母线上，储能系统也连接至公共直流母线上，所述公共直流母线与交流电网或者交流负载之间依次连接双向DC/DC斩波装置、双向DC/AC逆变器和LCL滤波装置。双向DC/DC斩波装置可降低公共直流母线电压，双向DC/AC逆变器与LCL滤波装置的合理布置，可实现交流电网用电低谷时将电网电能存储至储能系统，具有“削峰填谷”的功能，提高电能利用率，节约能源。

Description

一种新型风光储混合式离/并网发电装置

技术领域

本发明属于风光储发电技术领域，具体涉及一种新型风光储混合式离/并网发电装置。

背景技术

风力发电和太阳能发电均具有间歇性和随机性特点，独立的风电场和光伏电站很难提供连续稳定的能量输出，因此风力发电系统和光伏发电系统具有难预测、难控制、难调度的特点，对电网的安全稳定带来较大的隐患。风能及太阳能资源在时间和地域上具有天然的互补性，白天光照充足、晚上风能充足，夏天光照充足，冬天风能充足。但风光互补发电系统只能在一定的程度上进行互补，两者都具有较大的随机性，因此在风光互补发电系统中加入储能装置组成风光储发电系统。风光储联合发电系统通过对风电和光伏的存储与释放，可以使不稳定的能源变成稳定的具有较高品质的电力产品，有效改善整个风光发电系统的功率输出特性，增加电网对可再生能源的吸纳程度。风光储发电系统是一种清洁可再生的发电系统，大量发展风光储发电系统能够有效的减少煤电的使用，间接减少污染物的排放。同时，风光储发电系统靠近用户，减少了输配电设备的投资和电网输送的损失，使能源利用率大大提高。

风光储发电系统通常有三种运行模式，一是并网模式，此模式下需要电网有电才能运行，若电网停电，则系统就不能发电工作；二是离网模式，此模式下系统不能接入电网，否则将造成损坏；三是离/并网混合模式，此模式下系统可以并网工作，电网停电后依然可以切换为离网模式继续发电工作。通常来说第一种模式，可以不需要配储能系统或者少量配置，因此是最经济的，也是目前主流应用模式；第二种模式一般是在市电接入困难的情况选用的，如偏远地区，由于必须根据负荷情况配足够的储能系统，因此成本比第一种模式稍高；第三种模式需要风光储系统具有“黑启动”(black-start)功能，即当并网模式发电运行时电网突然掉电，需要本系统能够依靠储能系统或风力、太阳能发出的电力能够自我恢复并切换为离网发电工作模式，电网恢复后再自动切换为并网发电工作模式，由于此模式不仅对于系统的硬件及结构具有很高的要求，同时对软件也具有很强的实时性要求，因此成本较高，目前应用并不多。

目前的风光储发电系统一般应用公共直流母线，为了达到较高的逆变效率，公共直流母线电压一般为600V-1000V，且向下调节范围较小，一般都必须高于250V，因此对于某些中小型风光储发电系统，这无疑增加储能系统的成本。再者，现有的风光储发电系统，只具有存储风光发电所产生的电能，不具有在电网用电低谷将电网的电存储到储能系统的功能。

中国专利文献公告日为2012年11月14日，公告号为CN202535090U的实用新型专利申请公开了一种风力发电储能系统，主要由风力发电机、滤波补偿装置、整流器、储能装置、逆变器和变压器构成，风力发电机连接变压器，变压器通过滤波补偿装置连接整流器，整流器通过储能装置连接逆变器，逆变器通过滤波补偿装置连接变压器，变压器连接电网；储能装置为蓄电池和超级电容器；在风力发电机与变压器之间以及电网与变压器之间均设置有静止开关，在整流器与逆变器之间还设置有双向斩波器。该专利文献虽然公开了在整流器和逆变器之间连接双向斩波器，在逆变器和电网之间连接滤波装置的技术方案，但其解决的技术问题主要是应用储能技术提高风力发电系统的稳定性，为电网提供稳定的电能，所选用的逆变器也不是双向逆变器，不具有将电网的电能存储到储能系统的功能，而且该系统只是单一的风力发电系统，非风光储综合风力发电系统，也没有采用公共直流母线的技术方案。

中国专利文献公告日为2014年09月10日，公告号为CN203826984U的实用新型专利申请公开了一种基于双输入Boost电路的风光互补发电系统，包括风力发电机，PV阵列，蓄电池，风力发电机产生的交流电通过整流桥变换为直流电，作为双输入Boost变换器的一路输入，PV阵列输出为直流电能，作为双输入Boost变换器的另一路输入；双输入Boost变换器连接到蓄电池，蓄电池经过DC/DC斩波器后给直流负载供电，同时经过DC/AC逆变器给交流负载供电；控制器电连接到风力发电机，PV阵列，蓄电池，直流负载，交流负载，DC/DC斩波器和DC/AC逆变器，并通过PWM控制器连接到双输入Boost变换器。虽然该专利文献公开了在蓄电池和直流负载之间连接DC/DC斩波器，但DC/DC斩波器不具有双向电能流动特性，而且没有公开将基于双输入Boost电路的风光互补发电系统应用于直流电网，通过DC/DC斩波器将直流电网的电能存储到蓄电池中的技术方案，该系统应用双输入Boost变换器，非公共直流母线方案，大规模风光储应用受到很大限制。

发明内容

本发明为了实现风光储发电系统既能离/并网混合工作，又能在电网用电低谷将电网上的电存储到储能系统，而且还能降低系统成本的目的，提出了一种新型风光储混合式离/并网发电装置。

本发明提供的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，它包括一台或多台风力发电机、一组或多组太阳能光伏发电机组、储能系统，其中，风力发电机通过AC/DC整流装置连接至公共直流母线上，太阳能光伏发电机组通过单向DC/DC斩波装置连接至公共直流母线上，储能系统也连接至公共直流母线上，公共直流母线电压与所配储能系统电压水平匹配，所述公共直流母线与交流电网或者交流负载之间依次连接双向DC/AC逆变器和LCL滤波装置。由风力发电机、太阳能光伏发电机组及储能系统组成风光储发电系统，通过双向DC/AC逆变器和LCL滤波装置向用户提供交流用电或者并入交流电网，由于双向DC/AC逆变器具有电能双向流动特性，故可以根据交流电网用电的峰谷，在用电高峰向交流电网提供电能，在用电低谷，从交流电网吸收电能，存储在储能系统，以备用电高峰使用。LCL滤波装置可以保证双向电能流动的正弦波特性。

进一步的，所述公共直流母线和双向DC/AC逆变器之间连接有双向DC/DC斩波装置，所述双向DC/DC斩波装置可以降低公共直流母线电压，理论上可以降低到2V以下或者一般电池的单体电压值，同时可保证与之连接的双向DC/AC逆变器的逆变效率。

进一步的，所述公共直流母线与直流电网或者直流负载之间连接有双向DC/DC斩波装置，所述双向DC/DC斩波装置具有电能双向流动特性，故也可以根据直流电网用电的峰谷，在用电高峰向直流电网提供电能，在用电低谷，从直流电网吸收电能，存储在储能系统，以备用电高峰使用。

进一步的，它还包括连接至公共直流母线的发电控制系统，所述发电控制系统具有离/并网自动判别和切换功能，协调所述发电装置工作。

更进一步的，所述储能系统选用可深度充放电、并可快速切换充放电过程的储能电池，所述储能系统容量根据本发明发电装置发电量及用户负荷来选择，储能系统本身具有的充放电控制保护功能并且可以完成瞬时大功率的充电、放电切换的功能，补充了风力发电和光伏发电的随机性和不稳定性，起到电力“削峰填谷”的功效，另外储能系统还具有低电压穿越和孤岛支撑功能，可以应对电网极端恶劣情况。

优选的，所述储能系统选用液流电池。

本发明的有益效果为：

1、具有并网、离网、离/并网自动切换的混合工作模式，保证了风光储发电系统在各种场合的应用，尤其在风能和太阳能资源丰富的地区更为适用；

2、在双向DC/AC逆变器的直流端接入双向DC/DC斩波装置，将公共直流母线电压降低至2V以下，电压调节范围增大，大大降低储能系统的成本；

3、双向DC/AC逆变器与LCL滤波装置的合理布置，可实现交流电网用电低谷时将电网电能存储至储能系统，具有“削峰填谷”的功能，提高电能利用率，节约能源；

4、在公共直流母线电压侧单独并入双向DC/DC斩波装置，实现直流并网或者带动直流负载，同样实现直流电网用电低谷时的电能存储；

5、储能系统选用可深度充放电、并可快速切换充放电过程的储能电池，补充了风力发电和光伏发电的随机性和不稳定性，其低电压穿越和孤岛支撑功能，可以应对电网极端恶劣情况；

6、整个装置的设计布局合理、结构紧凑，将风能、太阳能绿色、用之不竭的能量转化为电能稳定输送至电网或用户，具有较大的实际应用意义。

附图说明

图1为本发明发电装置的系统原理图。

图中：1-1.风力发电机，1-2.风力发电机，2-1.太阳能光伏发电机组，2-2.太阳能光伏发电机组，3.储能系统；4-1.AC/DC整流装置；4-2.AC/DC整流装置；5-1.单向DC/DC斩波装置；5-2.单向DC/DC斩波装置；6.双向DC/AC逆变器；7.LCL滤波装置；8.双向DC/DC斩波装置；9.双向DC/DC斩波装置；10.发电控制系统。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，本发明提供的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，它包括两台风力发电机(1-1、1-2)、两组太阳能光伏发电机组(2-1、2-2)、储能系统3，其中，风力发电机(1-1、1-2)通过AC/DC整流装置(4-1、4-2)并入公共直流母线上，太阳能光伏发电机组(2-1、2-2)分别通过单向DC/DC斩波装置(5-1、5-2)也并入公共直流母线，储能系统3也并入公共直流母线上，所述公共直流母线与交流电网或者交流负载之间依次串入双向DC/AC逆变器6和LCL滤波装置7。所述公共直流母线和双向DC/AC逆变器6之间串入双向DC/DC斩波装置8。所述公共直流母线与直流电网或者直流负载之间串入双向DC/DC斩波装置9。它还包括并入公共直流母线的发电控制系统10，所述发电控制系统10具有离/并网自动辨别和切换功能，协调所述发电装置工作。所述储能系统3选用可深度充放电、并可快速切换充放电过程的液流电池。

所述风力发电机(1-1、1-2)产生的交流电分别经AC/DC整流装置(4-1、4-2)转化为公共直流母线需要的直流电，所述太阳能光伏发电机组(2-1、2-2)产生的直流电压通过单向DC/DC斩波装置(5-1、5-2)转化为公共直流母线需要的直流电压，公共直流母线直流电压接入交流电网或交流负载的流程为：先接入双向DC/DC斩波装置8，把直流电压抬高到系统高效点，再接入双向DC/AC逆变器6，把直流电转换成调制交流电，再接入LCL滤波装置7，把调制波转换成和交流电网同频率、幅值一致的正弦波，并入到交流电网或供给交流用户负载，交流负荷可以根据需要进行单/三相电的供应；直流母线直流电压接入直流电网或直流负载的流程为：通过接入双向DC/DC斩波装置9，把直流电压调节到直流电网或直流负载的额定值，再并入直流电网或直接使用。

本实施例所述发电装置可以实现并网、离网、离/并网自动切换的混合工作模式，具体实现依赖发电控制系统10的自动判别和切换，总的来说，当风光互补发电运行，发电控制系统10会将风力发电机(1-1、1-2)和太阳能光伏发电机组(2-1、2-2)转化的电能与储能系统3存储的电能进行比较，并根据电网或用户负荷情形判定储能系统3的充放电，若负荷较小则多余电能自动存储到储能系统3，若负荷较大则直接送入电网或用户，不够部分通过储能系统3补充。

具体并网、离网、离/并网自动切换的混合工作模式如下：

在交流并网工作模式下，风光互补发电优先保证用户负荷，多余部分电能存储在储能系统3，储能系统3充满电以后再送入交流电网，当交流电网处于用电低谷，若风光互补发电量不足，可以通过LCL滤波装置7、双向DC/AC逆变器6、双向DC/DC斩波装置8把交流电网多余的电能存储到储能系统3，以备在交流电网用电高峰时使用，实现“削峰填谷”功能。

当交流电网停电，发电控制系统10利用储能系统3中的电能自动启动，即具有“black-start”黑启动功能，并将本实施例发电装置切换为交流离网工作模式，风光互补发电优先供给用户负载，多余电能仍存储在储能系统3中。当交流电网恢复后，发电控制系统10可将本实施例发电装置再次切换到交流并网工作模式。

在直流并网工作模式下，风光互补发电优先保证用户负荷，多余部分电能存储在储能系统3，储能系统3充满电以后再送入直流电网，当直流电网处于用电低谷，若风光互补发电量不足，可以通过双向DC/DC斩波装置9把直流电网多余的电能存储到储能系统3，以备在直流电网用电高峰时使用，实现“削峰填谷”功能。

当直流电网停电，发电控制系统10利用储能系统3中的电能自动启动，即具有“black-start”黑启动功能，并将本实施例发电装置切换为直流离网工作模式，风光互补发电优先供给用户负载，多余电能仍存储在储能系统3中。当直流电网恢复后，发电控制系统10可将本实施例发电装置再次切换到直流并网工作模式。

Claims (6)

1.一种新型风光储混合式离/并网发电装置，它包括一台或多台风力发电机、一组或多组太阳能光伏发电机组、储能系统，其中，风力发电机通过AC/DC整流装置连接至公共直流母线上，太阳能光伏发电机组通过单向DC/DC斩波装置连接至公共直流母线上，储能系统也连接至公共直流母线上，其特征在于：所述公共直流母线与交流电网或者交流负载之间依次连接双向DC/AC逆变器和LCL滤波装置。

2.如权利要求1所述的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，其特征在于：所述公共直流母线和双向DC/AC逆变器之间连接有双向DC/DC斩波装置。

3.如权利要求1所述的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，其特征在于：所述公共直流母线与直流电网或者直流负载之间连接有双向DC/DC斩波装置。

4.如权利要求1所述的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，其特征在于：它还包括连接至公共直流母线的发电控制系统，所述发电控制系统具有离/并网自动判别和切换功能，协调所述发电装置工作。

5.如权利要求1所述的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，其特征在于：所述储能系统选用可深度充放电、并可快速切换充放电过程的储能电池。

6.如权利要求5所述的一种新型风光储混合式离/并网发电装置，其特征在于：所述储能系统选用液流电池。