CN104682427A - 一种交直流混合的清洁能源系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交直流混合的清洁能源系统及方法，包括多台双馈异步发电机，其定子绕组与交流母线连接，转子绕组通过变流器连接直流母线；交流母线输出的交流电经变压器升压后直接输出交流和/或者经过变压器升压后再连接直流换流器输出直流。定子绕组输出的电功率经交流母线、变压器并入交流输电线路；双馈异步发电机处于超同步状态运行时，转子绕组将电功率经变流器输出到直流母线，当双馈异步发电机处于亚同步或同步状态运行时，转子绕组经变流器从直流母线吸收电功率；本系统充分利用双馈异步、同步、直流发电机、光伏发电等之间时空互补性，降低不稳定的清洁能源功率波动对电网影响，降低电网备用容量，提高电网运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源系统，尤其涉及一种交直流混合的清洁能源系统及方法。
背景技术
随着当前能源的紧张，风能、太阳能、潮汐能及波浪能等多种新能源的开发得到了越来越多的重视，在这些新能源的开发中广泛地使用了双馈异步发电机、同步发电机、直流发电机及光伏发电设备。为了提高由风能、潮汐能及波浪能等驱动的原动机的能源转化效率，原动机的转速会在某个范围内变化，由其驱动的双馈异步发电机、同步发电机的转速随之变化，其电功率的频率亦变化，需经变流器才能并入电网，导致其电功率不稳定，谐波含量高，直流发电机及光伏发电设备发出的电功率大多经变流器并入电网，由于这些新能源具有不稳定性、随机性的特点，使得其所发出的电能质量低，并入电网后对电网的影响较大，有时甚至要放弃这些能源，造成了较大的浪费。由于电网接纳能力不足和新能源不稳定等自身特点导致的部分发电机暂停，限电导致电场运行经济性下降，限电的主要原因是并网难题，新能源出力不稳定，需要其他电源为其提供无偿调峰服务，需建设抽水蓄能、燃气发电等调峰、调频电源，在调峰容量紧缺时，限电特别严重，优化规划电源结构和电网布局，扩大风电消纳市场，还需要通过科技创新，推动风电生产和消费的协调。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种交直流混合的清洁能源系统及方法。降低新能源功率波动时发电设备输出功率对电网的影响，减少对电网的谐波注入，提高电网运行的稳定性；而不稳定的功率输出则通过负载的投切实现功率平衡，将不稳定的能量转化为其他形式储存或消耗掉，并替代柴薪、秸秆、煤炭及石油等能源，减少炭排放，降低环境污染。
本发明通过下述技术方案实现：
一种交直流混合的清洁能源系统，包括交流母线、直流母线和发电系统，所述发电系统包括多台双馈异步发电机、用于驱动各双馈异步发电机运转的原动机；
所述双馈异步发电机的定子绕组与交流母线连接，转子绕组通过变流器连接直流母线；
所述交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接输出交流和/或者经过变压器升压后再连接直流换流器输出直流。
所述发电系统还包括多台由原动机驱动的同步发电机和直流发电机；所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流母线；所述直流发电机通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线。
所述发电系统还包括光伏发电系统，光伏发电系统通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线。
在交流母线与直流母线之间，还连接有用于将直流母线及交流母线之间双向电能交换的AC/DC换流设备。
所述直流母线还与连接水电解设备和电热设备；所述水电解设备连接供氢供氧设备，所述电热设备连接供热供暖设备。
所述清洁能源系统还包括直流输电线路，在直流母线与直流输电线路之间，还连接有用于将直流母线与直流输电线路之间的直流电压转换及电能双向交换的DC/DC变换器。
所述清洁能源系统还包括多套同步发电机、直流发电机和光伏发电系统；
所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流输电线路；所述直流发电机和光伏发电系统分别通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流输电线路；
所述直流输电线路上，还连接有用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的电解电镀设备；
所述直流输电线路上还连接有，用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的直流负载；
所述直流输电线路上还分别连接有，农村微型分布式供气供暖子系统、城镇小区供气供暖子系统、城市集中供气供暖子系统和氢能源汽车供氢子系统。
所述原动机包括风力机、热力机、水轮机。
交直流混合的清洁能源系统的控制方法如下：
原动机驱动双馈异步发电机旋转，定子绕组输出的电功率经交流母线、变压器并入交流输电线路，或经直流换流器换流后并入直流输电线路；
当双馈异步发电机处于超同步状态运行时，转子绕组将电功率经变流器输出到直流母线，当双馈异步发电机处于亚同步或同步状态运行时，转子绕组经变流器从直流母线吸收电功率；
此时，交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接并入交流输电线路，和/或者通过直流换流器转换为直流后并入直流输电线路。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明控制(或者运行)方法简单，易于实现。
本发明根据双馈异步发电机的运行状态，将发动机定子绕组(线圈)输出较稳定的有功功率并入交流电网(交流母线)，而将转子绕组(线圈)接入直流系统(直流母线)，并与其交换功率，通过负载的投切实现功率平衡，将不稳定的电能转化为其他形式的能源储存或消耗掉，并替代柴薪、秸秆、煤炭及石油等能源，减少炭排放，降低环境污染，降低新能源发电输出功率对电网的影响，减少对电网的谐波注入，甚至可以使双馈风力发电机组作为电网的基本电源，提高电网运行的稳定性。
当双馈异步发电机在同步及亚同步状态运行时转子从直流部分(直流母线)吸收电功率；当双馈异步发电机组以超同步状态运行时将转子输出的电能输出到直流部分。由于双馈异步发电机的定子绕组输出的功率波动较小，使得双馈异步发电机定子侧在较为宽广的转速范围内输出稳定的电功率，而波动较大的电功率则通过转子绕组经变流器与直流部分交换。直流部分的功率平衡通过水电解设备、电热设备、电解电镀设备及其他直流负载的投切实现。
如上所述，本系统及其控制方法，技术手段简便易行，可充分利用系统中双馈异步发电机、同步发电机、直流发电机、光伏发电之间的时空互补性，降低不稳定的清洁能源功率波动对电网的影响，降低电网的备用容量，提高电网运行的稳定性；直流部分的水电解设备、电热设备等直流负载以农村微型分布式供氢供热方式代替柴薪秸秆、以城市及城镇小区集中式供氢供热方式代替煤炭煤气、以氢能源代替汽车燃料等方式降低碳排放，减少环境污染。
附图说明
图1为本发明结构方框图及控制(或运行)方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明交直流混合的清洁能源系统，包括交流母线、直流母线和发电系统，所述发电系统包括多台双馈异步发电机、用于驱动各双馈异步发电机运转的原动机；
所述双馈异步发电机的定子绕组与交流母线连接，转子绕组通过变流器连接直流母线；
所述交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接输出交流和/或者经过变压器升压后再连接直流换流器输出直流。实现交流母线与交流输出(交流输出线路)之间的电压转换及功率交换，实现交流母线与直流换流器、直流输出(直流输出线路)的交直流转换及功率交换。
所述发电系统还包括多台由原动机驱动的同步发电机和直流发电机；所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流母线；同步发电机输出的电功率经AC/DC送到直流母线。
所述直流发电机通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线；直流发电机输出的电功率经DC/DC送到直流母线。
所述发电系统还包括光伏发电系统，光伏发电系统通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线；光伏发电系统输出的电功率经DC/DC送到直流母线。
在交流母线与直流母线之间，还连接有用于将直流母线及交流母线之间双向电能交换的AC/DC换流设备，用于实现直流母线及交流母线之间的双向电能交换。
所述直流母线还与连接水电解设备和电热设备；所述水电解设备连接供氢供氧设备，所述电热设备连接供热供暖设备；从直流母线吸收电功率产生热能及氢气氧气，并根据输入到直流母线的电功率进行投切实现功率平衡。
连接直流母线的同步发电机、直流发电机及光伏发电系统输出的电能经AC/DC或DC/DC转换为直流后共用连接双馈异步发电机转子侧的变流器(图中未示出)；或者共用连接交流母线与直流母线间的双向AC/DC(图中未示出)。这两种方案，可根据电网的需求，利用清洁能源时空分布的特性，降低系统的变流器总容量。
所述清洁能源系统还包括直流输电线路，在直流母线与直流输电线路之间，还连接有用于将直流母线与直流输电线路之间的直流电压转换及电能双向交换的DC/DC变换器。
所述清洁能源系统还包括多套同步发电机、直流发电机和光伏发电系统；
所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流输电线路，用于将同步发电机发出的电能经AC/DC并入直流输电线路。所述直流发电机和光伏发电系统分别通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流输电线路，用于将光伏发电系统发出的电能经DC/DC并入直流输电线路。
所述直流输电线路上，还连接有用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的电解电镀设备；
所述直流输电线路上还连接有，用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的直流负载(其他负载)；
所述直流输电线路上还分别连接有，农村微型分布式供气供暖子系统、城镇小区供气供暖子系统、城市集中供气供暖子系统和氢能源汽车供氢子系统。
所述农村微型分布式供气供暖子系统，用于从连接直流输电线路吸收电功率产生热能及氢气氧气，代替薪柴秸秆、煤炭等能源，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡。
所述城镇小区供气供暖子系统，用于从连接直流输电线路吸收电功率产生热能及氢气氧气，代替薪柴秸秆、煤炭等能源，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡。
所述城市集中供气供暖子系统，用于从连接直流输电线路吸收电功率产生热能及氢气氧气，代替煤炭、煤气等能源，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡。
所述氢能源汽车供氢子系统，用于从连接直流输电线路吸收电功率产生及氢气氧气，代替石油资源，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡。
所述原动机包括风力机、热力机、水轮机等。
交直流混合的清洁能源系统的控制(或者运行)方法可通过下述步骤实现：
原动机驱动双馈异步发电机旋转，定子绕组输出的电功率经交流母线、变压器并入交流输电线路，或经直流换流器换流后并入直流输电线路；
当双馈异步发电机处于超同步状态运行时，转子绕组将电功率经变流器输出到直流母线，当双馈异步发电机处于亚同步或同步状态运行时，转子绕组经变流器从直流母线吸收电功率；
此时，交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接并入交流输电线路，和/或者通过直流换流器转换为直流后并入直流输电线路。
另外，光伏发电系统、直流发电机(等直流发电设备)与其他原动机驱动的同步发电机可相应的通过AC/DC或者DC/DC变流器将电能输出到直流部分(直流母线)，为同步及亚同步状态运行的双馈异步发电机转子绕组、水电解设备、电热设备、电解电镀设备及其他直流负载提供电功率；也可经变流器直接并入电网；水电解设备、电热设备、电解电镀设备及其他直流负载连接到直流部分用于吸收电功率，并根据各发电设备的运行状态及时投切实现直流部分的功率平衡。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明中的双馈异步发电机同样适用于无刷双馈发电机，此时定子线圈对应于无刷双馈发电机的功率绕组，转子线圈对应于无刷双馈发电机的控制绕组。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种交直流混合的清洁能源系统，包括交流母线、直流母线和发电系统，其特征在于，所述发电系统包括多台双馈异步发电机、用于驱动各双馈异步发电机运转的原动机；
所述双馈异步发电机的定子绕组与交流母线连接，转子绕组通过变流器连接直流母线；
所述交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接输出交流和/或者经过变压器升压后再连接直流换流器输出直流。
2.根据权利要求1所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述发电系统还包括多台由原动机驱动的同步发电机和直流发电机；所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流母线；所述直流发电机通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线。
3.根据权利要求2所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述发电系统还包括光伏发电系统，光伏发电系统通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流母线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，在交流母线与直流母线之间，还连接有用于将直流母线及交流母线之间双向电能交换的AC/DC换流设备。
5.根据权利要求4所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述直流母线还与连接水电解设备和电热设备；所述水电解设备连接供氢供氧设备，所述电热设备连接供热供暖设备。
6.根据权利要求4所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，连接直流母线的同步发电机、直流发电机及光伏发电系统输出的电能经AC/DC或DC/DC转换为直流后共用连接双馈异步发电机转子侧的变流器输出至交流母线；或者共用连接交流母线与直流母线间的双向AC/DC，将电能输出至交流母线。
7.根据权利要求4所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述清洁能源系统还包括直流输电线路，在直流母线与直流输电线路之间，还连接有用于将直流母线与直流输电线路之间的直流电压转换及电能双向交换的DC/DC变换器。
8.根据权利要求6所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述清洁能源系统还包括多套同步发电机、直流发电机和光伏发电系统；
所述同步发电机通过AC/DC将交流变换为直流后连接直流输电线路；所述直流发电机和光伏发电系统分别通过DC/DC将直流电压变换为稳定的直流电压后连接直流输电线路；
所述直流输电线路上，还连接有用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的电解电镀设备；
所述直流输电线路上还连接有，用于从直流输电线路吸收电功率，并根据输入到直流输电线路的电功率进行投切实现功率平衡的直流负载；
所述直流输电线路上还分别连接有，农村微型分布式供气供暖子系统、城镇小区供气供暖子系统、城市集中供气供暖子系统和氢能源汽车供氢子系统。
9.根据权利要求4所述交直流混合的清洁能源系统，其特征在于，所述原动机包括风力机、热力机、水轮机。
10.权利要求1至9中任一项交直流混合的清洁能源系统的控制方法，其特征在于步骤如下：
原动机驱动双馈异步发电机旋转，定子绕组输出的电功率经交流母线、变压器并入交流输电线路，或经直流换流器换流后并入直流输电线路；
当双馈异步发电机处于超同步状态运行时，转子绕组将电功率经变流器输出到直流母线，当双馈异步发电机处于亚同步或同步状态运行时，转子绕组经变流器从直流母线吸收电功率；
此时，交流母线输出的交流电经过变压器升压后直接并入交流输电线路，和/或者通过直流换流器转换为直流后并入直流输电线路。
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