CN107221946A - 利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统及验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统及验证方法，包括若干风力发电机组、若干太阳能电池组，若干风力发电机组升压后接入模块化多电平换流器的交流侧，交流侧运行于整流状态；若干风力发电机组接入的交流电能整流为直流电能接入直流系统；若干太阳能电池组经过DC/DC变换后并接于模块化多电平换流器子模块中的电容器，子模块将若干太阳能电池组的直流电能汇入直流母线，送至直流系统。在验证中则通过在PSCAD/EMTDC平台上建立防真模型进行验证。本发明能够较充分的利用光伏、风能及柔性直流各自的优势；且与现有技术相比本发明的验证速度提速达数千倍。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电力传输技术领域，特别涉及利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统及验证方法。
背景技术
近年来，环境污染和能源枯竭问题日趋严重，以太阳能、风能等为代表的清洁可再生能源，正在逐步替代化石能源。风能和太阳能在时间和地域上天然具有很强的互补性，大型风光互补发电系统是可再生能源极有前途的一种高效利用形式。与单独大规模风力发电及光伏发电相比，风光互补发电系统能使功率输出较平稳，增加电网对间歇性可再生能源的吸收接纳程度。
柔性直流技术已较日趋成熟，其中模块化多电平拓扑结构的柔性直流近年来已在新能源输电、直流电网等领域得到大量的应用。模块化多电平换流器因其自身有功无功独立控制等特性尤其适合于新能源领域，已成为能源互联网的关键技术，并将逐渐成为今后发展的趋势。光伏电站与模块化多电平换流器在结构上有相似性，将光伏通过模块化多电平换流器收集外送，其相关成果一定程度已获得国内外专家的认可。
但是,当光伏电站处于阴影区域或者夜间时，光伏电池无法收集到太阳能，但换流器不能停用而将持续的产生较大的损耗，整体而言换流器的利用率处于较低水平。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统及验证方法，能够较充分的利用光伏、风能及柔性直流各自的优势，具有互补性高，对系统谐波影响小等特点。
为实现上述目的，本发明提供了利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统，包括若干风力发电机组、若干太阳能电池组。
其中，若干所述风力发电机组升压后接入模块化多电平换流器光伏并网系统的换流器的交流侧，所述交流侧运行于整流状态。
若干所述风力发电机组接入的交流电能整流为直流电能接入直流系统；若干所述太阳能电池组经过DC/DC变换后并接于所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器，所述电容器通过子模块将若干所述太阳能电池组接入的直流电能汇入直流母线，送至直流系统。
优选的，所述太阳能电池组包括PSM子模块，所述PSM子模块包括光伏阵列(PV)、DC-DC变换电路、MMC的子模块SM，所述MMC的子模块SM由两个IGBT(T1、T2)、两个反向二极管(D1、D2)和一个电容构成。
利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统的验证方法，步骤如下：
步骤A、计算所述模块化多电平换流器光伏并网系统的所述上、下桥臂的瞬时功率，计算公可以分别表示为：
其中，U和α分别为对应相内电势e的电压幅值及初始相角；I和γ分别为对应相的电流幅值及初始相角；k和m分别为电压及电流的调制系数，定义为：
步骤B、对所述直流外送系统进行简化，所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器电压可以表示为：
其中，Ppv为太阳能电池的功率；C为子模块的电容值；△T、t分别为步长和起始时间，Sc为子模块导通状态。所述模块化多电平换流器光伏并网系统的桥臂电容器组的输出电压URM可以表示为：
其中，Ucj表示桥臂内第j个子模块的电容电压，Scj表示其子模块接入状态；
步骤C、根据步骤B和C的结论建立光伏MMC桥臂的数值计算详细模型，对所述直流外送系统进行验证。
优选的，在步骤A中，当所述上桥臂的瞬时功率、下桥臂的瞬时功率均含有相同的直流，以及2倍频分量，且所述上桥臂的瞬时功率、下桥臂的瞬时功率的基频分量大小相同、方向相反，则式(1)和式(2)简化为：
其中，pdc、pωj和p2ωj分别表示桥臂瞬时功率的直流、基频及2倍频分量，式(4)改写为：
其中，Pωj和P2ωj是瞬时功率基频及2倍频分量的幅值；φ1j和φ2j分别为他们对应的初始相角。
优选的，在步骤A中，所述直流外送系统工作在纯光伏模式，所述纯光伏模式是指所述风力发电机组在无风的状态下处于停机状态，该种模式下所述换流器的交流侧流入交流电流为0；此时换流器外环功率控制切换至定交流电压的控制方式，在该种模式下，m＝0，则式(1)及式(2)可以改写为：
在该种模式下，上下桥臂仅存在直流及基频分量，2倍频分量为0。
本发明的有益效果：
本发明能够较充分的利用光伏、风能及柔性直流各自的优势，具有互补性高，对系统谐波影响小等特点。
在PSCAD/EMTDC软件平台上按照本发明的验证方法，能够建立本发明提出的风光互补能源的模块化多电平换流器外送系统的快速准确的仿真模型，与现有技术相比本发明的验证速度提速达数千倍。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出的是本发明一实施例的结构示意图。
图2示出的是本发明一实施例的PSM子模块结构示意图。
图3示出的是本发明一实施例的光伏MMC桥臂的数值计算详细模型结构示意图。
图4a示出的是本发明一光伏风电柔直外送系统的直流母线电压及电流的仿真结果。
图4b示出的是本发明图4a中系统的换流器交流侧电流及电压的仿真结果。
图4c示出的是本发明图4a中系统的A相上桥臂100个子模块的电容电压的仿真结果及电容电压值的频谱分析图。
图4d示出的是本发明图4a中系统的上桥臂子模块电容电压平均值的频谱分析图。
图5a示出的是本发明另一光伏风电柔直外送系统的直流母线电压及电流的仿真结果。
图5b示出的是本发明图5a中系统的换流器交流侧电流及电压的仿真结果。
图5c示出的是本发明图5a中系统的A相上桥臂100个子模块的电容电压的仿真结果及电容电压值的频谱分析图。
图5d示出的是本发明图5a中系统的上桥臂子模块电容电压平均值的频谱分析图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统，包括若干风力发电机组、若干太阳能电池组。
其中，若干所述风力发电机组升压后接入模块化多电平换流器光伏并网系统的换流器的交流侧，所述交流侧运行于整流状态。
若干所述风力发电机组接入的交流电能整流为直流电能接入直流系统；若干所述太阳能电池组经过DC/DC变换后并接于所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器，所述电容器通过子模块将若干所述太阳能电池组接入的直流电能汇入直流母线，送至直流系统。
如图2所示，在某些实施例中，所述太阳能电池组包括PSM子模块，所述PSM子模块包括光伏阵列(PV)、DC-DC变换电路、MMC的子模块SM，所述MMC的子模块SM由两个IGBT(T1、T2)、两个反向二极管(D1、D2)和一个电容构成。
利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统的验证方法，搭建如图1所示的利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统进行验证。
其中，系统采用了dq解耦的控制方法，由NLC调制方法计算投入的子模块数。系统中交流额定电压为110kV，直流母线额定电压为±100kV，直流传送容量300MW。子模块选用电容值为3000μF的电容器，环流电抗器电抗值为0.02H。PV模块在光照度为1000W/㎡,温度在25℃条件下，PV最大输出功率为0.2MW；在光照度为900W/㎡，PV最大输出功率为0.14MW；在光照度为800W/㎡，PV最大输出功率为0.09MW。风电场采用鼠笼式感应风力发电机组单机容量为1MW，风力发电机组通过两级升压后接入110kV换流器的交流侧，风电场的最大上网功率为180MW。本章所有的算例均由电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC仿真计算得到，其中仿真步长为20μs。
计算所述模块化多电平换流器光伏并网系统的所述上、下桥臂的瞬时功率，计算公可以分别表示为：
其中，U和α分别为对应相内电势e的电压幅值及初始相角；I和γ分别为对应相的电流幅值及初始相角；k和m分别为电压及电流的调制系数，定义为：
步骤B、对所述直流外送系统进行简化，所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器电压可以表示为：
所述模块化多电平换流器光伏并网系统的桥臂电容器组的输出电压URM可以表示为：
其中，Ucj表示桥臂内第j个子模块的电容电压，Scj表示其子模块接入状态；
步骤C、根据步骤B和C的结论建立光伏MMC桥臂的数值计算详细模型，对所述直流外送系统进行验证。
根据前述各项公式建立光伏MMC桥臂的数值计算详细模型，如图3所示。该模型每个桥臂均由数字计算模块(Numerical Calculation Detailed Module，NCDM)及受控电压源组成，图3仅对A相上桥臂模型进行了详细展示，其余各桥臂均具有相同的结构。
之后，利用数值计算详细模型，进行风光互补运行状态验证
假设风电与光伏均为满负荷运行，即光伏工作在在光照度为1000W/m2,温度在25℃条件下，接入单个子模块的光伏模块发电容量为0.2WM，即Ppv＝0.2MW；风电机组均满发，及上网功率总额为180MW，则在此状态下各主要变量的验证结果如图4a至图4d所示，表明本发明直流外送系统的有效性。由图4c及图4d的验证结果可知，电容电压的波动的主要成分为基频及2倍频分量。
之后，利用数值计算详细模型，进行纯光伏运行状态验证
假设光伏满负荷运行，即光伏工作在在光照度为1000W/m2,温度在25℃条件下，接入单个子模块的光伏模块发电容量为0.2WM，即Ppv＝0.2MW；风电机组处于停运状态，则在此状态下各主要变量的仿真结果如图5a至图5d所示，
根据验证结果可知，电容电压的波动的主要成分为基频分量。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统，包括若干风力发电机组、若干太阳能电池组，其特征在于：若干所述风力发电机组升压后接入模块化多电平换流器光伏并网系统的换流器的交流侧，所述交流侧运行于整流状态；若干所述风力发电机组接入的交流电能整流为直流电能接入直流系统；若干所述太阳能电池组经过DC/DC变换后并接于所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器，所述电容器通过子模块将若干所述太阳能电池组接入的直流电能汇入直流母线，送至直流系统。
2.根据权利要求1所述的利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统，其特征在于，所述太阳能电池组包括PSM子模块，所述PSM子模块包括光伏阵列(PV)、DC-DC变换电路、MMC的子模块SM，所述MMC的子模块SM由两个IGBT(T1、T2)、两个反向二极管(D1、D2)和一个电容构成。
3.利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统的验证方法，步骤如下：步骤A、计算所述模块化多电平换流器光伏并网系统的所述上、下桥臂的瞬时功率，计算公可以分别表示为：
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<mn>2</mn>
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</mrow>
</mrow>
其中，U和α分别为对应相内电势e的电压幅值及初始相角；I和γ分别为对应相的电流幅值及初始相角；k和m分别为电压及电流的调制系数，定义为：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mi>k</mi>
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</mrow>
步骤B、对所述直流外送系统进行简化，所述模块化多电平换流器光伏并网系统的电容器电压可以表示为：
<mrow>
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</mrow>
</mrow>
其中，Ppv为太阳能电池的功率；C为子模块的电容值；△T、t分别为步长和起始时间。
所述模块化多电平换流器光伏并网系统的桥臂电容器组的输出电压URM可以表示为：
<mrow>
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<mi>U</mi>
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</mrow>
其中，Ucj表示桥臂内第j个子模块的电容电压，Scj表示其子模块接入状态；
步骤C、根据步骤B和C的结论建立光伏MMC桥臂的数值计算详细模型，对所述直流外送系统进行验证。
4.根据权利要求3所述的利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统的验证方法，其特征在于，在步骤A中，当所述上桥臂的瞬时功率、下桥臂的瞬时功率均含有相同的直流，以及2倍频分量，且所述上桥臂的瞬时功率、下桥臂的瞬时功率的基频分量大小相同、方向相反，则式(1)和式(2)简化为：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，pdc、pωj和p2ωj分别表示桥臂瞬时功率的直流、基频及2倍频分量，式(4)改写为：
其中，Pωj和P2ωj是瞬时功率基频及2倍频分量的幅值；φ1j和φ2j分别为他们对应的初始相角。
5.根据权利要求3所述的利用风光互补特性的新能源柔性直流外送系统的验证方法，其特征在于，在步骤A中，所述直流外送系统工作在纯光伏模式，所述纯光伏模式是指所述风力发电机组在无风的状态下处于停机状态，该种模式下所述换流器的交流侧流入交流电流为0；此时换流器外环功率控制切换至定交流电压的控制方式，在该种模式下，m＝0，则式(1)及式(2)可以改写为：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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</mtable>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
在该种模式下，上下桥臂仅存在直流及基频分量，2倍频分量为0。
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