CN107579514A - 一种用于海上平台的风光储直流电力系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于海上平台的风光储直流电力系统及控制方法，该系统包括：平台电源与平台负载。平台电源包括：风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元。该控制方法采用主从与对等混合控制方式协调控制，即以储能单元为主电源，其储能子单元中的双向功率变换器采用功率下垂的对等控制方式，用以稳定电网电压；风力发电与光伏发电单元分别为从属电源。本发明所提出的作一种用于海上平台的风光储直流电力系统及控制方法，提供了一种海上平台多种新能源构成的独立互补供电系统，可实现风光随机与负载随机时系统的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域与新能源应用领域，特别是一种用于海上平台的风光储直流电力系统及控制方法。
背景技术
随着我国海洋经济与海洋战略的发展，海洋观测仪器、海洋勘测、海工钻井等各种海上平台已成为开发与利用海洋资源、获取海洋信息的重要途径。目前近海平台供电形式主要有柴油发电机供电、高压输电、高压输电与海上风电联合供电等，但对于远海平台而言，面对建设成本与运维成本的巨大压力，人们需寻求其它具有高可靠性的独立供电系统。随着海上风光发电技术的成熟发展，利用海洋风光资源为海上平台负载独立供电成为了可能。受平台面积限制、海上风光间歇特性与平台负载突变等因素影响，使得平台风光发电系统为容量小、风光发电与负载用电随机特性突显的独立微网系统。
将风光发电技术应用于海上平台时，风光的间歇性带来的电源侧随机性与海工各种作业平台所需用电负荷的随机性，构成了海上平台电力系统严重的双侧随机特性，此时，容量有限的风光储微电网系统的稳定性就成为其正常运行首要面对并亟待解决的关键问题，同时，由于没有大惯性柴油发电机或电网对母线电压的支撑，风、光、储及海上平台各种不同供电要求的负载均需要通过电力电子功率变换器接口电路接在母线上，其自身的小惯性特征决定了系统对外部干扰极其敏感，故需要建立一种微电网供电系统，包括电力系统结构及相应的协调控制策略。与交流电力系统相比，直流电力系统由于结构简单、无无功与相位问题，使得系统可靠性更高，更适用于海上平台这种要求功率密度高、扩展灵活的应用场合。
因此，寻求一种适用于无柴油发电机的有限容量海上平台风光储直流电力系统，对海上新能源构成的多能源独立互补供电系统的工程应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海上平台的风光储直流电力系统及控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于海上平台的风光储直流电力系统，包括：平台电源以及经直流母线与所述平台电源匹配的平台负载；所述平台电源包括：风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元；所述风力发电单元包括：叶轮、齿轮箱、永磁同步发电机以及输入端与所述永磁同步发电机相连且输出端接入所述直流母线的整流器；所述光伏发电单元包括：光伏电池以及输入端与所述光伏电池相连且输出端接入所述直流母线的第一直流变换器；所述储能单元包括若干组结构相同的储能子单元，每组储能子单元均包括一锂电池以及输入端与锂电池相连且输出端接入所述直流母线的第二直流变换器。
在本发明一实施例中，所述平台负载包括：直接接入所述直流母线的直流负载、通过直流变换器接入所述直流母线的直流负载以及通过逆变器接入所述直流母线的交流负载中的一个或多个。
在本发明一实施例中，所述整流器为单向功率流高频整流器；所述第一直流变换器为单向功率流直流变换器；所述第二直流变换器为双向功率流高频直流变换器。
进一步的，还提供一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，将所述储能单元作为主电源，储能子单元中的第二直流变换器采用功率下垂的对等控制，并将所述风力发电单元与实时光伏发电单元分别作为从属电源，采用混合主从控制与对等控制的方式进行协调控制。在本发明一实施例中，包括如下步骤：
步骤S1：将所述叶轮、所述齿轮箱、所述永磁同步发电机以及所述整流器串联；所述叶轮将风能转化为机械转矩，所述永磁同步发电机将机械转矩转化为电磁转矩，所述整流器将所述永磁同步发输出电流的控制转换为转速的控制，对风能最大捕获或以恒功率输出，并以电流源形式接入所述直流母线；
步骤S2：将所述光伏电池与所述第一直流变换器串联；所述光伏电池通过太阳能发电，并以直流电形式输出；所述第一直流变换器根据所述光伏电池的最大功率曲线调整输入电压，且提供光伏最大功率或恒功率输出，并以电流源形式接入所述直流母线；
步骤S3：将所述锂电池与所述第二直流变换器串联后组成储能子单元，且储能子单元分别经第二直流变换器的输出端并联，并以电压源形式接入所述直流母线；
步骤S4：将所述平台负载接入所述直流母线；
步骤S5：所述储能单元中的储能子单元关系对等，且所述第二直流变换器通过采用基于电流内环、电压中环以及功率外环的电压-功率的下垂控制，构成储能子单元的对等控制，以稳定所述直流母线的电压、控制功率流的方向与数值；
步骤S6：将所述储能单元作为主电源，以稳定输出电压，将所述风力发电单元与所述光伏发电单元分别作为从属电源，以电流源形式接入直流母线中，构成主从控制。
在本发明一实施例中，所述风力发电单元中的所述整流器通过获取所述齿轮箱的转速ω以及所述永磁同步发电机输出的电流i，通过采用最大风能捕获控制方法，输出电流iwd；
所述光伏发电单元中的所述第一直流变换器获取所述光伏电池输出的电流IPV、电压VPV以及光伏电池周围光照温度，通过采用最大功率跟踪控制方法，输出电流iPV；经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；
还包括一功率管理器，通过输出电流iwd，经功率计算以及低通滤波后，获得风力发电单元的输出功率Pwd；通过输出电流iPV，经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；通过所述平台负载的输入电流iL，经功率计算以及低通滤波后，获得平台负载的输入功率PL；
则所述储能单元所需提供的功率Pb为：
Pb＝PL-Pwd-Ppv
对于m个储能子单元，每个储能子单元所分配的功率相同，且表示为
在本发明一实施例中，所述第二直流变换器根据对应的储能子单元输出的电流，经功率计算以及低通滤波后获取对应的输出功率，并将该输出功率以及所分配的功率Pbi作为所述电压-功率的下垂控制的输入。
在本发明一实施例中，所述光伏发电单元中的第一直流变换器根据所述光伏电池周围光照温度，确定所述光伏电池最大输出功率曲线对应的电压，所述第一直流变换器通过控制一高频功率开关的开通与关断改变输入等效电阻，进而调整输入电压值，使其等于最大输出功率点处电压。
在本发明一实施例中，所述平台负载包括：直接接入所述直流母线的直流负载、通过直流变换器接入所述直流母线的直流负载以及通过逆变器接入所述直流母线的交流负载中的一个或多个。
在本发明一实施例中，所述整流器为单向功率流高频整流器；所述第一直流变换器为单向功率流直流变换器；所述第二直流变换器为双向功率流高频直流变换器。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的系统结构中不包括柴油发电机、大电网对母线电压的支撑，应用于远离陆地的海上平台供电系统，大大降低建设成本与运维成本。
(2)母线电压采用直流，省去了交流供电系统中无功功率的产生与频率不稳定的问题；储能单元采用多组储能子单元，提高了系统的可靠性与功率分配的灵活性，实现系统对新能源的高效利用。
(3)本发明提供的系统采用主从与对等混合控制，削弱了供需双侧随机特性对直流母线电压稳定性的影响，实现系统的长期稳定运行。
(4)本发明应用于海上平台的独立运行供电系统，结构具有结构简单、易于优化调度、直流母线电压稳定、适应性更强、综合特性更优越等优点。
附图说明
图1是本发明一实施例中电力系统结构图。
图2是本发明一实施例中控制方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种用于海上平台的风光储直流电力系统，如图1所示，包括：平台电源以及经直流母线与平台电源匹配的平台负载；平台电源包括：风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元；风力发电单元包括：叶轮、齿轮箱、永磁同步发电机以及输入端与永磁同步发电机相连且输出端接入直流母线的整流器；光伏发电单元包括：光伏电池以及输入端与光伏电池相连且输出端接入直流母线的第一直流变换器；储能单元包括若干组结构相同的储能子单元，每组储能子单元均包括一锂电池以及输入端与锂电池相连且输出端接入直流母线的第二直流变换器。
进一步的，在本实施例中，储能单元包括3组储能子单元。
进一步的，平台负载包括：直接接入直流母线的直流负载、通过直流变换器接入直流母线的直流负载以及通过逆变器接入直流母线的交流负载中的一个或多个。
进一步的，整流器为单向功率流高频整流器；第一直流变换器为单向功率流直流变换器；第二直流变换器为双向功率流高频直流变换器。
进一步的，还提供一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，将储能单元作为主电源，储能子单元中的第二直流变换器采用功率下垂的对等控制，，用以稳定电网电压；并将风力发电单元与实时光伏发电单元分别作为从属电源，其中的功率流高频变换器均采用最大功率跟踪方式，实现最大功率输出，采用混合主从控制与对等控制的方式进行协调控制，作为海上平台多种新能源构成的独立互补供电系统，可实现风光随机与负载随机时系统的稳定运行。
在本实施例中，还包括如下步骤：
步骤S1：将叶轮、齿轮箱、永磁同步发电机以及整流器串联；叶轮将风能转化为机械转矩，永磁同步发电机将机械转矩转化为电磁转矩，整流器将永磁同步发输出电流的控制转换为转速的控制，对风能最大捕获或以恒功率输出，风力发电单元以电流源形式接入直流母线；
步骤S2：将光伏电池与第一直流变换器串联；光伏电池通过太阳能发电，并以直流电形式输出；第一直流变换器根据光伏电池的最大功率曲线调整输入电压，且提供光伏最大功率或恒功率输出，光伏发电单元以电流源形式接入直流母线；
步骤S3：将锂电池与第二直流变换器串联后组成储能子单元，且结构相同的储能子单元分别经对应的第二直流变换器的输出端并联，储能单元以电压源形式接入直流母线；
步骤S4：将平台负载接入直流母线；在步骤S1-S3获得的风力发电单元、光伏发电单元、储能单元输出端并联在一起，作为直流母线，并直接或通过直流变换器接入直流负载、通过逆变器接入交流负载；
步骤S5：基于步骤S4获得的电力系统，储能单元中的储能子单元关系对等，且第二直流变换器通过采用基于电流内环、电压中环以及功率外环的电压-功率的下垂控制，构成储能子单元的对等控制，以稳定直流母线的电压、控制功率流的方向与数值；
步骤S6：将储能单元作为主电源，以稳定输出电压，将风力发电单元与光伏发电单元分别作为从属电源，以电流源形式接入直流母线中，构成主从控制。也即，通过步骤S1-S2获得的风力发电单元与光伏发电单元，及S5获得的储能单元，构成了系统的主从控制，即储能单元作为主电源，稳定输出电压，风力发电与光伏发电单元作为从电源，以电源源形式接入直流母线中。
进一步的，在本实施例中，在步骤S5中，基于电流内环、电压中环以及功率外环的电压-功率的下垂控制，具体包括：第二直流变换器输出功率与储能子单元给定功率相比较，其误差经功率控制器后，做为电压环的基准电压，与第二直流变换器输出电容电压相比较，其误差经一电压控制器后，做为电流环的基准电流，与第二直流变换器输出电感电流相比较，其误差经一电流控制器及脉冲宽度调制后，做为第二直流变换器功率器件的高频驱动信号，实现电压-功率的下垂控制。
进一步的，如图2所示，为本实施例中电力系统相应的控制策略为主从控制与对等混合协调控制方式。
储能单元由储能子单元I、储能子单元II、储能子单元III组成，3组子单元结构完全相同，每组子单元由锂电池组与具有双向功率流的直流变换器构成，通过电流内环、电压中环与功率外环的3环控制策略，构成电压-功率的下垂控制，进而实现功率的3组子单元的对等控制、输出电压的稳定，在电力系统中起主电压源作用。
风力发电单元中，叶轮实现风能向机械转矩的转化，永磁同步发电机实现机械转矩向电磁转矩转化，整流器通过对发电机输出电流的控制实现其转速的控制，实现风能的最大捕获或恒功率输出。
光伏发电单元中，光伏电池实现太阳能发电，并以直流电形式输出，第一直流变换器依据光伏电池周围温度与光照，确定光伏电池最大输出功率曲线对应电压，第一直流变换器通过控制一高频功率开关的开通与关断改变输入等效电阻，进而调整输入电压值，使其等于最大输出功率点处电压。
风力发电单元和光伏发电单元均以电流源形式输出，不考虑直流母线电压值及其稳定性，故对于本发明直流电力系统而言，二者属从属电源。
进一步的，风力发电单元中的整流器通过获取齿轮箱的转速ω以及永磁同步发电机输出的电流i，通过采用最大风能捕获控制方法，输出电流iwd；
光伏发电单元中的第一直流变换器获取光伏电池输出的电流IPV、电压VPV以及光伏电池周围光照温度，通过采用最大功率跟踪控制方法，输出电流iPV；经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；
还包括一提供储能子单元的功率分配的功率管理器，通过对风力发电单元与光伏发电单元的输出端及平台负载输入端功率计算，并经过低通滤波后，获得风力发电单元输出功率Pwd、光伏发电单元的输出功率Ppv以及负载所需功率PL。也即，通过输出电流iwd，经功率计算以及低通滤波后，获得风力发电单元的输出功率Pwd；通过输出电流iPV，经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；通过平台负载的输入电流iL，经功率计算以及低通滤波后，获得平台负载的输入功率PL；
则储能单元所需提供的功率Pb为：
Pb＝PL-Pwd-Ppv
对于m个储能子单元，每个储能子单元所分配的功率相同，且表示为
在本实施例中，m＝1、2或3。
进一步的，第二直流变换器根据对应的储能子单元输出的电流，经功率计算以及低通滤波后获取对应的输出功率，并将该输出功率以及所分配的功率Pbi作为电压-功率的下垂控制的输入。
进一步的，平台负载包括：直接接入直流母线的直流负载、通过直流变换器接入直流母线的直流负载以及通过逆变器接入直流母线的交流负载中的一个或多个。
进一步的，风力发电单元中整流器为具有从风机到直流电网单向功率流的高频整流器；光伏发电单元中第一直流变换器为具有从光伏电池到直流电网单向功率流的直流变换器；储能单元中第二直流变换器为具有从锂电池到直流母线双向功率流的高频直流变换器。
进一步的，海上平台风光储直流电力系统，与陆地或海岛风光发电技术存在着重要区别。本发明提供的电力系统为直流电力系统，其中不包括大容量陆地电网或大惯性柴油发电机对直流母线电压的支撑，采用主从控制与对等混合控制方式协调控制，以储能单元作为主电源，稳定电网电压；以风力发电与光伏发电单元作为从属电源，实现功率的最大利用；储能子单元提高了系统的可靠性与功率分配的灵活性，实现了系统对新能源的高效利用。因此本发明所提供的控制系统在船舶海洋领域应用前景佳，并可有望推广到波浪能、潮流能等其它海上新能源构成的多能源独立互补供电系统，其巨大的应用前景将对我国海洋能发电、海洋工程、海洋勘测起重要推动作用。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于海上平台的风光储直流电力系统，其特征在于，包括：平台电源以及经直流母线与所述平台电源匹配的平台负载；所述平台电源包括：风力发电单元、光伏发电单元以及储能单元；所述风力发电单元包括：叶轮、齿轮箱、永磁同步发电机以及输入端与所述永磁同步发电机相连且输出端接入所述直流母线的整流器；所述光伏发电单元包括：光伏电池以及输入端与所述光伏电池相连且输出端接入所述直流母线的第一直流变换器；所述储能单元包括若干组结构相同的储能子单元，每组储能子单元均包括一锂电池以及输入端与锂电池相连且输出端接入所述直流母线的第二直流变换器。
2.根据权利要求1所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统，其特征在于，所述平台负载包括：直接接入所述直流母线的直流负载、通过直流变换器接入所述直流母线的直流负载以及通过逆变器接入所述直流母线的交流负载中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统，其特征在于，所述整流器为单向功率流高频整流器；所述第一直流变换器为单向功率流直流变换器；所述第二直流变换器为双向功率流高频直流变换器。
4.一种基于权利要求1所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，将所述储能单元作为主电源，储能子单元中的第二直流变换器采用功率下垂的对等控制，并将所述风力发电单元与实时光伏发电单元分别作为从属电源，采用混合主从控制与对等控制的方式进行协调控制。
5.根据权利要求4所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将所述叶轮、所述齿轮箱、所述永磁同步发电机以及所述整流器串联；所述叶轮将风能转化为机械转矩，所述永磁同步发电机将机械转矩转化为电磁转矩，所述整流器将所述永磁同步发输出电流的控制转换为转速的控制，对风能最大捕获或以恒功率输出，并以电流源形式接入所述直流母线；
步骤S2：将所述光伏电池与所述第一直流变换器串联；所述光伏电池通过太阳能发电，并以直流电形式输出；所述第一直流变换器根据所述光伏电池的最大功率曲线调整输入电压，且提供光伏最大功率或恒功率输出，并以电流源形式接入所述直流母线；
步骤S3：将所述锂电池与所述第二直流变换器串联后组成储能子单元，且储能子单元分别经第二直流变换器的输出端并联，并以电压源形式接入所述直流母线；
步骤S4：将所述平台负载接入所述直流母线；
步骤S5：所述储能单元中的储能子单元关系对等，且所述第二直流变换器通过采用基于电流内环、电压中环以及功率外环的电压-功率的下垂控制，构成储能子单元的对等控制，以稳定所述直流母线的电压、控制功率流的方向与数值；
步骤S6：将所述储能单元作为主电源，以稳定输出电压，将所述风力发电单元与所述光伏发电单元分别作为从属电源，以电流源形式接入直流母线中，构成主从控制。
6.根据权利要求5所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，所述风力发电单元中的所述整流器通过获取所述齿轮箱的转速ω以及所述永磁同步发电机输出的电流i，通过采用最大风能捕获控制方法，输出电流iwd；
所述光伏发电单元中的所述第一直流变换器获取所述光伏电池输出的电流IPV、电压VPV以及光伏电池周围光照温度，通过采用最大功率跟踪控制方法，输出电流iPV；经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；
还包括一功率管理器，通过输出电流iwd，经功率计算以及低通滤波后，获得风力发电单元的输出功率Pwd；通过输出电流iPV，经功率计算以及低通滤波后，获得光伏发电单元的输出功率Ppv；通过所述平台负载的输入电流iL，经功率计算以及低通滤波后，获得平台负载的输入功率PL；
则所述储能单元所需提供的功率Pb为：
Pb＝PL-Pwd-Ppv
对于m个储能子单元，每个储能子单元所分配的功率相同，且表示为：
<mrow>
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<mi>b</mi>
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7.根据权利要求6所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，所述第二直流变换器根据对应的储能子单元输出的电流，经功率计算以及低通滤波后获取对应的输出功率，并将该输出功率以及所分配的功率Pbi作为所述电压-功率的下垂控制的输入。
8.根据权利要求6所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，所述光伏发电单元中的第一直流变换器根据所述光伏电池周围光照温度，确定所述光伏电池最大输出功率曲线对应的电压，所述第一直流变换器通过控制一高频功率开关的开通与关断改变输入等效电阻，进而调整输入电压值，使其等于最大输出功率点处电压。
9.根据权利要求5所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，所述平台负载包括：直接接入所述直流母线的直流负载、通过直流变换器接入所述直流母线的直流负载以及通过逆变器接入所述直流母线的交流负载中的一个或多个。
10.根据权利要求5所述的一种用于海上平台的风光储直流电力系统的控制方法，其特征在于，所述整流器为单向功率流高频整流器；所述第一直流变换器为单向功率流直流变换器；所述第二直流变换器为双向功率流高频直流变换器。
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