CN107749636A - 基于分布式发电系统的三元换流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式发电系统的三元换流系统。其中，该系统包括：分布式发电系统、负载系统、电网系统、分别与分布式发电系统、负载系统和电网系统连接的换流装置和控制器；换流装置包括：逆变装置和整流逆变装置，逆变装置通过第一组直流母线与整流逆变装置连接；分布式发电系统通过第二组直流母线与换流装置连接，且第一组直流母线与第二组直流母线并联连接；其中，控制器控制分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与换流装置的连接状态，连接状态包括连通或关断。通过本发明，能够实现可以实现多端直流系统的灵活控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子及家用电器领域，具体而言，涉及一种基于分布式发电系统的三元换流系统。
背景技术
随着可再生能源开发利用的热潮，光伏发电等可再生能源并网技术得到的迅速的发展和应用。目前广泛应用于光伏能源回馈电网系统的方案是：首先将太阳能转化为电能，然后将电能通过DC/DC换流器转换为满足DC/AC换流器进行脉宽调制或空间矢量脉宽调制的直流电压，最后通过DC/AC换流器将光伏能源回馈给交流电网。负载用电则是光伏能源汇入电网系统后，由电网系统统一进行调度提供。
根据负载取电点的不同，近年来准直流并网技术也得到较快发展，如三洋、美的等品牌的并网方案。准直流并网技术其能量回馈电网方式与传统交流并网回馈方案相同，其区别仅在于负载用电直接从DC/DC换流器后的直流电处取电，然后通过其他换流措施进行负载控制。
在交流并网系统中或准直流并网系统中，最主要的环节就是逆变器(DC/AC换流器)，其采用的是SPWM逆变技术或SVPWM逆变技术。在理论与实践中，该方案能够满足光伏能源回馈电网系统的要求，并且保证电网的稳定及能量的双向流动，但由于该方案电路复杂，控制繁琐，并且通过两级或以上的高频开关转换，导致较大的能量损耗，降低了并网逆变装置的效率。
全直流并网技术则是将光伏组件输出的直流电直接并入变频器的直流母线，进行负载的驱动控制及电网回馈，同时利用新型的潮流预测控制技术及柔性直流输配电技术实现直流电能的双向流动。
但上述全直流并网技术的实现，很难控制直流能量的双向流动换相；而且，换流站需要接入具有足够短路容量的有源交流电网来实现；另外，换流站需要吸收大量的无功功率，需要较大容量的滤波和无功补偿装置；潮流反向困难，不利于构建灵活的多端直流系统。
目前针对相关技术的全直流并网技术无法实现多端直流系统的灵活控制的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术的全直流并网技术无法实现多端直流系统的灵活控制的问题，目前尚未提出有效的解决方案，为此，本发明的主要目的在于提供一种基于分布式发电系统的三元换流系统，以解决上述问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于分布式发电系统的三元换流系统，该系统包括：分布式发电系统、负载系统、电网系统、分别与分布式发电系统、负载系统和电网系统连接的换流装置和控制器；换流装置包括：逆变装置和整流逆变装置，逆变装置通过第一组直流母线与整流逆变装置连接；分布式发电系统通过第二组直流母线与换流装置连接，且第一组直流母线与第二组直流母线并联连接；其中，控制器控制分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与换流装置的连接状态，连接状态包括连通或关断。
通过本发明，采用分布式发电系统、负载系统、电网系统、分别与分布式发电系统、负载系统和电网系统连接的换流装置和控制器；换流装置包括：逆变装置和整流逆变装置，逆变装置通过第一组直流母线与整流逆变装置连接；分布式发电系统通过第二组直流母线与换流装置连接，且第一组直流母线与第二组直流母线并联连接；其中，控制器控制分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与换流装置的连接状态，连接状态包括连通或关断，解决了相关现有技术的全直流并网技术无法实现多端直流系统的灵活控制的问题，进而实现可以实现多端直流系统的灵活控制的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的基于分布式发电系统的三元换流系统的结构示意图；
图2是根据图1所示实施例的整流逆变装置的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的第一种优选的三元换流系统的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的第二种优选的三元换流系统的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的第三种优选的三元换流系统的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的第四种优选的三元换流系统的结构示意图；
图7是根据本发明实施例的第五种优选的三元换流系统的结构示意图；
图8是根据本发明实施例的支持多端直流的优选的三元换流系统的结构示意图；
图9是根据本发明实施例的双直流母线实现负载系统的控制及相关检测单元的供电结构示意图；以及
图10是根据本发明实施例的潮流预测及柔性直流输配电系统实现的直流输配电控制方法流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在其最基本的配置中，图1是根据本发明实施例的基于分布式发电系统的三元换流系统的结构示意图。
如图1所示，该基于分布式发电系统的三元换流系统可以包括：分布式发电系统10、负载系统30、电网系统50、分别与分布式发电系统、负载系统和电网系统连接的换流装置70和控制器90。
其中，换流装置70可以包括：逆变装置701和整流逆变装置702，逆变装置701通过第一组直流母线与整流逆变装置702连接；分布式发电系统10通过第二组直流母线与换流装置连接70，且第一组直流母线与第二组直流母线并联连接；其中，控制器90控制分布式发电系统10、负载系统30和电网系统50各自与换流装置70的连接状态，连接状态包括连通或关断。
本申请上述实施例建立了分布式发电系统、负载(包含但不限于定频、变频负载)系统和公用电网系统三者之间的三元换流模型，实现了电能在直流侧双向流动多路混合的全直流并网技术，系统潮流翻转时，即系统能量发生翻转，由正能量翻转为负能量或者由耗电转换为供电的过程中，直流电流反向传输，而直流电压极性保持不变，有利于构成既能方便控制潮流又具有较高可靠性的并联多端直流系统。从而解决了相关现有技术的全直流并网技术无法实现多端直流系统的灵活控制的问题，进而实现可以实现多端直流系统的灵活控制的效果。
具体的，上述三元换流系统可以以光伏发用电一体的并网系统(负载变频离心机组额定功率为380Kw，光伏发电系统标称功率400Kw)为例，本申请上述三元换流系统可以包括：分布式发电系统，负载系统及电网系统三元。
优选地，可以定义电网系统输入的有功功率为其输出的负向有功功率，则电网系统输出的有功功率与分布式发电系统输出的有功功率之和等于负载系统消耗的有功功率。
优选地，如图2所示，本申请上述实施例中的整流逆变装置702可以包括：全控换流桥4、直流侧电容器5(例如电网)、换流电抗器1和交流滤波器2。还可以包括：直流输电线3和阻抗6。
其中，全控换流桥，包括采用三相两电平的拓扑结构，且每一桥臂均由IGBT组成，用于将直流电和交流电进行相互转换。
直流侧电容器，与全控换流桥并联连接，用于为全控换流桥提供电压支撑并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。
换流电抗器，与全控换流桥连通，用于对直流侧的电流进行滤波处理。
交流滤波器，与换流电抗器并联连接，用于滤除交流侧的谐波。
具体的，本申请上述实施例中的整流逆变装置702可以是换流器，该换流器的主要部件可以包括：全控换流桥、直流侧电容器、换流电抗器(或交流侧换流变压器)以及交流滤波器。其中全控换流桥采用三相两电平的拓扑结构，每一桥臂均由IGBT组成，直流侧电容器为换流器提供电压支撑并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；换流电抗器是与交流系统间能量交换的纽带，同时起到滤波作用；交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波。
如图1和2所示，本申请提供的潮流预测及柔性直流输配电系统的主结构图，与上述光伏发用电一体并网系统中的机载换流器(如可选用四象限变频器)拓扑相同，可直接共用。
优选地，本申请上述实施例中，可以通过控制整流逆变装置的脉冲信号，来调节整流逆变装置输出电压的基频分量幅值和相位。可以采用新型潮流预测控制及柔性直流输配电技术对有功功率和无功功率进行独立控制，实现四象限运行，具有控制灵活方便的优点，其硬件电路可与变频器四象限换流器共用，从而可以提高系统集成度，简化系统结构。上述柔性直流输配电技术VSC-HVDC(Voltage Source Converter-HVDC)的核心即为潮流预测。
上述实施例中，可以采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)或正弦脉宽调制(SPWM)等调制方式，对全控换流桥的输出电压的基频分量幅值与相位进行调节，可以在对输送有功功率控制的同时进行无功功率的控制。在系统正常稳态运行时，三元环流模型的公共功率必需保持平衡，即电网输出的有功功率等于分布式发电系统及负载系统消耗有功功率之和(假设分布式发电系统为负向负荷，其消耗有功功率等于负向的自身输出功率)。由此可知，直流网络的有功功率必须保持平衡，即输出直流网络的有功功率必须等于直流网络输出的有功功率加上换流桥和直流网络的有功功率损耗。如果出现任何差值，都将会引起直流电压的升高或降低，而直流母线的不稳定将会影响后端负载系统的稳定运行。潮流预测及柔性直流输配电控制则是通过各种PWM调试方式，实时调节输出电压的基频幅值与相位来保证直流母线的稳定，进行有功无功的独立调节。
具体的，如图2所示的电压源换流器模型，可以包括如下处理方法：
其中：结合图2可知，下标c对应参数指换流桥交流侧信号，下标s对应参数指电网信号；其中，X＝ωL，δ为电网信号电压相位角；P有功功率，Q无功功率。
式1—式4即图2中各处有功功率和无功功率同Uc和δ间的基本关系式；式中电压变量均为线电压，功率变量均为三相功率。由式1-式4可知，调节Uc和δ即可控制有功功率和无功功率的大小及流动方向。
Uc的值又由直流母线电压Ud和M决定，假设所采用PWM调制技术的直流电压利用率为1，即0≤M≤1，有如下关系：
针对Ps，Qs独立调节，解耦可得：
其中：
根据式5、式8换算可得：
据此可知，参数A、B的最大值正比于Ud，即不改变系统电压Us时，Pc、Qs的调节范围受到Ud的制约。由式6、式7可得(A、B均为为了得出占空比M的中间变量)：
根据以上公式可得：
由上可知，结合上述计算实施例，本申请提供的潮流预测及柔性直流输配电系统实现的直流输配电控制方法可以如图10所示。
优选地，如图3所示，本申请上述实施例中，当控制器控制分布式发电系统与换流装置关断，且电网系统通过换流装置与负载系统连通时，整流逆变装置工作在整流模式，将电网系统产生的交流电转换为直流电输送给逆变装置，并通过逆变装置将电网系统的转化的直流电转化为交流电后输送给负载系统。
具体的，以分布式发电系统为负向负荷，所有能量统一由电网系统进行调度为例，上述实施例提供了第一种三元换流模型的换流模式，在该模式下，整体负载仅包含负载系统，全控换流桥工作在整流模式，电网系统能量通过换流桥转换为后端负载控制需求的直流母线电压；通过各种PWM调制方法进行潮流预测及直流输配电控制，使电网系统能量通过能量调度、转换，实现后端负载的稳定运行；
优选地，如图4所示，本申请上述实施例中，当控制器控制负载系统与换流装置关断，且分布式发电系统通过并联连接的第一组直流母线和第二组直流母线与电网系统连通时，如果分布式发电系统为负向负荷，则整流逆变装置工作在逆变模式，将分布式发电系统产生的直流电转换为交流电输送给电网系统。
具体的，以分布式发电系统为负向负荷，所有能量统一由电网系统进行调度为例，上述实施例提供了第二种三元换流模型的换流模式，在该模式下，整体负载为分布式发电系统，如图4所示。因分布式发电系统为负的负荷，此时能量通过全控换流桥流入电网系统，全控换流桥工作在逆变状态。潮流预测及直流输配电控制通过PWM调制，使得分布式发电系统输出能量通过全控换流桥后的输出电压基频幅值及相位与电网系统进行同步。
优选地，如图5所示，本申请上述实施例中，当控制器控制电网系统与换流装置关断，且分布式发电系统通过并联连接的第一组直流母线和第二组直流母线与负载系统连通时，整流逆变装置被截止，通过逆变装置将分布式发电系统产生的直流电转换为交流电输送给负载系统。
优选地，本申请上述实施例中，当分布式发电系统为负向负荷时，第一组直流母线和第二组直流母线构成的直流母线系统的功率为零。
具体的，以分布式发电系统为负向负荷，所有能量统一由电网系统进行调度为例，上述实施例提供了第三种三元换流模型的换流模式，在该模式下，整体负载既包括分布式发电系统，又包含负载系统，此时认为直流母线系统的功率为零，根据潮流预测及柔性直流输配电技术的，直流系统的能量保持动态平衡，此时，换流桥不工作，潮流预测及柔性直流输配电控制对脉冲信号进行封锁，此时电网调度能量为零，实现了电流的自关断。通过实现电流自关断，上述系统可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压。
优选地，如图6所示，本申请上述实施例中，控制器控制分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与换流装置的连接状态都是连通状态，当分布式发电系统提供的功率小于负载系统所需的功率时，整流逆变装置工作在整流模式来调度电网系统的电能，使得将分布式发电系统提供的直流电和整流逆变装置提供的直流电的输出能量叠加传输给负载系统。
具体的，以分布式发电系统为负向负荷，所有能量统一由电网系统进行调度为例，上述实施例提供了第四种三元换流模型的换流模式，在该模式下，整体负载包括分布式发电系统及负载系统，如图6所示。两种负荷叠加处于耗能状态，即分布式发电系统提供的功率小于负载系统所需的功率，需要电网系统进行能量调度，此时全控换流桥工作在整流状态，母线电压能量由电网调度能量及分布式发电系统输出能量两者叠加，需要根据潮流预测及柔性直流输配电控制全控换流桥的工作脉冲，保证两者叠加后的直流母线电压稳定以及能量的平衡。
上述实施例实现了发用电一体化的电能调度，达到太阳能的最大利用。
优选地，如图7所示，本申请上述实施例中，控制器控制分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与换流装置的连接状态都是连通状态，当分布式发电系统提供的功率大于负载系统所需的功率时，整流逆变装置工作在逆变模式，将分布式发电系统提供多余的直流电通过整流逆变装置反馈给电网系统。
具体的，以分布式发电系统为负向负荷，所有能量统一由电网系统进行调度为例，上述实施例提供了第五种三元换流模型的换流模式，在该模式下，整体负载既包含分布式发电系统，又包含负载系统；两种负荷叠加后处于电能反馈状态，即分布式发电系统提供的功率大于负载系统所需的功率，多余能量需要通过全控换流桥反馈至电网系统。此时，全控换流桥工作在逆变状态，直流电能电流反向，电压极性保持不变，直流母线电压的稳定及全控换流桥输出电压基频幅值及相位与电网系统的同步则为潮流预测及柔性直流输配电控制的目标。
上述实施例也实现了发用电一体化的电能调度，达到太阳能的最大利用。
由上可知，本申请提供的上述五种模式共同构成了该三元换流模型，通过潮流预测及柔性直流输配电技术，得到控制全控变流桥的脉冲信号，从而达到控制直流母线电压及输出电压基频幅值及相位的目标。
优选地，如图3-7所示，本申请上述实施例中，分布式发电系统10可以包括：
太阳能电池阵列101，用于产生阵列式直流电。
汇流装置103，与太阳能电池阵列连接，用于将阵列式直流电在装置内汇流。
直流配电装置105，与汇流装置连接，用于将汇流装置汇流后的直流电进行配电，将配电后的主流电通过第一组直流母线进行传输。
此处需要说明的是，本申请上述实施例中的分布式发电系统可以为光伏发电系统、分布式风力发电系统、风光互补发电式系统或燃料电池发电系统。换流装置可以设置在空调机组上，例如负载上，从而可以成为机载换流装置。
在本申请提供的上述系统中，采用了新型的潮流预测控制技术及柔性直流输配电技术，首创了电能在直流侧双向流动多路很合的全直流并网控制技术，建立了分布式发电系统、离心机负载和公用电网三者之间的三元换流模型，实现发用电一体化电能调度，达到太阳能的最大化利用。根据潮流预测控制及柔性直流输配电技术的原理及实现，可以根据该并网系统的不同工作模式下不同的负荷预测及能量消耗进行整个运行过程中的电能的实时调度。
鉴于潮流预测控制及柔性直流输配电技术的应用，该光伏全直流并网系统支持多端直流系统，可以实现如图8、图9所示直流母线共用系统或双直流母线及多直流母线系统。本系统中即采用图9所示双直流母线实现负载系统的控制及相关检测单元的供电。
从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：解决了相关现有技术的全直流并网技术无法实现多端直流系统的灵活控制的问题，进而实现可以实现多端直流系统的灵活控制的效果。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于分布式发电系统的三元换流系统，其特征在于，包括：分布式发电系统、负载系统、电网系统、分别与所述分布式发电系统、负载系统和电网系统连接的换流装置和控制器；
所述换流装置包括：逆变装置和整流逆变装置，所述逆变装置通过第一组直流母线与所述整流逆变装置连接；
所述分布式发电系统通过第二组直流母线与所述换流装置连接，且所述第一组直流母线与所述第二组直流母线并联连接；
其中，所述控制器控制所述分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与所述换流装置的连接状态，所述连接状态包括连通或关断。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，定义所述电网系统输入的有功功率为其输出的负向有功功率，则所述电网系统输出的有功功率与分布式发电系统输出的有功功率之和等于负载系统消耗的有功功率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述控制器控制所述分布式发电系统与所述换流装置关断，且所述电网系统通过所述换流装置与所述负载系统连通时，所述整流逆变装置工作在整流模式，将所述电网系统产生的交流电转换为直流电输送给所述逆变装置，并通过所述逆变装置将所述电网系统的转化的直流电转化为交流电后输送给所述负载系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述控制器控制所述负载系统与所述换流装置关断，且所述分布式发电系统通过并联连接的所述第一组直流母线和所述第二组直流母线与所述电网系统连通时，如果所述分布式发电系统为负向负荷，则所述整流逆变装置工作在逆变模式，将所述分布式发电系统产生的直流电转换为交流电输送给所述电网系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述控制器控制所述电网系统与所述换流装置关断，且所述分布式发电系统通过并联连接的所述第一组直流母线和所述第二组直流母线与所述负载系统连通时，所述整流逆变装置被截止，通过所述逆变装置将所述分布式发电系统产生的直流电转换为交流电输送给所述负载系统。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，当所述分布式发电系统为负向负荷时，所述第一组直流母线和所述第二组直流母线构成的直流母线系统的功率为零。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器控制所述分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与所述换流装置的连接状态都是连通状态，当所述分布式发电系统提供的功率小于所述负载系统所需的功率时，所述整流逆变装置工作在整流模式来调度所述电网系统的电能，使得将所述分布式发电系统提供的直流电和所述整流逆变装置提供的直流电的输出能量叠加传输给所述负载系统。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器控制所述分布式发电系统、负载系统和电网系统各自与所述换流装置的连接状态都是连通状态，当所述分布式发电系统提供的功率大于所述负载系统所需的功率时，所述整流逆变装置工作在逆变模式，将所述分布式发电系统提供多余的直流电通过所述整流逆变装置反馈给所述电网系统。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的系统，其特征在于，通过控制所述整流逆变装置的脉冲信号，来调节所述整流逆变装置输出电压的基频分量幅值和相位。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的系统，所述整流逆变装置包括：
全控换流桥，包括采用三相两电平的拓扑结构，且每一桥臂均由IGBT组成，用于将直流电和交流电进行相互转换；
直流侧电容器，与所述全控换流桥并联连接，用于为所述全控换流桥提供电压支撑并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；
换流电抗器，与全控换流桥连通，用于对所述直流侧的电流进行滤波处理；
交流滤波器，与所述换流电抗器并联连接，用于滤除所述交流侧的谐波。
11.根据权利要求1-8中任意一项所述的系统，其特征在于，所述分布式发电系统为光伏发电系统、分布式风力发电系统、风光互补发电式系统或燃料电池发电系统。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括，
太阳能电池阵列，用于产生阵列式直流电；
汇流装置，与所述太阳能电池阵列连接，用于将所述阵列式直流电在装置内汇流；
直流配电装置，与所述汇流装置连接，用于将所述汇流装置汇流后的直流电进行配电，将配电后的主流电通过所述第一组直流母线进行传输。
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