CN108879783B - 一种电力弹簧能源消纳系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力弹簧能源消纳系统。本发明对当前的电力弹簧结构进行改进使其适应源荷同端的电网结构，将第一单相逆变器交流侧与宽电压负载串联，第一单相逆变器的直流侧通过双向的隔离型电力电子变压器与直流母线连接，在直流母线上汇集新能源发电装置，从而形成源荷同端的隔离型背靠背结构，在不影响分布式新能源电源发电功率的条件下，利用宽电压负载调节交流母线电压，实现安全可靠运行，在第一单相逆变器和并网变流器之间设置隔离型电力电子变压器进行隔离，能够保护电路，简化控制程序，实现对第一单相逆变器的直流电压的控制，解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。

Description

一种电力弹簧能源消纳系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种电力弹簧能源消纳系统。
背景技术
我国的配网建设取得了巨大成就，在城镇地区实现了安全可靠的配电网络。但是，在广大偏远地区，由于地理条件复杂且负荷分散，配网难以对负荷完全覆盖，形成了很多与主网连接极弱的馈线末端。
因此，现在常用新能源分布式放电设备解决偏远地区供电问题，在这些地区形成源荷同端的结构。在安装分布式发电设备时，用户从经济考虑需要尽可能多地向馈线输入功率，可是却没有足够多的负荷去消纳分布式电源的功率。并且，在偏远地区分布式发电设备通过馈线与主网形成弱连接，呈现高阻抗特性，因此，在分布式电源发电功率过多时极易发生高电压台区的问题，造成负荷设备的损坏。
为了解决在源荷同端的弱网环境下新能源消纳不足带来的高电压台区问题，行业内当前的主要解放方法为：1、从控制策略层面，在新能源升压DCDC变换器中进行MPPT控制，然后对并网变换器进行交流电压控制；2、从功率平衡层面，在DC-DC变换器输出侧并联蓄电池，通过检测新能源输出功率的大小来控制蓄电池充放电，以维持逆变器输出功率的恒定。
但是第一种方法无法从根本上解决弱网下分布式新能源发电功率的消纳问题，第二种方法虽然能够控制分布式新能源的发电功率，但是对蓄电池的储能容量的要求极大，成本极高。
因此，导致了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种电力弹簧能源消纳系统，解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
本发明提供了一种电力弹簧能源消纳系统，包括：第一单相逆变器、并网变流器、隔离型电力电子变压器、弹簧电容、弹簧电阻、宽电压负载、新能源发电装置、交流母线、第一直流母线和第二直流母线；
第一单相逆变器的第一交流端与弹簧电感的第一端电连接，第一单相逆变器的第二交流端分别与弹簧电容的第一端和宽电压负载的第一端电连接；
宽电压负载的第二端接地，弹簧电感的第二端和弹簧电容的第二端与交流母线电连接；
第一单相逆变器的第一直流端与隔离型电力电子变压器的第一侧的第一端电连接，第一单相逆变器的第二直流端与隔离型电力电子变压器的第一侧的第二端电连接；
隔离型电力电子变压器的第二侧的第一端与第一直流母线电连接，隔离型电力电子变压器的第二侧的第二端与第二直流母线电连接；
并网变流器的第一直流端与第一直流母线电连接，并网变流器的第二直流端与第二直流母线电连接，并网变流器的第一交流端与交流母线电连接，并网变流器的第二交流端接地；
新能源发电装置的第一输出端与第一直流母线电连接，新能源发电装置的第二输出端与第二直流母线电连接。
优选地，还包括：MPPT控制器；
MPPT控制器设置于新能源发电装置与第一直流母线和第二直流母线之间；
新能源发电装置的第一输出端与MPPT控制器的第一输入端电连接，MPPT控制器的第一输出端与第一直流母线电连接；
新能源发电装置的第二输出端与MPPT控制器的第二输入端电连接，MPPT控制器的第二输出端与第二直流母线电连接。
优选地，并网变流器具体包括：第二单相逆变器、并网电感和并网电容；
第二单相逆变器的第一直流端与第一直流母线电连接，第二单相逆变器的第二直流端与第二直流母线电连接，第二单相逆变器的第一交流端与并网电感的第一端电连接，第二单相逆变器的第二交流端和并网电容的第二端接地；
并网电感的第二端和并网电容的第一端与交流母线电连接。
优选地，还包括：储能装置；
储能装置的第一端与第一直流母线电连接，储能装置的第二端与第二直流母线电连接。
优选地，还包括：敏感负载；
敏感负载的第一端与交流母线电连接，敏感负载的第二端接地。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明对电力弹簧结构进行改进使其适应源荷同端的电网结构，将第一单相逆变器交流侧与宽电压负载串联，第一单相逆变器的直流侧通过双向的隔离型电力电子变压器与直流母线连接，在直流母线上汇集新能源发电装置，从而形成源荷同端的隔离型背靠背结构，在不影响分布式新能源电源发电功率的条件下，利用宽电压负载来调节交流母线电压，实现安全可靠运行，同时，由于第一单相逆变器的交流侧电势和并网变流器交流侧电势不对等，在运行时极易发生短路，所以在第一单相逆变器和并网变流器之间设置隔离型电力电子变压器进行隔离，不仅能够保护电路，简化控制程序，还能够实现对第一单相逆变器的直流电压的控制，解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电力弹簧能源消纳系统的系统结构拓扑图；
图2为本发明实施例提供的一种电力弹簧能源消纳系统的储能控制策略图；
图3为本发明实施例提供的源荷同端条件下配网末端的功率流动图；
图4为本发明实施例提供的传统电力弹簧的结构图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电力弹簧能源消纳系统，解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，本发明实施例提供了一种电力弹簧能源消纳系统的一个实施例，包括：第一单相逆变器T1、并网变流器3、隔离型电力电子变压器2、弹簧电容C1、弹簧电感L1、宽电压负载R1、新能源发电装置4、交流母线、第一直流母线和第二直流母线；
第一单相逆变器T1的第一交流端与弹簧电感L1的第一端电连接，第一单相逆变器T1的第二交流端分别与弹簧电容C1的第一端和宽电压负载R1的第一端电连接；
宽电压负载R1的第二端接地，弹簧电感L1的第二端和弹簧电容C1的第二端与交流母线电连接；
第一单相逆变器T1的第一直流端与隔离型电力电子变压器2的第一侧的第一端电连接，第一单相逆变器T1的第二直流端与隔离型电力电子变压器2的第一侧的第二端电连接；
隔离型电力电子变压器2的第二侧的第一端与第一直流母线电连接，隔离型电力电子变压器2的第二侧的第二端与第二直流母线电连接；
并网变流器3的第一直流端与第一直流母线电连接，并网变流器3的第二直流端与第二直流母线电连接，并网变流器3的第一交流端与交流母线电连接，并网变流器3的第二交流端接地；
新能源发电装置4的第一输出端与第一直流母线电连接，新能源发电装置4的第二输出端与第二直流母线电连接。
需要说明的是，电力弹簧装置(electric spring，ES)，是一种应用于电力系统中的电力电子装置，颠覆了电力系统中负荷功率决定电源功率的传统思路，实现了负荷功率可随着电源功率的变化而变化，能有效缓解太阳能、风能等新能源发电的间歇性和不稳定性的问题。
如图4所示，传统的电力弹簧1结构简洁，第一单相逆变器T1的交流侧为LC低通滤波回路，当第一单相逆变器T1的直流侧接直流电容时，电力弹簧1可以实现无功补偿的功能，能够实现无功补偿的功能，还能够实现对母线电压的支撑，这种结构被称为电力弹簧I型，当第一单相逆变器T1的直流侧接直流电源时，电力弹簧1除无功补偿功能之外，还能够给实现有功功率的交换，从而实现频率控制，这种结构被称为电力弹簧II型。
宽电压负载R1为主要为在电压大范围波动下仍能正常工作的负载，在生活生产中主要表现为加热装置，例如热水器和热水壶等。
与宽电压负载R1相对的是敏感负载R2，敏感负载R2对电压的波动较为敏感，当电压出现大范围波动时，容易损坏敏感负载R2。
在电力弹簧1的控制下，宽电压负载R1的功率可以表示为：
Figure BDA0001752158660000051
其中，Vs为交流母线电压，Ves为电力弹簧1的交流侧电压，Io为宽电压负载R1的电流，θ为宽电压负载R1的功角，α为电力弹簧1输出的交流电压与母线电压的相角差。
由式(1)可知，电力弹簧1交流侧电压幅值和相角的改变能够影响宽电压负载R1的功率，从而实现对交流母线电压和频率的支撑。
电力弹簧1的投入能够控制负荷的需求功率，使得负荷侧能够主动响应分布式电源，从而减小了所需要的储能容量，以下结合源荷同端的弱网条件下功率流动对电力弹簧1的作用进行解析。
假设配网末端与主网连接呈现高阻抗时，主网流入源荷同端条件下配网末端的功率极小，则源荷同端条件下配网末端的功率流动情况如图3所示。
分布式电源以最大发电功率向弱网注入能量，储能部分在检测分布式电源发电功率后，决定充放电功率，使得源荷同端条件下配网末端的源荷平衡得到控制。
负载侧在不加电力弹簧1时，宽电压负载R1和敏感负载R2均并联在母线上。当出现分布式电源发电功率极大或极小时，假设持续时间为T，则为平衡源荷功率，储能所需的容量为：
Figure BDA0001752158660000061
其中，Esc为时间T过程中分布式电源发电功率极大时，储能所需的充电容量；Esd为时间T过程中分布式电源发电功率极小时，储能所需的放电容量；PG为分布式电源发电功率，Ps为储能充放电的功率，P1为不加电力弹簧1时宽电压负载R1消耗功率，P2为敏感负载R2消耗功率。
当加入电力弹簧1，宽电压负载R1消耗功率被控制为Pes,则储能所需容量表示为：
Figure BDA0001752158660000062
其中，E* sc为加电力弹簧1后，时间T过程中分布式电源发电功率极大时，储能所需的充电容量；E* sd为加电力弹簧1后，时间T过程中分布式电源发电功率极小时，储能所需的放电容量。
因为分布式电源发电功率极大时，加入电力弹簧1调节的宽电压负载R1功率Pes大于不加电力弹簧1的宽电压负载R1功率P1，所以E* sc<Esc；而在分布式电源发电功率极小时，加入电力弹簧1调节的宽电压负载R1功率Pes小于不加电力弹簧1的宽电压负载R1功率P1，所以E* sd<Esd。
由上分析可知电力弹簧1，能够有效地减小储能容量，能够经济地解决源荷同端条件下的分布式新能源消纳问题。
本实施例中电力弹簧能源消纳系统的结构如图1所示，对电力弹簧1结构进行改进使其适应源荷同端的电网结构，将第一单相逆变器T1交流侧与宽电压负载R1串联，第一单相逆变器T1的容量可选择小于3kw，第一单相逆变器T1的直流侧电压可以设置为400V，这种配置可以使得宽电压负载R1功率调节的范围较大。
并网变流器3的直流侧设置了第一直流母线和第二直流母线，各个分布式新能源发电装置4汇集到第一直流母线和第二直流母线上，第一单相逆变器T1的直流侧通过双向的隔离型电力电子变压器2与直流母线连接，在直流母线上汇集新能源发电装置4，从而形成源荷同端的隔离型背靠背结构，在不影响分布式新能源电源发电功率的条件下，利用宽电压负载R1来调节交流母线电压，实现安全可靠运行。
同时，由于第一单相逆变器T1的交流侧电势和并网变流器3交流侧电势不对等，在运行时极易发生短路，所以在第一单相逆变器T1和并网变流器3之间设置隔离型电力电子变压器2进行隔离，不仅能够保护电路，简化控制程序，还能够实现对第一单相逆变器T1的直流电压的控制。
进一步地，还包括：MPPT控制器5；
MPPT控制器5设置于新能源发电装置4与第一直流母线和第二直流母线之间；
新能源发电装置4的第一输出端与MPPT控制器5的第一输入端电连接，MPPT控制器5的第一输出端与第一直流母线电连接；
新能源发电装置4的第二输出端与MPPT控制器5的第二输入端电连接，MPPT控制器5的第二输出端与第二直流母线电连接。
需要说明的是，各个分布式新能源发电装置4与第一直流母线和第二直流母线之间可以设置MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制器，MPPT控制器5能够实时侦测分布式新能源发电装置4的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出电能。
进一步地，并网变流器3具体包括：第二单相逆变器T2、并网电感L2和并网电容C2；
第二单相逆变器T2的第一直流端与第一直流母线电连接，第二单相逆变器T2的第二直流端与第二直流母线电连接，第二单相逆变器T2的第一交流端与并网电感L2的第一端电连接，第二单相逆变器T2的第二交流端和并网电容C2的第二端接地；
并网电感L2的第二端和并网电容C2的第一端与交流母线电连接。
需要说明的是，并网变流器3可以选择第二单相逆变器T2、并网电感L2和并网电容C2的组合。
第二单相逆变器T2的容量可选择为5kv。
进一步地，还包括：储能装置6；
储能装置6的第一端与第一直流母线电连接，储能装置6的第二端与第二直流母线电连接。
需要说明的是，小容量的储能装置6可以选择性地接入，当不接储能装置6时，在分布式新能源发电装置4发电过大时，仍能控制宽电压负载R1进行消纳，所以对于高电压台区问题的治理依旧有效，只是当分布式新能源发电装置4发电不足时，需要外部能量供电。
当接入小容量的储能装置6时，不仅能够治理高电压台区的问题，还能够在分布式新能源发电装置4发电不足时，给敏感负荷提供可靠的能量。
由于源荷同端条件下的电力弹簧1对宽电压负载R1进行了控制，所以各部分的控制策略需要相应地协同设计。
当不接小容量储能装置6时，分布式新能源电源做最大功率发电，并网变流器3控制直流电压，第一单相串联逆变器控制馈线的交流电压。
当接入小容量储能装置6时，考虑到小容量储能的安全运行范围，设计了多种运行模式。
如图2所示，GCC为电力弹簧能源消纳系统中的并网变流器3，S-inv为单相串联逆变器，PDG为分布式新能源发电装置4的发电功率，P额定为分布式新能源发电装置4额定的发电功率，DG为分布式新能源发电装置4，SOC为储能装置6的荷电状态。
综合考虑对高电压台区的有效治理和对储能安全运行范围的控制(20％<soc<90％)，可将电力弹簧能源消纳系统的控制策略设计为5种模式，5种模式各自的具体控制方法为：
模式1-1为正常工作状态，并网变流器3控制电力弹簧能源消纳系统中的直流母线电压，第一单相逆变器T1控制交流馈线的电压，储能装置6进行下垂控制。第一单相逆变器T1控制交流馈线(交流母线)电压的方式在于通过控制宽电压负载R1上的电流对馈线上的电流进行分流，以此来减小高阻抗馈线带来的电压台区问题。
模式1-2为分布式电源发电装置的发电功率PDG大于敏感负荷的功率，且储能装置6的荷电状态小于20％的情况，此时储能装置6控制为恒功率充电，并网变流器3控制直流电压，第一单相逆变器T1控制馈线交流电压，当SOC>50％时，停止储能的恒功率充电，切换到模式1-1中。
模式1-3为分布式电源发电装置的发电功率PDG大于敏感负荷的功率，且储能装置6的荷电状态大于90％的情况，此时储能装置6立刻闭锁，无法继续吸收能量，为避免宽电压负载R1为源荷平衡消耗过多能量，且基于大部分敏感负荷能够承受的最高电压为270V的现象，所以此时第一单相逆变器T1将馈线电压的参考有效值上调为240V，既能保证能量的有效利用，又保证各部分正常运行，当馈线交流电压高于260V时，立刻切掉分布式新能源发电装置4，当检测到分布式新能源发电装置4发电功率小于额定功率时，结束模式1-3，切换到模式1-4。
模式1-4为分布式电源发电装置的发电功率PDG小于敏感负荷的功率，且储能装置6的荷电状态大于90％的情况，此时储能装置6控制为恒功率放电，并网变流器3和第一单相逆变器T1控制馈线交流电压的方法与模式1-2中的方法一致，当SOC<80％时，停止储能装置6的恒功率放电，切换到模式1-1中。
模式1-5为分布式电源发电装置的发电功率PDG小于敏感负荷的功率，且储能装置6的荷电状态小于20％的情况，此时储能装置6立刻闭锁，无法继续释放能量，为避免宽电压负载R1为源荷平衡消耗能量，导致敏感负荷的能量不足，所以此时第一单相逆变器T1将馈线电压的参考有效值下调为200V，既能保证能量的持久利用，又保证各部分正常运行，当馈线交流电压低于180V时，系统提示切负荷，当检测到分布式新能源电源发电功率大于额定功率时，结束模式1-5，切换到模式1-2。
当正常运行时，并网逆变器作为有功功率的流动途径，而第一单相逆变器T1只通过无功来控制宽电压负载R1的电压电流。而当并网逆变器发生故障停运时，通过控制第一单相逆变器T1电压电流的相角，可以将第一单相逆变器T1作为备用的有功功率流动途径，保证了电力弹簧能源消纳系统的高可靠性。
本实施例中对电力弹簧1结构进行改进使其适应源荷同端的电网结构，将第一单相逆变器T1交流侧与宽电压负载R1串联，第一单相逆变器T1的直流侧通过双向的隔离型电力电子变压器2与直流母线连接，在直流母线上汇集新能源发电装置4，从而形成源荷同端的隔离型背靠背结构，在不影响分布式新能源电源发电功率的条件下，利用宽电压负载R1来调节交流母线电压，实现安全可靠运行。
同时，由于第一单相逆变器T1的交流侧电势和并网变流器3交流侧电势不对等，在运行时极易发生短路，所以在第一单相逆变器T1和并网变流器3之间设置隔离型电力电子变压器2进行隔离，不仅能够保护电路，简化控制程序，还能够实现对第一单相逆变器T1的直流电压的控制，解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
并且，可以接入MPPT控制器5和小容量储能装置6，MPPT控制器5能够实时侦测分布式新能源发电装置4的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出电能，接入小容量储能装置6，不仅能够治理高电压台区的问题，还能够在分布式新能源发电装置4发电不足时，给敏感负荷提供可靠的能量。
综上所述，本实施例的电力弹簧能源消纳系统解决了当前的源荷同端的弱网环境下，新能源消纳不足极易发生高电压台区问题且难以经济有效解决的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种电力弹簧能源消纳系统，其特征在于，包括：第一单相逆变器、并网变流器、隔离型电力电子变压器、弹簧电容、弹簧电阻、宽电压负载、新能源发电装置、交流母线、第一直流母线和第二直流母线；
第一单相逆变器的第一交流端与弹簧电感的第一端电连接，第一单相逆变器的第二交流端分别与弹簧电容的第一端和宽电压负载的第一端电连接；
宽电压负载的第二端接地，弹簧电感的第二端和弹簧电容的第二端与交流母线电连接；
第一单相逆变器的第一直流端与隔离型电力电子变压器的第一侧的第一端电连接，第一单相逆变器的第二直流端与隔离型电力电子变压器的第一侧的第二端电连接；
隔离型电力电子变压器的第二侧的第一端与第一直流母线电连接，隔离型电力电子变压器的第二侧的第二端与第二直流母线电连接；
并网变流器的第一直流端与第一直流母线电连接，并网变流器的第二直流端与第二直流母线电连接，并网变流器的第一交流端与交流母线电连接，并网变流器的第二交流端接地；
新能源发电装置的第一输出端与第一直流母线电连接，新能源发电装置的第二输出端与第二直流母线电连接。
2.根据权利要求1所述的一种电力弹簧能源消纳系统，其特征在于，还包括：MPPT控制器；
MPPT控制器设置于新能源发电装置与第一直流母线和第二直流母线之间；
新能源发电装置的第一输出端与MPPT控制器的第一输入端电连接，MPPT控制器的第一输出端与第一直流母线电连接；
新能源发电装置的第二输出端与MPPT控制器的第二输入端电连接，MPPT控制器的第二输出端与第二直流母线电连接。
3.根据权利要求1所述的一种电力弹簧能源消纳系统，其特征在于，并网变流器具体包括：第二单相逆变器、并网电感和并网电容；
第二单相逆变器的第一直流端与第一直流母线电连接，第二单相逆变器的第二直流端与第二直流母线电连接，第二单相逆变器的第一交流端与并网电感的第一端电连接，第二单相逆变器的第二交流端和并网电容的第二端接地；
并网电感的第二端和并网电容的第一端与交流母线电连接。
4.根据权利要求1所述的一种电力弹簧能源消纳系统，其特征在于，还包括：储能装置；
储能装置的第一端与第一直流母线电连接，储能装置的第二端与第二直流母线电连接。
5.根据权利要求1所述的一种电力弹簧能源消纳系统，其特征在于，还包括：敏感负载；
敏感负载的第一端与交流母线电连接，敏感负载的第二端接地。
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