CN109193611A - 一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法 - Google Patents

一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，它包括步骤1、建立直流电网试验园区拓扑结构；步骤2、设计直流电网试验园区接口；步骤3、建立直流电网启停时序；最后在MATLAB Simulink软件中搭建直流电网仿真模型，验证了发明提出的含电动汽车充电站的多端直流微电网的可行性；解决了解决有技术电动汽车储能装置接入直流微电网，现有技术还没有给出合适的网架结构，也没对电动汽车储能装置接入直流微电网的可行性进行验证等技术问题。

Description

一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法
技术领域
本发明涉及属于属于分布式发电技术领域，尤其涉及一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法。
背景技术
利用风能、太阳能等清洁可再生能源是国际的大趋势，新能源发电量在世界各国总发电量中所占比例不断增大。
与常规能源相比，风力发电具有随机性和间歇性等特点，且一般都采用集中接入方式，大规模风电集中接入交流系统后会产生电压稳定和频率稳定等系列稳定问题，同时系统需要预留较大的备用容量，大大降低了交流系统的利用率，给电网的安全稳定运行带来不利影响。因此为了减小大规模风电基地接入对现有交流系统的影响，需要无扰接入技术，实现大规模风电对电网的最小影响接入和最大限度消纳。光伏发电受太阳光照的影响非常明显，现有系统下不具备有功输出“调度”调节能力，当大容量系统接入电网后，作为不可调度的电源点，无法像常规发电机组一样承担电网的频率、电压调整任务；当太阳光强迅速变化时，输出功率也会在较大的范围内快速波动，这就要求系统中有较多的旋转备用容量来快速补偿光伏发电系统出力的波动，当接入容量较大时，直接影响常规发电机组的运行的经济性和安全性。解决这个问题可以通过加入系统中存在的电动汽车储能装置的方法，由储能装置进行“削峰填谷”，解决光伏发电量与电网需求的平衡问题；而电动汽车储能装置接入直流微电网，现有技术还没有给出合适的网架结构，也没对电动汽车储能装置接入直流微电网的可行性进行验证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，以解决有技术电动汽车储能装置接入直流微电网，现有技术还没有给出合适的网架结构，也没对电动汽车储能装置接入直流微电网的可行性进行验证等技术问题。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，它包括：
步骤1、建立直流电网试验园区拓扑结构；
步骤2、设计直流电网试验园区接口；
步骤3、建立直流电网启停时序。
步骤1所述建立直流电网试验园区拓扑结构为：风力发电和光伏发电分别通过第一VSC变换器和第一DC/DC变换器实现电源与直流电网的连接；通过第二DC/DC变换器实现电动汽车储能单元与直流电网的互联，实现功率潮流的双向流动；通过第二VSC变换器实现直流电网与交流电网的互联。
步骤2所述设计直流电网试验园区接口为：
接口一：与交流电网的接口；直流电网接口一通过VSC型变换器与交流电网相连，实现功率的双向流动；VSC型变换器采用两电平技术，交流侧电压为220V，直流侧电压为1000V，功率为100kW；
接口二：与光伏发电的接口；直流电网接口二通过DC/DC直流变压器与光伏发电相连；DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为80kW；
接口三：与风力发电的接口，直流电网接口三通过VSC型变换器与风机连接，提供稳定50Hz交流电压，VSC型变换器输出接110/220V，交流侧电压为110V，功率为80kW；
接口四：与电动汽车储能单元的接口，直流电网接口四通过DC/DC直流变压器与储能单元相连，实现功率的双向流动，DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为30kW。
步骤3所述建立直流电网启停时序包括：直流电网试验园区启动时序，第一，交流电网接口一通过VSC变换器建立直流电压；第二，储能单元接口二通过DC/DC变换器投入直流电网；第三，光伏发电接口三通过DC/DC变换器投入直流电网；第四，风力发电接口四通过VSC变换器并入直流电网，最后投入直流负荷；直流电网试验园区停机时序，首先切除直流负荷，然后是风力与光伏停止输出功率，再次风力、光伏和储能依次切出直流电网，最后停止对直流电网的电压建立。
它还包括步骤4、通过在MATLAB Simulink软件中搭建直流电网仿真模型，对搭建的直流电网进行仿真，验证所搭建的直流电网的可行性。
本发明有益效果：
本发明主要从新能源、电动汽车等分布式能源出发，提出利用新能源、电动汽车等构成的直流微电网。首先考虑了直流微电网的拓扑结构；其次考虑了直流微电网内交/直流系统与直流电网的试验接口方式和相关技术参数；最后在MATLAB Simulink软件中搭建直流电网仿真模型，验证了发明提出的含电动汽车充电站的多端直流微电网的可行性；解决了解决有技术电动汽车储能装置接入直流微电网，现有技术还没有给出合适的网架结构，也没对电动汽车储能装置接入直流微电网的可行性进行验证等技术问题。
附图说明：
图1示出了本发明方法的具体流程图；
图2直流微电网拓扑结构图；
图3直流电网试验园区启动时序图；
图4直流电网试验园区停机时序图；
图5双向全桥变换器仿真模型；
图6双向全桥变换器拓扑结构；
图7DC/DC变换器仿真波形；
图8三相VSC变换器的拓扑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，它包括：
步骤1、建立直流电网试验园区拓扑结构；
步骤2、设计直流电网试验园区接口；
步骤3、建立直流电网启停时序。
步骤1所述建立直流电网试验园区拓扑结构为：风力发电和光伏发电分别通过第一VSC变换器和第一DC/DC变换器实现电源与直流电网的连接；通过第二DC/DC变换器实现电动汽车储能单元与直流电网的互联，实现功率潮流的双向流动；通过第二VSC变换器实现直流电网与交流电网的互联。
步骤2所述设计直流电网试验园区接口为：
接口一：与交流电网的接口；直流电网接口一通过VSC型变换器与交流电网相连，实现功率的双向流动；VSC型变换器采用两电平技术，交流侧电压为220V，直流侧电压为1000V，功率为100kW；
接口二：与光伏发电的接口；直流电网接口二通过DC/DC直流变压器与光伏发电相连；DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为80kW；
接口三：与风力发电的接口，直流电网接口三通过VSC型变换器与风机连接，提供稳定50Hz交流电压，VSC型变换器输出接110/220V，交流侧电压为110V，功率为80kW；
接口四：与电动汽车储能单元的接口，直流电网接口四通过DC/DC直流变压器与储能单元相连，实现功率的双向流动，DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为30kW。
步骤3所述建立直流电网启停时序包括：直流电网试验园区启动时序，第一，交流电网接口一通过VSC变换器建立直流电压；第二，储能单元接口二通过DC/DC变换器投入直流电网；第三，光伏发电接口三通过DC/DC变换器投入直流电网；第四，风力发电接口四通过VSC变换器并入直流电网，最后投入直流负荷；直流电网试验园区停机时序，首先切除直流负荷，然后是风力与光伏停止输出功率，再次风力、光伏和储能依次切出直流电网，最后停止对直流电网的电压建立。
它还包括步骤4、通过在MATLAB Simulink软件中搭建直流电网仿真模型，对搭建的直流电网进行仿真，验证所搭建的直流电网的可行性。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施案例
本发明以输入电压1000V输出电压1000V，传递功率100KW进行DC/DC变换器的设计和仿真模型搭建。该变换器工作于V1-KV2＝0的工作方式。设计Ls＝225mH，K＝1，开关频率取5000Hz。在MATLAB中搭建的仿真模型如图5所示。DC/DC变换器右侧以电流源模拟光伏输入，左侧以直流电压源模拟直流母线，仿真中控制右侧电容Cin电压为1000V，则总的传输功率为100kW。全桥移相式双向直流变换器的拓扑结构如图6所示。
电压Ls上的电流和电容Cin的电压如图7所示。从图中可以看出电感Ls上的电流波形与理论分析一致，且电容Cin的电压能够控制在1000V，达到控制目标。
本发明基于MATLAB Simulink搭建了VSC变换器的仿真模型，该模型中交流电源电压幅值为220V，功率为100KW，外环控制直流侧电压和VSC变换器的无功功率，无功功率控为0，连接电抗器取4mH，仿真模型为直流侧采用一个直流电流源模拟新能源输入，直流电流源为100A，通过控制VSC变换器直流侧电压为1000V，则VSC传输的功率为100kW。三相VSC变换器的拓扑结构如图8所示
为了研究直流微电网的各工况下的运行特性，本发明在MATLAB Simulink中搭建了直流微电网系统的仿真模型，系统中VSC1的额定功率为100kW，光伏最大输出功率为80kW，风电最大输出功率为80kW，直流最大负荷为40kW，储能额定功率为30kW，。通过几个工况的仿真来研究直流微电网的工作特性，各工况中直流微电网各端口功率变化情况如表1所示，表中阴影的量为引起系统工作状态变化的原因。
表1各工况下端口功率变化情况
选取5种典型工况进行了仿真分析，分别是：储能单元由充电到能量充满的工况，储能单元由放电到能量为零的工况，VSC1变换器功率反转的工况，负荷跳变工况和储能单元由放电到充电的工况。这些工况基本包涵了直流微电网可能出现的运行状态。
工况1
该工况主要模拟储能单元由充电到充满的情况。该工况下，光伏和风电以最大功率输出，均为80kW，直流负荷为最大负荷40kW，储能单元起初以20kW功率进行充电，则直流微电网将有100kW的功率通过VSC1接入交流电网，给交流负荷供电或通过交流网进行能量传递。假设1s时储能单元能量已经充满，直流负荷不变，如果此时光伏和风电依然以最大功率输出则通过VSC1的功率将超过其额定功率，长期运行将对变换器内的元件产生威胁，减少变换器寿命，因此，风电和光伏将降功率运行，均降为70kW，此时通过VSC1的功率为其额定功率100kW，这一方面保证了VSC1变换器的安全运行，另一方面也充分利用VSC1将尽量多的新能源接入交流网。
可以看出1s前储能单元以20kW功率充能，1s后储能单元能量已满，停止充能，功率降为0，但通过VSC1变换器的功率在1s前后并没有发生变化，可以看出风电和光伏在1s时发出的功率均从80kW降为70kW，这保证了VSC1变换器的功率能够维持在100kW不变，从而不超过其额定功率。可以看出直流系统中储能单元和新能源功率的改变没有影响到直流母线的电压，直流母线受VSC1控制，能稳定在1000V。
工况2
该工况主要模拟储能单元由放电到放完电的情况。该工况下，光伏和风电不能以最大功率输出，假设均为60kW，直流负荷为最大负荷40kW，储能单元起初以20kW功率进行放电。光伏和风电的能量除了提供给直流负荷外还有80kW通过VSC1并入交流电网，假设此时储能元件中能量充足，则储能元件释放功率20kW，也通过VSC1变换器并入交流电网，则直流微电网将共有100kW的功率通过VSC1接入交流电网，给交流负荷供电或通过交流网进行能量传递。假设1s时储能单元能量已经全部释放，直流负荷不变，且此时光伏和风电依然均以60kW功率输出，则通过VSC1的功率将由100kW变成80kW。
可以看出1s前储能单元以20kW功率释放能量，1s后储能单元的能量已经全部释放完，停止释放能量，功率降为0，通过VSC1变换器的功率在1s前为100kW，1s后为80kW，可以看出风电和光伏在1s前后发出的功率均为60kW，而储能单元在1s时释放功率由20kW降为0，直流负荷功率不变为40kW，则通过VSC1变换器传递到交流电网的功率从100kW降为80kW，减少的20kW功率就是由储能单元的能量变化引起的。可以看出直流系统中储能单元输出功率的改变没有影响到直流母线的电压，直流母线受VSC1控制，能稳定在1000V。
工况3
该工况主要模拟VSC1变换器功率双向流动的情况。该工况下，光伏和风电输出功率的能力极差，假设极限情况下光伏和风电输出功率均为0(比如光伏和风电的设备同时需要检修，不能投入运行)，此时直流负荷为20kW，储能元件能量充足，以30kW的功率释放能量，不仅给直流负荷供给能量，同时向交流电网传递10kW的功率。1s后储能元件的能量已经全部释放出去，则储能元件停止供电，由于此时光伏和风电输出功率依然为零，直流负荷只能通过VSC1从交流系统获取能量。
可以看出1s前储能单元以30kW功率释放能量，由于直流负荷为20kW，则有10kW的功率通过VSC1变换器并入交流电网，1s后储能单元的能量已经全部释放完，停止释放能量，功率降为0，则VSC1变换器功率发生反转，由向交流电网发送10kW，转为从交流电网吸收20kW功率以供给直流负荷。可以看出在VSC1变换器功率反转时，直流母线电压有一段较小时间的跌落，然后很快又恢复到1000V。
工况4
该工况主要模拟直流负荷跳变时直流微电网的工作情况。该工况下光伏和风电均可最大功率输出，1s前直流负荷为20kW，储能单元以30kW功率从直流微电网吸收能量，受VSC1变换器额定功率的限制，光伏和风电总输出功率必须≤150kW，为使新能源充分发电，光伏输出功率70kW，风电输出功率80kW，VSC1以100kW功能向交流电网传输能量。1s后直流负荷由20kW突变到40kW，储能单元依然处于可充能状态，此时变换器VSC1，直流负荷和储能单元可消纳的总功率为170kW，大于新能源的最大总功率，光伏和风电均以80kW最大功率输出能量。为了让更多的能量传递到交流电网，供给交流负荷，减少火电的负担，使储能单元以20kW功率吸收能量，从而保证VSC1以额定功率100kW向交流电网输送能量。
1s前储能单元以30kW功率从直流微电网吸收能量，直流负荷为20kW，光伏和风电输出功率分别为70kW和80kW，通过VSC1变换器传递到交流网的功率为100kW。1s后由于直流负荷从20kW跳变到40kW，光伏以最大功率80kW输出能量，储能单元吸收能量的功率由30kW降为20kW，这样保证了通过VSC1功率的最大化。在整个工作状况下，直流母线电压可以很好得控制在1000V。
工况5
该工况主要模拟储能单元由放电变为充电的情况。该工况为工况3的补充情况，1s前光伏和风电输出功率的能力极差，假设极限情况下光伏和风电输出功率均为0(比如光伏和风电的设备同时需要检修，不能投入运行)，此时直流负荷为20kW，储能元件能量充足，以30kW的功率释放能量，不仅给直流负荷供给能量，同时向交流电网传递10kW的功率。1s时光伏和风电投入运行，并允许最大功率运行，此时直流负荷仍然为20kW，储能单元由释放能量转为以30kW功率从直流电网吸收能量，受VSC1变换器额定功率的限制，光伏和风电总输出功率必须≤150kW，为使新能源充分发电，光伏输出功率70kW，风电输出功率80kW，VSC1以100kW功能向交流电网传输能量。
1s前储能单元以30kW功率释放能量，由于直流负荷为20kW，则有1kW的功率通过VSC1变换器并入交流电网，1s后光伏和风电投入运行分别以70kW和80kW功率向直流微电网传输功率，此时储能单元由释放能量转为以30kW功率从直流电网吸收能量。在工况发生变化时直流母线电压有一段较小时间的抬升，然后很快又恢复到1000V。

Claims (5)

1.一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，它包括：
步骤1、建立直流电网试验园区拓扑结构；
步骤2、设计直流电网试验园区接口；
步骤3、建立直流电网启停时序。
2.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，其特征在于：步骤1所述建立直流电网试验园区拓扑结构为：风力发电和光伏发电分别通过第一VSC变换器和第一DC/DC变换器实现电源与直流电网的连接；通过第二DC/DC变换器实现电动汽车储能单元与直流电网的互联，实现功率潮流的双向流动；通过第二VSC变换器实现直流电网与交流电网的互联。
3.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，其特征在于：步骤2所述设计直流电网试验园区接口为：
接口一：与交流电网的接口；直流电网接口一通过VSC型变换器与交流电网相连，实现功率的双向流动；VSC型变换器采用两电平技术，交流侧电压为220V，直流侧电压为1000V，功率为100kW；
接口二：与光伏发电的接口；直流电网接口二通过DC/DC直流变压器与光伏发电相连；DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为80kW；
接口三：与风力发电的接口，直流电网接口三通过VSC型变换器与风机连接，提供稳定50Hz交流电压，VSC型变换器输出接110/220V，交流侧电压为110V，功率为80kW；
接口四：与电动汽车储能单元的接口，直流电网接口四通过DC/DC直流变压器与储能单元相连，实现功率的双向流动，DC/DC直流变压器的输入电压为1000V，功率为30kW。
4.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，其特征在于：步骤3所述建立直流电网启停时序包括：直流电网试验园区启动时序，第一，交流电网接口一通过VSC变换器建立直流电压；第二，储能单元接口二通过DC/DC变换器投入直流电网；第三，光伏发电接口三通过DC/DC变换器投入直流电网；第四，风力发电接口四通过VSC变换器并入直流电网，最后投入直流负荷；直流电网试验园区停机时序，首先切除直流负荷，然后是风力与光伏停止输出功率，再次风力、光伏和储能依次切出直流电网，最后停止对直流电网的电压建立。
5.根据权利要求1所述的一种基于电动汽车的多能源直流微电网构造方法，其特征在于：它还包括步骤4、通过在MATLAB Simulink软件中搭建直流电网仿真模型，对搭建的直流电网进行仿真，验证所搭建的直流电网的可行性。
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