CN110768240A - 电力变换系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种电力变换系统，电力变换系统包含至少一电力变换装置及主控制器。电力变换装置并联耦接于直流电网。每一电力变换装置包含发电单元、逆变单元、中频变压器及整流装置。逆变单元电连接于对应的发电单元，并架构于将发电单元的输出电压转换为第一交流电压。中频变压器电连接于逆变单元并将第一交流电压升压为第二交流电压。整流装置电连接于中频变压器及直流电网，以整流第二交流电压并输出直流电压。主控制器接收上级控制命令并据此协调电力变换装置的电能转换操作。

Description

电力变换系统及方法

技术领域

本公开涉及一种电力变换系统及方法，特别涉及一种耦合至直流电网的电力变换系统及方法。

背景技术

随着新能源发电的快速发展，各种发电及储能系统逐步接入电网中。在接入交流电网前，需要进行长距离输电，现有技术中多利用交流电缆进行输电。然而，长距离的交流电缆效率较低且成本较高。此外，长距离交流电缆与大量变换器耦合，易发生宽频域震荡，不利于系统稳定。

因此，如何发展一种可改善上述现有技术的电力变换系统及方法，实为目前迫切的需求。

发明内容

本公开的目的在于提供一种电力变换系统及方法，通过并联耦接于直流电网的电力变换装置，可提供高压直流电至直流电网。此外，可依据上级控制命令来协调电力变换装置的电能转换操作。借此，本公开的电力变换系统及方法是采用高压直流输电，可降低成本并减小输电过程中的损耗。

为达上述目的，本公开提供一种电力变换系统，耦接于直流电网，电力变换系统包含至少一电力变换装置及主控制器。电力变换装置并联耦接于直流电网，其中每一电力变换装置包含至少一发电单元、至少一逆变单元、中频变压器及整流装置。逆变单元电连接于对应的发电单元，并架构于将发电单元的输出电压转换为第一交流电压。中频变压器电连接于逆变单元，并将第一交流电压升压为第二交流电压。整流装置电连接于中频变压器及直流电网，以对第二交流电压进行整流并输出直流电压。主控制器被配置为接收上级控制命令，以基于上级控制命令协调电力变换装置的电能转换操作。

为达上述目的，本公开更提供一种电力变换方法，适用于电力变换系统，其中电力变换系统耦接于直流电网并包含至少一电力变换装置及主控制器，电力变换装置并联耦接于直流电网，每一电力变换装置包含至少一发电单元、至少一逆变单元、一中频变压器及一整流装置。电力变换方法包含下列步骤：(a)利用逆变单元将对应的发电单元的输出电压转换为第一交流电压；(b)利用中频变压器将第一交流电压升压为第二交流电压；(c)利用整流装置对第二交流电压进行整流并产生直流电压；以及(d)利用主控制器接收上级控制命令，并基于上级控制命令协调电力变换装置的电能转换操作。

附图说明

图1A为本公开优选实施例的电力变换系统的电路架构示意图。

图1B为本公开另一优选实施例的电力变换系统的电路架构示意图。

图2A为图1A的电力变换系统的变化例的电路架构示意图。

图2B、图2C及图2D为图1B的电力变换系统的变化例的电路架构示意图。

图3A为本公开优选实施例的采用风力发电的电力变换装置的电路结构示意图。

图3B、图3C及图3D为图3A的电力变换装置的变化例的电路结构示意图。

图4为图3A的电力变换装置及其控制电路的电路结构示意图。

图5A为本公开优选实施例的采用光伏发电的电力变换装置的电路结构示意图。

图5B为图5A的电力变换装置的变化例的电路结构示意图。

图6为图5A的电力变换装置及其控制电路的电路结构示意图。

图7为本公开优选实施例的储能装置的电路结构示意图。

图8为图7的储能装置及其控制电路的电路结构示意图。

图9为本公开优选实施例的电力变换方法的步骤示意图。

附图标记说明：

1：直流电网

2：电力变换系统

20：主控制器

21、21a、21b：电力变换装置

22：发电单元

22a：风力发电单元

22b：光伏发电单元

23、23b：逆变单元

23a：网侧变换器

24：中频变压器

25：整流装置

26：机侧变换器

27：滤波器

28：风机

29：直流母线

200a：第一控制电路

200b：第二控制电路

201：计算器

202：坐标变换器

203：电压调节器

204：电流调节器

205：PWM调制器

206：MPPT控制器

3：储能装置

30：储能单元

31：储能元件

32：直流变换器

300：第三控制电路

301：计算器

302：功率调节器

303：电流调节器

304：PWM调制器

ω：工作频率

θ：角度信号

I_abc：三相电流量

I_d：有功电流

I_dr：有功电流指令

I_q：无功电流

I_qr：无功电流指令

U_o：输出电压

U_dc：直流母线电压

U_dcr：指令值

I_o：输出电流

I：电流

U：电压

P：功率

P_r：功率指令

E_abc、E：电势

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本公开。

图1A为本公开优选实施例的电力变换系统的电路架构示意图。如图1A所示，电力变换系统2耦接于直流电网1，且包含至少一电力变换装置21及主控制器20。电力变换装置21皆并联耦接于直流电网1。主控制器20被配置为接收上级控制指令，并基于上级控制命令协调电力变换装置21的电能转换操作，其中主控制器20可为例如但不限于被配置为控制电力变换装置21的输出功率为固定值。进一步地，上级控制命令可由上级直流电网调度中心发送给主控制器，例如功率指令，但本公开不以此为限。每一电力变换装置21包含至少一发电单元22、至少一逆变单元23、中频变压器24及整流装置25。每一逆变单元23均电连接于对应的发电单元22，逆变单元23架构于将发电单元22的输出电压转换为第一交流电压。中频变压器24电连接于所有逆变单元23，且架构于将每一逆变单元输出的第一交流电压升压为第二交流电压。于一些实施例中，中频变压器24包含多个低压绕组及一个高压绕组，其中低压绕组电连接于对应的逆变单元23。整流装置25电连接于中频变压器24及直流电网1，整流装置25对第二交流电压进行整流，并输出高压直流电至直流电网1。借此，本公开的电力变换系统2耦合至直流电网，可采用高压直流输电，降低成本并减小输电过程中的损耗。

于一些实施例中，在任一电力变换装置21中，逆变单元23依据中频变压器24的工作频率ω而将对应的发电单元22的输出电压转换为第一交流电压，其中第一交流电压的频率等于中频变压器24的工作频率ω。

须注意的是，对于电力变换系统2中的电力变换装置，电力变换装置可为例如但不限于采用风力发电或光伏发电，例如图2C及图2D所示。当然，若电力变换系统2包含多个电力变换装置中，亦可分别采用不同的发电来源，例如图2A所示，多个电力变换装置中可部分采用风力发电，部分采用光伏发电。以下将分别示例说明采用风力发电及光伏发电的电力变换装置(21a、21b)的电路结构。

图3A为本公开优选实施例的采用风力发电的电力变换装置的电路结构示意图。如图3A所示，电力变换装置21a采用风力发电，电力变换装置21a的发电单元为风力发电单元22a，风力发电单元22a包括风机28和机侧变换器26。电力变换装置21a的逆变单元为网侧变换器23a，电连接于机侧变换器26与中频变压器24之间，并架构于稳定直流母线电压及控制输出电压频率。机侧变换器26将风机28发出的频率和幅值变化的交流电变换为直流电，网侧变换器23a将直流电转换为中频三相交流电(即第一交流电压)。中频三相交流电经过高升压比的中频变压器24升压后得到第二交流电，最后通过不控整流装置25将第二交流电变换为直流电并输出至高压直流输电网(即直流电网1)。其中，中频变压器24具有高升压比将低压三相交流电(例如690V)升为高压三相交流电(例如26KV)，采用中频变压器可减小变压器体积，降低成本。进一步地，高压三相交流电通过一个高耐压的不控整流装置25转换为直流电，本发明的整流装置25也可采用半控器件。直流电网1的母线电压为35KV，但本发明不以此为限。

于一些实施例中，风力发电单元22a的输出电压为小于1KV的低压或大于1KV的高压，逆变单元对应为低压逆变单元或高压逆变单元。于一些实施例中，电力变换装置21a还包含滤波器27，滤波器27电连接于网侧变换器23a与中频变压器24之间，滤波器27是架构于对网侧变换器23a的输出电流进行滤波。

整流装置25包含多个桥臂，本实施例中，整流装置包含3个桥臂，每一桥臂具有节点，节点电连接于中频变压器24并将桥臂分为两个支路，每一支路由多个整流元件串联构成。借此，可降低对整流元件的耐压性能要求。整流元件可为例如但不限于二极管或半控器件。针对直流电网1的电压等级(例如35KV)，需要选取高耐压的二极管或半控器件，每半个桥臂由大于等于两个的二极管或半控器件串联构成，可降低每一整流元件的耐压等级，降低成本。

于一些实施例中，风机28为高压风机(例如10KV)，对应的机侧变换器26和网侧变换器23a为高压变换器，如图3B所示，机侧变换器26及网侧变换器23a均为多电平变换器，但亦不以此为限，借此可降低中频变压器24的匝比。例如，采用10KV等级的风力发电机和变流器(包括机侧变换器和网侧变换器)，和常规的690V风力发电系统相比，选用的中频变压器24的匝比可降低十几倍，针对35KV的直流输电系统，中频变压器24匝比由26KV/690V降低为26KV/10KV。

此外，风力发电单元22a及逆变单元(即网侧变换器23a)的个数并不限于一，例如于图3C所示，电力变换装置21a可包含两个风力发电单元22a及两个网侧变换器23a，其中两个网侧变换器23a分别电连接于两个风力发电单元22a，中频变压器24电连接于两个网侧变换器23a。于此实施例中，中频变压器24为双绕组升压变压器，相较于采用两个独立变压器分别连接于两个网侧变换器23a的方案，可有效节省成本。当然，风机28也可采用具有多输出绕组的风机，如图3D所示，风机28包括两组输出绕组，其中每一组输出绕组电连接对应的机侧变换器26，构成一个风力发电单元22a。

为了对电力变换装置21a中的电能转换进行控制，其中于本实施例中，电力变换装置21a为风力发电系统，机侧变换器26控制风机28的输出功率，网侧变换器23a稳定直流母线29的母线电压同时控制输出的第一交流电压的频率，第一交流电压的幅值由直流电网1和整流装置25钳位住。如图4所示，电力变换装置21a的逆变单元包含第一控制电路200a，第一控制电路200a依据中频变压器24的工作频率ω及逆变单元的多个电信号而产生一开关信号，并通过开关信号控制逆变单元的转换操作。第一控制电路200a包含计算器201、坐标变换器202、电压调节器203、电流调节器204及PWM(Pulse Width Modulation)调制器205。计算器201依据中频变压器24的工作频率ω产生角度信号θ，即对频率ω积分产生角度信号。中频频率常规取400HZ，为中频变压器24的额定工作频率，但本发明不以此为限。坐标变换器202依据逆变单元(即网侧变换器23a)的交流端口的三相电流量I_abc及角度信号θ产生有功电流I_d及无功电流I_q。电压调节器203采样直流母线29的直流母线电压U_dc，并依据直流母线电压U_dc及其指令值U_dcr产生有功电流指令I_dr。电流调节器204依据有功电流指令I_dr、无功电流指令I_qr、有功电流I_d、无功电流I_q及角度信号θ产生三相控制电势E_abc。PWM调制器205依据三相控制电势E_abc产生开关信号，其中第一控制电路200a通过开关信号控制网侧变换器23a的转换操作。PWM调制器205可为例如但不限于通过SPWM(Sinusoidal PWM)或SVPWM(Space Vector PWM)技术产生开关信号。其中，无功电流指令通过对无功功率进行闭环调节得到。

图5A为本公开优选实施例的采用光伏发电的电力变换装置的电路结构示意图。如图5A所示，电力变换装置21b采用光伏发电，电力变换装置21b的发电单元为光伏发电单元22b，逆变单元23b将光伏发电单元22b的输出电压转换为中频三相交流电(即第一交流电压)。中频三相交流电经过高升压比的中频变压器24升压后得到第二交流电，最后通过不控整流装置25将第二交流电变换为直流电并输出至高压直流输电网(即直流电网1)。其中与图3A中类似的电路元件是以相同的标号表示，类似电路元件具有类似的功能，具体请参考上述描述，于此不再赘述。此外，光伏发电单元22b及逆变单元23b的个数并不限于一，例如于图5B所示，电力变换装置21b可包含两个光伏发电单元22b及两个逆变单元23b，其中两个逆变单元23b分别电连接于两个光伏发电单元22b，中频变压器24电连接于两个逆变单元23b。

为了对电力变换装置21b中的电能转换进行控制，其中于本实施例中，电力变换装置21b为光伏发电系统，逆变单元23b控制输出的第一交流电压的频率，第一交流电压的幅值由直流电网1和整流装置25钳位住。如图6所示，电力变换装置21b的逆变单元23b包含第二控制电路200b，第二控制电路200b依据中频变压器24的工作频率ω及逆变单元23b的多个电信号而产生一开关信号，并通过开关信号控制逆变单元23b的转换操作。第二控制电路200b包含计算器201、坐标变换器202、MPPT(Maximum power point tracking)控制器206、电压调节器203、电流调节器204及PWM调制器205。计算器201依据中频变压器24的工作频率ω产生角度信号θ，即对频率ω积分产生角度信号。中频频率常规取400HZ，为中频变压器24的额定工作频率，但本发明不以此为限。坐标变换器202依据逆变单元23b的交流端口的三相电流量I_abc及角度信号θ产生有功电流I_d及无功电流I_q。MPPT控制器206获取光伏发电单元22的输出电压U_o及输出电流I_o，并根据输出电压U_o及输出电流I_o计算直流功率，以根据MPPT算法获取输出电压指令U_or。电压调节器203依据光伏发电单元22b的输出电压U_o及输出电压指令U_or产生有功电流指令I_dr。电流调节器204依据有功电流指令I_dr、无功电流指令I_qr、有功电流I_d、无功电流I_q及角度信号θ产生三相控制电势E_abc。PWM调制器205依据三相控制电势E_abc产生开关信号，其中第二控制电路200b通过开关信号控制逆变单元23b的转换操作。PWM调制器205可为例如但不限于通过SPWM(Sinusoidal PWM)或SVPWM(Space Vector PWM)技术调制产生开关信号。其中，无功电流指令通过对无功功率进行闭环调节得到。

于一些实施例中，电力变换装置21包括第一电力变换装置和第二电力变换装置，第一电力变换装置和第二电力变换装置并联耦接于直流电网1。其中第一电力变换装置为风力发电系统，第二电力变换装置为光伏发电系统。

于一些实施例中，除电力变换装置21之外，电力变换系统2还包含储能装置3，如图1B所示，储能装置3与所有电力变换装置21一同并联耦接于直流电网1。进一步地，如图2B所示，电力变换系统2包括采用风力发电的电力变换装置21a、采用光伏发电的电力变换装置21b及储能装置3，形成大型的风光储混合发电系统。当然本发明不以此为限，如图2C所示，电力系统2包括采用风力发电的电力变换装置21a和储能装置3，形成风储发电系统；如图2D所示，电力系统2包括采用光伏发电的电力变换装置21b和储能装置3，形成光储发电系统。

基于上述各实施例及其变形，本公开提出一种高压直流耦合系统，至少一个电力变换装置(如风力发电装置、光伏发电装置)和/或储能装置之间独立并联耦接在直流电网上，方便扩展；各发电单元通过各自的逆变单元将发出的电能转换为中频交流电，并经过各自的升压变压器和整流装置变换为高压直流电接入高压直流输电网，储能装置通过直流变换器将低压直流电变换为高压直流电接入高压直流输电网，采用直流输电技术将电能输送至远端电网或用户端，同样电压等级下输送能力更强，损耗更小；由主控制器进行统一控制，实现发电，电网调节和调度功能。

图2B示意性示出一种高压直流耦合系统，其包含采用风力发电的电力变换装置21a、采用光伏发电的电力变换装置21b、储能装置3和主控制器20。其中电力变换装置21a、电力变换装置21b和储能装置3分别作为独立的装置并联耦接于直流电网1，实现风机或者光伏发电的高压直流输电，并且各装置可随时并入直流电网1或与直流电网1断开，方便扩展。主控制器20检测电力变换装置21a和电力变换装置21b的输出功率，并根据电网调度命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，使电力变换系统2实现固定功率输出；或者主控制器20根据上级控制命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，实现削峰填谷，平滑新能源等目标。需要说明的是，上述描述仅用于示意性说明，并不构成对本公开的限制。当然，本实施例的系统可以同时包含多个风力发电装置，多个光伏发电装置和多个储能装置。

图2C示意性示出另一种高压直流耦合系统，其包含采用风力发电的电力变换装置21a、储能装置3和主控制器20。其中电力变换装置21a和储能装置3分别作为独立的装置并联耦接于直流电网1，实现风机发电的高压直流输电，并且各装置可随时并入直流电网1或与直流电网1断开，方便扩展。主控制器20检测电力变换装置21a的输出功率，并根据电网调度命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，使电力变换系统2实现固定功率输出；或者主控制器20根据上级控制命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，实现削峰填谷，平滑新能源等目标。需要说明的是，上述描述仅用于示意性说明，并不构成对本公开的限制。当然，本实施例的系统可以包含多个风力发电装置，即对应一个风力发电厂，且该风力发电装置可以是陆上风电，也可以是海上风电。

图2D示意性示出又一种高压直流耦合系统，其包含采用光伏发电的电力变换装置21b、储能装置3和主控制器20。其中电力变换装置21b和储能装置3分别作为独立的装置并联耦接于直流电网1，实现光伏发电的高压直流输电，并且各装置可随时并入直流电网1或与直流电网1断开，方便扩展。主控制器20检测光伏发电装置21b的输出功率，并根据电网调度命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，电力变换系统2实现固定功率输出；或者主控制器20根据上级控制命令计算储能装置3的功率指令，以控制储能装置3的充放电运行，实现削峰填谷，平滑新能源等目标。需要说明的是，上述描述仅用于示意性说明，并不构成对本公开的限制。当然，本实施例的系统可以包含多个光伏发电装置，即对应一个光伏发电厂。

图7为本公开优选实施例的储能装置的电路结构示意图。如图7所示，储能装置3包含多个储能单元30，每一储能单元30包含相连接的储能元件31及直流变换器32，其中多个直流变换器32串联连接以形成直流输出端口耦接至直流电网1。于此实施例中，主控制器20可为例如但不限于被配置为控制多个电力变换装置21的输出功率及储能装置3的输出功率之和为固定值。于一些实施例中，主控制器20接收多个储能元件31的荷电状态，并自直流电网1接收上级控制命令，主控制器20基于上级控制命令及荷电状态产生该多个直流变换器32的功率指令，借此可根据实际需求调整各储能单元30的输出功率。

为了对储能装置3的电能转换进行控制，于一些实施例中，如图8所示，储能单元30还包含第三控制电路300，第三控制电路300包含计算器301、功率调节器302、电流调节器303及PWM调制器304。计算器301依据储能元件的电流I及电压U计算储能元件功率P。功率调节器302接收主控制器20提供的该储能单元30的功率指令P_r，依据储能元件的功率P及功率指令P_r产生储能元件的电流指令I_r。其中，主控制器20根据各储能元件的荷电状态分配储能装置总的功率指令，得到每一储能单元的功率指令P_r，各储能单元根据功率指令自动均分高压侧直流电压。电流调节器303依据储能元件的电流I及电流指令I_r产生直流电势E。PWM调制器304依据直流电势E产生开关信号，其中第三控制电路300通过开关信号控制直流变换器32的转换操作。

通过设置储能装置3，主控制器20可通过控制储能装置3灵活调整电力变换系统2中的功率输出的分配。举例而言，主控制器20检测电力变换装置21的发电功率，并对发电功率进行滤波平滑处理后得到目标功率，进而将目标功率减去发电功率，并依据其差值调整储能装置3中各储能单元的功率指令以控制储能单元的充放电运作，平滑功率波动，借此使电力变换系统2的实际输出功率与目标功率一致。此外，主控制器20可依据直流电网1的负荷需求及电力变换装置21的发电情况进行能量调度，例如在电力变换装置21的发电量较多且直流电网1的负荷需求较小时，可将多余的能量存储于储能装置3的储能元件31中，而在电力变换装置21的发电量较少且直流电网1的负荷需求较大时，则可将储能元件31所存储的能量释出并供给至直流电网1。

主控制器20与每一电力变换装置21通信，可根据直流电网1的实际需求实现不同功能。当直流电网1要求电力变换系统2输出固定功率时，若电力变换系统2不包括储能装置，主控制器20检测每一电力变换装置21的输出功率，对至少一电力变换装置21进行限功率运行，以输出目标功率至直流电网1，满足直流电网1的实际需求；若电力变换系统2包括储能装置3，主控制器20检测每一电力变换装置21的输出功率，如光伏发电装置和/或风力发电装置的输出功率，固定功率输出的目标功率减去电力变换装置21的输出功率，得到储能装置3的功率指令，根据储能元件31的荷电状态将储能装置3的功率指令分配给每一储能单元30，通过控制储能装置3的充放电运行实现固定功率输出。

于一些实施例，主控制器20检测风力发电装置和/或光伏发电装置的发电功率，通过储能装置3对此功率进行滤波平滑处理，具体地，平滑后的目标功率减去实际发电功率，得到需要储能装置3平滑的波动的功率指令。于一些实施例，主控制器20根据电网调度和各发电装置发电情况，控制储能装置3实现能量时移，例如当发电装置发出的电能较多而需求较小时，将能量存储在储能元件31中；当发电装置发出的电能较少而需求较大时，将储能元件31中的能量输出，满足实际需求。

图9为本公开优选实施例的电力变换方法的步骤示意图。电力变换方法可适用于图1A及图1B所示的电力变换系统2中。如图9所示，电力变换方法包含下列步骤S1、S2、S3及S4。

于步骤S1中，利用逆变单元23将对应的发电单元22的输出电压转换为第一交流电压。于一些实施例中，逆变单元23是依据中频变压器24的工作频率ω将对应的发电单元22的输出电压转换为第一交流电压，其中第一交流电压的频率等于工作频率ω。

于步骤S2中，利用中频变压器24将第一交流电压升压为第二交流电压。

于步骤S3中，利用整流装置25对第二交流电压进行整流并产生直流电压。

于步骤S4中，利用主控制器20接收上级控制命令，并基于上级控制命令协调多个电力变换装置21的电能转换操作。于一些实施例中，是利用主控制器20控制多个电力变换装置21的输出功率为固定值。于另一些实施例中，是利用主控制器20控制多个电力变换装置21的输出功率及储能装置3的输出功率之和为固定值。

于一些实施例中，为了对采用风力发电的电力变换装置21a进行控制，电力变换方法还包含下列步骤。首先，依据中频变压器24的工作频率ω产生角度信号θ。接着，依据风力发电单元22a所对应的逆变单元(即网侧变换器23a)的交流端口的三相电流量I_abc及角度信号θ产生有功电流I_d及无功电流I_q。接着，采样直流母线29的母线电压U_dc，并依据直流母线电压U_dc及其指令值U_dcr产生有功电流指令I_dr。而后，依据有功电流指令I_dr、无功电流指令I_qr、有功电流I_d、无功电流I_q及角度信号θ产生三相控制电势E_abc。最后，依据三相控制电势E_abc产生开关信号，并通过开关信号控制风力发电单元22a所对应的逆变单元(即网侧变换器23a)的运行。

于一些实施例中，为了对采用光伏发电的电力变换装置21b进行控制，电力变换方法还包含下列步骤。首先，依据中频变压器24的工作频率ω产生角度信号θ。接着，依据光伏发电单元22b所对应的逆变单元23b的交流端口的三相电流量I_abc及角度信号θ产生有功电流I_d及无功电流I_q。接着，获取光伏发电单元22的输出电压U_o及输出电流I_o，并根据输出电压U_o及输出电流I_o计算直流功率，并根据MPPT算法获取输出电压指令U_or。接着，依据光伏发电单元22b的输出电压U_o及输出电压指令U_or产生有功电流指令I_dr。而后，依据有功电流指令I_dr、无功电流指令I_qr、有功电流I_d、无功电流I_q及角度信号θ产生三相控制电势E_abc。最后，依据三相控制电势E_abc产生开关信号，并通过开关信号控制光伏发电单元22b所对应的逆变单元23b的运行。

于一些实施例中，为了对储能装置3进行控制，电力变换方法还包含下列步骤。首先，依据储能元件电流I及电压U计算储能元件功率P。接着，接收主控制器20提供的该储能单元30的功率指令P_r，依据储能元件的功率P及功率指令P_r产生储能元件的电流指令I_r。而后，依据储能元件的电流I及电流指令I_r产生直流电势E。最后，依据电势E产生开关信号，并通过开关信号控制直流变换器32的运行。

综上所述，本公开提供一种电力变换系统及方法，通过并联耦接于直流电网的至少一电力变换装置，可提供高压直流电至直流电网。此外，可依据直流电网的上级控制命令来协调多个电力变换装置的电能转换操作。借此，本公开的电力变换系统及方法是采用高压直流输电，可降低成本并减小输电过程中的损耗。再者，通过设置储能装置，主控制器可通过控制储能装置灵活调整电力变换系统中的功率输出的分配，实现控制目标。更甚者，主控制器可依据直流电网的供给负荷及电力变换装置的发电情况进行能量调度，例如在电力变换装置的发电量较多且直流电网的供给负荷较小时，可将多余的能量存储于储能装置的储能元件中，而在电力变换装置的发电量较少且直流电网的供给负荷较大时，则可将储能元件所存储的能量释出而供给予直流电网。

须注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由权利要求决定。且本公开得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (22)

1.一种电力变换系统，其特征在于，所述电力变换系统耦接于一直流电网，包含：

至少一电力变换装置，并联耦接于该直流电网，其中每一该电力变换装置包含：

至少一发电单元；

至少一逆变单元，其中每一该逆变单元电连接于对应的该发电单元，将该发电单元的一输出电压转换为一第一交流电压；

一中频变压器，电连接于该至少一逆变单元，并将该第一交流电压升压为一第二交流电压；以及

一整流装置，电连接于该中频变压器及该直流电网，对该第二交流电压进行整流并输出一直流电压；以及

一主控制器，被配置为接收一上级控制命令，以基于该上级控制命令协调该至少一电力变换装置的电能转换操作。

2.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于，该整流装置包含多个桥臂，每一该桥臂具有一节点，该节点电连接于该中频变压器并将该桥臂分为两个支路，每一该支路由多个整流元件串联构成。

3.如权利要求1或2所述的电力变换系统，其特征在于，该中频变压器包含多个低压绕组和一个高压绕组，每一该低压绕组电连接于对应的该逆变单元。

4.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于，于任一该电力变换装置中，该逆变单元依据该中频变压器的一工作频率将对应的该发电单元的该输出电压转换为该第一交流电压，且该第一交流电压的频率等于该工作频率。

5.如权利要求4所述的电力变换系统，其特征在于，于至少一个该电力变换装置中，该发电单元为风力发电单元；每一该逆变单元包含一第一控制电路，其中该第一控制电路依据该工作频率及该逆变单元的多个电信号而产生一开关信号，并通过该开关信号控制该逆变单元的转换操作。

6.如权利要求5所述的电力变换系统，其特征在于，该第一控制电路包含：

一计算器，依据该工作频率产生一角度信号；

一坐标变换器，依据该逆变单元的交流端口的一三相电流量及该角度信号产生一有功电流及一无功电流；

一电压调节器，采样一直流母线的一直流母线电压，依据该直流母线电压及其指令值产生一有功电流指令；

一电流调节器，依据该有功电流指令、一无功电流指令、该有功电流、该无功电流及该角度信号产生一电势；以及

一PWM调制器，依据该电势产生该开关信号，其中该第一控制电路通过该开关信号控制该逆变单元的运行。

7.如权利要求5所述的电力变换系统，其特征在于，该风力发电单元的该输出电压为小于1KV的低压或大于1KV的高压，该逆变单元对应为低压逆变单元或高压逆变单元。

8.如权利要求4所述的电力变换系统，其特征在于，于至少一个该电力变换装置中，该发电单元为光伏发电单元，每一该逆变单元包含一第二控制电路，其中该第二控制电路依据该工作频率及该逆变单元的多个电信号而产生一开关信号，并通过该开关信号控制该逆变单元的转换操作。

9.如权利要求8所述的电力变换系统，其特征在于，该第二控制电路包含：

一计算器，依据该工作频率产生一角度信号；

一坐标变换器，依据该逆变单元的交流端口的一三相电流量及角度信号产生一有功电流及一无功电流；

一MPPT控制器，依据该光伏发电单元的该输出电压及一输出电流获取一输出电压指令；

一电压调节器，依据该光伏发电单元的该输出电压及该输出电压指令产生一有功电流指令；

一电流调节器，依据该有功电流指令、一无功电流指令、该有功电流、该无功电流及该角度信号产生一电势；以及

一PWM调制器，依据该电势产生该开关信号，其中该第二控制电路通过该开关信号控制该逆变单元的运行。

10.如权利要求4所述的电力变换系统，其特征在于，至少一个该电力变换装置包括一第一电力变换装置及一第二电力变换装置，并联耦接于该直流电网；于该第一电力变换装置中，该发电单元为风力发电单元；于该第二电力变换装置中，该发电单元为光伏发电单元。

11.如权利要求5、8及10中任一项所述的电力变换系统，其特征在于，所述电力变换系统还包含一储能装置，其中该储能装置与该电力变换装置并联耦接于该直流电网，该储能装置包含多个储能单元，每一该储能单元包含相连接的一储能元件及一直流变换器，多个该直流变换器串联连接形成一直流输出端口耦接至该直流电网。

12.如权利要求11所述的电力变换系统，其特征在于，该主控制器接收该多个储能元件的荷电状态，并基于该上级控制命令及该荷电状态产生该多个直流变换器的功率指令。

13.如权利要求12所述的电力变换系统，其特征在于，该储能单元还包含一第三控制电路，其中该第三控制电路包含：

一计算器，依据该储能元件的一电流及一电压计算获得该储能元件的一功率；

一功率调节器，依据该功率及一功率指令产生一电流指令；

一电流调节器，依据该电流指令及该电流产生一电势；以及

一PWM调制器，依据该电势产生一开关信号，其中该第三控制电路通过该开关信号控制该直流变换器的运行。

14.如权利要求11所述的电力变换系统，其特征在于，该主控制器被配置为控制该至少一个电力变换装置的输出功率为一固定值；或该主控制器被配置为控制该至少一个电力变换装置的输出功率及该储能装置的输出功率之和为该固定值。

15.一种电力变换方法，适用于一电力变换系统，其中该电力变换系统耦接于一直流电网并包含至少一电力变换装置及一主控制器，该至少一电力变换装置并联耦接于该直流电网，每一该电力变换装置包含至少一发电单元、至少一逆变单元、一中频变压器及一整流装置，其特征在于，该电力变换方法包含：

(a)利用该逆变单元将对应的该发电单元的一输出电压转换为一第一交流电压；

(b)利用该中频变压器将该第一交流电压升压为一第二交流电压；

(c)利用该整流装置对该第二交流电压进行整流并产生一直流电压；以及

(d)利用该主控制器接收一上级控制命令，并基于该上级控制命令协调该至少一电力变换装置的电能转换操作。

16.如权利要求15所述的电力变换方法，其特征在于，于该步骤(a)中，该逆变单元是依据该中频变压器的一工作频率将对应的该发电单元的该输出电压转换为该第一交流电压，其中该第一交流电压的频率等于该工作频率。

17.如权利要求16所述的电力变换方法，其特征在于，至少一个该电力变换装置的该发电单元为风力发电单元，该电力变换方法还包含步骤：

(e1)依据该工作频率产生一角度信号；

(e2)依据该风力发电单元所对应的该逆变单元的交流端口的一三相电流量及该角度信号产生一有功电流及一无功电流；

(e3)采样一直流母线的一直流母线电压，依据该直流母线电压及其指令值产生一有功电流指令；

(e4)依据该有功电流指令、一无功电流指令、该有功电流、该无功电流及该角度信号产生一电势；以及

(e5)依据该电势产生一开关信号，并通过该开关信号控制该风力发电单元所对应的该逆变单元的运行。

18.如权利要求16所述的电力变换方法，其特征在于，至少一个该电力变换装置的该发电单元为光伏发电单元，该电力变换方法还包含步骤：

(f1)依据该工作频率产生一角度信号；

(f2)依据该光伏发电单元所对应的该逆变单元的交流端口的一三相电流量及该角度信号计算一有功电流及一无功电流；

(f3)依据该光伏发电单元的该输出电压及一输出电流获取一输出电压指令；

(f4)依据该光伏发电单元的该输出电压及该输出电压指令产生一有功电流指令；

(f5)依据该有功电流指令、一无功电流指令、该有功电流、该无功电流及该角度信号产生一电势；以及

(f6)依据该电势产生一开关信号，并通过该开关信号控制该光伏发电单元所对应的该逆变单元的运行。

19.如权利要求15-18中任一项所述的电力变换方法，其中该电力变换系统还包含一储能装置，该储能装置与该至少一电力变换装置并联耦接于该直流电网，该储能装置包含多个储能单元，每一该储能单元包含相连接的一储能元件及一直流变换器，多个该直流变换器串联连接形成一直流输出端口以耦接至该直流电网。

20.如权利要求19所述的电力变换方法，其特征在于，所述电力变换方法还包含步骤：利用该主控制器接收该多个储能元件的荷电状态，并基于该上级控制命令及该荷电状态产生该多个直流变换器的功率指令。

21.如权利要求19所述的电力变换方法，其特征在于，所述电力变换方法还包含步骤：

(g1)依据该储能元件的一电流及一电压计算获得该储能元件的一功率；

(g2)依据该功率及一功率指令产生一电流指令；

(g3)依据该电流指令及该电流产生一电势；以及

(g4)依据该电势产生一开关信号，并通过该开关信号控制该直流变换器的运行。

22.如权利要求19所述的电力变换方法，其特征在于，所述电力变换方法还包含步骤：利用主控制器控制该至少一电力变换装置的输出功率为一固定值，或利用该主控制器控制该至少一电力变换装置的输出功率及该储能装置的输出功率之和为该固定值。

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