CN112104306B - 一种混合型柔性合环装置及光储共享接口控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合型柔性合环装置及光储共享接口控制方法,包括两台电压源型变换器、交流断路器和直流开关,两台电压源型变换器的交流侧分别通过交流断路器连接两个不同的交流系统,两台电压源型变换器的交流侧之间还跨接有隔离开关;电压源型变换器的直流侧包括两个电容以及五个开关,两台电压源型变换器作为光伏系统和储能系统的交流接口变换设备的同时补偿交流电网功率。本发明采用一套设备共享接口完成对多个分布式能源的及时且精准的控制,可满足不同应用场景下,光伏与配电变压器、光伏与储能、储能与配电变压器以及配电变压器之间的功率、能量交互需求,有效降低了接口变换器的投入成本,提升了系统整体的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式能源并网控制技术,尤其涉及一种混合型柔性合环装置及光储共享接口控制方法。
背景技术
近年来,光伏、储能在中低压配网中的增长速度较快。光伏是清洁可再生能源,是缓解配网负荷快速增长带来的供电短缺的重要手段。储能是配网能量管理的重要手段,利用储能的可有效管理因分布式光伏出力的波动性引起的配网潮流、电压的频繁波动;具备削峰填谷的功能,抑制负荷高峰期引起的配网功率阻塞现象,优化配网的潮流,实现配网能量的优化调度,提升了配网运行的经济性、可靠性。
光伏、储能接入配网需要经过DC-AC接口变换器。而光伏的工作特性为白天工作,夜间退出运行;储能仅在用电低谷期充电,在用电峰值期放电。由此可见,储能和光伏正常运行时均具有相当长的时段处于不运行状态,影响了设备的利用小时数,降低了设备的投入的性价比。为此,有研究者提出了光伏型无功补偿器,光伏在夜间作为无功补偿器;但夜间处于用电低谷期,配网对无功补偿的需求并不大。同时,光伏、储能系统的并网控制通常采用各个系统独立中心分别控制的方式,通过设置更高级别的控制中心来协调多种分布式能源的电力,造成电力设备的浪费,控制效率低且涉及到一些预估数据使控制效果不尽人意。
发明内容
发明目的:本发明提出一种混合型柔性合环装置及光储共享接口控制方法,能够提升光伏、储能接口变换设备利用小时数,降低设备体积及投入成本,综合提升了设备的运行效率。
技术方案:本发明所采用的技术方案是一种混合型柔性合环装置,该装置包括两台电压源型变换器、交流断路器和直流开关,两台电压源型变换器的交流侧分别通过交流断路器连接两个不同的交流系统,两台电压源型变换器的交流侧之间还跨接有隔离开关;电压源型变换器的直流侧包括两个电容以及五个开关,两个电容分别跨接在两个电压源型变换器的直流端,所述两个电容的正极之间设第一开关,第一电容正极与光伏汇集母线之间设第二开关,第二电容正极与光伏汇集母线之间设第三开关,第一电容正极与储能正极间设第四开关,第二电容正极与储能正极设第五开关;储能负极与第二电容负极相连;两台电压源型变换器作为光伏系统和储能系统的交流接口变换设备的同时补偿交流电网功率。
本发明还提出一种应用于上述混合型柔性合环装置的光储共享接口控制方法,通过所述混合型柔性合环装置内部的电压源型变换器自带控制器控制所述两台电压源型变换器、交流断路器和直流开关,完成光伏系统与交流系统之间、光伏系统与储能系统之间、储能系统与交流系统之间、三个系统之间的能量交互。
所述的光伏系统与交流系统之间的能量交互包括光伏系统发电并网且储能系统不工作,包括以下控制内容:第二开关和第三开关接通,第四开关和第五开关断开,第一开关接通;隔离开关断开,两个交流断路器均接通;其中一台电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出,另一台电压源型变换器工作在PQ控制模式,在MPPT控制周期内输出有功功率不变。
所述的三个系统之间的能量交互包括光伏系统发电并网且交流系统给储能系统充电,包括以下控制内容:第三开关和第四开关接通,第二开关和第五开关断开,第一开关断开;隔离开关断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出。
所述的三个系统之间的能量交互包括光伏系统发电且交流系统给储能系统充电,包括以下控制内容:第三开关和第四开关断开,第二开关和第五开关接通,第一开关断开;隔离开关断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出。
所述的三个系统之间的能量交互包括光伏系统发电且储能系统放电,包括以下控制内容:第三开关和第四开关接通,第二开关和第五开关断开,第一开关断开;交流侧开关状态:隔离开关断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出。
所述的光伏系统与储能系统之间的能量交互包括交流系统之一故障时光伏系统为储能系统充电,包括以下控制内容:第三开关和第四开关接通,第二开关和第五开关断开,第一开关断开;隔离开关接通,故障的交流系统侧的交流断路器断开,另一交流断路器接通。
所述的光伏系统与储能系统之间的能量交互包括两个交流系统均故障时光伏系统为储能系统充电,包括以下控制内容:第一开关、第二开关和第五开关断开,第三开关和第四开关接通;隔离开关接通,两个故障交流系统侧的交流断路器均断开;两台电压源型变换器均保持闭锁状态。
所述的储能系统与交流系统之间的能量交互包括储能系统充放电且光伏系统不工作,包括以下控制内容:第四开关和第五开关接通,第二开关和第三开关断开;第一开关接通;隔离开关断开,两个交流断路器均接通。
有益效果:相比于现有技术,本发明提出的混合型柔性合环装置及光储共享接口控制方法,采用一套设备共享接口完成对多个分布式能源的及时且精准的控制,可满足不同应用场景下,光伏与配电变压器、光伏与储能、储能与配电变压器以及配电变压器之间的功率、能量交互需求,有效降低了接口变换器的投入成本,提升了系统整体的运行效率。
附图说明
图1是本发明所述的混合型柔性合环装置结构示意图;
图2是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式1下的电路图;
图3是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式2下的电路图;
图4是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式2下两个交流系统输出功率存在严重不均衡情形时的电路图;
图5是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式3下某一交流系统故障时的电路图;
图6是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式3下两个交流系统均故障时的电路图;
图7是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式4下的电路图;
图8是本发明所述的混合型柔性合环装置在运行模式5下的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的混合型柔性合环装置,包括接口变换设备、交流机械开关和直流机械开关,该装置结构示意图如图1所示。混合柔性合环装置包括两台电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC),两台电压源型变换器VSC1、VSC2分别连接两个不同的交流系统,两台电压源型变换器作为光伏、储能的交流接口变换设备。交流输出侧由两台交流断路器、一台机械隔离开关组成,两台交流断路器AK1、AK2分别接入两台电压源型变换器VSC1、VSC2的输出侧,机械隔离开关GL两端分别跨接到两台电压源型变换器VSC1、VSC2的输出侧。直流侧包含两电容:第一电容C1、第二电容C2,以及五个开关:第一开关DC0、第二开关DP1、第三开关DP2、第四开关DS1和第五开关DS2。其中第一开关DC0连接在第一电容C1、第二电容C2正极之间,第二开关DP1连接第一电容C1正极与光伏汇集母线,第三开关DP2连接第二电容C2正极与光伏汇集母线,第四开关DS1连接第一电容C1正极与储能正极,第五开关DS2连接第二电容C2正极与储能正极。
应用于上述混合型柔性合环装置,本发明提出光储共享接口控制方法,通过装置内部的电压源型变换器VSC本身自带控制器完成对交流机械开关和直流机械开关的控制,实现在不同应用场景下变换控制模式,满足各场景下光伏与配电变压器、光伏与储能、储能与配电变压器以及配电变压器之间的功率、能量交互需求。
运行模式1:光伏发电且电池不工作
当光伏系统输出功率正常且蓄电池荷电状态良好、交流系统无故障时,例如在白天阳光充足的场景中,控制直流侧开关DP1=DP2=1,DS1=DS2=0,DC0=1;交流侧开关GL=0,AK1=AK2=1。需要指出的是DP1=1,表征开关DP1闭合;DS1=0,表征DS1处于断开状态。在该运行模式下,光伏发电上网且电池不工作,混合型柔性合环装置的等效运行电路如图2所示。电压源型变换器VSC1工作在PQ控制模式,其输出有功功率为PVSC1,电压源型变换器VSC2工作在MPPT控制模式,输出有功功率为PVSC2。
输出功率满足:
PVSC2=PPV-PVSC1
其中PPV为光伏输出功率,即:
PPV=Vbus(IPV1+IPV2)
电压源型变换器VSC1的功率参考值来自于配电管理系统的调度指令,因此,在电压源型变换器VSC2的MPPT控制周期内,电压源型变换器VSC1输出有功功率PVSC1大小保持不变。
光伏最大功率追踪算法包括恒定电压法、扰动观察法以及电导量法,本发明可采用上述控制算法,通过灵活控制电压源型变换器VSC2输出功率实现光伏最大功率输出。
运行模式2:光伏发电且交流电网给电池充电
当光伏系统输出功率正常且交流系统无故障时,如果判断蓄电池荷电状态不良,控制直流侧开关状态:DS1=1,DS2=0;DP1=0,DP2=1;DC0=0;交流侧开关状态:AK1=AK2=1;GL=0。此时混合型柔性合环装置的等效运行电路如图3所示,即储能经电压源型变换器VSC1与其相连的交流系统T1连接,光伏电池板经电压源型变换器VSC2与交流系统T2连接。在该运行模式下,光伏板发电向其中交流系统T2并网,电压源型变换器VSC2采用MPPT模式;且交流电网T1给储能电池充电,电压源型变换器VSC1用于交直流转换。
该情形下变压器T1、T2输出功率存在严重的不均衡情形。如果变压器T1输出功率远大于T2的输出功率,基于上述电路结构,储能经VSC1从变压器T1吸收大小可控的功率,光伏经电压源型变换器VSC2向变压器T2注入一定大小的功率,从而有效解决了变压器T1、T2输出功率不均衡的情形。
若变压器T1、T2输出功率存在严重的不均衡情形,且变压器T2输出功率远大于T1的输出功率。则控制直流侧开关状态:DS1=0,DS2=1;DP1=1,DP2=0;DC0=0;交流侧开关状态:AK1=AK2=1;GL=0。此时混合型柔性合环装置的等效运行电路如图4所示,即储能经电压源型变换器VSC2与T2连接,光伏经电压源型变换器VSC1与变压器T1连接。在该运行模式下,光伏板发电向其中交流系统T1并网,电压源型变换器VSC1采用MPPT模式;且交流电网T2给储能电池充电,电压源型变换器VSC2用于交直流转换。基于上述电路结构,储能经电压源型变换器VSC2从变压器T2吸收大小可控的功率,光伏经电压源型变换器VSC1向变压器T1注入一定大小的功率,从而有效解决了变压器T1、T2输出功率不均衡的情形。
运行模式3:光伏给电池充电
当光伏系统输出功率正常且交流系统发生故障时,光伏系统产生的电能存储至储能电池中。
当与混合型柔性合环装置连接的两侧交流系统其中之一发生故障时,控制直流侧开关状态:DS1=1,DS2=0;DP1=0,DP2=1;DC0=0;交流侧开关状态:AK1=GL=1;AK2=0。混合型柔性合环装置的等效运行电路如图5所示,即光伏电池经电压源型变换器VSC2、VSC1给储能充电。其中电压源型变换器VSC1、VSC2输出有功功率分别为PVSC1、PVSC2,若忽略VSC1、VSC2自身损耗,则有:
PVSC1+PT1=PVSC2
其中PT1为变压器T1向VSC1注入的有功功率。
则有:
PVSC1>PVSC2时,PT1<0,即混合型柔性合环装置向变压器T1注入有功功率。
PVSC1<VSC2时,PT1>0,即变压器T1向混合型柔性合环装置注入有功功率。
可见该结构下,混合型柔性合环装置可调节未发生故障的交流系统、光伏系统、储能系统的输出,实现交流系统、光伏系统、储能系统间的能量交互。
与混合型柔性合环装置连接的两交流系统均发生故障时,则故障瞬间,电压源型变换器VSC1、VSC2均保持低电压穿越模式,若交流系统发生的故障为永久性故障,则电压源型变换器VSC1、VSC2保持闭锁状态,进而断开交流开关AK1、AK2。并断开直流侧开关DC0、DP1,闭合储能侧开关DS1,即DC0=DP1=DS2=0,DS1=DP2=1。交流侧开关AK1=AK2=0;GL=1。混合型柔性合环装置的等效运行电路如图6所示。
运行模式4:光伏发电且电池放电
当白天用电高峰期间,变压器T1、T2输出功率较大,则光伏发电且电池放电,有效缓解用电高峰期间供电短缺现象,提高供电可靠性,降低线路损耗,提升配网运行经济性。直流侧开关状态:DS1=1,DS2=0;DP1=0,DP2=1;DC0=0;交流侧开关状态:AK1=AK2=1;GL=0。混合型柔性合环装置的等效运行电路如图7所示,即储能经电压源型变换器VSC1与变压器T1连接,并向变压器T1输出功率,光伏经电压源型变换器VSC2与变压器T2连接,电压源型变换器VSC2采用MPPT模式。
运行模式5:电池充放电且光伏不工作
夜间光伏退出运行,电池独立运行。控制直流侧开关状态:DS1=1,DS2=1;DP1=0,DP2=0;DC0=1;交流侧开关状态:AK1=AK2=1;GL=0。混合型柔性合环装置的等效运行电路如图8所示,即储能经电压源型变换器VSC1与变压器T1连接,并经电压源型变换器VSC2与变压器T2连接,通过灵活控制储能与变压器T1、变压器T2之间的交互功率,实现配电网的潮流优化控制。
Claims (6)
1.一种光储共享接口控制方法,其特征在于:应用于混合型柔性合环装置,该装置包括两台电压源型变换器、交流断路器和直流开关,两台电压源型变换器的交流侧分别通过交流断路器连接两个不同的交流系统,两台电压源型变换器的交流侧之间还跨接有隔离开关(GL);电压源型变换器的直流侧包括两个电容以及五个开关,两个电容分别跨接在两个电压源型变换器的直流端,所述两个电容的正极之间设第一开关(DC0),第一电容(C1)正极与光伏汇集母线之间设第二开关(DP1),第二电容(C2)正极与光伏汇集母线之间设第三开关(DP2),第一电容(C1)正极与储能正极间设第四开关(DS1),第二电容(C2)正极与储能正极设第五开关(DS2);储能负极与第二电容(C2)负极相连;两台电压源型变换器作为光伏系统和储能系统的交流接口变换设备的同时补偿交流电网功率,通过所述混合型柔性合环装置内部的电压源型变换器自带控制器控制所述两台电压源型变换器、交流断路器和直流开关,实现光伏系统与交流系统之间、光伏系统与储能系统之间、储能系统与交流系统之间、三个系统之间的能量交互;所述的三个系统之间的能量交互包括光伏系统发电并网且交流系统给储能系统充电,包括以下控制内容:第三开关(DP2)和第四开关(DS1)接通,第二开关(DP1)和第五开关(DS2)断开,第一开关(DC0)断开;隔离开关(GL)断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出;或者采用以下控制方法:第三开关(DP2)和第四开关(DS1)断开,第二开关(DP1)和第五开关(DS2)接通,第一开关(DC0)断开;隔离开关(GL)断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出。
2.根据权利要求1所述的光储共享接口控制方法,其特征在于:所述的光伏系统与交流系统之间的能量交互包括光伏系统发电并网且储能系统不工作,包括以下控制内容:第二开关(DP1)和第三开关(DP2)接通,第四开关(DS1)和第五开关(DS2)断开,第一开关(DC0)接通;隔离开关(GL)断开,两个交流断路器均接通;其中一台电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出,另一台电压源型变换器工作在PQ控制模式,在MPPT控制周期内输出有功功率不变。
3.根据权利要求1所述的光储共享接口控制方法,其特征在于:所述的三个系统之间的能量交互包括光伏系统发电且储能系统放电,包括以下控制内容:第三开关(DP2)和第四开关(DS1)接通,第二开关(DP1)和第五开关(DS2)断开,第一开关(DC0)断开;交流侧开关状态:隔离开关(GL)断开,两个交流断路器均接通;其中用于光伏电力上网的电压源型变换器采用MPPT算法实现光伏系统的最大功率输出。
4.根据权利要求1所述的光储共享接口控制方法,其特征在于:所述的光伏系统与储能系统之间的能量交互包括交流系统之一故障时光伏系统为储能系统充电,包括以下控制内容:第三开关(DP2)和第四开关(DS1)接通,第二开关(DP1)和第五开关(DS2)断开,第一开关(DC0)断开;隔离开关(GL)接通,故障的交流系统侧的交流断路器断开,另一交流断路器接通。
5.根据权利要求1所述的光储共享接口控制方法,其特征在于:所述的光伏系统与储能系统之间的能量交互包括两个交流系统均故障时光伏系统为储能系统充电,包括以下控制内容:第一开关(DC0)、第二开关(DP1)和第五开关(DS2)断开,第三开关(DP2)和第四开关(DS1)接通;隔离开关(GL)接通,两个故障交流系统侧的交流断路器均断开;两台电压源型变换器均保持闭锁状态。
6.根据权利要求1所述的光储共享接口控制方法,其特征在于:所述的储能系统与交流系统之间的能量交互包括储能系统充放电且光伏系统不工作,包括以下控制内容:第四开关(DS1)和第五开关(DS2)接通,第二开关(DP1)和第三开关(DP2)断开;第一开关(DC0)接通;隔离开关(GL)断开,两个交流断路器均接通。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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