CN113949100A - 一种将可再生能源和储能技术整合到电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，该等效电路包括两个直流输入源，六个变换器分别为两个输入源升压变换器、两个用于储能单元充放电buck‑boost变换器和两个用于将直流/交流电源转换到网络中的级联的H桥逆变器，以及连接在逆变器后的LCL滤波电路。该设计包括混合存储单元，可在非高峰时段存储大量能源，以供未来使用，并改善电力质量和可靠性问题，在化石能源短缺的今天，应用前景较为广泛。

Description

一种将可再生能源和储能技术整合到电网的方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种利用多电平逆变器将可再生能源和储能技术整合到电网的方法。
技术背景
在全球范围内，电力需求持续上升，超出了发电能力。这种能量主要来自传统能源，如核能、热能等，伴随巨大的逆境而来。然而，这些资源并非在全球各地都存在。它们是有限的，要产生大容量的电力，就需要更多的资源。此外，诸如生产成本、维护成本、环境污染和其他相关的冲击等综合因素也促使电力工程师进行探索。然而，主要来自自然资源、可以自然补充的可再生能源，除了可怕的环境不利之外，作为遏制全球电力渴求的可行替代，也具有渗透性。这些能源在全球各地都有，而且生产成本很低。更重要的是，由于天气条件的变化，这些来源的电力在本质上是间歇性的。为了克服这一问题，储能系统被纳入可再生能源集成中，不仅可以存储多余的电力供未来使用，还可以缓解谐波、电压和电流波动等电力质量问题。
发明内容
为了应对化石能源的短缺以及更高的可再生能源利用率，本设计提供一种一种利用多电平逆变器将可再生能源和储能技术整合到电网中的方法，具体如下：
一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于：等效电路包括两个直流输入源，六个变换器分别为两个升压变换器、两个双向储能变换器以及级联H桥逆变器；逆变器与电网之间采用LCL滤波器。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的直流输入源由可再生能源如风能、太阳能、地热能、生物质能等提供。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的输入源升压变换器包括升压电感Lboost、二极管Dboost、电容Cboost以及开关管Sboost；所述的Lboost连接在直流源正极性端，通过的电流IL分流分别流入二极管Dboost和开关管Sboost；开关管Sboost单独构成一条支路；电容Cboost并联在负载两端单独构成一条支路。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器包括电感L bidirection、两个开关管Scharge、Sdischarge以及一个能蓄电池；所述的电感连接在能蓄电池的正极性端和两个开关管的d极；开关管Scharge、Sdischarge反向并联在级联H桥两端。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器有三种工作状态，分别为充电状态、放电状态和稳定状态。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的级联H桥逆变器由八个开关管S11、S21、S31、S41、S12、S22、S32、S42组成，实现九电平输出；其中S11和S31构成第一条支路;S21和S42构成第二条支路，与第一条支路构成一个模块；S12和S32构成第三条支路；S22和S42构成第四条之路，与第三条之路构成另一模块；两模块右端级联在电网上；左端输入电压来自升压变换器或能蓄电池经过双向储能变换器产生能电能。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的LCL滤波器由L1、C1、L2和L3、C2、L4组成，所述的L1与C1并联后与L2串联；所述的L3与C2并联后与L4串联。
优选的，所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于升压变换器将控制和稳定来自可再生能源的直流电源；级联H桥多电平逆变器和DC/DC双向逆变器管理可再生能源、储能单元和电网之间的电力；当可再生能源有更多可用能源时，buck-boost转换器将向储能单元充电以供未来使用。
优选的，所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于存储单元中存储的能量必须通过buck-boost变换器和多电平逆变器提供给电网，这意味着DC/DC降压升压变换器必须能够双向传导，以便对储能单元进行充放电。
优选的，所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所用的LCL滤波器具有更优的高频谐波衰减性，滤波效果更佳。
本发明有以下有益效果：在此等效电路中，设计了一种三元非对称输入级联H桥多电平逆变器。该设计包括混合存储单元，可在非高峰时段存储大量能源，以供未来使用，并改善电力质量和可靠性问题，实现谐波缓解，对能源利用率的提高具有重要意义。
附图说明
图1为一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法的等效电路图。
图2为能量存储器充电时的等效电路图。
图3为能量存储器放电时的等效电路图。
图4为能量存储器稳态时的等效电路图。
图5为输出电压为+4Eboost时的电路等效图。
图6为输出电压为+3Eboost时的电路等效图。
图7为输出电压为+2Eboost时的电路等效图。
图8为输出电压为+Eboost时的电路等效图。
图9为输出电压为0时的电路等效图。
图10为输出电压为0时的电路等效图。
图11为输出电压为0时的电路等效图。
图12为输出电压为0时的电路等效图。
图13为输出电压为-Eboost时的电路等效图。
图14为输出电压为-2Eboost时的电路等效图。
图15为输出电压为-3Eboost时的电路等效图。
图16为输出电压为-4Eboost时的电路等效图。
具体实施方式
下面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除、完整地描述，应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性。
本发明提供了一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于：等效电路包括两个直流输入源，六个变换器分别为两个升压变换器、两个双向储能变换器以及级联H桥变换器，变换器与电网之间采用LCL滤波器；等效电路如图1所示。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的直流输入源由可再生能源如风能、太阳能、地热能、生物质能等提供。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的输入源升压变换器包括升压电感Lboost、二极管Dboost、电容Cboost以及开关管Sboost；所述的Lboost连接在直流源正极性端，通过的电流IL分流分别流入二极管Dboost和开关管Sboost；开关管Sboost单独构成一条支路；电容Cboost并联在负载两端单独构成一条支路。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器包括电感L bidirection、两个开关管Scharge、Sdischarge以及一个能蓄电池；所述的电感连接在能蓄电池的正极性端和两个开关管的d极；开关管Scharge、Sdischarge反向并联在级联H桥两端。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器有三种工作状态，分别为充电状态、放电状态和稳定状态，对应状态的等效电路图如图2、3、4所示。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的级联H桥逆变器由八个开关管S11、S21、S31、S41、S12、S22、S32、S42组成；其中S11和S31构成第一条支路;S21和S42构成第二条支路，与第一条支路构成一个模块；S12和S32构成第三条支路；S22和S42构成第四条之路，与第三条之路构成另一模块；两模块右端级联在电网上；左端输入电压来自升压变换器或能蓄电池经过双向储能变换器产生能电能。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的级联H桥逆变器由两个独立的H桥逆变器串联而成，实现九电平输出。逆变器由非对称三输入源提供，首先由升压变换器进行升压。逆变器的输入端有Esource和3Esource；当输出为+4Eboost时，开关S11S41S12S42闭合，其它开关断开，其等效电路图如图5所示；当输出为+3Eboost时，开关S11S21S12S42闭合，其它开关断开，其等效电路图如图6所示；当输出为+2Eboost时，开关S11S31S12S42闭合，其它开关断开，其等效电路图如图7所示；当输出为+Eboost时，开关S11S41S12S22闭合，其它开关断开，其等效电路图如图8所示；当输出为0时，开关S31S41S12S22闭合，其它开关断开或开关S31S41S32S42闭合或开关S11S21S12S22闭合，其它开关断开，或开关S11S21S32S42闭合，其它开关断开；或开关S31S41S32S42闭合，其它开关断开，其等效电路图如图9、10、11、12所示；当输出为-Eboost时，开关S21S31S12S22闭合，其它开关断开，其等效电路图如图13所示；当输出为-2Eboost时，开关S11S41S22S32闭合，其它开关断开，其等效电路图如图14所示；当输出为-3Eboost时，开关S11S21S22S32闭合，其它开关断开，其等效电路图如图15所示；当输出为-4Eboost时，开关S21S31S22S32闭合，其它开关断开，其等效电路图如图16所示。
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的升压变换器由以下参数组成：输入电压Esource、输出电压Eboost、输入功率Pinput、电感Lboost、电容Cboost、开关频率fsw、开关周期Tsw和工作周期D。这些参数的值是根据以下假设/类比计算的：
升压变换器的输入电流为:
Figure 603096DEST_PATH_IMAGE001
升压变换器的纹波电流为:
Figure 485601DEST_PATH_IMAGE002
式中D为连续导通模式的占空比，由:
Figure 526500DEST_PATH_IMAGE003
这个纹波电流也可以由下式给出：
Figure 469049DEST_PATH_IMAGE004
其中:
Figure 906983DEST_PATH_IMAGE005
Figure 999704DEST_PATH_IMAGE006
所以
Figure 924804DEST_PATH_IMAGE007
这意味着电感应该能够处理最大的开关电流而不饱和；
此外，升压变换器电容用升压变换器输出电压的1.2%计算:
Figure 38253DEST_PATH_IMAGE008
其中vpp是升压变换器输出的峰值电压纹波，Tsw为开关频率
Figure 635588DEST_PATH_IMAGE009
根据所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的DC-DC储能双向变换器有三个运行阶段:充电阶段、放电阶段和待机阶段。在充电阶段，元件Scharge和L bidirection导通作为降压转换器工作；在放电阶段，Sdischarge和Lbidirection导通作为升压变换器工作；在这两种情况下, L bidirection始终导通保持变频器在连续电流模式下运行。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于：等效电路包括两个直流输入源，六个变换器分别为两个升压变换器、两个双向储能变换器以及级联H桥逆变器，逆变器与电网之间采用LCL滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的直流输入源由可再生能源如风能、太阳能、地热能、生物质能等提供。
3.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的输入源升压变换器包括升压电感Lboost、二极管Dboost、电容Cboost以及开关管Sboost；所述的Lboost连接在直流源正极性端，通过的电流IL分流分别流入二极管Dboost和开关管Sboost；开关管Sboost单独构成一条支路；电容Cboost并联在负载两端单独构成一条支路。
4.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器包括电感L bidirection、两个开关管Scharge、Sdischarge以及一个能蓄电池；所述的电感连接在能蓄电池的正极性端和两个开关管的d极；开关管Scharge、Sdischarge反向并联在级联H桥两端。
5.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的双向储能变换器有三种工作状态，分别为充电状态、放电状态和稳定状态。
6.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的级联H桥逆变器由八个开关管S11、S21、S31、S41、S12、S22、S32、S42组成，实现九电平输出；其中S11和S31构成第一条支路;S21和S42构成第二条支路，与第一条支路构成一个模块；S12和S32构成第三条支路；S22和S42构成第四条之路，与第三条之路构成另一模块；两模块右端级联在电网上；左端输入电压来自升压变换器或能蓄电池经过双向储能变换器产生能电能。
7.根据权利要求1所述的一种利用多电平逆变器将不同类型的可再生能源和存储技术集成到电网中的方法，其特征在于所述的LCL滤波器由L1、C1、L2和L3、C2、L4组成，所述的L1与C1并联后与L2串联；所述的L3与C2并联后与L4串联。
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