CN114204601B - 一种同步并网的风-光-储混合发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开属于新能源发电技术领域，提供了一种同步并网的风‑光‑储混合发电系统及其工作方法，包括风力发电装置以及分别与风力发电装置电连接的第一电力电子换流器和第二电力电子换流器；光伏发电模块，包括光伏发电装置以及分别与光伏发电装置电连接的第三电力电子换流器和第四电力电子换流器；储能模块，包括电连接的储能装置和第五电力电子换流器，储能装置还分别与第二电力电子换流器和第四电力电子换流器电连接；并网模块，其一端与第一电力电子换流器、第三电力电子换流器和第五电力电子换流器电连接，另一端连接电网；监控模块，分别与风力发电模块、光伏发电模块、储能模块和并网模块电连接。

Description

一种同步并网的风-光-储混合发电系统及其工作方法
技术领域
本公开属于新能源发电技术领域，具体涉及一种同步并网的风-光-储混合发电系统及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
能源转型推动以风电、光伏为代表的可再生能源接入电网，并替代传统的火电机组，导致电网有功功率控制难度增加，频率稳定控制面临较大的挑战。首先，风电、光伏具有内在的波动性，发电出力受一次侧风速和太阳辐射强度的影响。其次，风电、光伏大多运行于最大功率追踪模式，不具有有功功率备用，且内部旋转器件储存机械能不足，难以有效地参与电网有功功率响应。风电、光伏大多采用电力电子器件并网，不参与惯量响应和一次调频，且具有弱抗扰性，扰动事故后易发生大规模连锁脱网，频率稳定控制面临严峻的挑战。在这样的大背景下，改进风力发电系统和光伏发电系统的性能，提升其电网友好性，成为了新能源发电领域亟待解决的问题。
目前，利用风电和光伏发电出力的互补性，将二者协同配置，构建风-光混合发电系统，能够在一定程度上平抑出力波动。在风-光混合发电系统中配置储能，形成风-光-储混合发电系统能够进一步抑制出力波动，并增强系统内部的有功功率储备。利用合理的控制策略，能够通过风-光-储混合发电系统的电力电子并网器件来模拟同步机组的有功功率响应。但是，风-光-储混合发电系统内部转动惯量主要依靠风力机和异步发电机存储，相对较小，且电力电子并网器件弱抗扰性问题突出，扰动事故后，风-光-储混合发电系统易发生连锁脱网，不仅不能为电网提供有效地有功功率支撑，反而会加重事故的严重程度。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种同步并网的风-光-储混合发电系统及其工作方法，在利用风电和光伏发电互补性平抑出力波动的基础上，利用储能装置进一步抑制出力波动；通过配置储能装置和旋转器件增加发电系统内部有功功率储备，增强其在扰动事故后为大电网提供有功功率支撑的能力；采用同步化的并网方式，能够较好地参与惯量响应和一次调频控制，且抗扰性强，减少连锁脱网的发生，实现风-光-储混合发电系统的同步化并网。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种同步并网的风-光-储混合发电系统，采用如下技术方案：
一种同步并网的风-光-储混合发电系统，包括：
风力发电模块，包括风力发电装置以及分别与所述风力发电装置电连接的第一电力电子换流器和第二电力电子换流器；
光伏发电模块，包括光伏发电装置以及分别与所述光伏发电装置电连接的第三电力电子换流器和第四电力电子换流器；
储能模块，包括电连接的储能装置和第五电力电子换流器，所述储能装置还分别与所述第二电力电子换流器和所述第四电力电子换流器电连接；
并网模块，其一端与所述第一电力电子换流器、所述第三电力电子换流器和所述第五电力电子换流器电连接，另一端连接电网；
监控装置，分别与所述风力发电模块、所述光伏发电模块、所述储能模块和所述并网模块电连接，用于设置所述风力发电模块、所述光伏发电模块和所述储能模块的控制参数，通过判断发电上网功率、风力发电装置的发电功率和光伏发电装置的发电功率之间的逻辑关系，调整储能单元的工作状态，进行风-光-储混合发电系统的同步并网。
作为进一步的技术限定，所述风力发电装置包括依次连接的风力机、变速箱和异步发电机。
作为进一步的技术限定，所述并网模块包括电连接的直流电动机和同步发电装置，所述同步发电装置包括电连接的同步发电机和励磁单元。
进一步的，所述监控装置包括监测模块、显示模块，以及分别与所述监测模块和所述显示模块相连接的控制模块。
进一步的，所述控制模块分别与所述风力发电装置、所述第一电力电子换流器、所述第二电力电子换流器、所述光伏发电装置、所述第三电力电子换流器、所述第四电力电子换流器和所述第五电力电子换流器电连接；所述监测模块分别与所述风力发电装置、所述第一电力电子换流器、所述第二电力电子换流器、所述光伏发电装置、所述第三电力电子换流器、所述第四电力电子换流器、所述第五电力电子换流器、所述储能单元、所述直流电动机、所述同步发电机和所述励磁单元电连接。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，采用了第一方案中所提供的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，采用如下的技术方案：
一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，包括以下步骤：
获取风力发电装置的发电功率、光伏发电装置的发电功率和电网上网功率；
结合风-光-储混合发电系统的控制参数，得到储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率；
分别判断电网上网功率与所述储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间的大小关系，得到储能装置所处的工作状态，进行光-储混合发电系统的同步并网。
作为进一步的技术限定，获取风力发电装置的发电功率、光伏发电装置的发电功率，及调度中心指定的电网上网功率，通过所获取的三个功率计算储能装置的运行功率。
作为进一步的技术限定，所述风-光-储混合发电系统的控制参数包括由风力发电装置到同步发电装置的能量传递系数cw、由光伏发电装置到同步发电装置的能量传递系数cs、由储能装置到同步发电装置的能量传递系数cb、由同步发电装置到电网的能量转换效率ct、由风力发电装置到储能装置的能量传递系数cc和由光伏发电装置到储能装置的能量传递系数ca。
作为进一步的技术限定，所述储能装置的第一充电启动功率通过风力发电装置的发电功率、由风力发电装置到同步发电装置的能量传递效率和由同步发电装置到电网的能量转换效率所决定；所述储能装置的第二充电启动功率通过风力发电装置的发电功率、由风力发电装置到同步发电装置的能量传递效率、由同步发电装置到电网的能量转换效率、光伏发电装置的发电功率和由光伏发电装置到同步发电装置的能量传递效率所决定。
作为进一步的技术限定，当电网上网功率不大于储能装置的第一充电启动功率时，风力发电装置经第二电力电子换流器以及光伏发电装置经第四电力电子换流器同时向储能装置充电，储能装置处于充电状态，受电网上网功率的影响，光伏发电装置不为直流电动机提供电能，直流电动机只接收风力发电装置经第一电力电子换流器所提供的电能；
当电网上网功率处于储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间时，光伏发电装置经第四电力电子换流器向储能装置充电，储能装置处于充电状态，受电网上网功率的影响，风力发电装置不为储能装置提供电能，直流电动机同时接收风力发电装置经第一电力电子换流器以及光伏发电装置经第三电力电子换流器所提供的电能；
当电网上网功率大于储能装置的第二充电启动功率时，受电网上网功率的影响，储能装置处于放电状态，直流电动机同时接收风力发电装置经第一电力电子换流器、光伏发电装置经第三电力电子换流器以及储能装置经第五电力电子换流器所提供的电能。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开作为新能源发电系统，能够实现风-光-储混合发电系统的同步化并网，在利用风电和光伏发电互补性平抑出力波动的基础上，利用储能装置进一步抑制出力波动；能够通过配置储能装置和旋转器件增加发电系统内部有功功率储备，增强其在扰动事故后为大电网提供有功功率支撑的能力；采用同步化的并网方式，能够较好地参与惯量响应和一次调频控制，且抗扰性强，减少连锁脱网的发生。
2.本公开安装简单，方便应用于对现有新能源发电系统的升级改造，适于大量推广；本公开中所提供的等效惯量和有功功率备用可以在一定程度上替代电网中火电机组的惯量和备用，减少火电机组开机数量，具有一定的经济效益。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的同步并网的风-光-储混合发电系统的结构示意图；
图2是本公开实施例二中的同步并网的风-光-储混合发电方法的能量转换过程示意图；
图3是本公开实施例二中的储能装置运行功率调整过程的流程图；
图4是本公开实施例二中的同步发电装置接收功率判断过程的流程图；
图5是本公开实施例二中的同步并网的风-光-储混合发电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一提供了一种同步并网的风-光-储混合发电系统。
如图1所示的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，包括风力发电装置、光伏发电装置、第一电力电子换流器、第二电力电子换流器、第三电力电子换流器、第四电力电子换流器、第五电力电子换流器、储能装置、同步发电装置和监控装置。
具体的，所述风力发电装置包括风力机、变速箱和异步发电机；所述光伏发电装置包括光伏电池板；所述同步发电装置包括直流电动机、同步发电机和励磁模块；所述监控装置包括监测模块、控制模块和显示模块。
所述风力发电装置与第一电力电子换流器和第二电力电子换流器相连接；所述风力机、变速箱和异步发电机依次连接；所述光伏发电装置与第三电力电子换流器和第四电力电子换流器相连接；所述第一电力电子换流器与同步发电装置相连接；所述第二电力电子换流器与储能装置相连接；所述第三电力电子换流器与同步发电装置相连接；所述第四电力电子换流器与储能装置相连接；所述储能装置两端分别与第二电力电子换流器、第四电力电子换流器和第五电力电子换流器相连接；所述第五电力电子换流器与同步发电装置相连接；所述同步发电装置两端分别与第一电力电子换流器、第二电力电子换流器、第五电力电子换流器和电网相连接；所述监控装置与风力发电装置、光伏发电装置、第一电力电子换流器、第二电力电子换流器、第三电力电子换流器、第四电力电子换流器、第五电力电子换流器、储能装置和同步发电装置相连接。
在本实施例中，风力发电装置能够将风能转换为交流电能；所述变速箱能够调节异步发电机转速；所述光伏发电装置能够将太阳能转换为直流电能；所述第一电力电子换流器能够将风力发电装置产生的交流电能转换为同步发电装置所需的直流电能；所述第二电力电子换流器能够将风力发电装置产生的交流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述第三电力电子换流器能够将光伏发电装置产生的直流电能转换为同步发电装置所需的直流电能；所述第四电力电子换流器能够将光伏发电装置产生的交流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述储能装置能够将第二电力电子换流器和第四电力电子换流器传输的直流电能转换为化学能进行存储，而且能够将内部存储的化学能转换为直流电能；所述第五电力电子换流器能够将储能装置释放的直流电能转换为同步发电装置所需的直流电能；所述同步发电装置能够将第一电力电子换流器、第三电力电子换流器和第五电力电子换流器传输的直流电能转换为交流电能，并传输给电网；所述励磁模块能够调节同步发电机的并网电压；所述监控装置能够监测并显示相关参数，而且能够进行相应控制。
实施例二
本公开实施例二提供了一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法。
一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，包括以下步骤：
获取风力发电装置的发电功率、光伏发电装置的发电功率和电网上网功率；
结合风-光-储混合发电系统的控制参数，得到储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率；
分别判断电网上网功率与所述储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间的大小关系，得到储能装置所处的工作状态，进行光-储混合发电系统的同步并网。
如图2所示，所述风力机将风能转换为机械能，并传输给异步发电机；所述异步发电机将机械能转换为交流电能；所述光伏电池板将太阳能转换为直流电能；所述第一电力电子换流器将异步发电机产生的交流电能转换为直流电动机所需的直流电能；所述第二电力电子换流器将异步发电机产生的交流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述第三电力电子换流器将光伏电池板产生的直流电能转换为直流电动机所需的直流电能；所述第四电力电子换流器将光伏电池板产生的直流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述储能装置将第二电力电子换流器和第四电力电子换流器传输的直流电能转换为化学能存储；所述储能装置将化学能转换为直流电能；所述第五电力电子换流器将储能装置释放的直流电能转换为直流电动机所需的直流电能；所述直流电动机将直流电能转换为机械能；所述同步发电机将机械能转换为交流电能。
所述风力发电装置、光伏发电装置、储能装置与电网间的功率关系为，
PG＝(PW·cw+PS·cs+PB·cb)·ct
其中，PG为上网功率；PW为风力发电装置的发电功率；PS为光伏发电装置的发电功率；PB为储能装置的运行功率；cw为由风力发电装置到同步发电装置的能量传递系数；cs为由光伏发电装置到同步发电装置的能量传递系数；cb为由储能装置到同步发电装置的能量传递系数；ct为由同步发电装置到电网的能量转换效率。
如图3所示，所述储能装置基于风力发电装置的发电功率PW、光伏发电装置的发电功率PS和指定的发电上网功率PG来调整其运行功率PB，
Figure GDA0004126834120000111
其中，cc为由风力发电装置到储能装置的能量传递效系数，ca为由光伏发电装置到储能装置的能量传递系数。
进一步的，当电网上网功率不大于储能装置的第一充电启动功率时，即PG≤PW·cw·ct，风力发电装置和光伏发电装置同时为储能装置充电，储能装置运行于充电模式，储存由第二电力电子换流器和第四电力电子换流器传输的电能
Figure GDA0004126834120000112
当电网上网功率处于储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间时，即PW·cw·ct<PG≤PW·cw·ct+PS·cs·ct，光伏发电装置为储能装置充电，储能装置运行于充电模式，储存由第四电力电子换流器传输的电能
Figure GDA0004126834120000113
当电网上网功率大于储能装置的第二充电启动功率时，即PG>PW·cw·ct+PS·cs·ct，储能装置运行于放电模式，经第五电力电子换流器释放电能
Figure GDA0004126834120000121
如图4所示，当PG≤PW·cw·ct时，同步发电装置由风力发电装置供电，只接收由第一电力电子换流器传输的电能；当PW·cw·ct<PG≤PW·cw·ct+PS·cs·ct时，同步发电装置由风力发电装置和光伏发电装置共同供电，接收由第一电力电子换流器和第三电力电子换流器传输的电能；当PG>PW·cw·ct+PS·cs·ct时，同步发电装置由风力发电装置、光伏发电装置和储能装置共同供电，接收由第一电力电子换流器、第三电力电子换流器和第五电力电子换流器传输的电能。
如图5所示，用户通过监控装置设置本发明的相关运行参数；风力发电装置将风能转换为交流电能，光伏发电系统将太阳能转换为直流电能；当PG≤PW·cw·ct时，风力发电装置经第一电力电子换流器向同步发电装置供电，经第二电力电子换流器向储能装置供电，光伏发电装置经第四电力电子换流器向储能装置供电；当PW·cw·ct<PG≤PW·cw·ct+PS·cs·ct时，风力发电装置经第一电力电子换流器向同步发电装置供电，光伏发电装置经第三电力电子换流器向同步发电装置供电，经第四电力电子换流器向储能装置供电；当PG>PW·cw·ct+PS·cs·ct时，风力发电装置经第一电力电子换流器向同步发电装置供电，光伏发电装置经第三电力电子换流器向同步发电装置供电，储能装置经第四电力电子换流器向同步发电装置供电；同步发电装置产生交流电能，并传输到电网。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，包括：
风力发电模块，包括风力发电装置以及分别与所述风力发电装置电连接的第一电力电子换流器和第二电力电子换流器；
光伏发电模块，包括光伏发电装置以及分别与所述光伏发电装置电连接的第三电力电子换流器和第四电力电子换流器；
储能模块，包括电连接的储能装置和第五电力电子换流器，所述储能装置还分别与所述第二电力电子换流器和所述第四电力电子换流器电连接；
并网模块，其一端与所述第一电力电子换流器、所述第三电力电子换流器和所述第五电力电子换流器电连接，另一端连接电网；
监控装置，分别与所述风力发电模块、所述光伏发电模块、所述储能模块和所述并网模块电连接，用于设置所述风力发电模块、所述光伏发电模块和所述储能模块的控制参数，通过判断发电上网功率、风力发电装置的发电功率和光伏发电装置的发电功率之间的逻辑关系，调整储能单元的工作状态，进行风-光-储混合发电系统的同步并网；
所述第一电力电子换流器能够将风力发电装置产生的交流电能转换为同步发电装置所需的直流电能；所述第二电力电子换流器能够将风力发电装置产生的交流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述第三电力电子换流器能够将光伏发电装置产生的直流电能转换为同步发电装置所需的直流电能；所述第四电力电子换流器能够将光伏发电装置产生的交流电能转换为储能装置所需的直流电能；所述第五电力电子换流器能够将储能装置释放的直流电能转换为并网模块所需的直流电能；所述并网模块将第一电力电子换流器、第三电力电子换流器和第五电力电子换流器传输的直流电能转换为交流电能，并传输给电网。
2.如权利要求1中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，所述风力发电装置包括依次连接的风力机、变速箱和异步发电机。
3.如权利要求1中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，所述并网模块包括电连接的直流电动机和同步发电装置，所述同步发电装置包括电连接的同步发电机和励磁单元。
4.如权利要求3中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，所述监控装置包括监测模块、显示模块，以及分别与所述监测模块和所述显示模块相连接的控制模块。
5.如权利要求4中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，所述控制模块分别与所述风力发电装置、所述第一电力电子换流器、所述第二电力电子换流器、所述光伏发电装置、所述第三电力电子换流器、所述第四电力电子换流器和所述第五电力电子换流器电连接；所述监测模块分别与所述风力发电装置、所述第一电力电子换流器、所述第二电力电子换流器、所述光伏发电装置、所述第三电力电子换流器、所述第四电力电子换流器、所述第五电力电子换流器、所述储能单元、所述直流电动机、所述同步发电机和所述励磁单元电连接。
6.一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，采用了权利要求1-5中任一项所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统，其特征在于，包括以下步骤：
获取风力发电装置的发电功率、光伏发电装置的发电功率和电网上网功率；
结合风-光-储混合发电系统的控制参数，得到储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率；
分别判断电网上网功率与所述储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间的大小关系，得到储能装置所处的工作状态，进行光-储混合发电系统的同步并网。
7.如权利要求6中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，其特征在于，获取风力发电装置的发电功率、光伏发电装置的发电功率，及调度中心指定的电网上网功率，通过所获取的三个功率计算储能装置的运行功率。
8.如权利要求6中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，其特征在于，所述风-光-储混合发电系统的控制参数包括由风力发电装置到同步发电装置的能量传递系数cw、由光伏发电装置到同步发电装置的能量传递系数cs、由储能装置到同步发电装置的能量传递系数cb、由同步发电装置到电网的能量转换效率ct、由风力发电装置到储能装置的能量传递系数cc和由光伏发电装置到储能装置的能量传递系数ca。
9.如权利要求6中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，其特征在于，所述储能装置的第一充电启动功率通过风力发电装置的发电功率、由风力发电装置到同步发电装置的能量传递效率和由同步发电装置到电网的能量转换效率所决定；所述储能装置的第二充电启动功率通过风力发电装置的发电功率、由风力发电装置到同步发电装置的能量传递效率、由同步发电装置到电网的能量转换效率、光伏发电装置的发电功率和由光伏发电装置到同步发电装置的能量传递效率所决定。
10.如权利要求6中所述的一种同步并网的风-光-储混合发电系统的工作方法，其特征在于，
当电网上网功率不大于储能装置的第一充电启动功率时，风力发电装置经第二电力电子换流器以及光伏发电装置经第四电力电子换流器同时向储能装置充电，储能装置处于充电状态，受电网上网功率的影响，光伏发电装置不为直流电动机提供电能，直流电动机只接收风力发电装置经第一电力电子换流器所提供的电能；
当电网上网功率处于储能装置的第一充电启动功率和储能装置的第二充电启动功率之间时，光伏发电装置经第四电力电子换流器向储能装置充电，储能装置处于充电状态，受电网上网功率的影响，风力发电装置不为储能装置提供电能，直流电动机同时接收风力发电装置经第一电力电子换流器以及光伏发电装置经第三电力电子换流器所提供的电能；
当电网上网功率大于储能装置的第二充电启动功率时，受电网上网功率的影响，储能装置处于放电状态，直流电动机同时接收风力发电装置经第一电力电子换流器、光伏发电装置经第三电力电子换流器以及储能装置经第五电力电子换流器所提供的电能。
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