CN114243751A - 一种电力电子化光储融合并网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电子化光储融合并网系统，包括：在复杂光照工况下仍能保证输出最大功率的光伏单元、能够平滑光伏并网功率波动的储能单元和光储并网逆变器。该系统中光伏单元与储能单元共用直流母线组成光储一体化装置并经过光储并网逆变器与电网相连。本发明通过采用光伏功率优化器，实现了组件级光伏功率优化，减少发电量损失；同时本发明采用只流过部分功率的储能DC/DC变换器，提高电能变换效率，有效抑制光伏并网的功率波动，具有较好的削峰平谷效果，促进了可再生能源的充分消纳。

Description

一种电力电子化光储融合并网系统
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种电力电子化光储融合并网系统。
背景技术
随着我国光伏产业的迅猛发展，已建成光伏电站总量已经超过200GW，每年仍然以30GW-50GW的速度高速发展，光伏发电未来必将占据新能源的主导地位，发展前景广阔。随着光伏电站运营时间越来越长，组件老化不一致越来越严重，发电量损失问题也随之变得突出，其主要原因是“组件串联的木桶效应所导致的失配损失”。目前的光伏电站数据检测只能到逆变器或汇流箱级别，当单个组件被遮挡时，组串中其他未被遮挡的组件会因木桶效应无法保证最大功率输出，进而降低发电系统效率。
除此之外，随着光伏高比例接入电网，其为电网带来的功率波动日益加剧，影响着电网安全稳定运行。在光伏电站应用储能技术，不仅可以促进可再生能源消纳，也能够平滑可再生能源并网功率波动、削峰平谷、调频调压。传统储能并网较多采用双向DC/DC全功率变换器进行储能单元的电压调节，运行效率不高，占地面积大，前期投入成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力电子化光储融合并网系统，通过优化光伏单元输出功率及储能单元的DC/DC变换器结构，最大化消纳可再生能源的同时平滑功率波动，提高并网系统的运行效率。
本发明所采用的技术方案是，一种电力电子化光储融合并网系统，包括光伏单元和储能单元，光伏单元和储能单元共用直流母线，光伏单元、储能单元通过连接在直流母线上的光储并网逆变器连接电网。
本发明的特点还在于：
光伏单元包括多个光伏组串，每个光伏组串包括多个光伏组件和多个光伏功率优化器，每个光伏组件输出端连接一个光伏功率优化器输入端，每个光伏组串中相邻两个光伏功率优化器输出端之间通过正极连接负极的方式连接，首个光伏功率优化器正极或负极连接直流母线正极或负极，末端光伏功率优化器负极或正极连接直流母线负极或正极。
储能单元包括储能电池和双向DC/DC部分功率变换器，储能电池的正极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输入端正极，储能电池的负极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输出端正极，双向DC/DC部分功率变换器输入端正极连接直流母线正极，双向DC/DC部分功率变换器输入端负极、输出端负极均连接直流母线负极。
光储并网逆变器采用三相全桥逆变器。
本发明的有益效果是：
1)本发明中光伏单元通过采用组件级光伏功率优化器，保证了在复杂光照工况下每个光伏组件都能在最大功率点输出，提高了发电系统的输出效率；
2)本发明中储能单元促进了可再生能源的充分消纳，有效抑制了光伏并网的功率波动，削峰平谷效果较好；
3)本发明中储能单元通过采用双向DC/DC部分功率变换器实现储能单元的电压调节，由于变换器只流过部分功率，可以选择额定功率远低于储能电池组容量的小体积变换结构，减小前期投入成本，提高变换器运行效率；
4)本发明中光伏组件和储能单元发电功率能够灵活配置，且相比于传统共交流母线，共直流母线结构减少了逆变器数量，体积更小，结构更紧凑；
5)本发明中光储并网逆变器采用三相全桥逆变并网，具有良好的可扩展性，能够灵活接入多种类型的交直流发电单元和负荷。
附图说明
图1为本发明一种电力电子化光储融合并网系统的拓扑结构图；
图2为本发明中光伏单元的拓扑结构图；
图3为本发明中为储能单元的拓扑结构图；
图4为本发明中光储并网逆变器的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用电力电子化光储融合并网系统可以提高发电系统的效率，实现可再生能源的充分消纳，有效抑制光伏并网的功率波动，削峰平谷效果较好。
本发明一种电力电子化光储融合并网系统，如图1所示，包括光伏单元1和一个储能单元2，光伏单元1和储能单元2均连接直流母线，光伏单元1与储能单元2共用直流母线组成光储一体化装置，光伏单元1、储能单元2通过连接在直流母线上的光储并网逆变器3连接电网。
如图2所示，光伏单元1包括多个光伏组串，每个光伏组串包括多个光伏组件和多个光伏功率优化器，每个光伏组件输出端连接一个光伏功率优化器输入端，相邻两个光伏功率优化器输出端之间通过正极连接负极的方式连接，首个光伏功率优化器正极或负极连接直流母线正极或负极，末端光伏功率优化器负极或正极连接直流母线负极或正极.
光伏组件与光伏功率优化器构成电力电子化光伏组件，多个电力电子化光伏组件经串联后构成光伏组串，每个光伏功率优化器采用变步长扰动观测法MPPT控制，实现对电流源特性的光伏组件PV端电压的调节，保证光伏组件能在最大功率点输出。
如图2所示，光伏功率优化器均包括电容C1、全控型功率开关管S、二极管VD、电感L及电容C2；电容C1连接光伏组件的输出端，电容C1的一端连接全控型功率开关管S的集电极，全控型功率开关管S的发射极连接电感L的一端、二极管VD的阴极，电感L的另一端连接电容C2一端，C2的另一端、二极管VD的阳极均连接电容C1的另一端，电容C2两端与光伏组串中其他光伏功率优化器串联后连接在直流母线上。
储能单元2包括储能电池和双向DC/DC部分功率变换器，储能电池的正极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输入端正极，储能电池由数量众多的电池单体经过串并联形成，双向DC/DC部分功率变换器采用隔离型DC/DC变换器，储能电池的负极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输出端正极，双向DC/DC部分功率变换器输入端正极连接直流母线正极，双向DC/DC部分功率变换器输入端负极、输出端负极均连接直流母线负极，以直流母线电压Udc为基准，通过控制输出电流参考值，实现对储能电池组充放电功率大小的控制。
如图3所示，双向DC/DC部分功率变换器包括第一H桥电路H1、第二H桥电路H2、电容C1、电容C2及高频变压器T，第一H桥电路H1的桥臂中点连接高频变压器T的初级绕组，第二H桥电路H2的桥臂中点连接高频变压器T的次级绕组，第一H桥电路H1连接在直流母线的正极、负极之间，储能电池组连接在电容C1和电容C2之间，电容C1两端连接在直流母线正负极上，电容C2两端分别与储能电池组的负极和直流母线的负极相连。
第一H桥电路H1包括全控型功率开关管S1、全控型功率开关管S2、全控型功率开关管S3、全控型功率开关管S4，全控型功率开关管S1的发射极和全控型功率开关管S2的集电极相连，全控型功率开关管S3的发射极和全控型功率开关管S4的集电极相连，全控型功率开关管S1的集电极、全控型功率开关管S3的集电极均连接电容C1的一端以及直流母线正极，全控型功率开关管S2的发射极、全控型功率开关管S4的发射极均连接电容C1的另一端以及直流母线负极，高频变压器T一次侧的两端分别连接全控型功率开关管S1的发射极和全控型功率开关管S3的发射极。
第二H桥电路H2包括全控型功率开关管S5、全控型功率开关管S6、全控型功率开关管S7、全控型功率开关管S8，全控型功率开关管S5的发射极和全控型功率开关管S6的集电极相连，全控型功率开关管S7的发射极和全控型功率开关管S8的集电极相连，全控型功率开关管S5的集电极、全控型功率开关管S7的集电极均连接电容C2的一端以及储能电池负极，全控型功率开关管S6的发射极、全控型功率开关管S8的发射极均连接电容C2的另一端以及储能电池负极，高频变压器T二次侧的两端分别连接全控型功率开关管S5的发射极和全控型功率开关管S7的发射极。
光储并网逆变器3采用三相全桥逆变器，包括电容C、全控型功率开关管Sa、全控型功率开关管S′a、全控型功率开关管Sb、全控型功率开关管S′b、全控型功率开关管Sc、全控型功率开关管S′c，全控型功率开关管Sa的发射极和全控型功率开关管S′a的集电极相连，全控型功率开关管Sa的集电极连接直流母线正极，全控型功率开关管S′a的发射极连接直流母线负极，全控型功率开关管Sb的发射极和全控型功率开关管S′b的集电极相连，全控型功率开关管Sb的集电极连接直流母线正极，全控型功率开关管S′b的发射极连接直流母线负极，全控型功率开关管Sc的发射极和全控型功率开关管S′c的集电极相连,全控型功率开关管Sc的集电极连接直流母线正极，全控型功率开关管S′c的发射极连接直流母线负极，电容C两端连接在直流母线正负极上。
如图4所示，光储并网逆变器3通过采用电压外环控制光储汇集处母线电压，电流内环控制变换器后端输出电流相位与电网电流保持一致的电压、电流双闭环控制策略，实现对并网逆变器的控制。
本发明一种电力电子化光储融合并网系统中，每个光伏组串串联30个电力电子化光伏组件接入直流母线，每组串平均输出功率10kW，20个光伏组串构成的光伏单元1额定输出功率200kW，储能单元2额定容量200kVA，光储并网逆变器3直流侧母线电压Udc为760V，电网侧为三相380V交流电压。
实施例
光伏单元1中的Buck型光伏功率优化器采用变步长扰动观测法MPPT控制，保证了光伏组件级别的最大功率追踪控制。当组串中各组件光照均匀时，Buck电路控制占空比等于1，处于直通模式；当组串中某个组件被遮挡时，被遮挡的组件输出电流下降，此时Buck型光伏功率优化器可以通过减小占空比的方式增大输出电流，保证组串电流恒定，使其他未被遮挡组件仍输出最大功率，减小因组串局部遮挡导致的发电损失。
储能单元2中双向DC/DC部分功率变换器以直流母线电压Udc为基准，通过控制输出电流参考值的正负，实现对储能电池组充电、放电的模式切换，当设定输出电流参考值为正时，储能电池组向直流母线放电，此时储能变换器工作在升压状态；当设定输出电流参考值为负时，直流母线给储能电池组充电，此时储能变换器工作在降压状态。
通过上述方式，本发明一种电力电子化光储融合并网系统，采用光伏单元通过采用组件级光伏功率优化器，保证了在复杂光照工况下每个光伏组件都能在最大功率点输出，提高了发电系统的输出效率；储能单元促进了可再生能源的充分消纳，有效抑制了光伏并网的功率波动，削峰平谷效果较好；储能单元通过采用双向DC/DC部分功率变换器实现储能单元的电压调节，由于变换器只流过部分功率，可以选择额定功率远低于储能电池组容量的小体积变换结构，减小前期投入成本，提高变换器运行效率；光伏和储能单元发电功率能够灵活配置，且相比于传统共交流母线，共直流母线结构减少了逆变器数量，体积更小，结构更紧凑；光储并网逆变器采用三相全桥逆变并网，具有良好的可扩展性，能够灵活接入多种类型的交直流发电单元和负荷。

Claims (4)

1.一种电力电子化光储融合并网系统，其特征在于，包括光伏单元(1)和储能单元(2)，所述光伏单元(1)和储能单元(2)共用直流母线，所述光伏单元(1)、储能单元(2)通过连接在直流母线上的光储并网逆变器(3)连接电网。
2.根据权利要求1所述一种电力电子化光储融合并网系统，其特征在于，所述光伏单元(1)包括多个光伏组串，每个所述光伏组串包括多个光伏组件和多个光伏功率优化器，每个所述光伏组件输出端连接一个光伏功率优化器输入端，每个所述光伏组串中相邻两个光伏功率优化器输出端之间通过正极连接负极的方式连接，首个所述光伏功率优化器正极或负极连接直流母线正极或负极，末端所述光伏功率优化器负极或正极连接直流母线负极或正极。
3.根据权利要求1所述一种电力电子化光储融合并网系统，其特征在于，所述储能单元(2)包括储能电池和双向DC/DC部分功率变换器，所述储能电池的正极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输入端正极，所述储能电池的负极连接在双向DC/DC部分功率变换器的输出端正极，所述双向DC/DC部分功率变换器输入端正极连接直流母线正极，所述双向DC/DC部分功率变换器输入端负极、输出端负极均连接直流母线负极。
4.根据权利要求1所述一种电力电子化光储融合并网系统，其特征在于，所述光储并网逆变器(3)采用三相全桥逆变器。
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