CN115441565A - 一种新能源高效接入的电解铝碳减排系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器和电解槽。DC/DC变换器低压侧连接光伏汇流箱，高压侧连接电解铝直流母线，其拓扑包含隔离型和非隔离型两种结构，低压侧可以选择是否并联接入储能装置。储能装置能够提高新能源消纳能力，进一步提升电解铝厂的减碳灵活性，但同时也会提升系统建设成本。将多个光伏阵列所产生的电能通过汇流箱汇聚到DC/DC变换拓扑结构中的低压侧，将多个电解铝的电解槽设备串联接入到直流母线当中作为DC/DC变换拓扑结构中的高压侧，两者通过一级DC/DC直流变换环节相连接。本发明省去多级变换环节，大幅度提升能量传输效率，节省设备成本，带来电解铝行业大幅碳减排。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源供电与电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统。
背景技术
碳中和背景下的电解铝厂作为一种高耗能、高碳排放企业，每吨电解铝生产的碳排放超过每吨钢铁碳排放的6倍，因此推动电解铝厂碳减排迫在眉睫。光伏发电作为一种广泛应用的可再生能源发电方式，其发电过程几乎没有碳排放，采用光伏发电为电解槽提供能量是一种理想的供电方式。然而目前的光伏发电利用过程需要首先将光伏侧通过直流配电柜、逆变器、升压变压器等环节接入电网，电解槽再通过降压变压器、整流器等环节从电网取电，能量从源头到用户经历多级变换环节使得整体的传输效率不高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其采用一级DC/DC拓扑将分布式光伏发电与电解槽负荷直接相连，省去中间多级变换环节能够大幅度提升能量传输效率，可以为企业节省设备成本，同时也能带来电解铝行业大幅碳减排。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，包括多个光伏阵列、DC/DC变换器和电解槽；所述DC/DC变换器为多个并联设置作为仅有的一级DC/DC直流变换环节；多个并联的所述DC/DC变换器通过汇流箱连接多个光伏阵列；多个所述DC/DC变换器的低压侧连接各自的汇流箱，高压侧连接电解槽直流母线，均在低压侧经并联接入储能装置；多个光伏阵列所产生的电能通过汇流箱汇聚到所述DC/DC变换器的低压侧，多个电解铝的电解槽串联接入到电解槽直流母线当中作为DC/DC变换器的高压侧，所述低压侧和高压侧通过仅有的一级DC/DC直流变换环节相连接，实现能量的高效传输；所述DC/DC变换器的拓扑结构为隔离型DC/DC变换拓扑结构或非隔离型DC/DC变换拓扑结构。
进一步地，在多雨的南方地区使用所述隔离型DC/DC变换拓扑结构以防止光伏侧故障电流传递至电解槽侧；在干燥的北方地区采用非隔离型DC/DC变换拓扑结构，保证具有较高的运行效率和经济性。
进一步地，所述隔离型DC/DC变换拓扑结构由多个隔离型DC/DC变换模块相并联形成，所述隔离型DC/DC变换模块由低压侧H桥拓扑、高频变压器和高压侧H桥拓扑三部分组成，其中低压侧采用IGBT组成H桥电路，以实现低压光伏传输功率的灵活控制，高压侧采用二极管组成H桥电路，仅满足功率传输需求，低压侧通过控制IGBT的导通关断以实现能量传输；所述高压侧和低压侧之间通过高频变压器耦合，以实现隔离效果；所述高压侧和低压侧均配置防逆流二极管、熔断器和隔离开关。
进一步地，所述非隔离型DC/DC变换拓扑结构包括三电平boost电路，所述三电平boost电路采用基于IGBT的三电平结构，低压侧包括电感和电容，高压侧设置两电容串联，所述电容旁并联电阻；所述高压侧和低压侧均配置防逆流二极管、熔断器和隔离开关。
进一步地，当所述系统中的电流超过设定值时，所述熔断器断开、隔离开关动作断开，两者配合来最大程度保护系统不受损坏。
进一步地，所述储能装置用于配合光伏发电的实时功率特性进行调整。
进一步地，所述调整包括：在天气晴朗时，光伏发电量大于电解槽负荷，所述储能装置吸收多余能量进行存储，避免电路中的电流过大带来危险；在阴雨天气时，光伏发电量低于电解槽负荷需求，所述储能装置向外释放能量以补偿两部分功率差额，从而满足电解槽负荷的可靠供应；所述储能装置还用于配合光伏实现最大功率追踪，提高新能源的消纳能力。
进一步地，采用多个所述隔离型变换拓扑结构或非隔离型变换拓扑结构并联接入到电解槽的直流母线当中。
进一步地，根据当地光照情况、电解槽所需功率情况、直流母线电压和所述储能装置控制所述DC/DC变换器传输的能量，实现功率的实时动态平衡，并且无需削减光伏发电量；通过控制各DC/DC变换器中IGBT的导通关断将负荷需求进行合理分配。
进一步地，首先采集当前的光伏出力PPV以及电解槽负荷需求Pload，继而将两者作差得到系统的净功率PS，根据净功率的大小和当前的储能装置荷电状态SOC划分5种工作模式，所述工作模式具体包括：
模式1：当PS<0且SOC>SOCmin时，将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过控制储能装置放电进行弥补；
模式2：当PS<0且SOC≤SOCmin时，将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|由自备电厂或外部大电网来进行弥补；
模式3：当PS＝0时，储能装置无需工作；
模式4：当PS>0且SOC＜SOCmax时，光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|用来向储能装置充电，即将光伏发电的盈余量存储到储能装置当中；
模式5：当PS>0且SOC≥SOCmax时，光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过削减光伏有功出力解决；
其中，SOCmax、SOCmin分别为荷电状态最大、最小值，由储能装置自身决定。
本发明的有益效果：
1)本发明中，光伏发电经汇流箱接入DC/DC拓扑的低压侧，经一级直流变换装置后将能量传输到电解槽母线当中，多组DC/DC高压侧并联以满足电解槽容量需求。这种能量变换方式使得能量传递效率大幅度提升，提高电解铝厂的光伏利用程度。
2)本发明在DC/DC拓扑的高压侧和低压侧分别设置防逆流二极管，确保能量从光伏发电侧向电解槽侧单向流动，提高电解槽设备运行可靠性。
3)本发明在DC/DC拓扑的高压侧和低压侧分别配置不同规格的熔断器和隔离开关，确保在系统发生故障时能够及时断开，避免设备受到损坏，提高系统运行安全性。
4)本发明针对易发生故障和设备运行安全性要求较高等特殊场合，提出隔离型DC/DC新拓扑结构。例如南方气候潮湿，光伏发电侧容易发生接地故障，而电解槽由于其正负母线都未接地，故障电流会对设备造成较大损坏，这种情况下隔离型DC/DC拓扑能够确保故障电流不会传递到电解槽侧，从而提高系统运行的可靠性和安全性。但是在北方，由于天气相对干燥，光伏发电侧发生接地故障概率较低，适合使用非隔离型DC/DC，可以保证较高的运行效率和较好的经济性。
5)针对当前电解槽与光伏发电之间需要多级变换装置，能量利用效率较低这一现状，本发明提出一种非隔离型DC/DC新拓扑结构。该拓扑的主体部分为四个IGBT开关管组成的三电平boost电路结构，高压侧两串联电容分别与相同阻值电阻并联，保证两电容上的电压始终相同。由于电平数增加，电感电流纹波降低，电感体积和重量显著降低，从而能够提高装置整体的功率密度，保证电解槽大电流负荷需求。同时相较于普通boost电路，单个IGBT仅需承担一半的直流电压，降低半导体器件的耐压要求，使得损耗进一步减小。在高压侧母线槽和低压光伏侧均设置防逆流二极管，保证能量传输从低压光伏侧向高压侧母线槽单向传输，不会造成从电解槽取电现象。在高压侧母线槽和低压光伏侧均设置熔断器和隔离开关，当某一侧发生故障时可迅速断开，以减轻故障对其他装置所造成的影响。低压侧通过DC/DC变换器并联接入储能装置，以实现功率的灵活控制。
6)光伏发电过程中几乎没有碳排放，在“双碳目标”背景下，相较于传统化石能源发电有较大优势。光伏减碳量＝光伏发电量×(发电碳排放因子-光伏发电碳排放因子)。该系统采用光伏发电配合储能装置供应电解槽负荷，相较于电网供电方式不仅可以实现运行过程的近零碳排放，还可以提供相应的减碳指标。
附图说明
图1为本发明的一种带储能装置的非隔离型DC/DC变换拓扑结构图；
图2为本发明的一种带储能装置的MW级隔离型DC/DC变换拓扑结构图；
图3为园区内40MW光伏-电解槽系统连接示意图；
图4为储能装置协调控制图。
图5为一种非隔离型DC/DC变换拓扑结构图
图6为一种MW级隔离型DC/DC变换拓扑结构图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的非隔离型DC/DC变换拓扑结构以传统的boost电路为基础，使用IGBT作为功率开关器件，将低压侧的光伏发电装置与高压侧的电解槽进行连接。由于能量从低压光伏侧向高压侧电解槽单向流动，故在高压侧和低压侧分别配置防逆流二极管，确保功率流动方向保持不变；另外在高压侧和低压侧分别配置隔离开关和熔断器结构，当系统发生故障时能够及时断开，避免光伏发电和电解槽设备因故障损坏。该拓扑结构用于连接低压光伏和高压电解槽，起到电压变换和能量传输的效果。光伏发电单元连接在图1中所示“低压侧”处，经防逆流二极管、熔断器和隔离开关所组成的串联支路将能量传递到三电平boost电路当中。三电平boost电路低压侧包括电感和电容，电容在低压侧起到稳压作用。三电平boost电路主要拓扑结构由四个IGBT组成，图1中所示电阻支路、电容支路和IGBT支路中间所连接点位为中性点。通过PWM信号合理控制IGBT在不同时刻导通关断，能够在高压侧获得高电压，满足高压侧电解槽需求。高压侧设置两电容串联，起到稳压效果，电容旁并联电阻起到均压作用。能量从电容经隔离开关、熔断器和防逆流二极管组成的串联支路流向高压侧母线槽，供给电解铝厂的电解槽高压直流母线。
如图2所示，本发明的隔离型DC/DC变换拓扑结构由于单个隔离型DC/DC变换模块容量较小，故将多个隔离型DC/DC变换模块进行并联以实现MW级的功率输送。与非隔离型拓扑相类似，能量从低压光伏侧向高压电解槽单向流动。与DAB(dual active bridge)型隔离型DC/DC拓扑结构不同，由于能量流动的单向性，为降低成本，单个隔离型DC/DC变换模块的低压侧仍使用以IGBT为基础的H桥拓扑，高压侧则使用二极管来代替IGBT器件，即高压侧采用不控整流结构来传输能量。该拓扑结构用于连接低压光伏和高压电解槽，起到电压变换和能量传输的效果。光伏发电单元连接在图2中所示“低压侧”处，经防逆流二极管、熔断器和隔离开关所组成的串联支路将能量传递到隔离型DC/DC变换模块当中。单个隔离型DC/DC变换模块由低压侧H桥拓扑、高频变压器和高压侧H桥拓扑三部分组成，其中低压侧采用IGBT组成H桥电路，以实现低压光伏传输功率的灵活控制，由于能量从低压侧单向传递至高压侧，故高压侧采用二极管组成H桥电路，仅满足功率传输需求即可。高压侧和低压侧之间通过高频变压器耦合，以实现隔离效果。由于单个隔离型DC/DC变换模块容量较小，很难满足电解槽直流母线的功率需求，故设计多个隔离型DC/DC变换模块相并联，以提高功率传输能力。能量经过该并联拓扑传递到高压侧之后，经隔离开关、熔断器和防逆流二极管组成的串联支路流向高压侧母线槽，供给电解铝厂的电解槽高压直流母线。低压侧通过DC/DC变换器并联接入储能装置，以实现功率的灵活控制。高压侧仅需要接收能量即可，在低压侧通过控制IGBT的导通关断以实现能量传输。
在低压侧配置储能装置，通过DC/DC变换拓扑并联接入拓扑结构的低压侧。由于光伏发电受天气变化影响较大，其能量存在随机性和波动性，储能装置能够配合光伏发电的实时功率特性进行调整，从而保证能量的持续稳定传输，保障电解槽的可靠供电。如天气晴朗时，光伏发电量大于电解槽负荷，难以实现功率的实时消纳，此时储能装置吸收多余能量存储，避免电路中的电流过大带来危险；当出现阴雨天气时，光伏发电量低于电解槽负荷需求，此时储能装置向外释放能量来补偿两部分功率差额，从而满足电解槽负荷的可靠供应。在多雨的南方地区，使用所述隔离型DC/DC变换拓扑结构以防止故障电流传递至电解槽侧，一些特殊场合为保障系统安全可靠运行同样可以采用隔离型变换拓扑。北方地区较为干燥，光伏侧短路故障概率较低，采用非隔离型DC/DC变换拓扑结构能够节约设备投资成本，有效降低损耗，提升系统工作效率。另外储能装置可以配合光伏实现MPPT，最大程度上提高当地新能源消纳能力。
上述两种拓扑结构具有显著区别，主要体现在应对装置故障方面。以低压光伏侧发生直流接地故障为例，采用非隔离型拓扑结构会使得故障电流通过DC/DC拓扑向高压侧电解槽传递，而隔离型拓扑结构则不会传递故障电流。另外由于电解槽设备自身的正负母线均未接地，故低压侧故障电流对电解槽的影响程度较大，隔离型拓扑更能保证装置安全运行。
在上述两种拓扑结构当中，高压侧和低压侧均配置防逆流二极管，保证能量的单向流动。由于在该系统当中始终采用光伏侧作为电源，电解槽侧始终作为负荷来消耗能量，故需要保证能量从光伏侧单向传递至电解槽侧，以保证电解槽设备的正常运行，保证新能源侧发生正负母线短路故障或接地短路故障时，不会出现电流从电解槽向新能源倒送的情况。
在上述两种拓扑结构当中，高压侧和低压侧均配置熔断器和隔离开关作为保护装置，提升系统运行的安全性。由于高压侧电解槽直流母线中不含有接地装置，故当系统发生故障时可能会造成电解槽设备损坏。当系统中的电流超过设定值时，熔断器断开、隔离开关动作断开，两者配合来最大程度保护各设备不受损坏。
对于大规模电解铝厂，单个DC/DC拓扑难以满足功率需求，需要采用多个上述隔离型/非隔离型拓扑并联接入到电解槽直流母线当中。配合储能单元，可以根据当地光照情况、电解槽所需功率情况、直流母线电压等为参照来灵活控制不同DC/DC拓扑所传输的能量，实现功率的实时动态平衡，并且无需削减光伏发电量。同时利用储能可实现削峰填谷和峰谷差套利，同时储能装置能够实现新能源最大化利用。
如图3所示的园区内40MW光伏-电解槽系统连接示意图，图中DC/DC部分即为上述隔离型或非隔离型变换装置。由于电解槽工作电流较大，需要大容量的光伏接入。本发明的基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统包括多个光伏阵列、DC/DC变换器和电解槽。所述DC/DC变换器为多个，每个均连接多个光伏阵列，其低压侧连接汇流箱，高压侧连接电解铝直流母线，多个所述DC/DC变换器均在低压侧经并联接入储能装置。首先，光伏阵列所产生的电能通过汇流箱汇聚到DC/DC变换器中的低压侧，经直流变换环节提升电压，将能量单向传递到电解槽直流母线处。多组DC/DC变换器的高压侧并联接入到电解槽直流母线上，以满足其容量需求。单个光伏电池板的功率较小，其运行在最大功率点时的功率通常也只有几百瓦。为满足电解铝负荷的功率需求，首先将多个光伏电池板串联组成光伏阵列，实现能量的一次汇集，再将n个光伏阵列接入到汇流箱当中，实现能量的二次汇集，单个汇流箱的功率就可以到达兆瓦级。汇流箱仅起到能量汇集的作用，不具有电压变换的效果，故电压等级仍较低，需要DC/DC变换器进行电压抬升。图中所示DC/DC变换器即图1、图2所示的非隔离型和隔离型DC/DC变换拓扑结构，可根据实际需求进行选择。光伏发电产生的能量经汇流箱聚集之后连接到变换器的“低压侧”处，经拓扑变换将电压抬升至1235V直流电，从而使得能量从低压光伏侧向高压电解槽母线单向传递，实现园区内的新能源高效电解铝。
本发明也可以不接入储能装置，其拓扑结构如图5、6所示。储能装置的接入能够使得能量的控制过程更加灵活，但相应也会带来成本的增加，并且使得控制策略更加复杂。当拓扑结构的低压侧不接入储能装置时，可以通过根据光伏发电情况和电解槽负荷需求情况来实时控制IGBT器件的导通关断，进而实现能量从光伏向电解槽的单向传递。不接入储能装置的拓扑结构适用于日照充足地区，在图3所示的园区光伏-电解槽系统当中，日照充足地区的光伏发电量始终能够满足电解槽负荷的用电需求，此时通过合理控制DC/DC变换器就能够实现光伏-电解槽功率的实时平衡，无需添加储能装置就可以实现光伏电解铝的过程，能够降低系统的投资、运维成本，同时简化系统控制策略。
图4所示为储能装置协调控制图，该控制流程适用于如图1、2所示的带储能装置的DC/DC变换器。首先需要采集当前的光伏出力PPV以及电解槽负荷需求Pload，继而将两者作差得到系统的净功率PS，根据净功率的大小和当前的储能装置荷电状态SOC来划分系统的5种工作模式。图中SOCmax、SOCmin分别为荷电状态最大、最小值，由储能装置自身决定，不同工作模式总结如下：
模式1：当PS<0且SOC>SOCmin时，此时光伏发电小于电解槽负荷需求，且储能装置满足向外放电的条件。将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过控制储能装置放电进行弥补。
模式2：当PS<0且SOC≤SOCmin时，此时光伏发电小于电解槽负荷需求，但储能装置不满足向外放电的条件。故将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|由自备电厂或外部大电网来进行弥补。
模式3：当PS＝0时，此时光伏发电功率与电解槽负荷需求两者实现平衡，储能装置无需工作。
模式4：当PS>0且SOC＜SOCmax时，此时光伏发电大于电解槽负荷需求，且储能装置满足向内充电的条件。光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|用来向储能装置充电，即将光伏发电的盈余量存储到储能装置当中。
模式5：当PS>0且SOC≥SOCmax时，此时光伏发电大于电解槽负荷需求，但是储能装置不满足向内充电的条件。光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过削减光伏有功出力来解决，即发生“弃光”。
本发明相较于传统光伏-电解铝能量流动过程，采用一级DC/DC拓扑结构直接将光伏发电与电解铝进行连接，省去中间多个变换环节从而提升效率。光伏阵列所产生的能量经汇流箱汇集到DC/DC拓扑的低压侧，经隔离型/非隔离型变换装置将能量单向传递给电解槽直流母线，能量传输效率高于96％。从目前来看，全国电解铝厂的光伏利用方式都需要经过直-交-直多级变换，传统的光伏-电解铝能量传递效率低于92％。应用本系统能够大幅提高能量传输效率，提高电解铝厂碳减排能力。
如图5所示，本发明的不含储能的非隔离型DC/DC变换拓扑结构以传统的boost电路为基础，使用IGBT作为功率开关器件，将低压侧的光伏发电装置与高压侧的电解槽进行连接。由于能量从低压光伏侧向高压侧电解槽单向流动，故在高压侧和低压侧分别配置防逆流二极管，确保功率流动方向保持不变；另外在高压侧和低压侧分别配置隔离开关和熔断器结构，当系统发生故障时能够及时断开，避免光伏发电和电解槽设备因故障损坏。该拓扑结构用于连接低压光伏和高压电解槽，起到电压变换和能量传输的效果。光伏发电单元连接在图1中所示“低压侧”处，经防逆流二极管、熔断器和隔离开关所组成的串联支路将能量传递到三电平boost电路当中。三电平boost电路低压侧包括电感和电容，电容在低压侧起到稳压作用。三电平boost电路主要拓扑结构由四个IGBT组成，图1中所示电阻支路、电容支路和IGBT支路中间所连接点位为中性点。通过PWM信号合理控制IGBT在不同时刻导通关断，能够在高压侧获得高电压，满足高压侧电解槽需求。高压侧设置两电容串联，起到稳压效果，电容旁并联电阻起到均压作用。能量从电容经隔离开关、熔断器和防逆流二极管组成的串联支路流向高压侧母线槽，供给电解铝厂的电解槽高压直流母线。
如图6所示，本发明不含储能的隔离型DC/DC变换拓扑结构由于单个隔离型DC/DC变换模块容量较小，故将多个隔离型DC/DC变换模块进行并联以实现MW级的功率输送。与非隔离型拓扑相类似，能量从低压光伏侧向高压电解槽单向流动。与DAB(dual activebridge)型隔离型DC/DC拓扑结构不同，由于能量流动的单向性，为降低成本，单个隔离型DC/DC变换模块的低压侧仍使用以IGBT为基础的H桥拓扑，高压侧则使用二极管来代替IGBT器件，即高压侧采用不控整流结构来传输能量。该拓扑结构用于连接低压光伏和高压电解槽，起到电压变换和能量传输的效果。光伏发电单元连接在图2中所示“低压侧”处，经防逆流二极管、熔断器和隔离开关所组成的串联支路将能量传递到隔离型DC/DC变换模块当中。单个隔离型DC/DC变换模块由低压侧H桥拓扑、高频变压器和高压侧H桥拓扑三部分组成，其中低压侧采用IGBT组成H桥电路，以实现低压光伏传输功率的灵活控制，由于能量从低压侧单向传递至高压侧，故高压侧采用二极管组成H桥电路，仅满足功率传输需求即可。高压侧和低压侧之间通过高频变压器耦合，以实现隔离效果。由于单个隔离型DC/DC变换模块容量较小，很难满足电解槽直流母线的功率需求，故设计多个隔离型DC/DC变换模块相并联，以提高功率传输能力。能量经过该并联拓扑传递到高压侧之后，经隔离开关、熔断器和防逆流二极管组成的串联支路流向高压侧母线槽，供给电解铝厂的电解槽高压直流母线。低压侧通过DC/DC变换器并联接入储能装置，以实现功率的灵活控制。高压侧仅需要接收能量即可，在低压侧通过控制IGBT的导通关断以实现能量传输。
本发明结合储能和新能源，实现电解槽辅助调频服务；电解槽作为电力系统的负荷，其参与调频的常规方案为使用自饱和电抗器、有载调压器等进行电压调节，进而调整电解槽的功率。采用本发明的系统之后，电解槽可以同时使用以园区内新能源供电和电网供电两种供电形式。配合储能单元和本发明的DC/DC变换拓扑结构，可以实现新能源供电功率的灵活精准控制，从而也就是实现了对电网供电功率的控制，相较于当前的调频方式更加灵活可靠。
本发明所述系统能够实现电解铝等高耗电产业与新能源发电技术的深度融合，高效利用光伏发电资源，助力实现电解铝产业大幅碳减排。本发明在技术路线和产品示范等方面均具有可行性和创新性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：包括多个光伏阵列、DC/DC变换器和电解槽；所述DC/DC变换器为多个并联设置作为仅有的一级DC/DC直流变换环节；多个并联的所述DC/DC变换器通过汇流箱连接多个光伏阵列；多个所述DC/DC变换器的低压侧连接各自的汇流箱，高压侧连接电解槽直流母线，低压侧可以选择是否接入储能装置；多个光伏阵列所产生的电能通过汇流箱汇聚到所述DC/DC变换器的低压侧，多个电解铝的电解槽串联接入到电解槽直流母线当中作为DC/DC变换器的高压侧，所述低压侧和高压侧通过仅有的一级DC/DC直流变换环节相连接，实现能量的高效传输；所述DC/DC变换器的拓扑结构为隔离型DC/DC变换拓扑结构或非隔离型DC/DC变换拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：在多雨的南方地区使用所述隔离型DC/DC变换拓扑结构以防止故障电流传递至电解槽侧；在北方地区采用非隔离型DC/DC变换拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：所述隔离型DC/DC变换拓扑结构由多个隔离型DC/DC变换模块相并联形成，所述隔离型DC/DC变换模块由低压侧H桥拓扑、高频变压器和高压侧H桥拓扑三部分组成，其中低压侧采用IGBT组成H桥电路，以实现低压光伏传输功率的灵活控制，高压侧采用二极管组成H桥电路，仅满足功率传输需求，低压侧通过控制IGBT的导通关断以实现能量传输；所述高压侧和低压侧之间通过高频变压器耦合，以实现隔离效果；所述高压侧和低压侧均配置防逆流二极管、熔断器和隔离开关。
4.根据权利要求1所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：所述非隔离型DC/DC变换拓扑结构包括三电平boost电路，所述三电平boost电路采用基于IGBT的三电平结构，低压侧包括电感和电容，高压侧设置两电容串联，所述电容旁并联电阻；所述高压侧和低压侧均配置防逆流二极管、熔断器和隔离开关。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：当所述系统中的电流超过设定值时，所述熔断器断开、隔离开关动作断开，两者配合来最大程度保护系统不受损坏。
6.根据权利要求1所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：若DC/DC变换器的低压侧接入储能装置，则所述储能装置用于配合光伏发电的实时功率特性进行调整。
7.根据权利要求6所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：所述调整包括：在天气晴朗时，光伏发电量大于电解槽负荷，所述储能装置吸收多余能量进行存储，避免电路中的电流过大带来危险；在阴雨天气时，光伏发电量低于电解槽负荷需求，所述储能装置向外释放能量以补偿两部分功率差额，从而满足电解槽负荷的可靠供应；所述储能装置还用于配合光伏实现最大功率追踪，提高新能源的消纳能力。
8.根据权利要求3或4所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：采用多个所述隔离型变换拓扑结构或非隔离型变换拓扑结构并联接入到电解槽的直流母线当中，以满足系统容量需求。
9.根据权利要求6所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于：根据当地光照情况、电解槽所需功率情况、直流母线电压和所述储能装置控制所述DC/DC变换器传输的能量，实现功率的实时动态平衡，并且无需削减光伏发电量；通过控制各DC/DC变换器中IGBT的导通关断将负荷需求进行合理分配。
10.根据权利要求1所述的一种基于新能源高效接入的电解铝碳减排系统，其特征在于，首先采集当前的光伏出力PPV以及电解槽负荷需求Pload，继而将两者作差得到系统的净功率PS，根据净功率的大小和当前的储能装置荷电状态SOC划分5种工作模式，所述工作模式具体包括：
模式1：当PS<0且SOC>SOCmin时，将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过控制储能装置放电进行弥补；
模式2：当PS<0且SOC≤SOCmin时，将光伏发电功率全部供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|由自备电厂或外部大电网来进行弥补；
模式3：当PS＝0时，储能装置无需工作；
模式4：当PS>0且SOC＜SOCmax时，光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|用来向储能装置充电，即将光伏发电的盈余量存储到储能装置当中；
模式5：当PS>0且SOC≥SOCmax时，光伏发电功率首先供应电解槽负荷，两者之间的功率差额|PS|通过削减光伏有功出力解决；
其中，SOCmax、SOCmin分别为荷电状态最大、最小值，由储能装置自身决定。
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| CN115864355A (zh) * | 2023-02-16 | 2023-03-28 | 云南铝业股份有限公司 | 一种分布式光伏直流接入铝电解槽直流母线的供电装置 |
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