CN115693749A - 太阳能、风能综合能源供电系统 - Google Patents

太阳能、风能综合能源供电系统 Download PDF

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CN115693749A CN202211314012.2A CN202211314012A CN115693749A CN 115693749 A CN115693749 A CN 115693749A CN 202211314012 A CN202211314012 A CN 202211314012A CN 115693749 A CN115693749 A CN 115693749A
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江建
徐峰亮
张亮
王发义
郝长端
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Xinyang Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及太阳能、风能综合能源供电系统，它包括以下步骤：柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性，另一方面通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；统一潮流控制器UPFC综合控制装置利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；智能电网运行控制器通过成形成的多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行；本发明具有结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的优点。

Description

太阳能、风能综合能源供电系统
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，具体涉及太阳能、风能综合能源供电系统。
背景技术
在全球能源互联的大电网发展的背景下，一方面需要大力开发利用可再生能源，通过转变能源生产、配置和消费方式，优化能源结构，提高能源效率，实现清洁发展，另一方面也需要在不降低电力系统运行可靠性的前提下，更有效地利用输电网络，最大限度的提高线路的输送能力，然而在偏远山区远离陆地的大电网系统，难以对其原有的大电网系统进行有效的升级改造以解决炒茶高峰时期的供电保障问题，因此，改善农村地区能源供给形式，优化能源结构，大力发展以风能和太阳能为代表的可再生能源应用技术是解决这些农村偏远地区能源保障问题的有效手段；因此，提供一种结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的太阳能、风能综合能源供电系统是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的太阳能、风能综合能源供电系统。
本发明的目的是这样实现的：太阳能、风能综合能源供电系统，它包括以下步骤：
步骤1：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；
步骤2：风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；
步骤3：柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；
步骤4：另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；
步骤5：统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；
步骤6：柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；
步骤7：智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题。
所述的步骤1中的光伏发电系统包括光伏发电机组、逆变站，光伏发电机组也即是光伏阵列由光伏电池串并联组成，产生的电能通过逆变站和相应的滤波器输送到柔性直流输电系统，在此过程中需要对逆变站和电能变换环节进行最大功率点追踪控制即MPPT和逆变控制，最大功率点追踪控制是为了保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，逆变控制是为了保证逆变站输出与柔性直流输电系统电压同相的电流并尽量减小谐波输出；光伏发电机组即光伏阵列的U-I特性模型为：光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管PN结的结构，当光照射在电池上，PN结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，光伏发电系统需要将大量的光伏电池串并联，构成光伏阵列，在得到光伏电池模型后，进行串并联等效可得到光伏阵列模型，光伏电池模型相应的U-I特性为：
Figure BDA0003908280040000031
式中，Rs、Rsh分别为等效串联阻抗和并联阻抗；T为电池温度；q为电子电量；A为无量纲的任意曲线的拟合常数，1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A＝1，当光伏电池输出低电压时A＝2；k为玻尔兹曼常数；Iph、Id分别为光生电流和流过二极管的反向饱和漏电流，Iph、Id是随环境变化的量，需根据具体的光照强度和温度确定，其计算公式为：
Figure BDA0003908280040000032
式中，Isco为标准日照、标准温度是的短路电流；ht为温度系数，ht＝6.4×10-4，K-1；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度；a1、b1均为常数，a1＝1.336×104、b1≈235；S为光照强度；Sref为标准光照强度；光伏电池的数学模型在光伏电池U-I特性基础上，1)忽略(U+IRs)/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；2)设Iph＝Isc，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻；并定义：1)开路状态下，I＝0，U＝Uoc；2)最大功率点，U＝Um，I＝Im；由此U-I方程简化为：
Figure BDA0003908280040000033
解得：
Figure BDA0003908280040000034
该模型只需输入光伏电池厂家提供的技术参数短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um，即可求得中间变量C1、C2，从而确定U-I曲线，上述技术参数会随着光照强度或温度的变化而变化，其修正方法为：ΔT＝T-Tref、
Figure BDA0003908280040000041
Figure BDA0003908280040000042
Uo′c＝Uoc(1-cΔT)(1+bΔS)、
Figure BDA0003908280040000043
U′m＝Um(1-cΔT)(1+bΔS)，式中Is′c、Uo′c、I′m、U′m分别为Isc、Uoc、Im、Um在不同环境下的修正值；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度，其值为25℃；S为光照强度；Sref为标准光照强度，1000MW/m2；a、b、c均为常数，典型值a＝0.0025/℃、b＝0.5、c＝0.00288/℃；由于光伏发电具有随机性，可以采用随机潮流的方法计算光照变化对系统潮流的影响，将光照强度和光伏发电系统的出力变化用贝塔分布的概率函数表示，得到光伏发电系统的潮流计算模型：
Figure BDA0003908280040000044
式中，α、β为贝塔分布的形状参数；PM为光伏阵列输出的总功率；RM为光伏阵列能输出的最大功率。
所述的步骤2中的风力发电系统的原动机为风力机，由空气动力学可知，风力机的理论最大输入功率为：
Figure BDA0003908280040000045
式中，ρ为空气密度；v为风速；S为风轮的扫风面积；风力机的输入功率不能全部被风轮吸收利用，定义风力机将风能转换为机械能的效率为风能利用系数Cp，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数；风力机实际能得到的有功功率输出为：
Figure BDA0003908280040000046
双馈发电机组也即是双馈式风电机组，并网方式为双馈发电机组定子直接接入电网，转子通过背靠背换流器与电网相接，采用转子交流励磁，若风电机组转速大于旋转磁场的转速，机组工作在超同步工况，背靠背换流器能量逆向，风电机组定子和转子均向电网输送功率；若机组转速等于旋转磁场的转速，发电机工作在同步工况，背靠背换流器为转子提供直流励磁；若风电机组转速小于旋转磁场的转速，机组工作在亚同步工况，背靠背换流器为转子提供交流励磁，仅定子向电网输送功率。
所述的步骤2中的基于超导储能站的双馈异步风力发电机即DFIG柔性并网结构为：DFIG组成的风电场经过柔性直流输电系统即VSC-HVDC系统与受端电网相连，超导储能站并联在送端系统和受端系统间直流母线上，通过控制直流母线电压就能调节超导储能站的充放电功率，平抑风功率波动，从而使得注入到受端系统的风电功率保持恒定；当送端系统输送风电功率值大于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于充电工况吸收多余的功率；当送端系统输送风电功率值小于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于放电工况输出与之适应的功率，使输入至受端系统的功率恒定。
所述的送端系统采用外环电压内环电流的定直流电压控制；所述的受端系统采用定无功功率的双环控制，通过控制双向DC/DC运行模式来控制超导储能站与电网之间的功率流动。
所述的步骤3中的柔性直流输电系统换流站通常采用三相两电平半桥结构，其送端换流站和受端换流站拓扑结构对称，由基尔霍夫定理，换流器交流测三相动态数学模型为：
Figure BDA0003908280040000051
其中ia、ib、ic为三相相电流；uha、uhb、uhc为换流器侧三相相电压；usa、usb、usc为电网侧交流侧三相相电压；L、R分别为换流电抗器及其等效损耗电阻；经过Clarke和Park变换，将上式变换为dq同步旋转坐标形式：
Figure BDA0003908280040000052
其中下标d、q分别表示各电气量的d轴和q轴分量；ω为交流系统角频率；风电场输入至送端换流站的有功功率Pw和无功功率Qw分别为
Figure BDA0003908280040000061
为简化分析，令同步旋转坐标系d轴与交流测电网电压向量US同轴，即usq＝0，则
Figure BDA0003908280040000062
由上式可知，有功功率和无功功率分别与id和iq呈线性比例关系，因此调节id与iq就可以实现输入至换流站的风电场有功功率与无功功率的控制。
所述的步骤3中的柔性直流输电系统解耦控制器设计：所述的柔性直流输电系统换流器的控制采用直接电流控制法：其中送端换流站控制策略为：方程(2)化简可得：
Figure BDA0003908280040000063
根据式(5)推导出针对送端换流站的定有功功率和定无功功率的解耦控制器；受端换流站控制策略为：在柔性直流输电系统中，必须有一端换流站采用直流电压控制，用于平衡直流网络的有功功率传输，将风电场输出有功功率波动量Pc,ref作为超导储能站充放电功率的参考值，将超导储能站充放电功率实测值Pc与其参考值Pc,ref的误差信号经过比例积分环节作为直流电压Udc的附加控制量ΔUdc，因此通过控制直流电压能实现超导储能站的充放电功率调节，受端换流站的控制策略是在已有的直流电压控制器上增加储能装置充放电功率附加信号；Udc,ref为直流电压参考值，直流电压实测值与其基准值的误差信号经过比例积分环节作为电流参考值id,ref；iq,ref为式(4)中无功功率所对应的q轴电流参考值，解耦控制策略能实现直流电压和无功功率的独立控制，有较好的动态性能。
所述的步骤6中的附加控制辅助交流系统的控制策略包括单点直流电压控制和多点直流电压控制，所述的单点直流电压控制包括主从控制和电压裕度控制；所述的主从控制将某一换流站作为主导站，采用定直流电压控制并平衡系统有功，其他换流站采用顶有功功率控制，一旦主导站功率越限或推出运行，系统将不能继续位置直流电压稳定；所述的电压裕度控制是对主从控制的一种扩展，无需站间通信，当主导站失去稳定直流电压能力后，备用换流站检测出系统直流电压偏差大于设定值，则该站从定功率控制自动转换为顶直流电压控制，继续维持系统直流电压稳定；所述的多点直流电压控制包括电压斜率控制和组合控制；所述的电压斜率控制是一种多点直流电压控制，各换流站根据测量的直流电压，按不同的P-V运行曲线调节功率输出，电压斜率控制由几个换流站共同调节系统不平衡功率；所述的组合控制为结合各类控制方式特点的改进型组合协调控制策略，保证系统在不同工况下继续维持直流电压稳定。
本发明的有益效果：本发明为太阳能、风能综合能源供电系统，包括以下步骤：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题；本发明具有结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的优点。
附图说明
图1为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的流程图。
图2为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的基于储能装置的双馈异步风力发电机(DFIG)柔性并网示意图。
图3为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的柔性直流原理图。
图4为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的换流器等效电路结构图。
图5为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的送端换流站控制策略示意图。
图6为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的受端换流站控制策略示意图。
图7为本发明太阳能、风能综合能源供电系统的辅助交流系统控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1-7所示，太阳能、风能综合能源供电系统，它包括以下步骤：
步骤1：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；
步骤2：风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；
步骤3：柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；
步骤4：另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；
步骤5：统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；
步骤6：柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；
步骤7：智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题。
本发明为太阳能、风能综合能源供电系统，包括以下步骤：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题；本发明具有结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的优点。
实施例2
如图1-7所示，太阳能、风能综合能源供电系统，它包括以下步骤：
步骤1：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；
步骤2：风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；
步骤3：柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；
步骤4：另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；
步骤5：统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；
步骤6：柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；
步骤7：智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题。
所述的步骤1中的光伏发电系统包括光伏发电机组、逆变站，光伏发电机组也即是光伏阵列由光伏电池串并联组成，产生的电能通过逆变站和相应的滤波器输送到柔性直流输电系统，在此过程中需要对逆变站和电能变换环节进行最大功率点追踪控制即MPPT和逆变控制，最大功率点追踪控制是为了保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，逆变控制是为了保证逆变站输出与柔性直流输电系统电压同相的电流并尽量减小谐波输出；光伏发电机组即光伏阵列的U-I特性模型为：光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管PN结的结构，当光照射在电池上，PN结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，光伏发电系统需要将大量的光伏电池串并联，构成光伏阵列，在得到光伏电池模型后，进行串并联等效可得到光伏阵列模型，光伏电池模型相应的U-I特性为：
Figure BDA0003908280040000111
式中，Rs、Rsh分别为等效串联阻抗和并联阻抗；T为电池温度；q为电子电量；A为无量纲的任意曲线的拟合常数，1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A＝1，当光伏电池输出低电压时A＝2；k为玻尔兹曼常数；Iph、Id分别为光生电流和流过二极管的反向饱和漏电流，Iph、Id是随环境变化的量，需根据具体的光照强度和温度确定，其计算公式为：
Figure BDA0003908280040000121
式中，Isco为标准日照、标准温度是的短路电流；ht为温度系数，ht＝6.4×10-4，K-1；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度；a1、b1均为常数，a1＝1.336×104、b1≈235；S为光照强度；Sref为标准光照强度；光伏电池的数学模型在光伏电池U-I特性基础上，1)忽略(U+IRs)/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；2)设Iph＝Isc，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻；并定义：1)开路状态下，I＝0，U＝Uoc；2)最大功率点，U＝Um，I＝Im；由此U-I方程简化为：
Figure BDA0003908280040000122
解得：
Figure BDA0003908280040000123
该模型只需输入光伏电池厂家提供的技术参数短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um，即可求得中间变量C1、C2，从而确定U-I曲线，上述技术参数会随着光照强度或温度的变化而变化，其修正方法为：ΔT＝T-Tref、
Figure BDA0003908280040000124
Figure BDA0003908280040000125
U′oc＝Uoc(1-cΔT)(1+bΔS)、
Figure BDA0003908280040000126
U′m＝Um(1-cΔT)(1+bΔS)，式中I′sc、U′oc、I′m、U′m分别为Isc、Uoc、Im、Um在不同环境下的修正值；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度，其值为25℃；S为光照强度；Sref为标准光照强度，1000MW/m2；a、b、c均为常数，典型值a＝0.0025/℃、b＝0.5、c＝0.00288/℃；由于光伏发电具有随机性，可以采用随机潮流的方法计算光照变化对系统潮流的影响，将光照强度和光伏发电系统的出力变化用贝塔分布的概率函数表示，得到光伏发电系统的潮流计算模型：
Figure BDA0003908280040000131
式中，α、β为贝塔分布的形状参数；PM为光伏阵列输出的总功率；RM为光伏阵列能输出的最大功率。
所述的步骤2中的风力发电系统的原动机为风力机，由空气动力学可知，风力机的理论最大输入功率为：
Figure BDA0003908280040000132
式中，ρ为空气密度；v为风速；S为风轮的扫风面积；风力机的输入功率不能全部被风轮吸收利用，定义风力机将风能转换为机械能的效率为风能利用系数Cp，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数；风力机实际能得到的有功功率输出为：
Figure BDA0003908280040000133
双馈发电机组也即是双馈式风电机组，并网方式为双馈发电机组定子直接接入电网，转子通过背靠背换流器与电网相接，采用转子交流励磁，若风电机组转速大于旋转磁场的转速，机组工作在超同步工况，背靠背换流器能量逆向，风电机组定子和转子均向电网输送功率；若机组转速等于旋转磁场的转速，发电机工作在同步工况，背靠背换流器为转子提供直流励磁；若风电机组转速小于旋转磁场的转速，机组工作在亚同步工况，背靠背换流器为转子提供交流励磁，仅定子向电网输送功率。
所述的步骤2中的基于超导储能站的双馈异步风力发电机即DFIG柔性并网结构为：DFIG组成的风电场经过柔性直流输电系统即VSC-HVDC系统与受端电网相连，超导储能站并联在送端系统和受端系统间直流母线上，如图2所示，通过控制直流母线电压就能调节超导储能站的充放电功率，平抑风功率波动，从而使得注入到受端系统的风电功率保持恒定；当送端系统输送风电功率值大于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于充电工况吸收多余的功率；当送端系统输送风电功率值小于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于放电工况输出与之适应的功率，使输入至受端系统的功率恒定。
所述的送端系统采用外环电压内环电流的定直流电压控制；所述的受端系统采用定无功功率的双环控制，通过控制双向DC/DC运行模式来控制超导储能站与电网之间的功率流动。
所述的步骤3中的柔性直流输电系统换流站通常采用三相两电平半桥结构，如图4所示，其送端换流站和受端换流站拓扑结构对称，图4中US、I分别为交流测的电压和电流；L、R分别为换流电抗器及其等效损耗电阻；直流侧电容C为换流站提供电压支撑及滤波作用；Uh为换流器交流测电压基波分量；Idc、Pdc分别为输入至直流输电线路的电流和功率；Udc为直流母线电压；由基尔霍夫定理，换流器交流测三相动态数学模型为：
Figure BDA0003908280040000141
其中ia、ib、ic为三相相电流；uha、uhb、uhc为换流器侧三相相电压；usa、usb、usc为电网侧交流侧三相相电压；L、R分别为换流电抗器及其等效损耗电阻；经过Clarke和Park变换，将上式变换为dq同步旋转坐标形式：
Figure BDA0003908280040000142
其中下标d、q分别表示各电气量的d轴和q轴分量；ω为交流系统角频率；风电场输入至送端换流站的有功功率Pw和无功功率Qw分别为
Figure BDA0003908280040000143
为简化分析，令同步旋转坐标系d轴与交流测电网电压向量US同轴，即usq＝0，则
Figure BDA0003908280040000144
由上式可知，有功功率和无功功率分别与id和iq呈线性比例关系，因此调节id与iq就可以实现输入至换流站的风电场有功功率与无功功率的控制。
所述的步骤3中的柔性直流输电系统解耦控制器设计：所述的柔性直流输电系统换流器的控制采用直接电流控制法：其中送端换流站控制策略为：方程(2)化简可得：
Figure BDA0003908280040000151
根据式(5)推导出如图5所示针对送端换流站的定有功功率和定无功功率的解耦控制器，Pw,ref、Qw,ref分别为风电场有功和无功功率的参考值；id,ref、iq,ref为式(4)中有功和无功功率所对应的电流参考值；该解耦控制器能实现风电场有功和无功功率的独立控制，动态特性较好；受端换流站控制策略为：在柔性直流输电系统中，必须有一端换流站采用直流电压控制，用于平衡直流网络的有功功率传输，将风电场输出有功功率波动量Pc,ref作为超导储能站充放电功率的参考值，将超导储能站充放电功率实测值Pc与其参考值Pc,ref的误差信号经过比例积分环节作为直流电压Udc的附加控制量ΔUdc，因此通过控制直流电压能实现超导储能站的充放电功率调节，在已有的直流电压控制器上增加储能装置充放电功率附加信号，受端换流站的控制框图如图6所示；Udc,ref为直流电压参考值，直流电压实测值与其基准值的误差信号经过比例积分环节作为电流参考值id,ref；iq,ref为式(4)中无功功率所对应的q轴电流参考值，该解耦控制策略能实现直流电压和无功功率的独立控制，有较好的动态性能。
所述的步骤6中的附加控制辅助交流系统的控制策略包括单点直流电压控制和多点直流电压控制，所述的单点直流电压控制包括主从控制和电压裕度控制；所述的主从控制将某一换流站作为主导站，采用定直流电压控制并平衡系统有功，其他换流站采用顶有功功率控制，一旦主导站功率越限或推出运行，系统将不能继续位置直流电压稳定；所述的电压裕度控制是对主从控制的一种扩展，无需站间通信，当主导站失去稳定直流电压能力后，备用换流站检测出系统直流电压偏差大于设定值，则该站从定功率控制自动转换为顶直流电压控制，继续维持系统直流电压稳定；所述的多点直流电压控制包括电压斜率控制和组合控制；所述的电压斜率控制是一种多点直流电压控制，各换流站根据测量的直流电压，按不同的P-V运行曲线调节功率输出，电压斜率控制由几个换流站共同调节系统不平衡功率；所述的组合控制为结合各类控制方式特点的改进型组合协调控制策略，保证系统在不同工况下继续维持直流电压稳定。
本发明为太阳能、风能综合能源供电系统，包括以下步骤：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题；本发明的柔性直流输电系统适用于光伏发电、风力发电输电，可以直接向小型孤立的远距离负荷送电，更经济的向市中心送电，便于连接分散电源，运行控制方式灵活多变，减少了输电线路电压降落和电压闪变，有助于进一步提高电能质量，柔性直流输电系统在向系统提供有功功率与无功功率的同时，另一方面也有提高系统的输电能力以及输电的稳定性等方面的优势，能够很好的满足分布式电源输电的要求；本发明具有结构合理、协调控制、安全稳定运行、有效解决电力供应保障问题的优点。

Claims (8)

1.太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1：光伏发电系统通过光伏发电机组进行太阳能发电，产生的电能经过逆变站后送入柔性直流输电系统；
步骤2：风力发电系统通过双馈发电机组进行风能发电，产生的电能经过超导储能站后送入柔性直流输电系统；
步骤3：柔性直流输电系统分别接收来自光伏发电的电能以及来自风力发电的电能，柔性直流输电系统一方面采用静止无功补偿器SVC、晶闸管控制制动电阻器TCBR以及静止同步补偿器STATCOM并联装置，通过调节无功或电压来提高输送容量和改善系统稳定性；
步骤4：另一方面，柔性直流输电系统采用晶闸管控制串联电容器TCSC、晶闸管控制串联电抗器TCSR以及静止同步串联补偿器SSSC串联装置，通过改变电抗来改变系统的有功潮流分布；
步骤5：统一潮流控制器UPFC综合控制装置，综合串、并联装置的功能和特点，利用全控型器件对电网的多个电气量进行协调控制；
步骤6：柔性直流输电系统利用高度可控性，通过附加控制辅助交流系统对其协调控制，可以实现直流系统的功率协调分配，达到安全稳定运行；
步骤7：智能电网运行控制器通过“风-光”多能源互补联合发电集成控制及其动态控制策略、多能源模式电网运行控制技术，形成面向农村地区的“风-光”多能源互补智慧供用能系统，保证电网可靠运行，有效解决农村地区每年用电高峰时的电力供应保障难题。
2.如权利要求1所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤1中的光伏发电系统包括光伏发电机组、逆变站，光伏发电机组也即是光伏阵列由光伏电池串并联组成，产生的电能通过逆变站和相应的滤波器输送到柔性直流输电系统，在此过程中需要对逆变站和电能变换环节进行最大功率点追踪控制即MPPT和逆变控制，最大功率点追踪控制是为了保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，逆变控制是为了保证逆变站输出与柔性直流输电系统电压同相的电流并尽量减小谐波输出；光伏发电机组即光伏阵列的U-I特性模型为：光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管PN结的结构，当光照射在电池上，PN结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，光伏发电系统需要将大量的光伏电池串并联，构成光伏阵列，在得到光伏电池模型后，进行串并联等效可得到光伏阵列模型，光伏电池模型相应的U-I特性为：
Figure FDA0003908280030000021
式中，Rs、Rsh分别为等效串联阻抗和并联阻抗；T为电池温度；q为电子电量；A为无量纲的任意曲线的拟合常数，1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A＝1，当光伏电池输出低电压时A＝2；k为玻尔兹曼常数；Iph、Id分别为光生电流和流过二极管的反向饱和漏电流，Iph、Id是随环境变化的量，需根据具体的光照强度和温度确定，其计算公式为：
Figure FDA0003908280030000022
式中，Isco为标准日照、标准温度是的短路电流；ht为温度系数，ht＝6.4×10-4，K-1；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度；a1、b1均为常数，a1＝1.336×104、b1≈235；S为光照强度；Sref为标准光照强度；光伏电池的数学模型在光伏电池U-I特性基础上，1)忽略(U+IRs)/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；2)设Iph＝Isc，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻；并定义：1)开路状态下，I＝0，U＝Uoc；2)最大功率点，U＝Um，I＝Im；由此U-I方程简化为：
Figure FDA0003908280030000023
解得：
Figure FDA0003908280030000031
该模型只需输入光伏电池厂家提供的技术参数短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um，即可求得中间变量C1、C2，从而确定U-I曲线，上述技术参数会随着光照强度或温度的变化而变化，其修正方法为：ΔT＝T-Tref、
Figure FDA0003908280030000032
Figure FDA0003908280030000033
U′oc＝Uoc(1-cΔT)(1+bΔS)、
Figure FDA0003908280030000034
U′m＝Um(1-cΔT)(1+bΔS)，式中I′sc、U′oc、I′m、U′m分别为Isc、Uoc、Im、Um在不同环境下的修正值；T为光伏电池的温度；Tref为标准电池温度，其值为25℃；S为光照强度；Sref为标准光照强度，1000MW/m2；a、b、c均为常数，典型值a＝0.0025/℃、b＝0.5、c＝0.00288/℃；由于光伏发电具有随机性，可以采用随机潮流的方法计算光照变化对系统潮流的影响，将光照强度和光伏发电系统的出力变化用贝塔分布的概率函数表示，得到光伏发电系统的潮流计算模型：
Figure FDA0003908280030000035
式中，α、β为贝塔分布的形状参数；PM为光伏阵列输出的总功率；RM为光伏阵列能输出的最大功率。
3.如权利要求1所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤2中的风力发电系统的原动机为风力机，由空气动力学可知，风力机的理论最大输入功率为：
Figure FDA0003908280030000036
式中，ρ为空气密度；v为风速；S为风轮的扫风面积；风力机的输入功率不能全部被风轮吸收利用，定义风力机将风能转换为机械能的效率为风能利用系数Cp，是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数；风力机实际能得到的有功功率输出为：
Figure FDA0003908280030000037
双馈发电机组也即是双馈式风电机组，并网方式为双馈发电机组定子直接接入电网，转子通过背靠背换流器与电网相接，采用转子交流励磁，若风电机组转速大于旋转磁场的转速，机组工作在超同步工况，背靠背换流器能量逆向，风电机组定子和转子均向电网输送功率；若机组转速等于旋转磁场的转速，发电机工作在同步工况，背靠背换流器为转子提供直流励磁；若风电机组转速小于旋转磁场的转速，机组工作在亚同步工况，背靠背换流器为转子提供交流励磁，仅定子向电网输送功率。
4.如权利要求3所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤2中的基于超导储能站的双馈异步风力发电机即DFIG柔性并网结构为：DFIG组成的风电场经过柔性直流输电系统即VSC-HVDC系统与受端电网相连，超导储能站并联在送端系统和受端系统间直流母线上，通过控制直流母线电压就能调节超导储能站的充放电功率，平抑风功率波动，从而使得注入到受端系统的风电功率保持恒定；当送端系统输送风电功率值大于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于充电工况吸收多余的功率；当送端系统输送风电功率值小于设定的平均风速对应的风功率时，超导储能站处于放电工况输出与之适应的功率，使输入至受端系统的功率恒定。
5.如权利要求4所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的送端系统采用外环电压内环电流的定直流电压控制；所述的受端系统采用定无功功率的双环控制，通过控制双向DC/DC运行模式来控制超导储能站与电网之间的功率流动。
6.如权利要求1所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤3中的柔性直流输电系统换流站通常采用三相两电平半桥结构，其送端换流站和受端换流站拓扑结构对称，由基尔霍夫定理，换流器交流测三相动态数学模型为：
Figure FDA0003908280030000041
其中ia、ib、ic为三相相电流；uha、uhb、uhc为换流器侧三相相电压；usa、usb、usc为电网侧交流侧三相相电压；L、R分别为换流电抗器及其等效损耗电阻；经过Clarke和Park变换，将上式变换为dq同步旋转坐标形式：
Figure FDA0003908280030000051
其中下标d、q分别表示各电气量的d轴和q轴分量；ω为交流系统角频率；风电场输入至送端换流站的有功功率Pw和无功功率Qw分别为
Figure FDA0003908280030000052
为简化分析，令同步旋转坐标系d轴与交流测电网电压向量US同轴，即usq＝0，则
Figure FDA0003908280030000053
由上式可知，有功功率和无功功率分别与id和iq呈线性比例关系，因此调节id与iq就可以实现输入至换流站的风电场有功功率与无功功率的控制。
7.如权利要求6所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤3中的柔性直流输电系统解耦控制器设计：所述的柔性直流输电系统换流器的控制采用直接电流控制法：其中送端换流站控制策略为：方程(2)化简可得：
Figure FDA0003908280030000054
根据式(5)推导出针对送端换流站的定有功功率和定无功功率的解耦控制器，该解耦控制器能实现风电场有功和无功功率的独立控制，动态特性较好；受端换流站控制策略为：在柔性直流输电系统中，必须有一端换流站采用直流电压控制，用于平衡直流网络的有功功率传输，将风电场输出有功功率波动量Pc,ref作为超导储能站充放电功率的参考值，将超导储能站充放电功率实测值Pc与其参考值Pc,ref的误差信号经过比例积分环节作为直流电压Udc的附加控制量ΔUdc，因此通过控制直流电压能实现超导储能站的充放电功率调节，受端换流站的控制策略是在已有的直流电压控制器上增加储能装置充放电功率附加信号；Udc,ref为直流电压参考值，直流电压实测值与其基准值的误差信号经过比例积分环节作为电流参考值id,ref；iq,ref为式(4)中无功功率所对应的q轴电流参考值，该解耦控制策略能实现直流电压和无功功率的独立控制，有较好的动态性能。
8.如权利要求6所述的太阳能、风能综合能源供电系统，其特征在于：所述的步骤6中的附加控制辅助交流系统的控制策略包括单点直流电压控制和多点直流电压控制，所述的单点直流电压控制包括主从控制和电压裕度控制；所述的主从控制将某一换流站作为主导站，采用定直流电压控制并平衡系统有功，其他换流站采用顶有功功率控制，一旦主导站功率越限或推出运行，系统将不能继续位置直流电压稳定；所述的电压裕度控制是对主从控制的一种扩展，无需站间通信，当主导站失去稳定直流电压能力后，备用换流站检测出系统直流电压偏差大于设定值，则该站从定功率控制自动转换为顶直流电压控制，继续维持系统直流电压稳定；所述的多点直流电压控制包括电压斜率控制和组合控制；所述的电压斜率控制是一种多点直流电压控制，各换流站根据测量的直流电压，按不同的P-V运行曲线调节功率输出，电压斜率控制由几个换流站共同调节系统不平衡功率；所述的组合控制为结合各类控制方式特点的改进型组合协调控制策略，保证系统在不同工况下继续维持直流电压稳定。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116544959A (zh) * 2023-06-27 2023-08-04 哈尔滨理工大学 一种光伏统一潮流控制器的非线性控制方法
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