CN205986181U - 一种风光储联合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种风光储联合发电系统，系统由强电功率流动回路、弱电显示采样控制回路、控制软件程序模块三大部分组成，即风光储联合发电共用直流母线和同一个逆变器，加装基于V2控制的双Boost‑Buck变换器，对风力发电和光伏发电输出控制，加装蓄电池组及双向DC/DC，对分布式并网供电或孤岛式离网供荷进行风光储联合控制。本实用新型实现风光储联合发电既共用一个逆变器节省投资又平抑风光出力波动或提高跟随负荷特性也减小弃风光电量效果。

Description

一种风光储联合发电系统
技术领域
本实用新型属于能源发电技术领域，涉及一种风光储联合发电系统，具体地说，涉及一种V2控制双Boost-Buck变换器的风光储联合发电系统。
背景技术
分布式发电以其灵活、高效及可持续性日益成为电网能源中重要的一部分，随着分布式发电技术的发展，其发电成本将有望达到或接近现在不可再生能源的发电成本，这也必然带来越来越多的分布式能源接入电网。在此前提下，国际大电网会议(CIGRE)配电及分布式发电(C6)技术委员会WGC6.19～WGC6.22工作组提出了主动配电网(activedistributionsystems)的概念。主动配电网是具有对分布式电源、储能系统及负荷综合控制能力及控制系统的配电网，具备灵活的电网结果实现潮流管理，并网分布式电源与储能系统在合理的接入准则与控制方式下，对电网提供一定的支撑作用。
在边缘农牧区，由于没有工业用电负荷，如果采用架设远距离输电线由主网供电方法，将存在投资太高却供电量很小的负效益缺陷，因此借助边缘农牧区丰富的风光资源，开发可再生能源发电与储能配合，采用孤岛式离网运行方式直接供负荷，是解决边缘农牧区缺电问题的有效手段。
目前，分布式并网运行方式或孤岛式离网运行方式的可控对象主要包括风力发电、光伏发电和储能系统，现有技术中，这三种电源使用各自的变换器拓扑结构进行并网供电或离网供荷，成本较大。另外在风光互补系统中，一股光伏发电日变化昼发夜停，而风力发电日变化随机间歇，两者发电量具有波动性，与负荷波动不一致，造成在分布式并网运行方式下对电网冲击影响电网安全稳定性，在孤岛式离网运行方式下与负荷不匹配影响供荷恒定连续性，两种运行方式都不得不放弃部分风光电量。然而随着分布式电源接入电网越来越多和边缘农牧区对孤岛式离网供荷的需求越来越多，成本增大，影响增大，弃风光电量也增大，还没有一种降低成本、减少影响、提高效率且更加灵活的采用V2控制双Boost-Buck变换器且加装储能后共用一套逆变器的风光储联合发电系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种风光储联合发电系统，该系统实现风光储联合发电既共用一个逆变器(DC/AC)节省投资又平抑风光出力波动或提高跟随负荷特性也减小弃风光电量效果。
其具体技术方案为：
一种风光储联合发电系统，由强电功率流动回路、弱电显示采样控制回路、控制软件程序模块三大部分组成。强电功率流动回路包括风电机组及整流电路与泄荷电路、光伏电池、V2控制的双Boost-Buck变换器、蓄电池及双向DC/DC变换器、逆变器及电网或负荷依次连接。弱电显示采样控制回路包括STC12C2052D单片机、移位寄存器及液晶显示屏、蓄电池电压和电流采样信号、V2控制双Boost-Buck变换器输出电压和电流采样信号、负荷电压和电流采样信号、对双向DC/DC变换器控制信号、对V2控制的双Boost-Buck变换器控制信号、对风电泄荷电路控制信号依次连接。控制软件程序模块包括恒压控制、偏差控制、波动控制、负荷控制、模糊控制软件程序模块。
STC12C2052AD单片机设有8路高速8位A/D转换器通道，2路8位高速PWM输出通道，其工作频率范围为0-35MHz；P1口中的2路经驱动器作为控制信号输出；2KB的程序存储器，用于存放主程序和恒压控制、偏差控制、波动控制、负荷控制的判据与模糊控制所需要的数据表格。
V2控制的双Boost-Buck变换器设有对称的二路由IGBT管V、电感L、电阻R、电容C构成的Boost-Buck电路，增加一个A3加法模块和运算放大器A2及两个比例器Kv和比较器A1及Q触发器，将风电和光电输出电压经A3叠加后反馈送入A2和A1及Q触发器，在同一控制电压Uc作用下，通过单片机恒压控制模块输出的PWM信号调制，获得Up1和Up2不同的占空比，反馈到Boost-Buck电路IGBT管V的控制极，达到每块Boost-Buck电路输出电压双环反馈(内环Kv-A1-Q、外环Kv-A3-A2-A1-Q)的目的，分别实现风机整流输出电压UA和光伏电池输出电压UB恒压输出。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型结构简单，实现风光储联合发电既共用一个逆变器(DC/AC)节省投资又平抑风光出力波动或提高跟随负荷特性也减小弃风光电量效果。
附图说明
图1是本发明风光储联合发电系统整体软硬件框架及拓扑结构；
图2是本发明V2控制的双Boost-Buck变换器电路；
图3是风光发电输出功率；
图4是输入电压为5400V输出电压波形(D＝0.1)；
图5是输入电压为150V输出电压波形(D＝0.8)；
图6是逆变器三相电压波形；
图7是逆变器A相电压。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。
1风光储联合发电系统整体软硬件框架及拓扑结构
风光储联合发电系统整体软硬件框架及拓扑结构如图1所示，风光储联合发电共用直流母线和同一个逆变器，在并网或供负荷的逆变器的直流侧加装基于V2控制的双Boost-Buck变换器(DC/DC)与直流母线并联，分别对风能发电经AC/DC整流变换后的输出电压Uw、光伏发电输出电压Upv进行稳压，同时加装并联于直流母线的蓄电池组及双向DC/DC，依据分布式并网供电运行方式或孤岛式离网供荷运行方式，对储能采用平抑波动或跟随负荷控制与模糊控制，通过共用的逆变器，实现风光储联合发电既共用一个逆变器(DC/AC)节省投资又平抑风光出力波动或提高跟随负荷特性也减小弃风光电量效果。
系统由强电功率流动回路、弱电显示采样控制回路、控制软件程序模块三大部分组成。其中的强电功率流动回路包括风电机组及整流电路与泄荷电路、光伏电池、V2控制的双Boost-Buck变换器、蓄电池及双向DC/DC变换器、逆变器及电网或负荷依次连接。其中的弱电显示采样控制回路包括STC12C2052D单片机、移位寄存器及液晶显示屏、蓄电池电压和电流采样信号、V2控制双Boost-Buck变换器输出电流采样信号、负荷功率采样信号、对双向DC/DC变换器控制信号、对V2控制的双Boost-Buck变换器控制信号、对风电泄荷电路控制信号依次连接。其中的控制软件程序模块包括恒压控制、波动控制、负荷控制、模糊控制、偏差控制程序模块镶嵌在单片机ROM中。
STC12C2052AD单片机设有8路高速8位A/D转换器通道，2路8位高速PWM输出通道，其工作频率范围为0-35MHz；P1口中的2路经驱动器作为PWM控制信号输出；2KB的程序存储器，用于存放主程序和恒压控制、偏差控制、波动控制、负荷控制的判据与模糊控制所需要的数据表格。
2风光互补发电的V2控制双Boost-Buck变换器电路
基于Boost-Buck电路输出电压可以高于或低于输入电压，而且其输入电流和输出电流都可以实现连续的优势，根据图1的拓扑结构方案，采用两块Boost-Buck电路分别控制风电和光电，使各自的输出电压保持相同，图2即为设计的风光互补发电的V2控制双Boost-Buck变换器电路。图中采用对称的二路由IGBT管V、电感L、电阻R、电容C构成的Boost-Buck电路，增加一个A3加法模块和运算放大器A2及两个比例器Kv和比较器A1及Q触发器，将风电和光电输出电压经A3叠加后反馈送入A2和A1及Q触发器，通过单片机恒压控制模块输出的PWM信号调制，反馈到Boost-Buck电路IGBT管V的控制极，达到每块Boost-Buck电路输出电压双环反馈(内环Kv-A1-Q、外环Kv-A3-A2-A1-Q)的目的，分别实现风机整流输出电压UA和光伏电池输出电压UB恒压输出。
由于风电和光电的波动特性不同，两个Boost-Buck变换器的输入电压(UW和Upv)就不同，造成两个Boost-Buck变换器的输出电压(US1和US2)也不同，但是在同一控制电压Uc作用下，通过调整Up1和Up2不同的占空比获得风电UA和光电UB恒压输出。
3风光互补发电工作模式
风光互补发电工作模式包括风力发电、光伏发电、风光互补发电三种工作模式；
风力发电和光伏发电工作模式属于单一电源工作模式，分为两种情况：无光辐射时间段：风速足够，由风力发电的V2控制单一Boost-Buck变换器工作；无风速时间段：光辐射足够，由光伏发电的V2控制单一Boost-Buck变换器工作；当风电或光电波动时，风电电压或光电电压也波动，V2控制单一Boost-Buck变换器始终保证风电电压或光电电压趋近期望值。
风光互补发电工作模式属于双电源工作模式，具体为：既有光辐射又有风速时间段，当风速、光辐射足够，且风、光发电两者输出电压差异达到Boost-Buck变换器允许范围内时，采用风-光联合发电，V2控制双Boost-Buck变换器同时工作，始终保证风电电压和光电电压趋近同一期望值。
4.风光储联合发电工作模式
风光储联合发电工作模式包括分布式并网供电和孤岛式离网供荷二种工作模式；
风光储联合发电分布式并网供电工作模式，是按照风光电输出功率波动是否超过国家标准情况启停储能充电或放电。
风光储联合发电孤岛式离网供荷工作模式，是按照风光发电量与负荷需求量是否匹配情况启停储能充电或放电。
5开发与仿真及试验验证
按照前述构思，新疆大学研发了风光储联合发电的V2控制双Boost-Buck变换控制器硬件模块和恒压控制、波动控制、负荷控制、模糊控制、偏差控制软件模块。
5.1双Boost-Buck恒压电路的仿真验证
基于Matlab和新疆大学数字风光电与物理储能联合模拟仿真平台对本研发控制器进行了仿真和模拟试验测试。依照图2(Boost-Buck变换器)建立了系统仿真模型，仿真模型的相关参数及仿真结果如表2所示：
表2Boost-Buck变换器仿真模型参数及仿真结果
将某实际风光互补系统(风机2.5MW，光电3.5MW)2014年秋季某日风光发电量采样，如图3所示，依据风速和光照设定风电和光电的输入电压，由表2及图4和图5可知：当风电输入电压为5400V时，占空比为0.1；当光电输入电压为150V时，占空比为0.8，Boost-Buck变换电路输出侧电压均为600V，也即为逆变电路的输入侧电压。由于Boost-Buck变换器的升、降压特性，风电互补差异电压即输入侧电压在10％到90％范围内变化时，输出侧电压可以稳定在同一个电压值600V。仿真结果表明：V2控制双Boost-Buck变换器可行。
5.2风光储联合发电的工作模式试验测试
根据风光互补出力情况，在新疆大学数字风光电与物理储能联合模拟仿真平台上对研发的V2控制双Boost-Buck变换器进行了三项测试：
(1)无光辐射为0点～7点时间段、7点～8点风光发电差异电压大于允许范围时间段、19点～20点风光发电差异电压大于允许范围时间段、无光辐射为20点～24点时间段，采用控制风力发电的V2控制单一Boost-Buck变换器工作模式，电压合格，结果正确；
(2)在7点～19点风光发电差异电压小于允许范围时间段，采用控制风-光联合发电的V2控制双Boost-Buck变换器工作模式。
5.3逆变器输出试验测试
在新疆大学风光储试验平台进行了模拟试验，逆变器输出电压波形如图6、图7，结果表明：逆变器输出三相电压对称，初始阶段具有一定的波动和谐波，这是由于风电或光电波动引起，经过V2控制双Boost-Buck变换器调节控制，0.005s后平滑。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种风光储联合发电系统，其特征在于，系统由强电功率流动回路、弱电显示采样控制回路、控制软件程序模块三大部分组成，其中的强电功率流动回路包括风电机组及整流电路与泄荷电路、光伏电池、V2控制的双Boost-Buck变换器、蓄电池及双向DC/DC变换器、逆变器及电网或负荷依次连接；其中的弱电显示采样控制回路包括STC12C2052D单片机、移位寄存器及液晶显示屏、蓄电池电压和电流采样信号、V2控制双Boost-Buck变换器输出电压和电流采样信号、负载电压和电流采样信号、对双向DC/DC变换器控制信号、对V2控制的双Boost-Buck变换器控制信号、对风电泄荷电路控制信号依次连接。
2.根据权利要求1所述的风光储联合发电系统，其特征在于，所述V2控制的双Boost-Buck变换器设有对称的二路由IGBT管V、电感L、电阻R、电容C构成的Boost-Buck电路，一路控制风电，另一路控制光电，再增加一个A3加法模块和运算放大器A2及两个比例器Kv和比较器A1及Q触发器，将风电和光电输出电压经A3叠加后反馈送入A2和A1及Q触发器，在同一控制电压Uc作用下，通过单片机恒压控制模块输出的PWM信号调制，获得Up1和Up2不同的占空比，反馈到Boost-Buck电路IGBT管V的控制极，达到每块Boost-Buck电路输出电压双环反馈的目的，分别实现风机整流输出电压UA和光伏电池输出电压UB恒压输出，且UA与UB相等。
3.根据权利要求1所述的风光储联合发电系统，其特征在于，所述STC12C2052AD单片机设有8路高速8位A/D转换器通道，2路8位高速PWM输出通道，其工作频率范围为0-35MHz；P1口中的2路经驱动器作为PWM控制信号输出；2KB的程序存储器，用于存放主程序和恒压控制、偏差控制、波动控制、负荷控制的判据与模糊控制所需要的数据表格。
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