基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、固態(tài)變壓器、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊，所述的固態(tài)變壓器分別與風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊連接，所述的控制模塊連接混合儲能模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以顯著減小系統(tǒng)體積和成本，提高設(shè)備利用率，可較好地平抑系統(tǒng)的功率波動，提高分布式電源的供電可靠性和電能質(zhì)量，并能在低光照強度、低風(fēng)速等情況下為系統(tǒng)提供短時能量支撐。
【專利說明】基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電力電子在風(fēng)光互補發(fā)電并網(wǎng)中應(yīng)用的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能和風(fēng)能是分布最廣，利用率最高的可再生能源，但受季節(jié)、地理、氣候等多種因素的制約，呈現(xiàn)出較強的不確定性。然而，二者在時間和地域上卻有一定的互補性，同時在儲能、逆變環(huán)節(jié)均可共用，適合聯(lián)合發(fā)電，實現(xiàn)資源互補，可以提高系統(tǒng)供電的可靠性，并減小對電網(wǎng)的沖擊。與獨立光伏或風(fēng)電系統(tǒng)相比,風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)(Wind/PV HybridGeneration System,WPHGS)可以獲得較穩(wěn)定的功率輸出，提高設(shè)備利用率，降低系統(tǒng)造價，在保證同樣供電的情況下，可以減少儲能設(shè)備的配置容量。為了平抑風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的劇烈波動、提高逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性，需要合理配置儲能設(shè)備容量，這樣既可減低系統(tǒng)成本，又可提高供電可靠性，即使在功率波動較快或較大的情況下也能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。目前，國內(nèi)外學(xué)者對離網(wǎng)型WPHGS的研究較多，主要集中于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)學(xué)建模與仿真，儲能設(shè)備的配置等，而對并網(wǎng)型WPHGS的研究剛剛起步，需要更多的深入研究。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以顯著減小系統(tǒng)體積和成本，提高設(shè)備利用率，可較好地平抑系統(tǒng)的功率波動，提高分布式電源的供電可靠性和電能質(zhì)量，并能在低光照強度、低風(fēng)速等情況下為系統(tǒng)提供短時能量支撐。
[0004]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]—種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、固態(tài)變壓器、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊，所述的固態(tài)變壓器分別與風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊連接，所述的控制模塊連接混合儲能模塊。
[0006]所述的風(fēng)力發(fā)電機的輸出端和光伏陣列的輸出端分別連接固態(tài)變壓器的交流輸入端和低壓直流輸入端。
[0007]所述的固態(tài)變壓器包括依次連接的AC-DC整流器、DC-DC變換器和DC-AC逆變器，固態(tài)變壓器的交流輸入端為AC-DC整流器的輸入端，所述的低壓直流輸入端位于AC-DC整流器的輸出端與DC-DC變換器的輸入端之間。
[0008]所述的AC-DC整流器為三相全控整流器，所述的DC-DC變換器包括依次連接的低壓側(cè)直流電容、單相全橋逆變器、高頻變壓器、單相橋式全控整流器和高壓側(cè)直流電容，所述的DC-AC逆變器為三相半橋逆變器。
[0009]所述的三相全控整流器包括六個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的單相全橋逆變器包括四個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的單相橋式整流器包括四個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的三相半橋逆變器包括六個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管。
[0010]所述的功率開關(guān)器件為IGBT、IGCT或MOSFET ;所述的二極管為IGBT的體內(nèi)二極管、IGCT的體內(nèi)二極管、MOSFET的體內(nèi)二極管或外接二極管。
[0011]所述的單相全橋逆變器和單相全橋整流器均采用PWM控制，所述的DC-AC逆變器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并結(jié)合同步鎖相控制技術(shù)，實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。
[0012]所述的混合儲能模塊包括蓄電池和超級電容，所述的蓄電池接在AC-DC整流器和DC-DC變換器之間，所述的超級電容接在DC-DC變換器和DC-AC逆變器之間。
[0013]所述的超級電容用于儲備電能和平抑功率波動，在系統(tǒng)供電不足或發(fā)生故障時對外放電，提供短時功率支持。
[0014]當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率小于蓄電池放電的下限功率時，蓄電池放電，當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率大于蓄電池充電的上限功率時，系統(tǒng)給蓄電池充電；蓄電池的剩余容量保持在其正常運行所允許的極限值之內(nèi)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0016]1、采用固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計，共用直流升壓電路和逆變電路，可以顯著減小系統(tǒng)體積和成本，提高設(shè)備利用率；采用高頻變壓器升壓，在實現(xiàn)電壓等級變換的同時達到電氣隔離目的。
[0017]2、超級電容和蓄電池混合儲能系統(tǒng)，克服了單一儲能系統(tǒng)難以同時滿足短時功率調(diào)節(jié)和長時功率支撐的需求。
[0018]3、在固態(tài)變壓器的高壓直流母線側(cè)配置一定容量的超級電容，除了作為能量儲備裝置，還可以平抑功率波動，維持直流電壓穩(wěn)定，蓄電池接于固態(tài)變壓器的低壓直流母線處，作為系統(tǒng)的能量儲備裝置，以提供短時功率支持。
[0019]4、適合于大規(guī)模風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，不需要工頻變壓器就可實現(xiàn)IOkV并網(wǎng)。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明固態(tài)變壓器的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖3為本發(fā)明固態(tài)變壓器的AC-DC整流器的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖4為本發(fā)明固態(tài)變壓器的DC-AC逆變器的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0025]實施例
[0026]如圖1所示，一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機1、光伏陣列2、固態(tài)變壓器3、混合儲能模塊4、電網(wǎng)5和控制模塊6，固態(tài)變壓器3分別與風(fēng)力發(fā)電機1、光伏陣列2、混合儲能模塊4、電網(wǎng)5和控制模塊6連接，控制模塊6連接混合儲能模塊4。[0027]固態(tài)變壓器3的具體結(jié)構(gòu)包括了依次連接的AC-DC整流器31、DC_DC變換器32和DC-AC逆變器33，AC-DC整流器31的輸入端作為固態(tài)變壓器3的交流輸入端，連接風(fēng)力發(fā)電機I的輸出端，用于輸入交流電，AC-DC整流器31的輸出端與DC-DC變換器32的輸入端之間為其低壓直流輸入端，連接光伏陣列2的輸出端，用于輸入直流電。
[0028]AC-DC整流器31為三相全控整流器，其具體結(jié)構(gòu)如圖3包括六個功率開關(guān)器件S9?S14和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管D9?D14 ；DC-AC逆變器33為三相半橋逆變器，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括了六個功率開關(guān)器件S15?S20和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管D15?D20 ;而DC-DC變換器32如圖2所示，包括依次連接的低壓側(cè)直流電容321、單相全橋逆變器322、高頻變壓器323、單相橋式整流器324和高壓側(cè)直流電容325。其中，單相全橋逆變器322和單相橋式整流器324均包括了四個功率開關(guān)器件SI?S4、S5?S8和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管Dl?D4、D5?D8。這些功率開關(guān)器件可以采用IGBT、IGCT或M0SFET，而二極管則可以采用IGBT的體內(nèi)二極管、IGCT的體內(nèi)二極管、MOSFET的體內(nèi)二極管或外接二極管。
[0029]由于該系統(tǒng)使用固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用高頻變壓器升壓，共用直流升壓電路和逆變電路，可以顯著減小系統(tǒng)體積和成本，提高設(shè)備利用率。
[0030]該系統(tǒng)的混合儲能模塊4包括蓄電池41和超級電容42，蓄電池41接在AC-DC整流器31和DC-DC變換器32之間，超級電容42接在DC-DC變換器32和DC-AC逆變器33之間。蓄電池41配置在固態(tài)變壓器的低壓直流母線側(cè)，作為系統(tǒng)的能量儲備裝置，當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率小于蓄電池放電的下限功率時，蓄電池放電，當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率大于蓄電池充電的上限功率時，系統(tǒng)給蓄電池充電；在此過程中，蓄電池的剩余容量始終保持在其正常運行所允許的極限值之內(nèi)。而超級電容42則配置在固態(tài)變壓器的高壓直流母線側(cè)，除了作為能量儲備裝置，還可以平抑功率波動，維持直流電壓穩(wěn)定，在系統(tǒng)供電不足或發(fā)生故障時對外放電，提供短時功率支持。本發(fā)明采用超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，克服了單一儲能系統(tǒng)難以同時滿足短時功率調(diào)節(jié)和長時功率支撐的需求，適合于大規(guī)模風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，不需要工頻變壓器就可實現(xiàn)IOkV并網(wǎng)。
[0031]本發(fā)明的運行方式為:風(fēng)力發(fā)電機I發(fā)出的交流電和光伏陣列2輸出的直流電分別接入固態(tài)變壓器3提供的交流輸入端和和低壓直流輸入端，匯入低壓直流母線側(cè)后，經(jīng)高頻變壓器升壓轉(zhuǎn)換成高壓直流，最后經(jīng)逆變器并入IOkV電網(wǎng)。
[0032]由于本發(fā)明的整體控制目標為保持逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，保證網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行，輸出功率波動小，輸出電流是正弦波且諧波分量小?？刂颇K6對單相全橋逆變器和單相全橋整流器均采用PWM控制，而對DC-AC逆變器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并結(jié)合同步鎖相控制技術(shù)，實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。
【權(quán)利要求】
1.一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、固態(tài)變壓器、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊，所述的固態(tài)變壓器分別與風(fēng)力發(fā)電機、光伏陣列、混合儲能模塊、電網(wǎng)和控制模塊連接，所述的控制模塊連接混合儲能模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的風(fēng)力發(fā)電機的輸出端和光伏陣列的輸出端分別連接固態(tài)變壓器的交流輸入端和低壓直流輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的固態(tài)變壓器包括依次連接的AC-DC整流器、DC-DC變換器和DC-AC逆變器，固態(tài)變壓器的交流輸入端為AC-DC整流器的輸入端，所述的低壓直流輸入端位于AC-DC整流器的輸出端與DC-DC變換器的輸入端之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的AC-DC整流器為三相全控整流器，所述的DC-DC變換器包括依次連接的低壓側(cè)直流電容、單相全橋逆變器、高頻變壓器、單相橋式全控整流器和高壓側(cè)直流電容，所述的DC-AC逆變器為三相半橋逆變器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的三相全控整流器包括六個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的單相全橋逆變器包括四個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的單相橋式全控整流器包括四個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管；所述的三相半橋逆變器包括六個功率開關(guān)器件和并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率開關(guān)器件為IGBT、IGCT或MOSFET ;所述的二極管為IGBT的體內(nèi)二極管、IGCT的體內(nèi)二極管、MOSFET的體內(nèi)二極管或外接二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的單相全橋逆變器和單相橋式全控整流器均采用PWM控制，所述的DC-AC逆變器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并結(jié)合同步鎖相控制技術(shù)，實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的混合儲能模塊包括蓄電池和超級電容，所述的蓄電池接在AC-DC整流器和DC-DC變換器之間，所述的超級電容接在DC-DC變換器和DC-AC逆變器之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的超級電容用于儲備電能和平抑功率波動，在系統(tǒng)供電不足或發(fā)生故障時對外放電，提供短時功率支持。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于固態(tài)變壓器的混合儲能風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率小于蓄電池放電的下限功率時，蓄電池放電，當(dāng)系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率大于蓄電池充電的上限功率時，系統(tǒng)給蓄電池充電；蓄電池的剩余容量保持在其正常運行所允許的極限值之內(nèi)。
【文檔編號】H02J3/38GK103944180SQ201310021696
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月21日
【發(fā)明者】張明銳, 林承鑫 申請人:同濟大學(xué)