一種對(duì)電網(wǎng)友好且擴(kuò)展靈活的新能源發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，具體而言，特別是一種大型光伏、風(fēng)力、儲(chǔ)能電站采用同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)和一種包含光伏、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能的離網(wǎng)供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光伏發(fā)電通過光伏逆變器并網(wǎng)，受到電力電子器件耐壓、開關(guān)頻率和功率等級(jí)的限制，主流廠家的單臺(tái)光伏逆變器最大額定功率為500kW，光伏逆變器輸出的電壓等級(jí)為270或315V，需要經(jīng)過升壓變壓器接入1kV或35kV電網(wǎng)。
[0003]光伏、風(fēng)能發(fā)電出力具有隨機(jī)性、間歇性，在電網(wǎng)末端，或是微電網(wǎng)中，光伏逆變器、風(fēng)能變流器等電力電子設(shè)備在一個(gè)區(qū)域內(nèi)集中并網(wǎng)容易產(chǎn)生電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)和諧波等電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生電網(wǎng)諧振；我國(guó)十三五新能源發(fā)展的目標(biāo)初定為，到2020年，風(fēng)電和太陽能裝機(jī)容量達(dá)到2億千瓦和I億千瓦，未來隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)等效峰谷差變大，增加了系統(tǒng)調(diào)峰難度，迫切需要支持光伏、風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的發(fā)電技術(shù)。
[0004]在很多海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)，光伏、風(fēng)能等可再生能源豐富，但沒有大電網(wǎng)或電網(wǎng)薄弱，供電成本高，隨著由光伏、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能和逆變器或雙向變流器組成的離網(wǎng)供電系統(tǒng)技術(shù)成熟和成本降低，逐漸成為這些地區(qū)解決供電難題的流行方案。
[0005]一些麗級(jí)離網(wǎng)供電系統(tǒng)中采用微電網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光儲(chǔ)互補(bǔ)離網(wǎng)電站，依靠雙向變流器作為電壓源建立電網(wǎng)，光伏、風(fēng)電等并網(wǎng)運(yùn)行，但雙向變流器由于電子電子器件的限制，主流廠家的單臺(tái)雙向變流器最大額定功率為500kW，需要在交流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行才能達(dá)到MW級(jí)以上的容量，而且控制策略復(fù)雜，過載能力差，容易發(fā)生諧振，通常需要變壓器隔離升壓后接入電網(wǎng)，在變壓器合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，容易導(dǎo)致過流保護(hù)，此外逆變器或儲(chǔ)能變流器作為電壓源供電時(shí)，不具備發(fā)電機(jī)的對(duì)負(fù)載的普遍適應(yīng)能力。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]有鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種光伏、風(fēng)力發(fā)電經(jīng)同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)的方案和實(shí)施實(shí)例，所述發(fā)電系統(tǒng)用于并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，提高發(fā)電單元額定功率和光伏、風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電的電能質(zhì)量，所述發(fā)電系統(tǒng)用于離網(wǎng)供電時(shí)，具有較高的過載能力和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力，可以達(dá)到麗級(jí)以上額定輸出功率，且具有與其他電源，如柴油發(fā)電機(jī)、水利發(fā)電機(jī)并聯(lián)協(xié)調(diào)運(yùn)行能力。
[0007]光伏發(fā)電先通過光伏控制器輸送到發(fā)電單元的直流母線，風(fēng)力發(fā)電先通過風(fēng)能變流器輸送到發(fā)電單元的直流母線，發(fā)電單元正常運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓保持恒定。
[0008]目前，常見的額定功率為500kW的光伏逆變器MPP (最大功率跟蹤)電壓范圍為480?850V，MW級(jí)全功率或雙饋風(fēng)能變流器中間直流側(cè)母線電壓在1100V左右；當(dāng)發(fā)電單元沒有配置儲(chǔ)能裝置時(shí)，則直流母線電壓在800?1200V之間可設(shè)置，可方便光伏發(fā)電通過光伏控制器升壓后接入直流母線，風(fēng)力發(fā)電通過的永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過機(jī)側(cè)變流器就可接入直流母線。
[0009]當(dāng)發(fā)電單元配置儲(chǔ)能裝置時(shí)，若儲(chǔ)能裝置通過雙向DC/DC變流器接入直流母線，則直流母線電壓在800?1200V之間可設(shè)置且儲(chǔ)能裝置輸出最高電壓低于直流母線設(shè)置的電壓。
[0010]在麗級(jí)以下離網(wǎng)供電系統(tǒng)中，常用光伏控制器、風(fēng)能控制器給蓄電池充電，再通過逆變器把蓄電池存儲(chǔ)的直流電逆變?yōu)榻涣麟娊o負(fù)荷供電，蓄電池的額定電壓普遍較低；當(dāng)蓄電池直接接入直流母線，則直流母線電壓穩(wěn)定為蓄電池的輸出電壓且電壓不限制在800?1200V之間，可低于800V。
[0011]變頻器為直流輸入交流輸出變頻器，其直流側(cè)接入直流母線，控制電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與同步發(fā)電機(jī)相連，帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，使光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電通過同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，改變光伏發(fā)電通過光伏逆變器并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電通過全功率變流器或雙饋?zhàn)兞髌鞑⒕W(wǎng)的傳統(tǒng)方式，提高發(fā)電單元額定功率和光伏、風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量。
[0012]所述發(fā)電系統(tǒng)用于并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，由于需要把最大功率時(shí)的光伏、風(fēng)能發(fā)電輸入電網(wǎng)，I個(gè)發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)總的額定功率為此發(fā)電單元的光伏控制器、風(fēng)能變流器總的額定功率的70%?100%。
[0013]因此，在并網(wǎng)發(fā)電功率較小時(shí)，考慮到電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的損耗較大，影響發(fā)電量，為了提高發(fā)電量，在直流母線上接入具有穩(wěn)壓功能的并網(wǎng)逆變器、雙向變流器；并網(wǎng)逆變器、雙向變流器的額定功率為發(fā)電機(jī)額定功率的10%?30%，在并網(wǎng)發(fā)電功率較小時(shí)，不啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，而啟動(dòng)并網(wǎng)逆變器、雙向變流器穩(wěn)定直流母線電壓把輸入到直流母線的電能輸送到電網(wǎng)；當(dāng)并網(wǎng)逆變器、雙向變流器的運(yùn)行功率達(dá)到額定功率時(shí)，再啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)逆變器、雙向變流器也可在發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到額定功率時(shí)啟動(dòng)，工作在功率調(diào)度模式，為發(fā)電機(jī)分擔(dān)一部分發(fā)電功率。
[0014]當(dāng)所述發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能時(shí)，雙向變流器可把電網(wǎng)電能輸送到所述發(fā)電系統(tǒng)的直流母線，配合電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，支持新能源大規(guī)模并網(wǎng)。
[0015]所述發(fā)電系統(tǒng)用于離網(wǎng)供電時(shí)，必須配置電池儲(chǔ)能裝置，I個(gè)發(fā)電單元的雙向DC/DC變流器總的額定功率為此發(fā)電單元的光伏控制器和風(fēng)力發(fā)電功率總的額定功率的70%?100% ;當(dāng)儲(chǔ)能裝置通過雙向DC/DC變流器接入直流母線時(shí)，發(fā)電單元依靠雙向DC/DC變流器穩(wěn)定直流母線電壓來正常工作；主要受到2個(gè)方面限制，單臺(tái)雙向DC/DC變流器穩(wěn)定直流母線電壓的能力受限，一是電力電子器件耐壓、開關(guān)頻率和功率等級(jí)的限制，單臺(tái)雙向DC/DC變流器的額定功率受限；二是當(dāng)蓄電池作為儲(chǔ)能裝置時(shí)，由于單體電芯的電壓和儲(chǔ)能容量較小，需要選擇一致性特性較好的單體單芯串并聯(lián)組成電池堆，常見的較大的電池堆容量為I?2MWh ;因此，同一型號(hào)的多臺(tái)雙向DC/DC變流器通過并聯(lián)均流的方式穩(wěn)定直流母線提高了直流母線的穩(wěn)定性，可使I個(gè)發(fā)電單元的單臺(tái)發(fā)電機(jī)達(dá)到MW級(jí)以上額定功率，這種在直流側(cè)并聯(lián)的方式較目前流行的多臺(tái)雙向變流器(PCS)在交流測(cè)并聯(lián)更穩(wěn)定、更易于實(shí)施；由于不同類型的儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行的電壓范圍、容量和充放電功率不同，不同的類型儲(chǔ)能裝置不能直接并聯(lián)，需要通過雙向DC/DC變流器分別接入直流母線，可選擇一部分雙向DC/DC變流器工作于穩(wěn)定直流母線的控制模式，即電壓源模式，另一部分雙向DC/DC變流器工作于功率調(diào)度模式，即電流源模式。
[0016]當(dāng)I個(gè)發(fā)電單元內(nèi)有多臺(tái)同一型號(hào)的發(fā)電機(jī)時(shí)，與電動(dòng)機(jī)配套的發(fā)電機(jī)也是同一型號(hào)的發(fā)電機(jī)，多臺(tái)發(fā)電機(jī)可通過并機(jī)控制器并聯(lián)運(yùn)行，使每臺(tái)發(fā)電機(jī)均分負(fù)荷功率；多個(gè)發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)采用同一型號(hào)發(fā)電機(jī)時(shí)，多個(gè)發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)可通過并機(jī)控制器并聯(lián)運(yùn)行，使每個(gè)發(fā)電單元的發(fā)電機(jī)均分負(fù)荷功率。
[0017]同步發(fā)電機(jī)配置有電壓調(diào)節(jié)器，具有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)功能，當(dāng)所述發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)供電或支持電網(wǎng)黑啟動(dòng)時(shí)，變頻器變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)電壓調(diào)節(jié)器可設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)變頻變壓?jiǎn)?dòng)，降低投入負(fù)荷或變壓器時(shí)的沖擊電流。
[0018]發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)、額定轉(zhuǎn)速可根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)、頻率要求和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等條件確定。例如可為三相400V低壓，直接給低壓負(fù)荷供電；也可為高壓1kV發(fā)電機(jī)，直接接入1kV電網(wǎng)，這種方式在無電地區(qū)、海島等離網(wǎng)供電系統(tǒng)中可省去升壓變壓器，提高發(fā)電的效率并消除升壓變壓器合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流。
[0019]本發(fā)電單元正常工作時(shí)直流母線電壓保持穩(wěn)定，基本原理為維持直流母線的能量平衡，即流入直流母線的能量和流出直流母線的能量保持平衡，穩(wěn)定直流母線電壓的設(shè)備包括:光伏控制器、風(fēng)能變流器、雙向DC/DC變流器、儲(chǔ)能裝置、變頻器、并網(wǎng)逆變器、雙向變流器。
[0020]同一時(shí)刻，只由同一類型的設(shè)備來穩(wěn)定直流母線電壓，穩(wěn)定直流母線電壓的設(shè)備可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用靈活選擇和相互切換，切換過程中直流母線保持恒定，暫態(tài)過程不會(huì)引起設(shè)備保護(hù)和損壞。
[0021]在光伏、風(fēng)力發(fā)電輸出的最大功率內(nèi)，光伏控制器、風(fēng)能變流器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出到直流母線的電能，穩(wěn)定直流母線電壓，可支持不配置儲(chǔ)能的所述發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)黑啟動(dòng)。
[0022]雙向DC/DC變流器通過給儲(chǔ)能裝置充電或放電穩(wěn)定直流母線電壓。
[0023]所述發(fā)電系統(tǒng)用于并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，變頻器通過控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力，使輸入直流母線的電能與直流母線輸出到變頻器的電能保持平衡來穩(wěn)定直流母線電壓；并網(wǎng)逆變器通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)向交流電網(wǎng)輸送的電能穩(wěn)定直流母線電壓；雙向變流器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)的交換電能穩(wěn)定直流母線電壓。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型提出的一種對(duì)電網(wǎng)友好且拓展靈活的新能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施實(shí)例公開的一種儲(chǔ)能裝置直接接入直流母線的離網(wǎng)供電系統(tǒng)