一種風能、太陽能併網發電系統及其控制方法
2023-08-03 03:06:46 1
專利名稱：一種風能、太陽能併網發電系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬於新能源發電與電氣技術領域，具體涉及一種風能、太陽能併網發電系統及其控制方法。
背景技術：
採用煤炭燃料發電已經有兩個多世紀。近年來，關於全球變暖和碳排量造成的環境間題的關注日益增加，清潔、可持續的新能源供電形式應運而生，比如風力、海洋、太陽能、生物和地熱發電。其中，風力和太陽能發電在過去的10年中已有了非常快速的發展。兩者均為無汙染的豐富能源，而且可以在負載中心就近發電，因此無需架設穿越鄉村和市區地表的高壓輸電線路。具有關資料顯示，2009年一次能源年消耗總量為60億億Btu，而且家居和辦公所用的能源中近70%是電力。全球預計一次能源的消耗總量會從2005年的15萬億kWh增長到2015年的19萬億kWh，這相當於全球平均年增長的2. 6%。發展中國家的增長率預計為 5%，幾乎是世界水平的兩倍。中國是繼美國之後的世界第二大電力消費國，中國發展新能源供電大勢所趨。龐大的人口基數造就了國家快速增長的電力市場，然而新能源發電在電力市場中尤為重要。新能源併網運行的實質是具有固定輸出電壓的電流源。如何有效控制輸出電流以及在儘量減小對電網的諧波汙染的前提下，滿足併網電壓與電網同壓、同頻、同相，逆變效率的最優化，併網與孤島運行間的有效切換和本地負載配電的最優化控制，這些都是新能源併網的難題和關鍵點。目前的研究主要針對於太陽能和風能獨立發電系統獨立運行發電的逆變、最大功率跟蹤以及孤島檢測控制策略上，並未將其有效的組織成一個具有便於調度的併網逆變系統。即使近年來做了一些發電-逆變_併網系統構建的嘗試，但是所構建的併網系統存在輸出功率波動大、併網的電能質量差等間題。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種風能、太陽能併網發電系統及其控制方法。本發明的技術方案是一種風能、太陽能併網發電系統包括發電單元、逆變單元、 併網單元、主控單元和檢測單元。發電單元包括風能、太陽能發電機組，蓄電池和蓄電池控制器；所述風能、太陽能發電機組中，風能發電機採用直流發電機，太陽能發電機組採用光伏發電陣列，外圍電路包括直流升壓電路和最大功率跟蹤控制器。風能、太陽能發電機組發出的電能首先進入直流升壓電路，機組輸出的電能進行升壓，升壓後的電能分別接入逆變器和本地直流負載，逆變器對電能逆變處理，逆變後的電能再接入線路濾波器，濾除逆變電能中的高次諧波。所述最大功率跟蹤控制器包括可控整流電路；所述蓄電池和蓄電池控制器，蓄電池採用鉛酸蓄電池，各蓄電池之間並聯。蓄電池主要是將風能太陽能發電機組發出的多餘電能進行儲存，在電能緊缺的時候充當補充電源，平衡逆變器與發電機組的功率差。蓄電池控制器是對蓄電池狀態進行控制。風能、太陽能發電機組輸出端分別連接直流升壓電路輸入端，直流升壓電路輸出端連接逆變器的輸入端和本地直流負載；發電機組的機械機構輸入端與最大功率跟蹤器輸出端相連，蓄電池控制器的輸出端與控制器開關相連，蓄電池通過控制開關連接至直流升壓電路的輸出端。為實現系統不間斷的、穩定的向本地負載和電網供電，風能、太陽能併網發電系統應該滿足白天、黑夜陣列輸出的功率比近似為1的要求。太陽能發電機組與風能發電機組的裝機容量比k應該滿足關係式k =--sin(rx^xs1n( +^)x180)⑴
Ug χ ？7 χ S" χ sin( + β)νχ Iπ式中ν-當地平均風速，T-當地平均氣溫，α-當地中午時的太陽高度角，β-光伏陣列的傾角，S-水平面太陽直接輻射量，U0風機最大功率電壓，光伏陣列最大功率電壓，I光伏陣列短路電流，U』 ^光伏陣列最大功率電壓。逆變單元包括逆變單元包括逆變器、線路濾波器和電壓前置補償裝置，逆變器採用三相逆變器，三相逆變器的輸入端與風能、太陽能發電機組的直流升壓電路的輸出端連接，三相逆變器的輸出端連接線路濾波器的輸入端，線路濾波器的輸出端分別連接電壓前置補償裝置的輸入端和本地交流負載，電壓前置補償裝置包括PID控制器和電壓前置補償裝置，PID控制器的輸出端與前置補償裝置輸入端相連。併網單元包括併網控制器和斷路器，所述併網控制器是由接入電網的三個斷路器和可控整流電路組成；斷路器的輸入端與電壓前置補償裝置的輸出端相連，斷路器的輸出端連至電網，併網控制器的輸出端連至斷路器的輸入端。併網單元對孤島狀態進行準確快速的檢測，並快速、有效的執行切除併網單元，實現對本地負載實現不間斷供電和對電網衝擊最小的目標。所述電壓前置補償裝置的原理是電網線電流k與參考電流iref作差，信號Ai送入PID控制器產生補償控制信號UN，Un驅動前置補償可裝置，產生補償信號Δ U，實現逆變器輸出電流iab與電網電流I同相位、同幅值，提高併網電能質量。主控單元包括DSP處理器及其外圍模塊，DSP外圍模塊包括電壓和電流採樣轉換模塊、信號調製電路、三角波擾動信號產生電路、寄存模塊、通訊模塊和DSP電源模塊，電壓和電流採樣轉換模塊包括電壓傳感器和電流傳感器。通過DSP進行集成一體化控制，並帶有通訊功能，可實現遠程控制，DSP主要是對接收到的數據進行運算和處理，產生PWM波對風能、太陽能發電機組的最大功率跟蹤控制器、逆變器的控制器、蓄電池控制器和孤島檢測執行機構進行驅動控制。
電壓和電流採樣轉換模塊的輸入端分別連至風能、太陽能發電機組的輸出端，直流升壓電路的輸出端和電網與系統公共耦合節點，電壓和電流採樣轉換模塊的輸出端與信號調製電路的輸入端相連，信號調製電路輸出端連至DSP的A/D轉換接口，最大功率跟蹤控制器的輸入端連接至DSP的P麗接口，蓄電池控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，併網控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，三角波擾動信號產生電路的輸出端連接DSP的A/D轉換接口，寄存模塊的輸出端與DSP的地址端相連，通訊模塊的輸入端與DSP的數據端相連， DSP電源模塊輸出端與DSP電源接口相連。 檢測單元是體化負載模擬箱，包括靜態負載模擬和動態負載模擬，通過實際測量兩種狀態下的發電系統運行的狀態，判斷發電系統是否能正常工作，為系統提供不同的工作模式和工作參數。檢測單元的檢測方法是通過模擬理想的環境，檢測發電系統是否正常的工作在標準範圍內來判定是否可以將發電裝置投入使用，並且可以通過測試時發電系統運行的狀態判斷系統在哪一部分除了問題。通過實際測量動態和靜態下的發電系統運行的狀態，判斷發電系統是否能正常工作，為系統提供不同的工作模式和工作參數。檢測單元的檢測流程為
第1步將發電系統發出的A，B, C相輸出端，分別連接在動態負載的3相輸入端； 第2步當電動機母線電壓U等於額定電壓扎時，滑差
權利要求
1.一種風能、太陽能併網發電系統，其特徵在於包括發電單元、逆變單元、併網單元、 主控單元和檢測單元，所述發電單元包括風能、太陽能發電機組，蓄電池和蓄電池控制器，風能發電機採用直流發電機，太陽能發電機組採用光伏發電陣列，各蓄電池之間並聯，風能、太陽能發電機組的外圍電路包括直流升壓電路和最大功率跟蹤控制器；所述逆變單元包括逆變器、線路濾波器和電壓前置補償裝置，逆變器採用三相逆變器， 電壓前置補償裝置包括PID控制器和前置補償裝置； 所述併網單元包括併網控制器和斷路器；所述主控單元包括DSP處理器及其外圍模塊，DSP外圍模塊包括電壓和電流採樣轉換模塊、信號調製電路、三角波擾動信號產生電路、寄存模塊、通訊模塊和DSP電源模塊，電壓和電流採樣轉換模塊包括電壓傳感器和電流傳感器；所述檢測單元是一個一體化負載模擬箱，包括靜態負載模擬和動態負載模擬； 所述風能、太陽能併網發電系統具體連接如下風能、太陽能發電機組的輸出端與直流升壓電路的輸入端連接，直流升壓電路的輸出端連接逆變器的輸入端，逆變器的輸出端與線路濾波器的輸入端連接，線路濾波器的輸出端連接電壓前置補償裝置的輸入端和本地交流負載，電壓前置補償裝置的輸出端經斷路器與電網相連，逆變器、併網單元、蓄電池控制器和最大跟蹤控制器均通過輸出引腳與DSP相連，最大功率跟蹤控制器輸出的直流電壓加在控制電機兩端，蓄電池控制器輸出的直流電壓控制開關的狀態；進行負載檢測時，負載的輸入端分別與系統的A、B、C三相連接，動態負載的轉子、定子兩端的電壓輸出端與電能質量分析儀連接，靜態負載的A、B、C三相的相電壓輸出端與電能質量分析儀連接。
2.根據權利要求1所述的風能、太陽能併網發電系統，其特徵在於所述發電單元的具體連接如下風能、太陽能發電機組輸出端分別連接直流升壓電路輸入端，直流升壓電路輸出端連接逆變器的輸入端和本地直流負載；發電機組的機械機構輸入端與最大功率跟蹤器輸出端相連，蓄電池控制器的輸出端與控制器開關相連，蓄電池通過控制開關連接至直流升壓電路的輸出端；所述逆變單元的具體連接如下三相逆變器的輸入端與風能、太陽能發電機組的直流穩壓電路的輸出端連接，三相逆變器的輸出端分別連接本地交流和直流負載、線路濾波器， 線路濾波器的輸出端連接電壓前置補償裝置的輸入端和本地交流負載，，PID控制器的輸出端與前置補償裝置的輸入端相連；所述併網單元的併網控制器由接入電網的三個斷路器和可控整流電路組成，併網單元的具體連接如下斷路器的輸入端與電壓前置補償裝置的輸出端相連，斷路器的輸出端連至電網，併網控制器的輸出端連至斷路器的輸入端；所述主控單元的具體連接如下電壓和電流採樣轉換模塊的輸入端分別連至風能、太陽能發電機組的輸出端，直流升壓電路的輸出端和電網與系統公共耦合節點，電壓和電流採樣轉換模塊的輸出端與信號調製電路的輸入端相連，信號調製電路輸出端連至DSP的A/ D轉換接口，最大功率跟蹤控制器的輸入端連接至DSP的PWM接口，蓄電池控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，併網控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，三角波擾動信號產生電路的輸出端連接DSP的A/D轉換接口，寄存模塊的輸出端與DSP的地址端相連，通訊模塊的輸入端與DSP的數據端相連，DSP電源模塊輸出端與DSP電源接口相連。
3.根據權利要求1所述的風能、太陽能併網發電系統，其特徵在於所述檢測單元的檢測流程為第1步將發電系統發出的A，B，C三相輸出端，分別連接在動態負載的3相輸入端；第2步當電動機母線電壓U等於額定電壓扎時，滑差
4.根據權利要求1所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於具體按如下步驟進行步驟1 風能、太陽能發電機組、直流升壓電路及併網公共耦合節點輸出的電壓和電流經過採樣轉換模塊後，進入信號調製電路，調理電壓和電流；步驟2 =DSP的A/D轉換接口接收信號調製電路調製輸出的信號，進行A/D轉換； 步驟3 =DSP對A/D轉換後的信號進行歸一化處理，並將數據存儲到寄存模塊； 步驟4 :DSP採用神經網絡算法進行網絡學習，對下一時刻的線電壓和電流進行預測； 步驟5 最大功率跟蹤；步驟6 判斷逆變器的輸入功率是否等於發電機組的輸出功率，如果二者不相等，則執行步驟7，否則直接執行步驟8 ； 步驟7:蓄電池控制；步驟8 逆變控制，根據電能質量分析結果，對逆變器工作狀態進行控制； 步驟9 孤島檢測；步驟10 通過DSP外圍接入的通訊模塊向上位機上傳系統運行的狀態參數，包括各檢測點的線電壓，線電流，神經網絡預測的線電壓、線電流，三相逆變器的輸出電能質量參數， 各個開關和控制器的狀態，同時通過DSP外圍接入的寄存器將狀態參數送入寄存器儲存， 作為歷史記錄；步驟11 系統操作人員通過上傳的系統狀態參數，可對系統進行實時控制，如當系統達到重新併網運行時，操作人員可通過上位機向DSP發出重新併網運行的指令。
5.根據權利要求4所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於所述步驟4中神經網絡學習規則是Δ Wij = nr [Wij (t)，X(t)，dj (t) ]X(t) (2)式中X(t)——是t時刻的輸入數組； η—是網絡的學習速率； r——是學習信號； d——是網絡的期望值； 其中，學習信號
6.根據權利要求4所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於所述步驟5最大功率跟蹤，具體按如下步驟進行步驟5. 1 在電壓、電流的預測結果上加一個小的擾動信號，依據功率計算公式P = UX I，計算擾動後發電機組的輸出功率Pt+1，將擾動前功率Pt與擾動後功率Pt+1做差比較， 差值為ΔΡ;步驟5. 2 若ΔΡ > 0，通過DSP發出PWM波使下一時刻發電機組的輸出值為擾動值與預測值的和，即U』 t+1 = ut+1+Au, I』 t+1 = it+1+Ai ；否則，發電機組的工作狀態不變。
7.根據權利要求4所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於所述步驟7蓄電池控制具體過程如下發電機組的輸出功率和逆變器的輸入功率做差，差值記為Δρ，若果若Δρ>0，通過 DSP發出PWM波使得充電開關閉合，蓄電池充當直流負載，吸收多餘的電能並儲存；否則，放電開關閉合，蓄電池充當發電機組向逆變器輸出功率。
8.根據權利要求4所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於所述步驟8逆變器控制，根據電能質量分析結果，對逆變器工作狀態進行控制，具體按如下步驟進行步驟8. 1 計算三相線電壓和三相線電流的瞬時值和電壓有效值；步驟8. 2 計算併網總功率p，總瞬時無功功率q、總瞬時視在功率s和總瞬時功率因數
9.根據權利要求4所述的風能、太陽能併網發電系統的控制方法，其特徵在於所述步驟9孤島檢測按如下步驟進行步驟9. 1 根據步驟8得出的電能質量分析結果，判斷三相逆變器輸出的電能質量是否符合併網運行條件，如果不滿足，則執行步驟9. 8，如果滿足，則執行步驟9. 2 ；併網時應滿足以下3個條件(1)併網裝置逆變輸出電壓和市電壓接近相等，壓差應在10%以內；(2)逆變輸出頻率應該接近市電壓，頻率差不超過0.4Hz ；(3)逆變輸出電壓和市電壓同相，此相位差不超過10°；步驟9.2 計算逆變器輸出電能的線電壓、線電流與電網線電壓、線電流差值，記為 AU, Δ I ；步驟9.3:判斷AU，ΔΙ是否均在安全裕度內，如果不是，執行步驟9.8;否則，執行步驟 9. 4 ；步驟9. 4 採用P-V檢測法，進行被動孤島檢測；步驟9. 5 判斷被動孤島檢測結果，如果檢測結果不滿足併網條件，執行第5. 6步；如果滿足，則執行步驟9. 2;步驟9. 6 採用輸出功率擾動法，進行主動孤島檢測；步驟9. 7 判斷主動孤島檢測結果，如果檢測結果不滿足併網條件，執行步驟9. 8 ；如果滿足，則執行步驟9. 2;步驟9. 8 向併網控制器發出切換指令。
全文摘要
本發明提供一種風能、太陽能併網發電系統及其控制方法，包括發電單元、逆變單元、併網單元、主控單元和檢測單元，採用DSP構成的集成一體化控制單元，對各單元進行有效控制，採用神經網絡對系統運行的狀態參數進行預測，克服了控制指令執行滯後併網系統變化的缺點，提高了系統運行的穩定性。孤島檢測採用主動、被動結合的檢測方式，提高了系統的防孤島運行的能力。本發明不僅是將逆變電能送入電網，還能將電能就近供給本地的交、直流負載，減輕了電網的負荷壓力，有利於提高電網的穩定運行的能力。當系統的輸出電能小於本地負荷，電網還可向系統的本地負載供電，使得本地負載由系統電源和電網電源雙重電源供電，提高了電源不間斷供電的時間。
文檔編號H02J3/28GK102237691SQ201110186919
公開日2011年11月9日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者何志強, 劉振偉, 孫秋野, 張化光, 張晨, 楊珺, 滕菲, 郭靖, 馬大中 申請人:東北大學