本發(fā)明涉及新能源電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)及驗(yàn)證方法。

背景技術(shù)：

近年來，環(huán)境污染和能源枯竭問題日趨嚴(yán)重，以太陽能、風(fēng)能等為代表的清潔可再生能源，正在逐步替代化石能源。風(fēng)能和太陽能在時(shí)間和地域上天然具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，大型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是可再生能源極有前途的一種高效利用形式。與單獨(dú)大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電相比，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能使功率輸出較平穩(wěn)，增加電網(wǎng)對(duì)間歇性可再生能源的吸收接納程度。

柔性直流技術(shù)已較日趨成熟，其中模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流近年來已在新能源輸電、直流電網(wǎng)等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。模塊化多電平換流器因其自身有功無功獨(dú)立控制等特性尤其適合于新能源領(lǐng)域，已成為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并將逐漸成為今后發(fā)展的趨勢。光伏電站與模塊化多電平換流器在結(jié)構(gòu)上有相似性，將光伏通過模塊化多電平換流器收集外送，其相關(guān)成果一定程度已獲得國內(nèi)外專家的認(rèn)可。

但是,當(dāng)光伏電站處于陰影區(qū)域或者夜間時(shí)，光伏電池?zé)o法收集到太陽能，但換流器不能停用而將持續(xù)的產(chǎn)生較大的損耗，整體而言換流器的利用率處于較低水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)及驗(yàn)證方法，能夠較充分的利用光伏、風(fēng)能及柔性直流各自的優(yōu)勢，具有互補(bǔ)性高，對(duì)系統(tǒng)諧波影響小等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)，包括若干風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、若干太陽能電池組。

其中，若干所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓后接入模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的換流器的交流側(cè)，所述交流側(cè)運(yùn)行于整流狀態(tài)。

若干所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入的交流電能整流為直流電能接入直流系統(tǒng)；若干所述太陽能電池組經(jīng)過dc/dc變換后并接于所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電容器，所述電容器通過子模塊將若干所述太陽能電池組接入的直流電能匯入直流母線，送至直流系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述太陽能電池組包括psm子模塊，所述psm子模塊包括光伏陣列(pv)、dc-dc變換電路、mmc的子模塊sm，所述mmc的子模塊sm由兩個(gè)igbt(t1、t2)、兩個(gè)反向二極管(d1、d2)和一個(gè)電容構(gòu)成。

利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)的驗(yàn)證方法，步驟如下：

步驟a、計(jì)算所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的所述上、下橋臂的瞬時(shí)功率，計(jì)算公可以分別表示為：

其中，u和α分別為對(duì)應(yīng)相內(nèi)電勢e的電壓幅值及初始相角；i和γ分別為對(duì)應(yīng)相的電流幅值及初始相角；k和m分別為電壓及電流的調(diào)制系數(shù)，定義為：

步驟b、對(duì)所述直流外送系統(tǒng)進(jìn)行簡化，所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電容器電壓可以表示為：

其中，ppv為太陽能電池的功率；c為子模塊的電容值；△t、t分別為步長和起始時(shí)間，sc為子模塊導(dǎo)通狀態(tài)。所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的橋臂電容器組的輸出電壓urm可以表示為：

其中，ucj表示橋臂內(nèi)第j個(gè)子模塊的電容電壓，scj表示其子模塊接入狀態(tài)；

步驟c、根據(jù)步驟b和c的結(jié)論建立光伏mmc橋臂的數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型，對(duì)所述直流外送系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

優(yōu)選的，在步驟a中，當(dāng)所述上橋臂的瞬時(shí)功率、下橋臂的瞬時(shí)功率均含有相同的直流，以及2倍頻分量，且所述上橋臂的瞬時(shí)功率、下橋臂的瞬時(shí)功率的基頻分量大小相同、方向相反，則式(1)和式(2)簡化為：

其中，pdc、pωj和p2ωj分別表示橋臂瞬時(shí)功率的直流、基頻及2倍頻分量，式(4)改寫為：

其中，pωj和p2ωj是瞬時(shí)功率基頻及2倍頻分量的幅值；φ1j和φ2j分別為他們對(duì)應(yīng)的初始相角。

優(yōu)選的，在步驟a中，所述直流外送系統(tǒng)工作在純光伏模式，所述純光伏模式是指所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在無風(fēng)的狀態(tài)下處于停機(jī)狀態(tài)，該種模式下所述換流器的交流側(cè)流入交流電流為0；此時(shí)換流器外環(huán)功率控制切換至定交流電壓的控制方式，在該種模式下，m＝0，則式(1)及式(2)可以改寫為：

在該種模式下，上下橋臂僅存在直流及基頻分量，2倍頻分量為0。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明能夠較充分的利用光伏、風(fēng)能及柔性直流各自的優(yōu)勢，具有互補(bǔ)性高，對(duì)系統(tǒng)諧波影響小等特點(diǎn)。

在pscad/emtdc軟件平臺(tái)上按照本發(fā)明的驗(yàn)證方法，能夠建立本發(fā)明提出的風(fēng)光互補(bǔ)能源的模塊化多電平換流器外送系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確的仿真模型，與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的驗(yàn)證速度提速達(dá)數(shù)千倍。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1示出的是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出的是本發(fā)明一實(shí)施例的psm子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3示出的是本發(fā)明一實(shí)施例的光伏mmc橋臂的數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4a示出的是本發(fā)明一光伏風(fēng)電柔直外送系統(tǒng)的直流母線電壓及電流的仿真結(jié)果。

圖4b示出的是本發(fā)明圖4a中系統(tǒng)的換流器交流側(cè)電流及電壓的仿真結(jié)果。

圖4c示出的是本發(fā)明圖4a中系統(tǒng)的a相上橋臂100個(gè)子模塊的電容電壓的仿真結(jié)果及電容電壓值的頻譜分析圖。

圖4d示出的是本發(fā)明圖4a中系統(tǒng)的上橋臂子模塊電容電壓平均值的頻譜分析圖。

圖5a示出的是本發(fā)明另一光伏風(fēng)電柔直外送系統(tǒng)的直流母線電壓及電流的仿真結(jié)果。

圖5b示出的是本發(fā)明圖5a中系統(tǒng)的換流器交流側(cè)電流及電壓的仿真結(jié)果。

圖5c示出的是本發(fā)明圖5a中系統(tǒng)的a相上橋臂100個(gè)子模塊的電容電壓的仿真結(jié)果及電容電壓值的頻譜分析圖。

圖5d示出的是本發(fā)明圖5a中系統(tǒng)的上橋臂子模塊電容電壓平均值的頻譜分析圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

如圖1所示，利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)，包括若干風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、若干太陽能電池組。

其中，若干所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組升壓后接入模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的換流器的交流側(cè)，所述交流側(cè)運(yùn)行于整流狀態(tài)。

若干所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入的交流電能整流為直流電能接入直流系統(tǒng)；若干所述太陽能電池組經(jīng)過dc/dc變換后并接于所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電容器，所述電容器通過子模塊將若干所述太陽能電池組接入的直流電能匯入直流母線，送至直流系統(tǒng)。

如圖2所示，在某些實(shí)施例中，所述太陽能電池組包括psm子模塊，所述psm子模塊包括光伏陣列(pv)、dc-dc變換電路、mmc的子模塊sm，所述mmc的子模塊sm由兩個(gè)igbt(t1、t2)、兩個(gè)反向二極管(d1、d2)和一個(gè)電容構(gòu)成。

利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)的驗(yàn)證方法，搭建如圖1所示的利用風(fēng)光互補(bǔ)特性的新能源柔性直流外送系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

其中，系統(tǒng)采用了dq解耦的控制方法，由nlc調(diào)制方法計(jì)算投入的子模塊數(shù)。系統(tǒng)中交流額定電壓為110kv，直流母線額定電壓為±100kv，直流傳送容量300mw。子模塊選用電容值為3000μf的電容器，環(huán)流電抗器電抗值為0.02h。pv模塊在光照度為1000w/㎡,溫度在25℃條件下，pv最大輸出功率為0.2mw；在光照度為900w/㎡，pv最大輸出功率為0.14mw；在光照度為800w/㎡，pv最大輸出功率為0.09mw。風(fēng)電場采用鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為1mw，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過兩級(jí)升壓后接入110kv換流器的交流側(cè)，風(fēng)電場的最大上網(wǎng)功率為180mw。本章所有的算例均由電磁暫態(tài)仿真軟件pscad/emtdc仿真計(jì)算得到，其中仿真步長為20μs。

計(jì)算所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的所述上、下橋臂的瞬時(shí)功率，計(jì)算公可以分別表示為：

其中，u和α分別為對(duì)應(yīng)相內(nèi)電勢e的電壓幅值及初始相角；i和γ分別為對(duì)應(yīng)相的電流幅值及初始相角；k和m分別為電壓及電流的調(diào)制系數(shù)，定義為：

步驟b、對(duì)所述直流外送系統(tǒng)進(jìn)行簡化，所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電容器電壓可以表示為：

所述模塊化多電平換流器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的橋臂電容器組的輸出電壓urm可以表示為：

其中，ucj表示橋臂內(nèi)第j個(gè)子模塊的電容電壓，scj表示其子模塊接入狀態(tài)；

步驟c、根據(jù)步驟b和c的結(jié)論建立光伏mmc橋臂的數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型，對(duì)所述直流外送系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)前述各項(xiàng)公式建立光伏mmc橋臂的數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型，如圖3所示。該模型每個(gè)橋臂均由數(shù)字計(jì)算模塊(numericalcalculationdetailedmodule，ncdm)及受控電壓源組成，圖3僅對(duì)a相上橋臂模型進(jìn)行了詳細(xì)展示，其余各橋臂均具有相同的結(jié)構(gòu)。

之后，利用數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型，進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行狀態(tài)驗(yàn)證

假設(shè)風(fēng)電與光伏均為滿負(fù)荷運(yùn)行，即光伏工作在在光照度為1000w/m²,溫度在25℃條件下，接入單個(gè)子模塊的光伏模塊發(fā)電容量為0.2wm，即ppv＝0.2mw；風(fēng)電機(jī)組均滿發(fā)，及上網(wǎng)功率總額為180mw，則在此狀態(tài)下各主要變量的驗(yàn)證結(jié)果如圖4a至圖4d所示，表明本發(fā)明直流外送系統(tǒng)的有效性。由圖4c及圖4d的驗(yàn)證結(jié)果可知，電容電壓的波動(dòng)的主要成分為基頻及2倍頻分量。

之后，利用數(shù)值計(jì)算詳細(xì)模型，進(jìn)行純光伏運(yùn)行狀態(tài)驗(yàn)證

假設(shè)光伏滿負(fù)荷運(yùn)行，即光伏工作在在光照度為1000w/m²,溫度在25℃條件下，接入單個(gè)子模塊的光伏模塊發(fā)電容量為0.2wm，即ppv＝0.2mw；風(fēng)電機(jī)組處于停運(yùn)狀態(tài)，則在此狀態(tài)下各主要變量的仿真結(jié)果如圖5a至圖5d所示，

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，電容電壓的波動(dòng)的主要成分為基頻分量。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。