專利名稱：一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源發(fā)電與電氣技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
采用煤炭燃料發(fā)電已經(jīng)有兩個多世紀(jì)。近年來，關(guān)于全球變暖和碳排量造成的環(huán)境間題的關(guān)注日益增加，清潔、可持續(xù)的新能源供電形式應(yīng)運而生，比如風(fēng)力、海洋、太陽能、生物和地?zé)岚l(fā)電。其中，風(fēng)力和太陽能發(fā)電在過去的10年中已有了非常快速的發(fā)展。兩者均為無污染的豐富能源，而且可以在負(fù)載中心就近發(fā)電，因此無需架設(shè)穿越鄉(xiāng)村和市區(qū)地表的高壓輸電線路。具有關(guān)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(yù)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(dāng)于全球平均年增長的2. 6%。發(fā)展中國家的增長率預(yù)計為 5%，幾乎是世界水平的兩倍。中國是繼美國之后的世界第二大電力消費國，中國發(fā)展新能源供電大勢所趨。龐大的人口基數(shù)造就了國家快速增長的電力市場，然而新能源發(fā)電在電力市場中尤為重要。新能源并網(wǎng)運行的實質(zhì)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盡量減小對電網(wǎng)的諧波污染的前提下，滿足并網(wǎng)電壓與電網(wǎng)同壓、同頻、同相，逆變效率的最優(yōu)化，并網(wǎng)與孤島運行間的有效切換和本地負(fù)載配電的最優(yōu)化控制，這些都是新能源并網(wǎng)的難題和關(guān)鍵點。目前的研究主要針對于太陽能和風(fēng)能獨立發(fā)電系統(tǒng)獨立運行發(fā)電的逆變、最大功率跟蹤以及孤島檢測控制策略上，并未將其有效的組織成一個具有便于調(diào)度的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。即使近年來做了一些發(fā)電-逆變_并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的嘗試，但是所構(gòu)建的并網(wǎng)系統(tǒng)存在輸出功率波動大、并網(wǎng)的電能質(zhì)量差等間題。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電單元、逆變單元、 并網(wǎng)單元、主控單元和檢測單元。發(fā)電單元包括風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組，蓄電池和蓄電池控制器；所述風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組中，風(fēng)能發(fā)電機采用直流發(fā)電機，太陽能發(fā)電機組采用光伏發(fā)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(fēng)能、太陽能發(fā)電機組發(fā)出的電能首先進(jìn)入直流升壓電路，機組輸出的電能進(jìn)行升壓，升壓后的電能分別接入逆變器和本地直流負(fù)載，逆變器對電能逆變處理，逆變后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，蓄電池采用鉛酸蓄電池，各蓄電池之間并聯(lián)。蓄電池主要是將風(fēng)能太陽能發(fā)電機組發(fā)出的多余電能進(jìn)行儲存，在電能緊缺的時候充當(dāng)補充電源，平衡逆變器與發(fā)電機組的功率差。蓄電池控制器是對蓄電池狀態(tài)進(jìn)行控制。風(fēng)能、太陽能發(fā)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(fù)載；發(fā)電機組的機械機構(gòu)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(guān)相連，蓄電池通過控制開關(guān)連接至直流升壓電路的輸出端。為實現(xiàn)系統(tǒng)不間斷的、穩(wěn)定的向本地負(fù)載和電網(wǎng)供電，風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)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(fā)電機組與風(fēng)能發(fā)電機組的裝機容量比k應(yīng)該滿足關(guān)系式k =--sin(rx^xs1n( +^)x180)⑴
Ug χ ？7 χ S" χ sin( + β)νχ Iπ式中ν-當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速，T-當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁兀?當(dāng)?shù)刂形鐣r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(fēng)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，逆變器采用三相逆變器，三相逆變器的輸入端與風(fēng)能、太陽能發(fā)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(fù)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。并網(wǎng)單元包括并網(wǎng)控制器和斷路器，所述并網(wǎng)控制器是由接入電網(wǎng)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(wǎng)，并網(wǎng)控制器的輸出端連至斷路器的輸入端。并網(wǎng)單元對孤島狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確快速的檢測，并快速、有效的執(zhí)行切除并網(wǎng)單元，實現(xiàn)對本地負(fù)載實現(xiàn)不間斷供電和對電網(wǎng)沖擊最小的目標(biāo)。所述電壓前置補償裝置的原理是電網(wǎng)線電流k與參考電流iref作差，信號Ai送入PID控制器產(chǎn)生補償控制信號UN，Un驅(qū)動前置補償可裝置，產(chǎn)生補償信號Δ U，實現(xiàn)逆變器輸出電流iab與電網(wǎng)電流I同相位、同幅值，提高并網(wǎng)電能質(zhì)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采樣轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)制電路、三角波擾動信號產(chǎn)生電路、寄存模塊、通訊模塊和DSP電源模塊，電壓和電流采樣轉(zhuǎn)換模塊包括電壓傳感器和電流傳感器。通過DSP進(jìn)行集成一體化控制，并帶有通訊功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，DSP主要是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和處理，產(chǎn)生PWM波對風(fēng)能、太陽能發(fā)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(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動控制。
電壓和電流采樣轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別連至風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組的輸出端，直流升壓電路的輸出端和電網(wǎng)與系統(tǒng)公共耦合節(jié)點，電壓和電流采樣轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與信號調(diào)制電路的輸入端相連，信號調(diào)制電路輸出端連至DSP的A/D轉(zhuǎn)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，并網(wǎng)控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，三角波擾動信號產(chǎn)生電路的輸出端連接DSP的A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(fù)載模擬箱，包括靜態(tài)負(fù)載模擬和動態(tài)負(fù)載模擬，通過實際測量兩種狀態(tài)下的發(fā)電系統(tǒng)運行的狀態(tài)，判斷發(fā)電系統(tǒng)是否能正常工作，為系統(tǒng)提供不同的工作模式和工作參數(shù)。檢測單元的檢測方法是通過模擬理想的環(huán)境，檢測發(fā)電系統(tǒng)是否正常的工作在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)來判定是否可以將發(fā)電裝置投入使用，并且可以通過測試時發(fā)電系統(tǒng)運行的狀態(tài)判斷系統(tǒng)在哪一部分除了問題。通過實際測量動態(tài)和靜態(tài)下的發(fā)電系統(tǒng)運行的狀態(tài)，判斷發(fā)電系統(tǒng)是否能正常工作，為系統(tǒng)提供不同的工作模式和工作參數(shù)。檢測單元的檢測流程為
第1步將發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的A，B, C相輸出端，分別連接在動態(tài)負(fù)載的3相輸入端； 第2步當(dāng)電動機母線電壓U等于額定電壓扎時，滑差
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)電單元、逆變單元、并網(wǎng)單元、 主控單元和檢測單元，所述發(fā)電單元包括風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組，蓄電池和蓄電池控制器，風(fēng)能發(fā)電機采用直流發(fā)電機，太陽能發(fā)電機組采用光伏發(fā)電陣列，各蓄電池之間并聯(lián)，風(fēng)能、太陽能發(fā)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，逆變器采用三相逆變器， 電壓前置補償裝置包括PID控制器和前置補償裝置； 所述并網(wǎng)單元包括并網(wǎng)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采樣轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)制電路、三角波擾動信號產(chǎn)生電路、寄存模塊、通訊模塊和DSP電源模塊，電壓和電流采樣轉(zhuǎn)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(fù)載模擬箱，包括靜態(tài)負(fù)載模擬和動態(tài)負(fù)載模擬； 所述風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具體連接如下風(fēng)能、太陽能發(fā)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(fù)載，電壓前置補償裝置的輸出端經(jīng)斷路器與電網(wǎng)相連，逆變器、并網(wǎng)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(guān)的狀態(tài)；進(jìn)行負(fù)載檢測時，負(fù)載的輸入端分別與系統(tǒng)的A、B、C三相連接，動態(tài)負(fù)載的轉(zhuǎn)子、定子兩端的電壓輸出端與電能質(zhì)量分析儀連接，靜態(tài)負(fù)載的A、B、C三相的相電壓輸出端與電能質(zhì)量分析儀連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)電單元的具體連接如下風(fēng)能、太陽能發(fā)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(fù)載；發(fā)電機組的機械機構(gòu)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(guān)相連，蓄電池通過控制開關(guān)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(fēng)能、太陽能發(fā)電機組的直流穩(wěn)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(fù)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(fù)載，，PID控制器的輸出端與前置補償裝置的輸入端相連；所述并網(wǎng)單元的并網(wǎng)控制器由接入電網(wǎng)的三個斷路器和可控整流電路組成，并網(wǎng)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(wǎng)，并網(wǎng)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采樣轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別連至風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組的輸出端，直流升壓電路的輸出端和電網(wǎng)與系統(tǒng)公共耦合節(jié)點，電壓和電流采樣轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與信號調(diào)制電路的輸入端相連，信號調(diào)制電路輸出端連至DSP的A/ D轉(zhuǎn)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，并網(wǎng)控制器的輸入端連至DSP的PWM接口，三角波擾動信號產(chǎn)生電路的輸出端連接DSP的A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)端相連，DSP電源模塊輸出端與DSP電源接口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述檢測單元的檢測流程為第1步將發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的A，B，C三相輸出端，分別連接在動態(tài)負(fù)載的3相輸入端；第2步當(dāng)電動機母線電壓U等于額定電壓扎時，滑差
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于具體按如下步驟進(jìn)行步驟1 風(fēng)能、太陽能發(fā)電機組、直流升壓電路及并網(wǎng)公共耦合節(jié)點輸出的電壓和電流經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)換模塊后，進(jìn)入信號調(diào)制電路，調(diào)理電壓和電流；步驟2 =DSP的A/D轉(zhuǎn)換接口接收信號調(diào)制電路調(diào)制輸出的信號，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換； 步驟3 =DSP對A/D轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行歸一化處理，并將數(shù)據(jù)存儲到寄存模塊； 步驟4 :DSP采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，對下一時刻的線電壓和電流進(jìn)行預(yù)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于發(fā)電機組的輸出功率，如果二者不相等，則執(zhí)行步驟7，否則直接執(zhí)行步驟8 ； 步驟7:蓄電池控制；步驟8 逆變控制，根據(jù)電能質(zhì)量分析結(jié)果，對逆變器工作狀態(tài)進(jìn)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(tǒng)運行的狀態(tài)參數(shù)，包括各檢測點的線電壓，線電流，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的線電壓、線電流，三相逆變器的輸出電能質(zhì)量參數(shù)， 各個開關(guān)和控制器的狀態(tài)，同時通過DSP外圍接入的寄存器將狀態(tài)參數(shù)送入寄存器儲存， 作為歷史記錄；步驟11 系統(tǒng)操作人員通過上傳的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，可對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，如當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到重新并網(wǎng)運行時，操作人員可通過上位機向DSP發(fā)出重新并網(wǎng)運行的指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述步驟4中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)規(guī)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(shù)組； η—是網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率； r——是學(xué)習(xí)信號； d——是網(wǎng)絡(luò)的期望值； 其中，學(xué)習(xí)信號
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述步驟5最大功率跟蹤，具體按如下步驟進(jìn)行步驟5. 1 在電壓、電流的預(yù)測結(jié)果上加一個小的擾動信號，依據(jù)功率計算公式P = UX I，計算擾動后發(fā)電機組的輸出功率Pt+1，將擾動前功率Pt與擾動后功率Pt+1做差比較， 差值為ΔΡ;步驟5. 2 若ΔΡ > 0，通過DSP發(fā)出PWM波使下一時刻發(fā)電機組的輸出值為擾動值與預(yù)測值的和，即U’ t+1 = ut+1+Au, I’ t+1 = it+1+Ai ；否則，發(fā)電機組的工作狀態(tài)不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述步驟7蓄電池控制具體過程如下發(fā)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(fā)出PWM波使得充電開關(guān)閉合，蓄電池充當(dāng)直流負(fù)載，吸收多余的電能并儲存；否則，放電開關(guān)閉合，蓄電池充當(dāng)發(fā)電機組向逆變器輸出功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述步驟8逆變器控制，根據(jù)電能質(zhì)量分析結(jié)果，對逆變器工作狀態(tài)進(jìn)行控制，具體按如下步驟進(jìn)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 計算并網(wǎng)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(shù)
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述步驟9孤島檢測按如下步驟進(jìn)行步驟9. 1 根據(jù)步驟8得出的電能質(zhì)量分析結(jié)果，判斷三相逆變器輸出的電能質(zhì)量是否符合并網(wǎng)運行條件，如果不滿足，則執(zhí)行步驟9. 8，如果滿足，則執(zhí)行步驟9. 2 ；并網(wǎng)時應(yīng)滿足以下3個條件(1)并網(wǎng)裝置逆變輸出電壓和市電壓接近相等，壓差應(yīng)在10%以內(nèi)；(2)逆變輸出頻率應(yīng)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(wǎng)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(nèi)，如果不是，執(zhí)行步驟9.8;否則，執(zhí)行步驟 9. 4 ；步驟9. 4 采用P-V檢測法，進(jìn)行被動孤島檢測；步驟9. 5 判斷被動孤島檢測結(jié)果，如果檢測結(jié)果不滿足并網(wǎng)條件，執(zhí)行第5. 6步；如果滿足，則執(zhí)行步驟9. 2;步驟9. 6 采用輸出功率擾動法，進(jìn)行主動孤島檢測；步驟9. 7 判斷主動孤島檢測結(jié)果，如果檢測結(jié)果不滿足并網(wǎng)條件，執(zhí)行步驟9. 8 ；如果滿足，則執(zhí)行步驟9. 2;步驟9. 8 向并網(wǎng)控制器發(fā)出切換指令。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)能、太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法，包括發(fā)電單元、逆變單元、并網(wǎng)單元、主控單元和檢測單元，采用DSP構(gòu)成的集成一體化控制單元，對各單元進(jìn)行有效控制，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)運行的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，克服了控制指令執(zhí)行滯后并網(wǎng)系統(tǒng)變化的缺點，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。孤島檢測采用主動、被動結(jié)合的檢測方式，提高了系統(tǒng)的防孤島運行的能力。本發(fā)明不僅是將逆變電能送入電網(wǎng)，還能將電能就近供給本地的交、直流負(fù)載，減輕了電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運行的能力。當(dāng)系統(tǒng)的輸出電能小于本地負(fù)荷，電網(wǎng)還可向系統(tǒng)的本地負(fù)載供電，使得本地負(fù)載由系統(tǒng)電源和電網(wǎng)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(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)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(xué)