一種新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電分層結構

楊胡萍 江振濤 嚴飛飛

摘 要： 對可再生能源及其發(fā)電、直流輸電線路、儲能裝置等進行研究，提出一種新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電分層結構。該分層結構的主要組成部分包括DC?DC變換器、直流輸電、儲能裝置和并網(wǎng)。DC?DC變換器將產生的電壓轉換為高電壓，以便在直流輸電線路上傳輸。類似地，降壓型DC?DC變換器用于將傳輸線電壓轉化為低電壓，便于儲能和配電網(wǎng)并網(wǎng)。DC?AC逆變器使用舊的配電網(wǎng)信號作為樣本，將直流信號變換為交流信號。仿真模擬驗證了所有變換器均能有效工作以及整個分層結構的可行性。

關鍵詞： 可再生能源； 儲能裝置； 并網(wǎng)； 配電網(wǎng)； DC?DC變換器； DC?AC逆變器

中圖分類號： TN245?34； TM619 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0060?05

Abstract： A novel hierarchical structure for grid integration power generation using renewable energy is proposed based on the study of renewable energy， power generation of renewable energy， DC power transmission lines， and energy storage devices. The main components of the hierarchical structure include the DC?DC converter， DC power transmission， energy storage device， and grid integration. The DC?DC converter converts the generated voltage to a high voltage for transmission over DC power transmission lines. The buck DC?DC converter converts the transmission line voltage to a low voltage for energy storage and distribution grid integration. The DC?AC inverter converts the DC signal into the AC signal by using the signal of the old distribution grid as the sample. The simulation verified the efficient working of all converters and the feasibility of the entire hierarchical structure.

Keywords： renewable energy； energy storage device； grid integration； distribution grid； DC?DC converter； DC?AC inverter

0 引 言

近幾十年來，化石燃料發(fā)電出現(xiàn)諸多弊端，可再生能源發(fā)電備受關注。能源需求日益增加，化石燃料資源固然不能滿足需求，可再生能源是解決這一問題的可行途徑[1?2]。可再生能源發(fā)電的主要難題是其不可預測的波動。此外，很難把這些能源整合到目前的電網(wǎng)中，因為目前的配電網(wǎng)是在不考慮與其他能源一體化的情況下建造的。將可再生能源與其他能源整合起來可能會導致頻率和電壓波動方面的問題。研究人員正致力于尋找合適的解決方案，將這些資源合理地整合到配電網(wǎng)中。許多可再生能源發(fā)電，如太陽能發(fā)電和風力發(fā)電，即使在自然工作條件下也有不確定性，因此無法提供恒定的輸出功率。這個問題可以通過安裝大型儲能設備，使其波動可以控制。目前情況下，很難提供具有備用電源的可再生能源的無波動供電。因此，將這些資源整合在一起，然后將不同的能源整合到舊配電網(wǎng)中來克服電力需求[3]，這一課題值得深入研究。

許多可再生能源發(fā)電是以直流為基礎的，如光伏發(fā)電、燃料電池等。部分是基于交流的，如風力發(fā)電、水力發(fā)電等。這些直流和交流電源不能直接加到電網(wǎng)中，需要對其信號進行處理。直流電源（光伏發(fā)電、燃料電池等）需要穩(wěn)定輸出，然后需要合適的逆變器將信號轉換成交流電，并將信號與舊電網(wǎng)同步。相似的，交流電源（風力發(fā)電、水力發(fā)電等）一樣，也需要根據(jù)配電要求進行調整。交流電源的輸出頻率和幅度都有變化，其輸出需要轉換為直流，原因有兩個，其一是設計過程中采用直流輸電系統(tǒng)[4?6]，其次是需要與電網(wǎng)相匹配的幅值、頻率和相位。

近年來，國內外學者對并網(wǎng)進行了大量的研究，但大多針對特定類型的可再生能源，如太陽能、風能等[7?12]。大部分的研究都不支持后備儲能，這一點尤為重要。雙向轉換器需要充電電池，設計需要考慮成本效益和功率因素。一些研究人員做了關于交流和直流網(wǎng)絡分配水平的研究工作。但目前的直流配電并不重要，因為并不是所有的家電都能支持直流電，而且很難立即更換。因此，目前的交流網(wǎng)絡應該繼續(xù)使用，但交流網(wǎng)絡的替換問題值得進一步研究。在建設目前的配電網(wǎng)時，沒有考慮到與其他能源的電力一體化，所以仍在為這個錯誤付出代價，因此未來配電網(wǎng)建造時需要充分考慮這個因素。

1 設計方案

本研究的設計內容涵蓋了前面討論的所有問題。擬議的設計將有后備儲能支持，可以在同一網(wǎng)絡上添加不同的可再生能源。通過增加更多的可再生能源，它的功率輸出能力將增加，能夠輕易地克服快速增長的能源需求。從發(fā)電側到配電網(wǎng)，采用高壓直流輸電線路（HVDC）。舊電網(wǎng)不會發(fā)生變化，可再生能源發(fā)電將被增加到配電網(wǎng)中。配置大型儲能設備，可隨時在調度基地進行維護和監(jiān)控。設計方案如圖1所示。該分層結構主要組成部分有可再生能源、升壓型DC?DC變換器、直流輸電母線、備用儲能裝置、降壓型DC?DC變換器、DC?AC逆變器和交流母線等。

不同的可再生能源提供不同類型的輸出，它們需要根據(jù)輸出形式進行信號處理。光伏發(fā)電、燃料電池等都是直流的形式，需要一個斬波器進行第一步信號處理。風力發(fā)電和水力發(fā)電等是交流的形式，需要整流器來處理它們的輸出，然后再將其輸出轉換為高壓直流輸電。DC?DC變換器升高電壓，使其輸出功率可被添加到傳輸線上。所有升壓型DC?DC變換器都應處于同一輸出線上，以便能添加到高壓直流輸電線路上。斷電時，儲能裝置提供來自同一直流母線的備用電源。直流將轉換為交流電，通過同步頻率、相位和幅值與舊的配電網(wǎng)并網(wǎng)。同步線是從舊配電網(wǎng)采樣信號產生新的三相信號，使之能夠在同一交流母線上集成。

2 分層結構的組成元件

2.1 升壓型DC?DC變換器

升壓型DC?DC變換器需要將產生的直流電壓升高到最佳水平，以便其能被添加到直流輸電線路上。本設計所用的變換器是軟開關交錯的DC?DC變換器[13?14]。該變換器是兩相交錯變換器，其電路原理圖如圖2所示。

軟開關交錯的DC?DC變換器要求每個變換器并聯(lián)，且開關頻率相同。開關相位角取決于連接的變換器數(shù)量。開關相位角可以用這種關系來計算：相位角=360°/N，其中N是并聯(lián)變換器的個數(shù)。在圖2中，可以看到有兩個相連的變換器，稱為兩相變換器，開關的相位角為180°。

兩相交錯的DC?DC變換器能夠降低輸入電流和輸出電壓的波動。由于并聯(lián)結構開關損耗較大，因此本設計方案使用具有軟開關技術的零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）。每個連接的變換器由兩個開關組成，需要在同一個相位上開通和關斷。開關S1和S2是同時打開和關斷的，同樣的S3和S4也是同時打開和關斷的，有源和無源元件的導通損耗降低。需要考慮的一點是，升壓型DC?DC轉換器應盡可能接近發(fā)電側。

2.2 直流輸電母線

發(fā)電站到配電網(wǎng)的距離可達幾百km，需經(jīng)由高壓輸電線路將電力輸送到配電網(wǎng)。為降低輸電的損耗和成本，需要先升高電壓然后傳輸電力。DC?DC變換器將產生的電壓升壓到最佳水平，然后添加到輸電線上。目前交流輸電系統(tǒng)正在使用中，但在這項技術中，直流輸電也是可行的。直流輸電在以下許多方面優(yōu)于交流輸電：相同電流密度時，直流輸電損耗更低；相同功率流時，直流電纜的成本更低；交流輸電產生電容電流，但在直流輸電中沒有電容電流；儲能設備是直流，集成到直流輸電損耗低。

直流輸電線路和交流輸電線路的損耗率和效率比相差很大。圖3給出傳輸距離分別為50 km和100 km時，交直流電纜效率分析比較圖。

由圖3可知，相同情況下直流輸電線路的效率較高。直流輸電線路在傳輸距離為100 km、傳輸功率為5 MW時，效率大約為0.94，而相同參數(shù)情況下交流的效率只有0.81左右。綜上所述，本設計過程中采用直流輸電線路。

2.3 降壓型DC?DC變換器

降壓型DC?DC變換器的作用是將傳輸線電壓轉化為低電壓，便于儲能和配電網(wǎng)并網(wǎng)。通常，使用雙向DC?DC轉換器給電池充電時，轉換器必須安裝在電池放置的地方。如果每一個網(wǎng)絡都有電池，則每個網(wǎng)絡的變換器都會損失大量的能量。降壓型DC?DC變換器將傳輸線上的高電壓轉化為低電壓，電源可以充電。因此在這個方面上，降壓型DC?DC變換器可以消除雙向DC?DC變換器的這種缺陷。

為此，本分層結構使用了三電平全橋隔離型的DC?DC變換器，其原理圖如圖4所示。由于變換器一側電壓高，開關損耗較大，開關頻率將受到一些限制。而三電平零電壓開關（ZVS）變換器由于其具有軟開關的優(yōu)點，是一種較好的選擇，可以減少損耗。

圖4中的電容C1和C2應該足夠大，可以存儲同等級的電壓。通過控制開關S1，S2，S3，S4的開斷模式，可以控制輸出電壓。S1，S2，S3，S4的開斷模式如圖5所示，電容器C1，C2的電壓實驗模擬結果如圖6所示。

開關S1和S2在同一時間打開和關斷，S3和S4在同一時間打開和關斷。S1和S2打開、S3和S4關斷時，電容器C1兩端電壓為零，電容器C2充電；反之，C2兩端電壓為零，C1充電。

2.4 儲能裝置

儲能技術發(fā)展迅速，飛輪、抽水、鉛酸電池、鋰離子電池、超導電磁等儲能技術已逐漸成熟，在電力系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。相比于其他儲能技術，鋰離子價格昂貴，安裝成本高，但其效率較高。效率是非常重要的，應盡可能保持較高水平，故本設計的后備儲能裝置采用鋰離子電池儲能。計算儲能容量時，需要考慮以下幾點：需要多少能源；電池的壽命周期；系統(tǒng)的設計電壓（本次設計的電壓為500 V）；電池損耗；環(huán)境溫度損失。

2.5 DC?AC逆變器與并網(wǎng)

DC?AC逆變器的輸出與舊配電網(wǎng)相結合，逆變器必須滿足以下幾點才能與配電網(wǎng)同步：輸出電壓相匹配；頻率相匹配；相位角相匹配。

逆變器輸出電壓高于配電網(wǎng)電壓時，逆變器會過載；配電網(wǎng)電壓高于逆變器輸出電壓時，逆變器會吸收電流。實際情況下，逆變器電壓應略高于配電網(wǎng)，目的是限制電流流向負載。DC?AC逆變器與電網(wǎng)同步的示意圖如圖7所示。

圖7中，電感器L1，L2和L3是為了吸收額外的電壓而串聯(lián)增加的，這些電感器會吸收諧波，形成較好的正弦波。電感的缺點是其存在額外的磁極，可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通常逆變器作為電流源添加到電網(wǎng)中，以避免系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。

3 仿真結果與分析

仿真模擬了該分層結構從發(fā)電到并網(wǎng)的全過程。首先將可再生能源轉換為適當?shù)闹绷餍问剑?jīng)由升壓型DC?DC變換器將信號電壓升高到40 kV水平后，在直流輸電線路上傳輸。降壓型DC?DC變換器將傳輸線電壓轉化為低電壓（500 V）。直流母線連接后備儲能裝置和DC?AC逆變器。DC?AC逆變器使用舊的配電網(wǎng)信號作為樣本，將直流母線電壓變換為所需的交流電壓。最后將其集成到配電網(wǎng)的交流母線上，并將負載加到該交流母線上。圖8給出了降壓型DC?DC變換器的輸出電壓波形。由圖可知，直流母線電壓最后能夠穩(wěn)定在500 V左右（本次設計的電壓為500 V），這些電壓將被饋送到儲能裝置以及DC?AC逆變器。

圖9為舊配電網(wǎng)的輸出電壓波形，圖10給出了本設計方案的DC?AC逆變器輸出電壓波形。不難發(fā)現(xiàn)，這兩種輸出電壓的頻率、相位和振幅十分相似，滿足并網(wǎng)條件，能夠實現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電。

仿真結果表明DC?DC變換器、DC?AC逆變器等均能有效工作以及整個分層結構具有可行性。

4 結 論

本文在深入研究可再生能源發(fā)電、直流輸電系統(tǒng)、儲能技術等問題的基礎上，提出一種新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電分層結構。實驗結果表明，這種新的分層結構是有效的。通過實施這一分層結構，可以在不改變當前配電網(wǎng)結構的前提下，將化石燃料能源替換成可再生能源。這項研究考慮將不同形式的能源整合到舊的配電網(wǎng)中，很容易克服快速增長的電力需求。

參考文獻

[1] CHU S， MAJUMDAR A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future [J]. Nature， 2012， 488（7411）： 294?303.

[2] 白建華，辛頌旭，劉俊，等.中國實現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展路徑研究[J].中國電機工程學報，2015，35（14）：3699?3705.

BAI Jianhua， XIN Songxu， LIU Jun， et al. Roadmap of realizing the high penetration renewable energy in China [J]. Proceedings of the CSEE， 2015， 35（14）： 3699?3705.

[3] 徐敏杰，胡兆光，譚顯東，等.中國中長期能源和電力需求及碳排放情景分析[J].中國電力，2012，45（4）：101?107.

XU Minjie， HU Zhaoguang， TAN Xiandong， et al. Scenario analysis on mid?long term energy and electricity demand and carbon emission in China [J]. Electric power， 2012， 45（4）： 101?107.

[4] 梁旭明，張平，常勇.高壓直流輸電技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術，2012，36（4）：1?9.

LIANG Xuming， ZHANG Ping， CHANG Yong. Recent advances in high?voltage direct?current power transmission and its developing potential [J]. Power system technology， 2012， 36（4）： 1?9.

[5] 馬為民，吳方劼，楊一鳴，等.柔性直流輸電技術的現(xiàn)狀及應用前景分析[J].高電壓技術，2014，40（8）：2429?2439.

MA Weimin， WU Fangjie， YANG Yiming， et al. Flexible HVDC transmission technology′s today and tomorrow [J]. High voltage engineering， 2014， 40（8）： 2429?2439.

[6] 湯廣福，龐輝，賀之淵.先進交直流輸電技術在中國的發(fā)展與應用[J].中國電機工程學報，2016，36（7）：1760?1771.

TANG Guangfu， PANG Hui， HE Zhiyuan. R&D; and application of advanced power transmission technology in China [J]. Proceedings of the CSEE， 2016， 36（7）： 1760?1771.

[7] 劉俊.可再生能源發(fā)電并網(wǎng)關鍵技術的研究現(xiàn)狀與趨勢分析[J].陜西電力，2013，41（4）：47?52.

LIU Jun. Status and trend analysis on gird integration key technologies of renewable energy power generation [J]. Shaanxi electric power， 2013， 41（4）： 47?52.

[8] 王睿淳，閆斌杰，劉曉立，等.儲能對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的支撐作用[J].水電能源科學，2014，32（2）：192?196.

WANG Ruichun， YAN Binjie， LIU Xiaoli， et al. Support of energy storage for renewable energy integrated into gird [J]. Water resources and power， 2014， 32（2）： 192?196.

[9] 袁曉，趙敏榮，胡希杰，等.太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術的應用[J].上海電力，2006（4）：342?347.

YUAN Xiao， ZHAO Minrong， HU Xijie， et al. Application of solar photovoltaic power generation grid?connected technology [J]. Shanghai electric power， 2006（4）： 342?347.

[10] 潘琪，徐洋，謝夏寅，等.基于無功源的分布式光伏電站無功補償協(xié)調控制系統(tǒng)及方法[J].電測與儀表，2015，52（3）：101?106.

PAN Qi， XU Yang， XIE Xiayin， et al. Coordination control system and method for reactive compensation of the distributed PV power station based on reactive power source [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2015， 52（3）： 101?106.

[11] 劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發(fā)電及其并網(wǎng)技術綜述[J].電網(wǎng)技術，2008，32（15）：71?76.

LIU Yanghua， WU Zhengqiu， TU Youqing， et al. A survey on distributed generation and its networking technology [J]. Power system technology， 2008， 32（15）： 71?76.

[12] HARDAN F. Grid?connection study of the centralized photovoltaic power system in Zarzitta [J]. International journal of distributed energy resources， 2006， 2（4）： 325?342.

[13] 劉方霆，王永攀，朱忠尼，等.兩路交錯并聯(lián)DC/DC變換器軟開關控制策略研究[J].電力電子技術，2013，47（9）：1?3.

LIU Fangting， WANG Yongpan， ZHU Zhongni， et al. Research on control strategy for ZVS of double interleaving DC/DC converter [J]. Power electronics， 2013， 47（9）： 1?3.

[14] 朱潤卿，劉軍，徐波.一種軟開關的交錯并聯(lián)Buck/Boost雙向DC/DC變換器[J].通信電源技術，2016，33（5）：1?4.

ZHU Runqing， LIU Jun， XU Bo. A type of soft?switching and interleaving bi?directional DC/DC converter [J]. Telecom power technology， 2016， 33（5）： 1?4.