楊胡萍 江振濤 嚴(yán)飛飛

摘 要： 對(duì)可再生能源及其發(fā)電、直流輸電線路、儲(chǔ)能裝置等進(jìn)行研究，提出一種新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電分層結(jié)構(gòu)。該分層結(jié)構(gòu)的主要組成部分包括DC?DC變換器、直流輸電、儲(chǔ)能裝置和并網(wǎng)。DC?DC變換器將產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為低電壓，便于儲(chǔ)能和配電網(wǎng)并網(wǎng)。DC?AC逆變器使用舊的配電網(wǎng)信號(hào)作為樣本，將直流信號(hào)變換為交流信號(hào)。仿真模擬驗(yàn)證了所有變換器均能有效工作以及整個(gè)分層結(jié)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞： 可再生能源； 儲(chǔ)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(hào)： TN245?34； TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lái)，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(guān)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(wèn)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(yù)測(cè)的波動(dòng)。此外，很難把這些能源整合到目前的電網(wǎng)中，因?yàn)槟壳暗呐潆娋W(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(lái)可能會(huì)導(dǎo)致頻率和電壓波動(dòng)方面的問(wèn)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(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，即使在自然工作條件下也有不確定性，因此無(wú)法提供恒定的輸出功率。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)安裝大型儲(chǔ)能設(shè)備，使其波動(dòng)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(wú)波動(dòng)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(lái)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(chǔ)的，如光伏發(fā)電、燃料電池等。部分是基于交流的，如風(fēng)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(duì)其信號(hào)進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成交流電，并將信號(hào)與舊電網(wǎng)同步。相似的，交流電源（風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等）一樣，也需要根據(jù)配電要求進(jìn)行調(diào)整。交流電源的輸出頻率和幅度都有變化，其輸出需要轉(zhuǎn)換為直流，原因有兩個(gè)，其一是設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并網(wǎng)進(jìn)行了大量的研究，但大多針對(duì)特定類型的可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等[7?12]。大部分的研究都不支持后備儲(chǔ)能，這一點(diǎn)尤為重要。雙向轉(zhuǎn)換器需要充電電池，設(shè)計(jì)需要考慮成本效益和功率因素。一些研究人員做了關(guān)于交流和直流網(wǎng)絡(luò)分配水平的研究工作。但目前的直流配電并不重要，因?yàn)椴⒉皇撬械募译姸寄苤С种绷麟?，而且很難立即更換。因此，目前的交流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該繼續(xù)使用，但交流網(wǎng)絡(luò)的替換問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。在建設(shè)目前的配電網(wǎng)時(shí)，沒(méi)有考慮到與其他能源的電力一體化，所以仍在為這個(gè)錯(cuò)誤付出代價(jià)，因此未來(lái)配電網(wǎng)建造時(shí)需要充分考慮這個(gè)因素。

1 設(shè)計(jì)方案

本研究的設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了前面討論的所有問(wèn)題。擬議的設(shè)計(jì)將有后備儲(chǔ)能支持，可以在同一網(wǎng)絡(luò)上添加不同的可再生能源。通過(guò)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(zhǎng)的能源需求。從發(fā)電側(cè)到配電網(wǎng)，采用高壓直流輸電線路（HVDC）。舊電網(wǎng)不會(huì)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(chǔ)能設(shè)備，可隨時(shí)在調(diào)度基地進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)控。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該分層結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(jìn)行信號(hào)處理。光伏發(fā)電、燃料電池等都是直流的形式，需要一個(gè)斬波器進(jìn)行第一步信號(hào)處理。風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電等是交流的形式，需要整流器來(lái)處理它們的輸出，然后再將其輸出轉(zhuǎn)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(yīng)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(shí)，儲(chǔ)能裝置提供來(lái)自同一直流母線的備用電源。直流將轉(zhuǎn)換為交流電，通過(guò)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(hào)產(chǎn)生新的三相信號(hào)，使之能夠在同一交流母線上集成。

2 分層結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)計(jì)所用的變換器是軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)的DC?DC變換器[13?14]。該變換器是兩相交錯(cuò)變換器，其電路原理圖如圖2所示。

軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)的DC?DC變換器要求每個(gè)變換器并聯(lián)，且開(kāi)關(guān)頻率相同。開(kāi)關(guān)相位角取決于連接的變換器數(shù)量。開(kāi)關(guān)相位角可以用這種關(guān)系來(lái)計(jì)算：相位角=360°/N，其中N是并聯(lián)變換器的個(gè)數(shù)。在圖2中，可以看到有兩個(gè)相連的變換器，稱為兩相變換器，開(kāi)關(guān)的相位角為180°。

兩相交錯(cuò)的DC?DC變換器能夠降低輸入電流和輸出電壓的波動(dòng)。由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)損耗較大，因此本設(shè)計(jì)方案使用具有軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）。每個(gè)連接的變換器由兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成，需要在同一個(gè)相位上開(kāi)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)S1和S2是同時(shí)打開(kāi)和關(guān)斷的，同樣的S3和S4也是同時(shí)打開(kāi)和關(guān)斷的，有源和無(wú)源元件的導(dǎo)通損耗降低。需要考慮的一點(diǎn)是，升壓型DC?DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)盡可能接近發(fā)電側(cè)。

2.2 直流輸電母線

發(fā)電站到配電網(wǎng)的距離可達(dá)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(chǎn)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(xiàng)技術(shù)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(shí)，直流輸電損耗更低；相同功率流時(shí)，直流電纜的成本更低；交流輸電產(chǎn)生電容電流，但在直流輸電中沒(méi)有電容電流；儲(chǔ)能設(shè)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(shí)，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(shí)，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(shè)計(jì)過(guò)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(zhuǎn)化為低電壓，便于儲(chǔ)能和配電網(wǎng)并網(wǎng)。通常，使用雙向DC?DC轉(zhuǎn)換器給電池充電時(shí)，轉(zhuǎn)換器必須安裝在電池放置的地方。如果每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有電池，則每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的變換器都會(huì)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(zhuǎn)化為低電壓，電源可以充電。因此在這個(gè)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(jié)構(gòu)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(cè)電壓高，開(kāi)關(guān)損耗較大，開(kāi)關(guān)頻率將受到一些限制。而三電平零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）變換器由于其具有軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的選擇，可以減少損耗。

圖4中的電容C1和C2應(yīng)該足夠大，可以存儲(chǔ)同等級(jí)的電壓。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4的開(kāi)斷模式，可以控制輸出電壓。S1，S2，S3，S4的開(kāi)斷模式如圖5所示，電容器C1，C2的電壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如圖6所示。

開(kāi)關(guān)S1和S2在同一時(shí)間打開(kāi)和關(guān)斷，S3和S4在同一時(shí)間打開(kāi)和關(guān)斷。S1和S2打開(kāi)、S3和S4關(guān)斷時(shí)，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(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，飛輪、抽水、鉛酸電池、鋰離子電池、超導(dǎo)電磁等儲(chǔ)能技術(shù)已逐漸成熟，在電力系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。相比于其他儲(chǔ)能技術(shù)，鋰離子價(jià)格昂貴，安裝成本高，但其效率較高。效率是非常重要的，應(yīng)盡可能保持較高水平，故本設(shè)計(jì)的后備儲(chǔ)能裝置采用鋰離子電池儲(chǔ)能。計(jì)算儲(chǔ)能容量時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：需要多少能源；電池的壽命周期；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電壓（本次設(shè)計(jì)的電壓為500 V）；電池?fù)p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(jié)合，逆變器必須滿足以下幾點(diǎn)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(shí)，逆變器會(huì)過(guò)載；配電網(wǎng)電壓高于逆變器輸出電壓時(shí)，逆變器會(huì)吸收電流。實(shí)際情況下，逆變器電壓應(yīng)略高于配電網(wǎng)，目的是限制電流流向負(fù)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(huì)吸收諧波，形成較好的正弦波。電感的缺點(diǎn)是其存在額外的磁極，可能導(dǎo)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(wèn)題。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真模擬了該分層結(jié)構(gòu)從發(fā)電到并網(wǎng)的全過(guò)程。首先將可再生能源轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷餍问?，?jīng)由升壓型DC?DC變換器將信號(hào)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(zhuǎn)化為低電壓（500 V）。直流母線連接后備儲(chǔ)能裝置和DC?AC逆變器。DC?AC逆變器使用舊的配電網(wǎng)信號(hào)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(fù)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(shè)計(jì)的電壓為500 V），這些電壓將被饋送到儲(chǔ)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(shè)計(jì)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?qū)崿F(xiàn)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電。

仿真結(jié)果表明DC?DC變換器、DC?AC逆變器等均能有效工作以及整個(gè)分層結(jié)構(gòu)具有可行性。

4 結(jié) 論

本文在深入研究可再生能源發(fā)電、直流輸電系統(tǒng)、儲(chǔ)能技術(shù)等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出一種新的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電分層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新的分層結(jié)構(gòu)是有效的。通過(guò)實(shí)施這一分層結(jié)構(gòu)，可以在不改變當(dāng)前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，將化石燃料能源替換成可再生能源。這項(xiàng)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(zhǎng)的電力需求。

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