一种对电网友好且扩展灵活的新能源发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光伏、风力、储能联合发电系统，具体而言，特别是一种大型光伏、风力、储能电站采用同步发电机并网的联合发电系统和一种包含光伏、风力发电、储能的离网供电系统。
【背景技术】
[0002]目前，光伏发电通过光伏逆变器并网，受到电力电子器件耐压、开关频率和功率等级的限制，主流厂家的单台光伏逆变器最大额定功率为500kW，光伏逆变器输出的电压等级为270或315V，需要经过升压变压器接入10kV或35kV电网。
[0003]光伏、风能发电出力具有随机性、间歇性，在电网末端，或是微电网中，光伏逆变器、风能变流器等电力电子设备在一个区域内集中并网容易产生电网电压、频率波动和谐波等电能质量问题，严重时发生电网谐振；我国十三五新能源发展的目标初定为，到2020年，风电和太阳能装机容量达到2亿千瓦和1亿千瓦，未来随着新能源大规模并网，导致电网等效峰谷差变大，增加了系统调峰难度，迫切需要支持光伏、风力发电大规模并网的发电技术。
[0004]在很多海岛和边远地区，光伏、风能等可再生能源丰富，但没有大电网或电网薄弱，供电成本高，随着由光伏、风力发电、蓄电池储能和逆变器或双向变流器组成的离网供电系统技术成熟和成本降低，逐渐成为这些地区解决供电难题的流行方案。
[0005]—些漏级离网供电系统中采用微电网架构实现大规模光储互补离网电站，依靠双向变流器作为电压源建立电网，光伏、风电等并网运行，但双向变流器由于电子电子器件的限制，主流厂家的单台双向变流器最大额定功率为500kW，需要在交流侧并联运行才能达到MW级以上的容量，而且控制策略复杂，过载能力差，容易发生谐振，通常需要变压器隔离升压后接入电网，在变压器合闸时产生励磁涌流，容易导致过流保护，此外逆变器或储能变流器作为电压源供电时，不具备发电机的对负载的普遍适应能力。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种光伏、风力发电经同步发电机接入电网的方案和实施实例，所述发电系统用于并网发电时，提高发电单元额定功率和光伏、风力并网发电的电能质量，所述发电系统用于离网供电时，具有较高的过载能力和对负载的适应能力，可以达到丽级以上额定输出功率，且具有与其他电源，如柴油发电机、水利发电机并联协调运行能力。
[0007]光伏发电先通过光伏控制器输送到发电单元的直流母线，风力发电先通过风能变流器输送到发电单元的直流母线，发电单元正常运行时，直流母线电压保持恒定。
[0008]目前，常见的额定功率为500kW的光伏逆变器MPP (最大功率跟踪)电压范围为480?850V，MW级全功率或双馈风能变流器中间直流侧母线电压在1100V左右；当发电单元没有配置储能装置时，则直流母线电压在800?1200V之间可设置，可方便光伏发电通过光伏控制器升压后接入直流母线，风力发电通过的永磁同步发电机发电，再通过机侧变流器就可接入直流母线。
[0009]当发电单元配置储能装置时，若储能装置通过双向DC/DC变流器接入直流母线，则直流母线电压在800?1200V之间可设置且储能装置输出最高电压低于直流母线设置的电压。
[0010]在丽级以下离网供电系统中，常用光伏控制器、风能控制器给蓄电池充电，再通过逆变器把蓄电池存储的直流电逆变为交流电给负荷供电，蓄电池的额定电压普遍较低；当蓄电池直接接入直流母线，则直流母线电压稳定为蓄电池的输出电压且电压不限制在800?1200V之间，可低于800V。
[0011]变频器为直流输入交流输出变频器，其直流侧接入直流母线，控制电动机变频调速运行；电动机通过联轴器与同步发电机相连，带动同步发电机发电，使光伏发电、风力发电通过同步发电机接入电网，改变光伏发电通过光伏逆变器并网，风力发电通过全功率变流器或双馈变流器并网的传统方式，提高发电单元额定功率和光伏、风力发电的电能质量。
[0012]所述发电系统用于并网发电时，由于需要把最大功率时的光伏、风能发电输入电网，1个发电单元的发电机总的额定功率为此发电单元的光伏控制器、风能变流器总的额定功率的70%?100%。
[0013]因此，在并网发电功率较小时，考虑到电动机和发电机的损耗较大，影响发电量，为了提高发电量，在直流母线上接入具有稳压功能的并网逆变器、双向变流器；并网逆变器、双向变流器的额定功率为发电机功率的10%?30%，在并网发电功率较小时，不启动发电机，而启动并网逆变器、双向变流器稳定直流母线电压把输入到直流母线的电能输送到电网；当并网逆变器、双向变流器的运行功率达到额定功率时，再启动发电机，并网逆变器、双向变流器也可在发电机的输出功率达到额定功率时启动，工作在功率调度模式，为发电机分担一部分发电功率。
[0014]当所述发电系统配置储能时，双向变流器可把电网电能输送到所述发电系统的直流母线，配合电网调峰调频，支持新能源大规模并网。
[0015]所述发电系统用于离网供电时，必须配置电池储能装置，1个发电单元的双向DC/DC变流器总的额定功率为此发电单元的光伏控制器和风力发电功率总的额定功率的70%?100% ;当储能装置通过双向DC/DC变流器接入直流母线时，发电单元依靠双向DC/DC变流器稳定直流母线电压来正常工作；主要受到2个方面限制，单台双向DC/DC变流器稳定直流母线电压的能力受限，一是电力电子器件耐压、开关频率和功率等级的限制，单台双向DC/DC变流器的额定功率受限；二是当蓄电池作为储能装置时，由于单体电芯的电压和储能容量较小，需要选择一致性特性较好的单体单芯串并联组成电池堆，常见的较大的电池堆容量为1?2Mffh ;因此，同一型号的多台双向DC/DC变流器通过并联均流的方式稳定直流母线电压可以提高直流母线电压的稳定性，使1个发电单元的单台发电机达到MW级以上额定功率，这种在直流侧并联的方式较目前流行的多台双向变流器(PCS)在交流测并联更稳定、更易于实施；由于不同类型的储能装置的运行的电压范围、容量和充放电功率不同，不同的类型储能装置不能直接并联，需要通过双向DC/DC变流器分别接入直流母线，可选择一部分双向DC/DC变流器工作于稳定直流母线的控制模式，即电压源模式，另一部分双向DC/DC变流器工作于功率调度模式，即电流源模式。
[0016]当1个发电单元内有多台同一型号的发电机时，与电动机配套的发电机也是同一型号的发电机，多台发电机可通过并机控制器并联运行，使每台发电机均分负荷功率；多个发电单元的发电机采用同一型号发电机时，多个发电单元的发电机可通过并机控制器并联运行，使每个发电单元的发电机均分负荷功率。
[0017]同步发电机配置有电压调节器，具有自动电压调节(AVR)功能，当所述发电系统离网供电或支持电网黑启动时，变频器变频启动电动机，同时电压调节器可设置启动时间实现软启动，来实现发电机变频变压启动，降低投入负荷或变压器时的冲击电流。
[0018]发电机电压等级、额定转速可根据电网电压等级、频率要求和经济运行等条件确定。例如可为三相400V低压，直接给低压负荷供电；也可为高压10kV发电机，直接接入10kV电网，这种方式在无电地区、海岛等离网供电系统中可省去升压变压器，提高发电的效率并消除升压变压器合闸时的励磁涌流。
[0019]本发电单元正常工作时直流母线电压保持稳定，基本原理为维持直流母线的能量平衡，即流入直流母线的能量和流出直流母线的能量保持平衡，稳定直流母线电压的设备包括:光伏控制器、风能变流器、双向DC/DC变流器、储能装置、变频器、并网逆变器、双向变流器。
[0020]同一时刻，只由同一类型的设备来稳定直流母线电压，稳定直流母线电压的设备可根据实际应用灵活选择和相互切换，切换过程中直流母线保持恒定，暂态过程不会引起设备保护和损坏。
[0021 ] 在光伏、风力发电输出的最大功率内，光伏控制器、风能变流器实时调节输出到直流母线的电能，稳定直流母线电压，可支持不配置储能的所述发电系统电网黑启动。
[0022]双向DC/DC变流器通过给储能装置充电或放电稳定直流母线电压。
[0023]所述发电系统用于并网发电时，变频器通过控制电动机的转矩来调节发电机出力，使输入直流母线的电能与直流母线输出到变频器的电能保持平衡来稳定直流母线电压；并网逆变器通过实时调节向交流电网输送的电能稳定直流母线电压；双向变流器实时调节与电网的交换电能稳定直流母线电压。
【附图说明】
[0024]图1为本发明提出的一种对电网友好且拓展灵活的新能源发电系统结构图。
[0025]图2为本发明实施实例公开的一种储能装置直接接入直流母线的离网供电系统示意图。