風(fēng)光互補(bǔ)直流并網(wǎng)在海島上的應(yīng)用

馬 強(qiáng),張 理,肖 鋼,陳 明,顏廷富

(1.中海油研究總院,北京 100027;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;3.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

風(fēng)光互補(bǔ)直流并網(wǎng)在海島上的應(yīng)用

馬 強(qiáng)1,張 理1,肖 鋼1,陳 明2,顏廷富3

(1.中海油研究總院,北京 100027;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;3.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

孤島直流并網(wǎng)獨(dú)立電力系統(tǒng)匯集3臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與1套太陽(yáng)能發(fā)電裝置。通過對(duì)多種不同類型的新能源發(fā)電裝置進(jìn)行直流并網(wǎng)，成功驗(yàn)證了600 V母排直流并網(wǎng)方案的可行性。風(fēng)光互補(bǔ)直流并網(wǎng)確保了電力系統(tǒng)有較高的轉(zhuǎn)換效率，可保障新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸出電能質(zhì)量，并最終滿足項(xiàng)目的總體需求。該方案對(duì)今后的新能源多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)具有工程指導(dǎo)意義。

電力系統(tǒng)；直流并網(wǎng)；風(fēng)光互補(bǔ)；海島

0 引 言

孤島采用獨(dú)立電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，特別是對(duì)于使用可再生能源作為電源的情況，國(guó)內(nèi)外案例均比較少。在使用傳統(tǒng)燃料的孤島獨(dú)立電力系統(tǒng)中，例如海上石油平臺(tái)或者船舶電站，全部是采用交流(AC)并網(wǎng)方案;而對(duì)于新能源發(fā)電系統(tǒng)組網(wǎng)而言，采用直流(DC)并網(wǎng)匯集到600 V直流母排的應(yīng)用案例非常少，國(guó)內(nèi)幾乎為空白[1-4]。本文利用設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)直流并網(wǎng)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了300 kW的風(fēng)光互補(bǔ)直流母線并網(wǎng)。電能輸出質(zhì)量穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電裝置向用戶的平穩(wěn)供電。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由1套功率為50 kW的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、3套50 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和集中控制裝置組成。每套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由50 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電力變換裝置等構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力變換由AC/DC變換器、DC/DC變換器和隔離變換器組成。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由50 kW太陽(yáng)能電池板、匯流箱、防雷配電柜、電力變換裝置等組成。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力變換裝置由DC/DC變換器和隔離變換器組成。集中控制裝置通過485總線與上層控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。風(fēng)機(jī)控制器控制風(fēng)機(jī)的變槳、啟動(dòng)、停止和各種保護(hù)功能。圖1為該系統(tǒng)示意圖。

圖1 風(fēng)光直流并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind and solar energy DC grid system

2 風(fēng)力系統(tǒng)直流并網(wǎng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定輸出功率為50 kW，在啟動(dòng)風(fēng)速(3 m/s)時(shí)可以啟動(dòng)；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速(10 m/s)時(shí)變槳機(jī)構(gòu)控制保持額定功率；當(dāng)風(fēng)速超過最大工作風(fēng)速(25 m/s)時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)卸荷。風(fēng)機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)AC/DC變換器(風(fēng)機(jī)控制器)逆變后進(jìn)入到DC/DC變換器，最終匯入到600 V直流母排系統(tǒng)并網(wǎng)。該系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 風(fēng)力直流并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind energy DC grid system

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力變換裝置由AC/DC 變換器、DC/DC變換器和隔離變換器串聯(lián)組成。第一級(jí)AC/DC電力變換用于將風(fēng)力發(fā)電裝置發(fā)出的不穩(wěn)定交流電變換為直流電。第二級(jí)DC/DC電力變換的主要作用是根據(jù)系統(tǒng)能量管理的要求和發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電能力，進(jìn)行最大功率獲取和直流電壓提升。隔離變換器的主要作用是實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)與直流母線的隔離，并將DC/DC變換器的輸出電能送到直流母線上并控制直流匯流母線電壓，將其保持在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。三級(jí)電力變換裝置配合，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓、頻率均不穩(wěn)定的交流電變換為電壓穩(wěn)定的600 V直流電，輸送到公共直流母線。電力變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 隔離形式的電力變換系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of the electrical energy transformation system in the isolation form

AC/DC變換采用高功率因數(shù)二極管整流方式，使發(fā)電機(jī)的輸出電流接近正弦波，提高發(fā)電機(jī)的效率。該AC/DC 變換器的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，整體性能指標(biāo)較好。DC/DC變換采用三重升壓型的升壓變壓器，電流紋波小，控制方便，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，更有利于今后的推廣應(yīng)用。中小功率風(fēng)力發(fā)電普遍采用這種升壓型的DC/DC變換器。隔離變換器采用高頻全橋變換器，具有體積小等優(yōu)點(diǎn)。

3 太陽(yáng)能直流并網(wǎng)

本系統(tǒng)50 kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置由單晶硅太陽(yáng)能電池組件構(gòu)成，輸出直流電經(jīng)DC/DC變換后接入600 V直流母線。本系統(tǒng)由光伏電池組件及其支架、光伏陣列、防雷匯流箱、直流防雷配電柜、系統(tǒng)的通信監(jiān)控系統(tǒng)等組成。圖4為其結(jié)構(gòu)與配置示意圖。

圖4 太陽(yáng)能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of solar power generation device

光伏陣列組件固定于支架上，露天安裝在海島陸地上。為了減少光伏電池組件間的連接線，方便操作和維護(hù)，直流側(cè)采用分段連接、逐級(jí)匯流的方式進(jìn)行連接。直流穩(wěn)壓控制柜將4路光伏陣列進(jìn)行匯流，直流控制單元將匯流箱輸出進(jìn)行可控匯流，通過控制器輸出給蓄電池供電，并保證直流電壓小于640 V。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到640 V時(shí)，控制器的穩(wěn)壓電路或脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路將4路匯流以不同的電壓等級(jí)逐個(gè)打開，電壓值降低時(shí)4路逐個(gè)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。直流穩(wěn)壓控制柜實(shí)測(cè)電壓值和控制狀況等子系統(tǒng)的信息通過傳感、監(jiān)測(cè)與通信網(wǎng)絡(luò)匯集到能量集中控制與管理系統(tǒng)，并接受其調(diào)控。光伏陣列組件固定在支架上，直流側(cè)接入直流配電柜，匯線盒和直流配電柜中設(shè)有防雷保護(hù)裝置，并具有短路保護(hù)等功能。經(jīng)直流部分匯流調(diào)整后，接入直流母線。

本工程選用峰值功率為200 W(在輻射強(qiáng)度1 000 W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，電池溫度25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下，太陽(yáng)能電池的輸出功率)的單晶硅太陽(yáng)電池組件。將256塊電池組件分為21個(gè)陣列布置，每個(gè)陣列以2×6的方式布置12塊電池板。集中控制中心屋頂每條橫梁上安放24塊太陽(yáng)能電池陣列，剩余的4塊太陽(yáng)能電池單獨(dú)布置在最后排的半根橫梁上。電池組件傾角35°。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力變換由升壓DC/DC變換器和隔離變換器組成。升壓DC/DC變換器采用三重升壓變壓器結(jié)構(gòu)，具有電壓輸出紋波小、控制平穩(wěn)等特點(diǎn)。隔離控制級(jí)采用移相全橋結(jié)構(gòu)。DC/DC變換器的主要作用為電壓變換和最大功率獲取。隔離變換器的主要作用與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的隔離變換器相同。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力變換系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力變換系統(tǒng)Fig.5 Power conversion system for solar power generation system

4 風(fēng)光直流并網(wǎng)性能驗(yàn)證

風(fēng)光系統(tǒng)直流并網(wǎng)后，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。由表1、表2中數(shù)據(jù)可知，直流并網(wǎng)端能平穩(wěn)輸出600 V的電力，DC/DC控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到96%。結(jié)果表明該系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)與太陽(yáng)能的直流并網(wǎng)發(fā)電。

表1 太陽(yáng)能直流并網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measured data for solar DC grid

5 結(jié) 語(yǔ)

通過3臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與1套太陽(yáng)能發(fā)電裝置的直流并網(wǎng)發(fā)電，成功驗(yàn)證了600 V母排直流并網(wǎng)方案的可行性。孤島直流并網(wǎng)獨(dú)立電力系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換匯集多種不同類型的風(fēng)能機(jī)組和太陽(yáng)能發(fā)電裝置，采用最合適的匯集和轉(zhuǎn)換方案，并確保電力系統(tǒng)有較高的轉(zhuǎn)換效率，可保障多能互補(bǔ)情況下新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸出電能質(zhì)量，滿足項(xiàng)目的總體需求。

表2 風(fēng)能直流并網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) (風(fēng)速：7.2 m/s)Table 2 Measured data for wind energy DC grid (wind speed: 7.2 m/s)

[1] Liu H,Chau K T,Zhang X.An efficient wind-photovoltaic hybrid generation system using doubly excited permanent-magnet brushless machine[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(3): 831.

[2] 李碧輝，申洪，湯涌.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量對(duì)有功功率的影響及評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：123.

[3] Park S J,Kang B B,Yoon J P,et al.A study on the stand-alone operating or photovoltaic/wind power hybrid generation system[C].Proceedings of the 35th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference,2004: 1631.

[4] Borowy B S,Salameh Z M.Methodology for optimally sizing the combination of a battery bank and PV array in a wind/PV hybrid system [J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1996,11(2): 367.

ApplicationsofWindandSolarEnergyDCGridonIsland

MA Qiang1， ZHANG Li1， XIAO Gang1， CHEN Ming2， YAN Ting-fu3

(1.CNOOCResearchCenter,Beijing100027,China; 2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China; 3.CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Ji’nan,Shandong250101,China)

An independent direct current (DC) grid power system on an isolated island is constructed,bringing together three wind turbines and one set of solar power installation.With different combinations of the new energy power generation devices in the DC grid,the 600 V DC busbar and network solution is verified successfully.This wind and solar energy DC grid system ensures a higher conversion efficiency,and helps to protect the stability of the new energy power system and increase the output power quality.Ultimately,the overall requirements of the project can be satisfied.This research can provide solutions to the future new energy multi-power systems.

power system; direct current grid; wind and solar energy complementation; island

TE7

A

2095-7297(2014)03-0254-04

2014-08-05

海洋可再生能源專項(xiàng)資金(GHME2010GC02)

馬強(qiáng)(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋能方面的研究。