CN108347063B - 一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，平滑功率控制器根据光伏输出功率与端电压的正比关系，通过采集直流母线的电压，经含有功率前馈分量的恒电压闭环控制策略控制第一超级电容对应的双向DC/DC整流器中IGBT的功率开关，使第一超级电容组对光伏高频波动进行补偿，实现平滑光伏输出功率曲线目的；当DC/AC逆变器的输出功率的瞬时突变量超过设定值时，突变补偿控制器采用恒功率控制策略控制第二超级电容组对应的双向DC/DC整流器，使第二超级电容组以恒定功率进行补偿，恒功率控制策略的参考功率值以设定阶梯量顺势增加或者减小，实现将光伏并网功率瞬时大突变量转化为若干阶梯式小突变量，减小对船舶电网的冲击。
Description
技术领域
本发明属于船舶太阳能应用技术领域，具体涉及一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***。
背景技术
随着海洋环境污染问题的日益严峻，越来越多的船舶上开始采用光伏发电装置作为柴油发电机组的替代电源，降低柴油发电机的燃油消耗量。但由于光伏发电***的间歇性，其输出功率受环境因素的影响较大，呈现出输出功率波动频繁和大功率突变的特性，给船舶电网带来较大电流冲击风险。而在实际应用中，常匹配大容量的储能***并结合合理的控制策略来补偿光伏的高频波动和大功率突变，大容量的储能***为蓄电池或者飞轮储能。
目前为止，船舶光伏发电***以匹配大容量蓄电池储能***来补偿光伏的高频波动和大功率突变，但由于蓄电池本身的响应速度比较慢，故多采用光伏恒动率并网的控制策略，继而蓄电池的匹配容量要求十分巨大。例如2016年，我国在“中远腾飞”轮汽车滚装船上集成光伏的143kW并/离网混合供电***，该***匹配了652.8kWh锂电池储能***，其总重量达6吨，考虑通风问题，需要至少30m2的安装面积。再者，大容量的蓄电池储能***安全维护成本非常巨大，故障发生率较高，并且必须匹配独立的七氟丙烷灭火***。因此，造成蓄电池储能***占新能源发电装置在船舶电力***集成的总成本的34％以上的局面，严重制约了新能源在船舶上的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，能够为降低光伏发电***的间歇性对船舶电网的冲击提供一个更好的解决方案。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，包括光伏电池板、光伏DC/DC整流器和储能***，光伏电池板经光伏DC/DC整流器接入直流母线，储能***通过双向DC/DC整流器接入直流母线，其特征在于：本发电***还包括平滑功率控制器、突变补偿控制器、DC/AC逆变器以及电压传感器和电流传感器；所述的储能***为2组超级电容；直流母线通过DC/AC逆变器并入船舶电站汇流母线；
所述的平滑功率控制器，用于根据光伏输出功率与光伏输出端电压的正比关系，通过采集直流母线的电压，经含有功率前馈分量的恒电压闭环控制策略控制第一超级电容对应的双向DC/DC整流器中IGBT的功率开关，使第一超级电容组对光伏高频波动进行补偿，实现平滑光伏输出功率曲线目的；
所述的突变补偿控制器和第二超级电容组在正常工况下处于待命状态；
所述的突变补偿控制器，用于当DC/AC逆变器的输出功率的瞬时突变量超过设定值时，采用恒功率控制策略控制第二超级电容组对应的双向DC/DC整流器，使第二超级电容组以恒定功率进行补偿，恒功率控制策略的参考功率值以设定阶梯量顺势增加或者减小，实现将光伏并网功率瞬时大突变量转化为若干阶梯式小突变量，减小对船舶电网的冲击。
按上述方案，所述的第二超级电容组SOC为50％的电容量。
按上述方案，所述的第一超级电容组的容量根据光伏最大高频突变补偿量Esc和突变持续时间t计算所得，其公式为：
其中P0、P1分别为光伏突变前输出功率和光伏突变后输出功率，t为突变持续时间；第二超级电容组的容量根据设定的阶梯突变量和整个光伏并网发电***装机容量计算所得。
按上述方案，所述的DC/AC逆变器采用双环控制策略，双环控制策略为外环电压控制、内环电流控制的控制策略。
本发明的有益效果为：采用2组功能不同的超级电容组，分别在平滑功率控制器和突变补偿控制器的作用下对光伏并网发电***的高频波动和大功率突变进行补偿，从而降低对船舶电网的电流冲击。
附图说明
图1为本发明一实施例的***框架图。
图2为平滑功率控制器的控制策略示意图。
图3为突变补偿控制器的控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，如图1所示，包括光伏电池板、光伏DC/DC整流器和储能***，光伏电池板经光伏DC/DC整流器接入直流母线，储能***通过双向DC/DC整流器接入直流母线Bus2，本发电***还包括平滑功率控制器、突变补偿控制器、DC/AC逆变器以及电压传感器和电流传感器；所述的储能***为2组超级电容；直流母线通过DC/AC逆变器并入船舶电站汇流母线Bus3；Bus 1为船舶柴油发电机组的并车屏，Bus4为负载屏外接船舶电气负载，Bus1、Bus4与Bus3之间通过联络开关连接。
如图2所示，所述的平滑功率控制器，用于根据光伏输出功率PPV与光伏输出端电压VO(与直流母线电压等值)的正比关系PPV＝αVO，α为斜率因数(由实验测取)，通过采集直流母线Bus2的电压，经含有功率前馈分量的恒电压闭环控制策略控制第一超级电容对应的双向DC/DC整流器中IGBT的功率开关，使第一超级电容组对光伏高频波动进行补偿，实现平滑光伏输出功率曲线目的。具体的，平滑功率控制器采集直流母线Bus2的电压信号经恒电压控制策略产生控制电流，控制电流与功率前馈控制中的前馈电流及第一超级电容组的输出交流进行加成，加成后的电流信号经PWM环节产生IGBT开关信号作用于第一超级电容组的双向DC/DC整流器，实现第一超级电容组对光伏并网发电***的高频波动补偿。(所述的恒电压控制策略实质是以电压控制做外环电流内环的DC/DC控制策略，其已在超级电容/风机混合电力***中有所应用，例如在李霄，胡长生，刘昌金.基于超级电容储能的风电场功率调节***建模与控制[J].电力***自动化.2009,33(9):86-89.)
所述的突变补偿控制器和第二超级电容组在正常工况下处于待命状态。
如图3所示，所述的突变补偿控制器，用于当DC/AC逆变器的输出功率的瞬时突变量超过设定值时，采用恒功率控制策略控制第二超级电容组对应的双向DC/DC整流器，使第二超级电容组以恒定功率进行补偿，恒功率控制策略的参考功率值以设定阶梯量顺势增加或者减小，实现将光伏并网功率瞬时大突变量转化为若干阶梯式小突变量，减小对船舶电网的冲击。具体的，突变补偿控制器采集DC/AC逆变器的输出功率，经延时器、比较器求得功率瞬时波动值，若瞬时波动值大于设定的阶梯功率，则启动阶梯函数，计算参考功率，经恒功率控制策略、PWM产生IGBT开关信号作用于第二超级电容组的双向DC/DC整流器，实现第二超级电容组对大功率瞬时突变量转化为小功率阶梯突变量；若瞬时波动值不大于设定的阶梯功率，则第二超级电容组继续处于待命状态。(所述的恒功率控制策略实质是以功率环为外环电流环为内环的DC/DC控制策略，属于行业内技术成熟算法，其具体数学模型可参考论文Yanchao Qiu,Chengqing Yuan,Yuwei Sun.Review on the application andresearch progress of photovoltaics-ship power system.The 3rd InternationalConference on Transportation Information and Safety.2015.)
所述的第二超级电容组在处于待命状态时应保持SOC为50％的电容量。
在设计时，所述的第一超级电容组的容量根据光伏最大高频突变补偿量Esc和突变持续时间t计算所得，其公式为：
其中P0、P1分别为光伏突变前输出功率和突变后输出功率，t为突变持续时间；第二超级电容组的容量根据设定的阶梯突变量和整个光伏并网发电***装机容量计算所得。
所述的DC/AC逆变器采用双环控制策略，双环控制策略为外环电压控制、内环电流控制的控制策略。
本发明采用超级电容替代蓄电池作为***的功率补偿元件，并且2组超级电容分别在平滑功率控制器和突变补偿控制器的作用下对光伏***的高频波动和大功率突变进行补偿，降低光伏发电***的间歇性对船舶电网的冲击，并能有效的降低了建设成本，提高了整个***的安全可靠性和经济性。本发明提高了整个***的安全可靠性，为新能源在船舶上的应用提供了一种安全可靠的方式，有利于船舶节能减排的工作的大力实施。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，包括光伏电池板、光伏DC/DC整流器和储能***，光伏电池板经光伏DC/DC整流器接入直流母线，其特征在于：储能***通过双向DC/DC整流器接入直流母线，本发电***还包括平滑功率控制器、突变补偿控制器、DC/AC逆变器以及电压传感器和电流传感器；所述的储能***为2组超级电容；直流母线通过DC/AC逆变器并入船舶电站汇流母线；
所述的平滑功率控制器，用于根据光伏输出功率与光伏输出端电压的正比关系，通过采集直流母线的电压，经含有功率前馈分量的恒电压闭环控制策略控制第一超级电容组对应的双向DC/DC整流器中IGBT的功率开关，使第一超级电容组对光伏高频波动进行补偿，实现平滑光伏输出功率曲线目的；
所述的突变补偿控制器和第二超级电容组在正常工况下处于待命状态；
所述的突变补偿控制器，用于当DC/AC逆变器的输出功率的瞬时突变量超过设定值时，采用恒功率控制策略控制第二超级电容组对应的双向DC/DC整流器，使第二超级电容组以恒定功率进行补偿，恒功率控制策略的参考功率值以设定阶梯量顺势增加或者减小，实现将光伏并网功率瞬时大突变量转化为若干阶梯式小突变量，减小对船舶电网的冲击。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，其特征在于：所述的第二超级电容组SOC为50％的电容量。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，其特征在于：所述的第一超级电容组的容量根据光伏最大高频突变补偿量Esc和突变持续时间t计算所得，其公式为：
其中P0、P1分别为光伏突变前输出功率和光伏突变后输出功率，t为突变持续时间；第二超级电容组的容量根据设定的阶梯突变量和整个光伏并网发电***装机容量计算所得。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的船舶光伏并网发电***，其特征在于：所述的DC/AC逆变器采用双环控制策略，双环控制策略为外环电压控制、内环电流控制的控制策略。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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