一种波浪能发电汇集与综合供电***及其运行控制方法
技术领域
本发明属于分布式发电并网技术领域,涉及一种波浪能发电并网送出与综合供电技术,尤其涉及一种基于柔性直流的波浪能发电汇集与综合供电***及其运行控制方法。
背景技术
我国海岸线漫长,海洋能资源丰富,据《中国海洋可再生能源发展年度报告》显示,我国近海海洋能资源蕴藏量约为16.7亿千瓦,技术可开发量超6亿千瓦,离岸岛屿更是众多。这些岛屿无论在自然资源还是战略位置,都有着不可估量的价值,可见我国具备规模化开发利用海洋能的条件和紧迫性,海洋可再生能源的开发利用在改善能源结构、促进低碳发展等方面也将起到不可忽视的重要作用。
近年来,我国对海洋能开发利用工作日益重视,国务院及相关部委在制定的多项法律法规及规划中都明确提出要支持海洋能发展。2017年,国家***印发了《海洋可再生能源发展“十三五”规划》,并明确提出:“大力发展海洋能既是优化能源结构、拓展蓝色经济空间的战略需要,也是开发利用海洋和海岛、维护海洋权益、建设生态文明的重要选择”。海岛能源示范与深远海资源开发紧密结合,也是我国海洋能开发技术的主要发展方向。与“陆能海送”相比,“海能海用、就地取能”从资源品质、生产使用成本、供给灵活度等各方面都具备明显优势。
海洋能发电是海洋能利用的一种重要形式,常见的海洋能发电形式主要有:潮汐能发电、波浪能发电、潮流能发电。其中,波浪能发电利用海浪运动的机械能转换为电能输出,是目前海洋能发电应用和研究的热点之一。全球波浪能流储量平均可达1~10TW,英国海岸线可开采的波浪能储量每年接近50TWh,挪威海岸线为23TWh,日本和美国西海岸的海岸线估计有10~15TWh和25TWh可开发的波浪能资源。我国大陆海岸线长达一万八千公里,波浪能总储量高达7~17TWh,其中渤海、黄海和东海占1TWh,在清洁可再生能源中具有得天独厚的开发潜力。
目前对于波浪能装置的研发与应用多聚焦于波浪能发电装置本体,重点在于突破波浪能发电装置的最大能量捕获技术、波浪能发电装置在恶劣海况下的生存技术。与此同时,由于波浪能资源的广域分散性、偏远性,常规电网难以企及,电网接入成本高、施工难度大,严重制约了波浪能发电的大规模开发利用。目前,对于波浪能发电的利用形式包括离网就地消纳和并网送出两种方式,离网型的波浪能发电***主要用于就地满足海洋牧场、偏远海岛等并网困难区域的负荷供电问题,并网型波浪能发电***主要面向波浪能发电集群的并网汇流送出。
对于离网型波浪能发电***而言,现有的交流离网汇集供电方案会因波浪能发电***输出功率的波动性以及海底电缆容性无功的影响引起独立供电***的电压波动,从而影响离网***的供电可靠性和供电电能质量。
对于并网型波浪能发电***而言,由于波浪能发电***输出功率的波动性,因此常规交流并网送出方式将会因海底电缆的容性无功影响引起受端电网的电压波浪与振荡,影响受端电网的安全稳定运行,影响波浪能发电集群的能量利用效率。与此同时,现有波浪能并网汇流送出***没有考虑与受端区域各类分布式电源的协同优化组网的问题,没有兼顾波浪能与风、光、储等各类分布式电源的协同互补开发。
发明内容
为解决现有技术中的不足,本申请提供一种波浪能发电汇集与综合供电***及其运行控制方法,一方面实现波浪能发电***的高效汇集及向受端的稳定、可靠送出,满足并网型***以及离网型***的稳定运行需求;另一方面实现波浪能发电与受端风、光、储等各类型分布式电源的协同互补开发,进而显著提升各类分布式可再生能源的利用效率,推进能源消费结构的清洁替代进程。
为了实现上述目标,本申请采用如下技术方案:
一种波浪能发电汇集与综合供电***,所述波浪能发电并网送出与综合供电***包括波浪能发电***和柔性直流***;所述波浪能发电***接入柔性直流***送端换流阀的交流接口;
所述柔性直流***包括柔性直流***送端换流阀、直流母线和柔性直流***受端换流阀;
柔性直流***送端换流阀的直流接口与柔性直流***受端换流阀的直流接口之间通过直流母线进行连接;
柔性直流***受端换流阀的交流侧接口直接接入并网型或者离网型用电场景中的交流供电网络,用于实现波浪能发电***的电能通过柔性直流***向并网型或者离网型的用电场景送出。
本发明进一步包括以下优选方案:
优选地,所述直流母线由直流海底电缆构成。
优选地,所述柔性直流***受端换流阀安置于陆上、海岛、海洋牧场或海洋钻井平台。
优选地,所述波浪能发电***包括一个或者多个波浪能发电装置,各个波浪能发电装置经过就地的交流海底电缆汇流后就近接入柔性直流***送端换流阀的交流接口。
优选地,所述柔性直流***送端换流阀安置于海上并与海上波浪能发电装置就近部署。
优选地,所述波浪能发电***和柔性直流***送端换流阀装置上的可利用空间就地部署直流储能***;
所述直流储能***直接接入柔性直流***送端换流阀的直流接口,直流储能***用以就地对波浪能发电***输出的间歇性波动功率进行调节,提升输出功率的稳定性。
优选地,所述直流储能***中包括储能元件A和BUCK-BOOST双向斩波器,BUCK-BOOST双向斩波器并联接入直流母线,储能元件A通过BUCK-BOOST双向斩波器进行充放电控制。
优选地,所述BUCK-BOOST双向斩波器包括储能电感、第七功率开关管、第八功率开关管和第七续流二极管、第八续流二极管;
储能元件A的正极经储能电感接到第七功率开关管的漏极和第八功率开关管的源极;
所述第七功率开关管的源极接入储能元件A的负极;
所述第八功率开关管的漏极接入直流母线;
所述第七续流二极管、第八续流二极管分别反并联到第七功率开关管、第八功率开关管的漏--源极之间;
所述第七功率开关管及第八功率开关管的通断控制,用于实现能量在低压侧与高压侧之间的双向调节。
优选地,所述波浪能发电***和柔性直流***送端换流阀装置上的可利用空间还就地部署直流光伏***,直流光伏***直接接入柔性直流***送端换流阀的直流接口。
优选地,所述柔性直流***受端换流阀的交流侧接口并联接入风力发电***、交流光伏***和交流储能***,以实现波浪能、风能、光伏、储能的协同组网,以满足并网型或者离网型用电场景中用户负荷的供电需求。
优选地,所述交流储能***包括储能元件B和三相半桥VSR,三相半桥VSR并联接入柔性直流***受端换流阀的交流侧接口,储能元件B通过三相半桥VSR进行充放电控制。
优选地,所述三相半桥VSR包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管;
第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管;
直流滤波电容;
以及第一交流三相滤波电感、第二交流三相滤波电感、第三交流三相滤波电感;
所述第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的漏极均接到直流侧直流滤波电容的正极;
所述第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的源极分别与第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的漏极相连接;
所述第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的源极均接到直流侧直流滤波电容的负极;
所述第一续流二极管、第三续流二极管、第五续流二极管、第二续流二极管、第四续流二极管和第六续流二极管分别反并联在第一功率开关管、第三功率开关管、第五功率开关管、第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的漏--源极之间;
所述第一交流三相滤波电感、第二交流三相滤波电感、第三交流三相滤波电感为交流侧滤波电感;
第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管的通断控制,用于实现所述三相半桥VSR整流状态、逆变状态的转换及直流侧电压、交流侧有功/无功功率的控制。
优选地,柔性直流***送端换流阀始终运行于V/F模式,为波浪能发电***的并网运行提供幅值、频率稳定的三相电压,保障波浪能发电***电能的及时送出;
直流储能***经由BUCK-BOOST双向斩波器的控制对储能元件A的充放电功率进行实时精确调节,进而对柔性直流***送端换流阀直流侧送出的间歇性的波动功率进行实时就地平抑,保障功率的平稳送出,降低对受端电网的冲击;
直流光伏***运行于最大功率捕获模式,并联接入柔性直流***的直流母线,直流光伏***与波浪能发电***的功率一起经直流储能***调节后送出。
优选地,柔性直流***受端换流阀接入离网型用电场景的交流供电网络时,柔性直流***受端换流阀的交流侧接口并联接入风力发电***、交流光伏***以及交流储能***;
此时,交流储能***运行于V/F模式,为离网型交流供电网络提供幅值、频率稳定的三相电压支撑;
柔性直流***受端换流阀运行于P/Q模式,实时控制柔性直流***直流母线的电压稳定,以保障柔性直流***送端换流阀及直流光伏***的可靠运行,并将经由直流储能***调节后的波浪能发电***和直流光伏***的功率传递至离网型用电场景的交流供电网络;
风力发电***以及交流光伏***均运行于最大功率捕获模式。
优选地,柔性直流***受端换流阀接入并网型用电场景的交流供电网络时,柔性直流***受端换流阀的交流侧接口并联接入风力发电***、交流光伏***以及交流储能***;
此时,柔性直流***受端换流阀运行于P/Q模式,实时控制柔性直流***直流母线的电压稳定,以保障柔性直流***送端换流阀及直流光伏***的可靠运行,并将经由直流储能***调节后的波浪能发电***和直流光伏***的功率传递至并网型用电场景的交流供电网络;
风力发电***以及交流光伏***均运行于最大功率捕获模式;
交流储能***运行于P/Q模式,参与交流供电网络的电压、频率调节,提升交流供电网络的供电可靠性和供电电能质量。
一种上述的波浪能发电汇集与综合供电***的运行控制方法,所述方法包括:
所述波浪能发电***将海上波浪能转换为电能;
所述柔性直流***送端换流阀运行于V/F模式,为波浪能发电***的并网运行提供幅值、频率稳定的三相电压,并将波浪能发电***的电能沿直流母线送出至柔性直流***受端换流阀;
所述柔性直流***受端换流阀运行于P/Q模式,实时控制直流母线的电压稳定,将波浪能发电***的电能向并网型或者离网型的用电场景送出。
本申请所达到的有益效果:
(1)本发明利用柔性直流***,可以实现波浪能发电***的平稳、高效送出,避免了常规交流送出方案所带来的无功电压波动的问题,极大提升了受端电网在接纳波浪能发电***后的运行稳定性;
(2)本发明实现了波浪能发电***与风电、光伏、储能等多类型交直流分布式电源的协同组网和互补开发,在保障了波浪能发电可靠送出的同时,能够显著提升分布式可再生能源的综合利用效率,有助于推进能源消费结构的升级。
附图说明
图1是本申请一种波浪能发电汇集与综合供电***的结构框图;
图2是本申请实施例中三相半桥VSR的结构图;
图3是本申请实施例中BUCK-BOOST双向斩波器结构图;
其中,附图中标记的含义如下:
1-波浪能发电***;2-柔性直流***送端换流阀;3-直流母线;4-直流储能***;5-直流光伏***;6-柔性直流***受端换流阀;7-风力发电***;8-交流光伏***;9-交流储能***;
G1-第一功率开关管;G2-第二功率开关管;G3-第三功率开关管;G4-第四功率开关管;G5-第五功率开关管;G6-第六功率开关管;G7-第七功率开关管;G8-第八功率开关管;
D1-第一续流二极管;D2-第二续流二极管;D3-第三续流二极管;D4-第四续流二极管;D5-第五续流二极管;D6-第六续流二极管;D7-第七续流二极管;D8-第八续流二极管;
C1-直流滤波电容;
L1-第一交流三相滤波电感;L2-第二交流三相滤波电感;L3-第三交流三相滤波电感;
L4-储能电感。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示,本申请的一种波浪能发电汇集与综合供电***,包括波浪能发电***1和柔性直流***;
所述柔性直流***包括柔性直流***送端换流阀2、直流母线3(由直流海底电缆构成)和柔性直流***受端换流阀6;
柔性直流***送端换流阀2的直流接口与柔性直流***受端换流阀6的直流接口之间通过直流母线3进行连接;
所述波浪能发电***1包括一个或者多个波浪能发电装置,各个波浪能发电装置经过就地的交流海底电缆汇流后就近接入柔性直流***送端换流阀2的交流接口;
柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口直接接入并网型或者离网型用电场景中的交流供电网络,进而实现波浪能发电装置经就地的交流汇集后,通过柔性直流***向并网型或者离网型的用电场景送出。
本申请实施例中,所述柔性直流***送端换流阀2安置于海上并与海上波浪能发电装置就近部署;
一般就近安置于波浪能发电装置的平台或者周边海洋牧场平台上;
所述柔性直流***受端换流阀6安置于陆上、海岛、海洋牧场或海洋钻井平台等。
所述柔性直流***送端换流阀2的拓扑结构为MMC结构或级联式NPC结构或其他可行的拓扑结构;
所述柔性直流***受端换流阀6的拓扑结构为MMC结构或级联式NPC结构或其他可行的拓扑结构。
所述波浪能发电***1和柔性直流***送端换流阀2装置上的可利用空间就地部署直流储能***4和直流光伏***5;
直流储能***4直接接入柔性直流***送端换流阀2的直流接口,用以就地对波浪能发电***1输出的间歇性波动功率进行调节,提升输出功率的稳定性;同时,在柔性直流***送端换流阀2的直流接口也可以直接接入直流光伏***5等直流分布式电源。
所述柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口直接接入并网型或者离网型用电场景的交流供电网络,柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口并联接入风力发电***7、交流光伏***8和交流储能***9,以实现波浪能、风能、光伏、储能等多种分布式能源的协同组网,以满足并网型或者离网型用电场景中用户负荷的持续、可靠、清洁供电需求。
所述交流储能***9包括储能元件B(锂电池)和三相半桥VSR,三相半桥VSR并联接入柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口,储能元件B通过三相半桥VSR进行充放电控制。
如图2所示,所述三相半桥VSR包括第一功率开关管G1、第二功率开关管G2、第三功率开关管G3、第四功率开关管G4、第五功率开关管G5、第六功率开关管G6;
第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6;
直流滤波电容C1;
以及第一交流三相滤波电感L1、第二交流三相滤波电感L2、第三交流三相滤波电感L3;
第一功率开关管G1、第三功率开关管G3和第五功率开关管G5的漏极均接到直流侧直流滤波电容C1的正极;
所述第一功率开关管G1、第三功率开关管G3和第五功率开关管G5的源极分别与第二功率开关管G2、第四功率开关管G4和第六功率开关管G6的漏极相连接;
所述第二功率开关管G2、第四功率开关管G4和第六功率开关管G6的源极均接到直流侧直流滤波电容C1的负极;
第一续流二极管D1、第三续流二极管D3、第五续流二极管D5、第二续流二极管D2、第四续流二极管D4和第六续流二极管D6分别反并联在第一功率开关管G1、第三功率开关管G3、第五功率开关管G5、第二功率开关管G2、第四功率开关管G4和第六功率开关管G6的漏--源极之间;
所述第一交流三相滤波电感L1、第二交流三相滤波电感L2、第三交流三相滤波电感L3为交流侧滤波电感;
第一功率开关管G1、第二功率开关管G2、第三功率开关管G3、第四功率开关管G4、第五功率开关管G5、第六功率开关管G6的通断控制,用于实现所述三相半桥VSR整流状态、逆变状态的快速灵活转换及直流侧电压、交流侧有功/无功功率的快速精确控制。
所述直流储能***4中包括储能元件A(采用锂电池或者超级电容储能)和BUCK-BOOST双向斩波器;
所述BUCK-BOOST双向斩波器并联接入直流母线3,储能元件A通过BUCK-BOOST双向斩波器进行充放电控制。
如图3所示,所述BUCK-BOOST双向斩波器包括储能电感L4、第七功率开关管G7、第八功率开关管G8和第七续流二极管D7、第八续流二极管D8;
储能元件A的正极经储能电感L4接到第七功率开关管G7的漏极和第八功率开关管G8的源极;
所述第七功率开关管G7的源极接入储能元件A的负极,第八功率开关管G8的漏极接入直流母线3;
所述第七续流二极管D7、第八续流二极管D8分别反并联到第七功率开关管G7、第八功率开关管G8的漏--源极之间;
所述第七功率开关管G7及第八功率开关管G8的通断控制,用于实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节。
本申请的一种波浪能发电汇集与综合供电***,其运行模式如下:
柔性直流***送端换流阀2始终运行于V/F模式,为波浪能发电***1的并网运行提供幅值、频率稳定的三相电压,保障波浪能发电***1电能的及时送出;
直流储能***4经由BUCK-BOOST双向斩波器的控制对储能元件A的充放电功率进行实时精确调节,进而对柔性直流***送端换流阀2直流侧送出的间歇性的波动功率进行实时就地平抑,保障功率的平稳送出,最大限度降低对受端电网的冲击;
直流光伏***5运行于最大功率捕获模式,并联接入柔性直流***的直流母线3,直流光伏***5与波浪能发电***1的功率一起经直流储能***4调节后送出。
柔性直流***受端换流阀6接入离网型用电场景的交流供电网络时,柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口并联接入风力发电***7、交流光伏***8以及交流储能***9;
此时,交流储能***9运行于V/F模式,通过三相半桥VSR进行充放电控制器控制,为离网型交流供电网络提供幅值、频率稳定的三相电压支撑;
柔性直流***受端换流阀6运行于P/Q模式,实时控制柔性直流***直流母线3的电压稳定,以保障柔性直流***送端换流阀2及直流光伏***5的可靠运行,并将经由直流储能***4调节后的波浪能发电***1和直流光伏***5的功率传递至离网型用电场景的交流供电网络,进而实现与离网型用电场景交流供电网络中风力发电***7、交流光伏***8以及交流储能***9的协同开发,共同满足用户的持续、可靠、清洁的电力供给需求;
风力发电***7以及交流光伏***8均运行于最大功率捕获模式;
在该运行模式下,波浪能发电***1、直流光伏***5、风力发电***7和交流光伏***8协同为用户负荷供电,交流储能***9自主实时补偿波浪能发电***1送出功率、风力发电***7、直流光伏***5、交流光伏***8以及交流用电负荷之间的功率差额,进而维持离网型交流供电网络的持续、可靠供电。
柔性直流***受端换流阀6接入并网型用电场景的交流供电网络时,柔性直流***受端换流阀6的交流侧接口并联接入风力发电***7、交流光伏***8以及交流储能***9;
此时,柔性直流***受端换流阀6运行于P/Q模式,实时控制柔性直流***直流母线3的电压稳定,以保障柔性直流***送端换流阀2及直流光伏***5的可靠运行,并将经由直流储能***4调节后的波浪能发电***1和直流光伏***5的功率传递至并网型用电场景的交流供电网络,进而实现与并网型用电场景交流供电网络中风力发电***7、交流光伏***8以及交流储能***9的协同开发,共同满足用户的清洁电力供给需求;
风力发电***7以及交流光伏***8均运行于最大功率捕获模式;
交流储能***9运行于P/Q模式,进行双向有功、无功调节,参与交流供电网络的电压、频率调节,提升交流供电网络的供电可靠性和供电电能质量。
在该运行模式下,波浪能发电***1、直流光伏***5、风力发电***7和交流光伏***8协同为并网型用电场景的用户提供清洁的电力供给,交流储能***9运行于P/Q模式下,参与并网型用电场景的交流供电网络的频率、电压调节,进一步提升用户的供电电能质量。
一种上述的波浪能发电汇集与综合供电***的运行控制方法,包括:
所述波浪能发电***1将海上波浪能转换为电能;
所述柔性直流***送端换流阀2运行于V/F模式,为波浪能发电***1的并网运行提供幅值、频率稳定的三相电压,并将波浪能发电***1的电能沿直流母线3送出至柔性直流***受端换流阀6;
所述柔性直流***受端换流阀6运行于P/Q模式,实时控制直流母线3的电压稳定,将波浪能发电***1的电能向并网型或者离网型的用电场景送出。
本申请的一种基于柔性直流技术的波浪能发电汇集送出与综合供电***拓扑结构及其运行控制方法,实现了远方部署的波浪能发电***1的高效稳定送出,提高了受端并网、离网型供电***的供电电能质量;实现了远方的波浪能发电***1与受端离网、并网型供电***中风电、光伏、储能等各类型分布式电源的协同互补开发,在保障受端供电***可靠供电的同时,实现了各类型分布式可再生能源的就地高效利用。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述,但是本领域技术人员应该理解,以上实施示例仅为本发明的优选实施方案,详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神,而并非对本发明保护范围的限制,相反,任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。