一种新的可再生能源并网发电分层结构

杨胡萍 江振涛 严飞飞

摘 要： 对可再生能源及其发电、直流输电线路、储能装置等进行研究，提出一种新的可再生能源并网发电分层结构。该分层结构的主要组成部分包括DC?DC变换器、直流输电、储能装置和并网。DC?DC变换器将产生的电压转换为高电压，以便在直流输电线路上传输。类似地，降压型DC?DC变换器用于将传输线电压转化为低电压，便于储能和配电网并网。DC?AC逆变器使用旧的配电网信号作为样本，将直流信号变换为交流信号。仿真模拟验证了所有变换器均能有效工作以及整个分层结构的可行性。

关键词： 可再生能源； 储能装置； 并网； 配电网； DC?DC变换器； DC?AC逆变器

中图分类号： TN245?34； TM619 文献标识码： A 文章编号： 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

近几十年来，化石燃料发电出现诸多弊端，可再生能源发电备受关注。能源需求日益增加，化石燃料资源固然不能满足需求，可再生能源是解决这一问题的可行途径[1?2]。可再生能源发电的主要难题是其不可预测的波动。此外，很难把这些能源整合到目前的电网中，因为目前的配电网是在不考虑与其他能源一体化的情况下建造的。将可再生能源与其他能源整合起来可能会导致频率和电压波动方面的问题。研究人员正致力于寻找合适的解决方案，将这些资源合理地整合到配电网中。许多可再生能源发电，如太阳能发电和风力发电，即使在自然工作条件下也有不确定性，因此无法提供恒定的输出功率。这个问题可以通过安装大型储能设备，使其波动可以控制。目前情况下，很难提供具有备用电源的可再生能源的无波动供电。因此，将这些资源整合在一起，然后将不同的能源整合到旧配电网中来克服电力需求[3]，这一课题值得深入研究。

许多可再生能源发电是以直流为基础的，如光伏发电、燃料电池等。部分是基于交流的，如风力发电、水力发电等。这些直流和交流电源不能直接加到電网中，需要对其信号进行处理。直流电源（光伏发电、燃料电池等）需要稳定输出，然后需要合适的逆变器将信号转换成交流电，并将信号与旧电网同步。相似的，交流电源（风力发电、水力发电等）一样，也需要根据配电要求进行调整。交流电源的输出频率和幅度都有变化，其输出需要转换为直流，原因有两个，其一是设计过程中采用直流输电系统[4?6]，其次是需要与电网相匹配的幅值、频率和相位。

近年来，国内外学者对并网进行了大量的研究，但大多针对特定类型的可再生能源，如太阳能、风能等[7?12]。大部分的研究都不支持后备储能，这一点尤为重要。双向转换器需要充电电池，设计需要考虑成本效益和功率因素。一些研究人员做了关于交流和直流网络分配水平的研究工作。但目前的直流配电并不重要，因为并不是所有的家电都能支持直流电，而且很难立即更换。因此，目前的交流网络应该继续使用，但交流网络的替换问题值得进一步研究。在建设目前的配电网时，没有考虑到与其他能源的电力一体化，所以仍在为这个错误付出代价，因此未来配电网建造时需要充分考虑这个因素。

1 设计方案

本研究的设计内容涵盖了前面讨论的所有问题。拟议的设计将有后备储能支持，可以在同一网络上添加不同的可再生能源。通过增加更多的可再生能源，它的功率输出能力将增加，能够轻易地克服快速增长的能源需求。从发电侧到配电网，采用高压直流输电线路（HVDC）。旧电网不会发生变化，可再生能源发电将被增加到配电网中。配置大型储能设备，可随时在调度基地进行维护和监控。设计方案如图1所示。该分层结构主要组成部分有可再生能源、升压型DC?DC变换器、直流输电母线、备用储能装置、降压型DC?DC变换器、DC?AC逆变器和交流母线等。

不同的可再生能源提供不同类型的输出，它们需要根据输出形式进行信号处理。光伏发电、燃料电池等都是直流的形式，需要一个斩波器进行第一步信号处理。风力发电和水力发电等是交流的形式，需要整流器来处理它们的输出，然后再将其输出转换为高压直流输电。DC?DC变換器升高电压，使其输出功率可被添加到传输线上。所有升压型DC?DC变换器都应处于同一输出线上，以便能添加到高压直流输电线路上。断电时，储能装置提供来自同一直流母线的备用电源。直流将转换为交流电，通过同步频率、相位和幅值与旧的配电网并网。同步线是从旧配电网采样信号产生新的三相信号，使之能够在同一交流母线上集成。

2 分层结构的组成元件

2.1 升压型DC?DC变换器

升压型DC?DC变换器需要将产生的直流电压升高到最佳水平，以便其能被添加到直流输电线路上。本设计所用的变换器是软开关交错的DC?DC变换器[13?14]。该变换器是两相交错变换器，其电路原理图如图2所示。

软开关交错的DC?DC变换器要求每个变换器并联，且开关频率相同。开关相位角取决于连接的变换器数量。开关相位角可以用这种关系来计算：相位角=360°/N，其中N是并联变换器的个数。在图2中，可以看到有两个相连的变换器，称为两相变换器，开关的相位角为180°。

两相交错的DC?DC变换器能够降低输入电流和输出电压的波动。由于并联结构开关损耗较大，因此本设计方案使用具有软开关技术的零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。每个连接的变换器由两个开关组成，需要在同一个相位上开通和关断。开关S1和S2是同时打开和关断的，同样的S3和S4也是同时打开和关断的，有源和无源元件的导通损耗降低。需要考虑的一点是，升压型DC?DC转换器应尽可能接近发电侧。

2.2 直流输电母线

发电站到配电网的距离可达几百km，需经由高压输电线路将电力输送到配电网。为降低输电的损耗和成本，需要先升高电压然后传输电力。DC?DC变换器将产生的电压升压到最佳水平，然后添加到输电线上。目前交流输电系统正在使用中，但在这项技术中，直流输电也是可行的。直流输电在以下许多方面优于交流输电：相同电流密度时，直流输电损耗更低；相同功率流时，直流电缆的成本更低；交流输电产生电容电流，但在直流输电中没有电容电流；储能设备是直流，集成到直流输电损耗低。

直流输电线路和交流输电线路的损耗率和效率比相差很大。图3给出传输距离分别为50 km和100 km时，交直流电缆效率分析比较图。

由图3可知，相同情况下直流输电线路的效率较高。直流输电线路在传输距离为100 km、传输功率为5 MW时，效率大约为0.94，而相同参数情况下交流的效率只有0.81左右。综上所述，本设计过程中采用直流输电线路。

2.3 降压型DC?DC变换器

降压型DC?DC变换器的作用是将传输线电压转化为低电压，便于储能和配电网并网。通常，使用双向DC?DC转换器给电池充电时，转换器必须安装在电池放置的地方。如果每一个网络都有电池，则每个网络的变换器都会损失大量的能量。降压型DC?DC变换器将传输线上的高电压转化为低电压，电源可以充电。因此在这个方面上，降压型DC?DC变换器可以消除双向DC?DC变换器的这种缺陷。

为此，本分层结构使用了三电平全桥隔离型的DC?DC变换器，其原理图如图4所示。由于变换器一侧电压高，开关损耗较大，开关频率将受到一些限制。而三电平零电压开关（ZVS）变换器由于其具有软开关的优点，是一种较好的选择，可以减少损耗。

图4中的电容C1和C2应该足够大，可以存储同等级的电压。通过控制开关S1，S2，S3，S4的开断模式，可以控制输出电压。S1，S2，S3，S4的开断模式如图5所示，电容器C1，C2的电压实验模拟结果如图6所示。

开关S1和S2在同一时间打开和关断，S3和S4在同一时间打开和关断。S1和S2打开、S3和S4关断时，电容器C1两端电压为零，电容器C2充电；反之，C2两端电压为零，C1充电。

2.4 储能装置

储能技术发展迅速，飞轮、抽水、铅酸电池、锂离子电池、超导电磁等储能技术已逐渐成熟，在电力系统中也得到了广泛的应用。相比于其他储能技术，锂离子价格昂贵，安装成本高，但其效率较高。效率是非常重要的，应尽可能保持较高水平，故本设计的后备储能装置采用锂离子电池储能。计算储能容量时，需要考虑以下几点：需要多少能源；电池的寿命周期；系统的设计电压（本次设计的电压为500 V）；电池损耗；环境温度损失。

2.5 DC?AC逆变器与并网

DC?AC逆变器的输出与旧配电网相结合，逆变器必须满足以下几点才能与配电网同步：输出电压相匹配；频率相匹配；相位角相匹配。

逆变器输出电压高于配电网电压时，逆变器会过载；配电网电压高于逆变器输出电压时，逆变器会吸收电流。实际情况下，逆变器电压应略高于配电网，目的是限制电流流向负载。DC?AC逆变器与电网同步的示意图如图7所示。

图7中，电感器L1，L2和L3是为了吸收额外的电压而串联增加的，这些电感器会吸收谐波，形成较好的正弦波。电感的缺点是其存在额外的磁极，可能导致系统的不稳定。通常逆变器作为电流源添加到电网中，以避免系统不稳定等问题。

3 仿真结果与分析

仿真模拟了该分层结构从发电到并网的全过程。首先将可再生能源转换为适当的直流形式，经由升压型DC?DC变换器将信号电压升高到40 kV水平后，在直流输电线路上传输。降压型DC?DC变换器将传输线电压转化为低电压（500 V）。直流母线连接后备储能装置和DC?AC逆变器。DC?AC逆变器使用旧的配电网信号作为样本，将直流母线电压变换为所需的交流电压。最后将其集成到配电网的交流母线上，并将负载加到该交流母线上。图8给出了降压型DC?DC变换器的输出电压波形。由图可知，直流母线电压最后能够稳定在500 V左右（本次设计的电压为500 V），这些电压将被馈送到储能装置以及DC?AC逆变器。

图9为旧配电网的输出电压波形，图10给出了本设计方案的DC?AC逆变器输出电压波形。不难发现，这两种输出电压的频率、相位和振幅十分相似，满足并网条件，能够实现可再生能源并网发电。

仿真结果表明DC?DC变换器、DC?AC逆变器等均能有效工作以及整个分层结构具有可行性。

4 结 论

本文在深入研究可再生能源发电、直流输电系统、储能技术等问题的基础上，提出一种新的可再生能源并网发电分层结构。实验结果表明，这种新的分层结构是有效的。通过实施这一分层结构，可以在不改变当前配电网结构的前提下，将化石燃料能源替换成可再生能源。这项研究考虑将不同形式的能源整合到旧的配电网中，很容易克服快速增长的电力需求。

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