专利名称：水风光和生物质多能集成互补发电系统装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分布式电源中的一种可再生能源集成互补发电系统装置，尤其是涉及一种应用于分布式电源的水、风、光和生物质及其他可再生能源(如地热能、海洋能) 组成的多能集成互补发电系统装置。
背景技术：
水能、风能、太阳能光伏和生物质能，它们都是应用日益广泛的可再生能源。我国新能源，特别是可再生能源，始终贯彻的发展思路是“坚持两条腿走路，既要大规模集中利用，也要重视分散利用，因地制宜，多途径地发展新能源”。我国大型水电、风电和太阳能发电近年发展迅速，均已跃居世界前列。但是，现今它们也共同面临环境保护、技术瓶颈、并网困难、运行稳定和产能过剩等诸多问题。与此同时，小水电、小风电、小光伏、生物质能、地热发电(俗称“五小”可再生能源)等，由于容量小、季节性强、随机性强、稳定可靠性差、并网难、调峰难等先天不足，更主要的还是各自分散，孤立发电，形不成网络系统，因而尽管我国广大农村、山区、海岛需求迫切，小型可再生能源长期以来却仍然处于“替代能源”的边缘位置，得不到规模发展。当前，我国政府高度重视，国情世情以及新能源技术都朝着有利于小型可再生能源的方向发展。比如，日本近日地震海啸引起的核电站泄漏事故，警示世人发展核电要谨慎，从反面突出了 “五小”的优点和珍贵；现代电力电子和变频技术发展，为可再生能源转化和组合提供了极大启示和方便。特别是技术成熟，利用潜力极大的风电装置，国内外已出现低风速风力发电机组，如专利87206813记载了年均风速为1. 5 2. 5m/s可工作的风电装置；专利89218747记载了一级风速微风可启动的风电装置，而公开号为1673525的专利更公开了在0. 8m/s低风速下即能启动的磁悬浮风电装置。国外S1NF0N1A技术公司已研制出垂直轴型风力发电机，无论哪个方向，只要风速达lm/s即可迅速旋转工作(见《农村电工》 2011. 11)。以上这些，都为发展分布式电源和微型电网，尤其为孕育和产生小型可再生能源组合集成互补发电创造了极为有利的条件。发明内容为克服上述小水电、小风电、小光伏、生物质能和地热能“五小”可再生能源分散和孤立发电产生的容量小、季节性强、随机性强、稳定性差、并网难和调峰难等先天性不足和充分利用水电站开关设备、线路网络现有条件，本实用新型提出一种多类型可再生能源组合集成互补发电系统装置，即水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是以水能为主体，充分利用水电站特有的山谷风，形成水能风能互补发电，就地利用太阳能光伏、 生物质能及其他所有能相对集中的可再生能源(如地热能、海洋能)，将它们聚集在水电站或其周围，以水电站低压交流母线Wl为并网接入点，组成以水电为中心、水风互补为基础的水风光和生物质等多能集成互补发电系统，构建既可并网供电，又可自成系统、独立运行的分布式电源(对照
图1和图2)。本发明提出的依据是，水电站除了与水能不可分离的依赖关系外，还有一个与风能紧密联系，又往往为人们所忽视的现象，那就是水电站上的“山谷风”。众所周知，风能产生与地理环境有着密切的关系，其中山谷风在我国建于山区河谷上的水电站上极具普遍性。由于昼夜温差，白天太阳热能使山坡温度高于山谷上方相同高度的空气温度，其热空气上升，形成低压，山谷冷空气随之上升，形成从山谷吹向山坡的“谷风”；夜间，山坡降温速度比山谷相同高度的空气快，气体密度增加，形成高压，迫使空气沿山坡向下移动，形成从山坡吹向谷地的“山风”，山谷风的形成如图2所示。山谷风由于是构建水电站特定地理位置形成的地形风，风况稳定且具规律性，风向昼夜确定不变，风力大小均勻变化不大(一般为1 3级，风速范围1. 5 5m/s)，故能较好地被利用于风力发电。因而凡有水力发电之处，一般均可施行水风互补发电，并以此为基础，因地因时制宜，充分结合当地具备的可再生能源潜在优势和季节特点，可分别实施或水风光型的水电、风电、太阳能光伏发电集成互补，或水风生型的水电、风电和生物质能发电集成互补，或水风光生型的水电、风电、太阳能光伏发电和生物质能发电的集成互补，或水风光生地(热)型的水电、风电、太阳能光伏发电、生物质能发电和地热能(或海洋能) 发电集成互补的多种系统装置。水风光和生物质等多能集成互补发电系统装置，其特征是以水电站G1为主体，以 &为风力发电子系统，所发电能，经全功率变换，通过隔离变压器T2,并入交流母线W1，实现水风互补发电，以此为基础，分别通过隔离变压器T3、T4、T5，依次接入光伏发电子系统G3、生物质能发电子系统(^4和其他可再生能源(如地热能、海洋能)发电子系统&，将它们所发电能，经全功率变换后，一一并网接于交流母线W1,利用水电站原有主变T1,主开关QF1等变电开关装置和电力网络线路，构成水风光和生物质及其他可再生能源多能集成互补发电系统装置(对照图3)。风力发电子系统( 实施水风互补的特征是风力发电机组(V1 (Vn，所发交流电， 按照“一机一升”方式，分别通过AC/DC整流器变成直流电，再经DC/DC升压器，通过开关 S2^1 ，接入风力发电子系统共用直流母线w2_i，同时并接于该母线的有超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置[E2]，汇集于W2_i的直流电，经共用逆变器DC/AC转换至逆变器交流母线W2_2，使之变成电压、频率、相序和相位与W1母线相同的交流电，为消除谐波和补偿无功功率，母线W2_2上还并接有集中式功率因数补偿及滤波装置(L2-C2)，当并网条件符合、 风电子系统&经全功率变换发出的交流电，通过隔离开关QS2,隔离变压器T2,由分路断路器QF2并网接入水电站G1低压交流母线(也称集成互补交流母线)W1 (对照图4).当水电站所处的地理位置日照充足，年均日照数在1500小时以上时，可实施水光互补发电。光伏发电子系统G3实施水光互补的特征是，太阳能光伏电池发出的直流电按 “一阵一升”方式，经电池方阵(V1 (Vn，输入相对应的升压器(DC/DC)，分别经开关^V1 S3_n，汇集于光伏发电子系统共用直流母线Wp1，同时并接超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置[E3]，共用母线Wp1的直流电经共用逆变器(DC/AC)转换至逆变器交流母线W3_2， 同时并接集中式无功功率补偿滤波装置[L3-C3]，当并网条件符合，汇集在母线W3_2的交流电，经QS3> T3和QF3实现无冲击并网，接入母线W1 (对照图5)。当水电站所处方圆5KM以内，原料充足，具备生物质能发电条件时，可建生物质能发电站，并与水电站并接进网，实现水生集成互补发电。生物质能发电子系统(^4实施水生互补的特征是，生物质能发电机组(V1 G4_n，发出的交流电分别经整流器(AC/DC)、升压器或降压器(DC/DC)，全功率变换汇集至共用直流母线Wf1，同时并接超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置[E4]，直流电经共用逆变器(DC/AC)转换至逆变器交流母线W4_2，同时并接无功功率补偿及滤波装置[L4-C4]，当并网条件符合，生物质能发电子系统(V汇集在母线 W4_2的交流电，经QS4、T4、QF4并网接入母线WJ对照图6)；当发电机组(如气化发电机组) G4^1 (Vn输出电压为三相交流400V，也可直接应用自动准同期装置并网，而无需功率变换 (对照图25、图26)。风力、光伏及生物质能发电子系统，均分别在其直流母线W2YW3YWf1上装设储能装置E2、&和&，它们容量可以不等，但连接方式相同，其特征是超级电容器组C Σ和蓄电池组Q Σ分别经双向直流变换器DC/DC接入直流母线，当母线电压上升时，C Σ和Q Σ处于充电状态，当母线电压下降时，C Σ和Q Σ向直流母线放电，额定工作状态下，C Σ稳压持续时间设定为2ms 2min，Q Σ稳压供电最小持续时间设定为1 8h，前者发挥功率密度大的优势，对电网电压下降、瞬时停电等突发故障，及时提供大功率支撑，尤能提高风力机组 LVRT(低电压穿越)能力；后者(蓄电池组)发挥能量密度大的优势，对电网兼具储能和稳压作用(对照图7)。参照世界通用和我国电网有关规定，电压暂降发生的典型持续时间为2ms aiiin。据此，超级电容器组的相关参数选定如下
η等效电容C X =--Cf
m式中n-超级电容组并联支路数；m-超级电容器单体串联只数；Cf-单体超级电容器的等效电容量。C ^储能 E 为
1E =--(Cx) V 2
2式中V——电容器工作电压，也可认为是直流母线电压。一旦发生故障，整个放电过程中，超级电容器组串联支路的电压变化范围为 Vfflax-Vfflin, Vmax为电容器充电峰值；Vmin为故障时刻直流母线电压。超级电容器组支撑直流母线电压保持逆变器正常工作需要最小值vs。时的释放能量为
m ηEsc =--CF (V2sc-V2min)
2故障发生时，释放的最大能量是
m ηEmax=--Cf (V2max-V2min)
2假定对负荷提供恒定有功功率，超级电容器组稳定维持电压Vs。的供电时间为
E 1 C,t =—=----(V'so -V2min)
Pl 2 PL式中Cs为超级电容器组等效总电容量，t的要求范围为2ms aiiin。根据特定负荷&故障断电后需维持供电时间t以及Vs。、Vmin即可确定水风光集成互补系统中直流母线需配置的超级电容器容量。[0033]蓄电池能量密度大的优势使之在系统中兼具储能和稳压作用，它与功率密度大的超级电容器配合应用，相得益彰，分别发挥长期稳压和短时支撑功能，对系统起着重要的稳定作用。蓄电池选用原则如下1、容量配置可视当地资源条件和用户需要而定，一般相当于风光额定发电功率供电1. 0 8. 0小时。建议因地制宜优先选用同等容量多台风发机组并联运行，这样既可减少风发机组总功率的波动，又可减少蓄电池组的配置容量；2、蓄电池可选用铅酸蓄电池和碱性镉-镍蓄电池。为保护环境，应选富液免维护式和玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型(AGM)蓄电池；3、为延长蓄电池使用寿命，要限制放电深度不大于0.5，能量释放最多不能超过总容量的一半。这可由蓄电池充放电控制器加以控制。最简单准确的控制就是利用其储能与端压(单体电池)E = 1/2CV2的原理公式，设计蓄电池充放电控制器如图8所示。为消除变频器产生的以5、7次为主的谐波，兼顾无功功率补偿需要，采用了集中式L-C无功功率补偿及滤波装置，其特征是在逆变器输出交流母线W2_2、W3_2和W4_2并联装设无功补偿电容器C2、C3和C4的各支路上，分别加接电抗率为(3 13) %的串联电抗器，组成 L-C无功补偿与滤波装置，使各发电子系统的各支路保持功率因数cosct = 1.00，并在感性 cos Φ = 0. 98 容性coscji = 0. 98范围内可调；同时，消除各支路以5、7次谐波为主的各次谐波分量。下面就无功补偿和滤波作用进一步加以说明如下无功功率补偿控制方法是网侧电压上升时，需提供感性无功；当网侧电压下降时，则需提供容性无功功率，使各支路保持功率因数c ο _—.()()，并在感性0. 98 容性 0. 98范围内可调，其直接控制对象是无功电流Idref = Q/Us式中Idref-为支路无功电流，控制对象；Q-支路给定无功功率；Us-额定电网电压。因为三相带中点对称式的风光及生物质能发机组，偶次谐波已经消失。此外，系统里一般变压器或负荷都有三角形接线的线圈，3、6、9等3η (η为正整数)次谐波也都被短路， 只有变频器产生的6η士 1次谐波(其中以5、7次为主)。这类谐波随风、光及生物质能发电机组输出功率增加和变换基本是线性关系放大，因而最简捷方法是结合并联补偿电容器改善线路功率因数时，在其电容器支路上加装(3 1 %电抗率的电抗器，使以5、7次谐波为主的各次谐波分量在电容支路都呈感性，从根本上消除谐波与系统阻抗可能发生的并联谐振。其电工理论依据如下如图9 所示，感抗 \ = coL = 2JI fL，
权利要求1.一种多类型可再生能源组合的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是以水电站G1为主体，以(；2为风力发电子系统，所发电能，经全功率变换，通过隔离变压器 T2,并入交流母线W1,实现水风互补发电，以此为基础，分别通过隔离变压器T3、T4、T5，依次接入光伏发电子系统(i3、生物质能发电子系统(^4和其他可再生能源地热能或海洋能发电子系统(^5，将它们所发电能，经全功率变换后，一一并网接于交流母线W1,利用水电站原有主变 T1,主开关QF1等变电开关装置和电力网络线路，构成水风光和生物质及其他可再生能源多能集成互补发电系统装置。
2.根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是风力发电子系统&实施水风互补，风力发电机组(V1 (Vn，所发电能，按照“一机一升”方式，分别通过AC/DC整流器变成直流电，再经DC/DC升压器，通过开关^V1 ，接入风力发电子系统共用直流母线W”，同时并接于该母线的有超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置 E2,汇集于Wp1的直流电，经共用逆变器DC/AC转换至逆变器交流母线W2_2，使之变成电压、 频率、相序和相位与W1母线相同的交流电，为消除谐波和补偿无功功率，母线W2_2上还并接有集中式功率因数补偿及滤波装置L2-C2,当并网条件符合、风电子系统( 发出的交流电经隔离开关QS2，隔离变压器T2,由分路断路器QF2并网接入水电站G1低压交流母线W1，此时W1 便成为集成互补交流母线。
3.根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是光伏发电子系统&实施水光互补，太阳能光伏电池发出的直流电按“一阵一升”方式，经电池方阵(V1 (Vn，输入相对应的DC/DC升压器，分别经开关S3_i S3_n，汇集于光伏发电子系统共用直流母线Wp1，同时并接超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置&，共用母线Wp1的直流电经共用DC/AC逆变器转换至逆变器交流母线W3_2，同时并接集中式无功功率补偿滤波装置L3-C3,当并网条件符合，汇集在母线W3_2的交流电，经QS3、T3和QF3实现无冲击并网， 接入母线W1。
4.根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是生物质能发电子系统&实施水生互补，生物质能发电机组Gf1 G4_n，发出的交流电分别经AC/ DC整流器、DC/DC升压器或降压器，汇集至共用直流母线Wf1，同时并接超级电容器组和蓄电池组构成的储能装置E4,直流电经共用DC/AC逆变器转换至逆变器交流母线W4_2，同时并接无功功率补偿及滤波装置L4-C4,当并网条件符合，生物质能发电子系统&汇集在母线 W4_2的交流电，经QS4、T4、QF4并网接入母线W1 ；当气化发电机组(V1 (Vn输出电压为三相交流400V，也可直接应用自动准同期装置并网，而无需功率变换。
5.根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是风力、光伏及生物质能发电子系统G2、G3、(；4，均分别在其直流母线W2-1、W3-1、W4-1上装设储能装置E2、E3和&，它们容量可以不等，但连接方式相同，超级电容器组C Σ和蓄电池组Qs 分别经双向直流变换器DC/DC接入直流母线，当母线电压上升时，(^和(^处于充电状态， 当母线电压下降时，(^和(^向直流母线放电，额定工作状态下，Cs稳压持续时间设定为 2ms aiiin，Q Σ稳压供电最小持续时间设定为1 他，超级电容器组C 挥功率密度大的优势，对电网电压下降、瞬时停电等突发故障，及时提供大功率支撑，尤能提高风力机组 LVRT低电压穿越能力；蓄电池组Qs发挥能量密度大的优势，对电网兼具储能和稳压作用。
6.根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是L-C无功功率补偿及滤波装置在逆变器输出交流母线W2_2、w3_2和w4_2并联装设无功补偿电容器C2、C3和C4的各支路上，分别加接电抗率为3% 13%的串联电抗器，组成L-C无功补偿与滤波装置，使各发电子系统的各支路保持功率因数cos Φ = 1.00，并在感性cos Φ = 0. 98 容性cos Φ = 0. 98范围内可调；同时，消除各支路以5、7次谐波为主的各次谐波分量。
7.根根据权利要求1所述的水风光和生物质多能集成互补发电系统装置，其特征是蓄电池组储能和稳压作用，其充电电路是，蓄电池组Qs通过隔离开关QS6，可经电力电子开关 S2_(n+2)或断路器QF6分别接至风电子系统直流母线W2_i或W1交流母线整流构建的均充直流母线WY1 ；正常工作时，Q 接Wp1，处于浮充状态，单体电池电压达2. 25V和温度为25°C ；而在电源故障或按规定时间，Qs能自动转至W^1，为均充状态，单体电池电压达2. 35V和温度为25V，且在规定时间为3h，又能自动从W’ η转接至W”，返回浮充工作状态。
专利摘要本实用新型涉及分布式电源的一种可再生能源集成互补发电装置，提出了水、风、光和其他可再生能源组成的多能集成互补发电系统装置。其特征是以水能为主体，充分利用水电站特有的山谷风，就地利用太阳能、生物质能及其他能相对集中的可再生能源，将它们聚集在水电站周围，以水电站低压交流母线[W1]为并网接入点，组成以水电为中心，水风互补为基础，水风光和生物质等多能集成互补发电系统装置。其装置是以水电站[G1]为主体，将[G2]、[G3]、[G4]和[G5]各发电子系统所发电能，经全功率变换后，一一并网接至[W1]，利用水电站原有开关装置和电网线路，构成既能并网供电，又能独立运行的多类型可再生能源集成互补的分布式电源。
文档编号H02J3/18GK202340123SQ20112025387
公开日2012年7月18日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者陈小华, 陈巍 申请人:王文琛, 陈巍