一种波力发电多源输入电能变换系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种波力发电多源输入电能变换系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前海试运行的波力发电装置单机装机容量比较小，容量一般为几十到上百千瓦，普遍采用单装置运行发电，能量协同控制策略比较简单，基本通过波力发电单元与储能单元间的能量协调控制实现系统功率平抑控制，对复杂浪况的适应能力比较差，供电能力和供电范围也有限。
3.现有的波力发电装置主要采用波力发电单供电源协调储能单元控制系统输出功率，控制策略比较简单易实现，但是随着波力发电平台装机容量的增大以及并网运行要求的提出，波力发电整体呈现出由单源输入向多源输入发展、由独立发电系统向联合发电系统发展的趋势，其中联合发电系统不是对独立发电系统的简单叠加，需要各子系统的协调配合，才能保证联合发电系统稳定、持续、经济地为负载提供持续稳定的电能供应。因此，迫切需要对波力发电多源输入电能变换系统能量协调控制进行研究。


技术实现要素：

4.本发明目的在于，提供一种波力发电多源输入电能变换系统及其控制方法，以降低波力发电波动性并提高系统供电可靠性。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供一种波力发电多源输入电能变换系统，包括发电整流单元、储能单元、光伏发电单元、卸荷单元和并网逆变单元；
6.所述发电整流单元用于将永磁同步发电机输出的波动不规则的三相交流信号转换成稳定的直流信号；
7.所述储能单元用于将发电系统功率波动进行平抑；
8.所述光伏发电单元通过直流母线汇集的结构方式将电能汇集到直流母线上；
9.所述卸荷单元并联于直流汇集母线处，用于为波力发电系统提供快速的能量泄放通道；
10.所述并网逆变单元用于实现直流与交流间电能变换，并通过升压变压器低、高压端满足船上用电负荷和海岛微电网对不同电压等级的需求。
11.本发明实施例还提供一种波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，包括：
12.采样并计算海岛微电网消耗功率、船上用电负荷消耗功率、卸荷负载消耗功率、储能单元吸收或发出的功率、光伏发电单元发出功率和波力发电单元输出功率；
13.根据波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和，与海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和，比较得到储能单元充放电状态结果；根据所述储能单元充放电状态结果对蓄电池组充放电状态进行初判断，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果；
14.根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施。
15.优选地，所述根据波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和，与海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和，比较得到储能单元充放电状态结果；根据所述储能单元充放电状态结果对蓄电池组充放电状态进行初判断，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果，包括：
16.判断波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和是否大于海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和；
17.若是，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为充电状态；
18.若否，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为放电状态。
19.优选地，所述的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，还包括：
20.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为充电状态时，进一步判断储能单元蓄电池组是否过充，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定充电状态或过量充电状态；
21.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为放电状态时，进一步判断储能单元蓄电池组是否过放，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定放电状态或过量放电状态。
22.优选地，所述根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施，包括：
23.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为过量充电状态时，控制波力发电单元及光伏发电单元工作在限功率模式并投入卸荷支路代替储能单元快速消耗系统多余功率。
24.优选地，所述根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施，包括：
25.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定充电状态时，控制波力发电及光伏发电单元工作在最大功率点跟踪模式，不投入卸荷支路。
26.优选地，所述根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施，包括：
27.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为过量放电状态时，控制波力发电单元和光伏发电单元以最大功率点跟踪模式运行，同时根据海岛微电网负载优先级顺序切除部分海岛微电网负载，将切除负载后多余的电能储存到蓄电池组中。
28.优选地，所述根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施，包括：
29.当储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定放电状态时，控制波力发电单元及光伏发电单元工作在最大功率点跟踪模式。
30.本发明实施例还提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法。
31.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33.本发明实施例提供了波力发电多源输入电能变换系统及其控制方法，波力发电多源输入电能变换系统包括发电整流单元、储能单元、光伏发电单元、卸荷单元和并网逆变单元。波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，包括：采样并计算海岛微电网消耗功率、船上用电负荷消耗功率、卸荷负载消耗功率、储能单元吸收或发出的功率、光伏发电单元发出功率和波力发电单元输出功率；根据波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和，与海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和，比较得到储能单元充放电状态结果；根据所述储能单元充放电状态结果对蓄电池组充放电状态进行初判断，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果；根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施。本发明能够解决目前单源输入波力发电平台不能兼顾多源输入时电能变换系统各子单元结构间的能量协调控制问题，从而降低波力、光伏发电波动性，提高系统供电可靠性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明某一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的结构示意图；
36.图2是本发明某一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法的流程示意图；
37.图3是本发明另一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法的流程示意图；
38.图4是本发明某一实施例提供的计算机终端设备的结构示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
41.应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
42.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
43.术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
44.在本发明实施例中，针对波力发电单源输入电能变换系统供电来源形式单一，输出功率波动性大以及直流母线电压难以稳定控制的缺点，本发明首先从波力发电多源输入
电能变换系统结构出发，设计了一种采用直流汇集形式的包含发电整流单元、储能单元、光伏发电单元、卸荷单元以及并网逆变单元的波力发电多源输入电能变换系统结构形式，随后在此基础上从各子单元能量协调控制角度出发，以稳定直流母线电压为控制目标，提出了一种协调控制策略，以解决目前单源输入波力发电平台不能兼顾多源输入时电能变换系统各子单元结构间的能量协调控制问题，从而降低波力、光伏发电波动性，提高系统供电可靠性。
45.请参阅图1，图1是本发明某一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的结构示意图。在本实施例中，波力发电多源输入电能变换系统，包括发电整流单元110、储能单元120、光伏发电单元130、卸荷单元140和并网逆变单元150；
46.所述发电整流单元110用于将永磁同步发电机输出的波动不规则的三相交流信号转换成稳定的直流信号；
47.所述储能单元120用于将发电系统功率波动进行平抑；
48.所述光伏发电单元130通过直流母线汇集的结构方式将电能汇集到直流母线上；
49.所述卸荷单元140并联于直流汇集母线处，用于为波力发电系统提供快速的能量泄放通道；
50.所述并网逆变单元150用于实现直流与交流间电能变换，并通过升压变压器低、高压端满足船上用电负荷和海岛微电网对不同电压等级的需求。
51.发电整流单元的作用是将永磁同步发电机输出的波动不规则的三相交流信号转换成稳定的直流信号，如图1所示，所述发电整流支路永磁同步发电机通过全控型ac/dc整流器汇集到中间直流母线上。
52.储能单元的作用是对发电系统功率波动进行平抑，此外当海岛微网出现异常需要波力发电系统(逆变器)以电压源模式控制或故障穿越情况下需要波力发电系统以限功率模式运行时，可通过储能单元dc/dc变换器控制稳定直流母线电压。此外考虑过度充放电对电池寿命的影响，引入蓄电池组荷电状态值(soc)参数，本发明设置蓄电池组过放状态临界值为soc
min
，过充荷电状态临界值为soc
max
，则蓄电池工作时soc应尽量保持在soc
min
～soc
max
之间。
53.如图1所示，蓄电池组通过双向dc/dc变换器连接到直流汇集母线上。当系统所发出的电能大于负载所需要的电能时，dc/dc变换器降压支路导通将系统发出的多余电能贮存到蓄电池中；当系统所发电能不能满足负载所需电能时，蓄电池组通过dc/dc变换器升压支路放电从而向负载提供用电。
54.考虑到光伏发电单元与储能单元间的协同储能控制，光伏发电单元与并网逆变单元、发电整流单元和储能单元等模块间的连接采用基于直流母线的拓扑结构形式。本发明利用船上空间铺设光伏面板并采用直流母线汇集的结构方式将电能汇集到直流母线上。
55.如图1所示，光伏阵列通过单向dc/dc变换器连接到直流汇集母线上，从而将光伏阵列输出电能储存在蓄电池组中或经并网逆变器和升压变压器给船上用电负荷和海岛微电网供电，其中光伏发电单元的具体工作模式由外界浪况以及蓄电池组的充放电状态所决定。
56.在某种特殊情况下可能会出现波力过剩情况从而使得中间直流母线电压过大而造成变换器烧坏，因此需要在直流汇集母线处并联一卸荷支路为波力发电系统提供快速的
能量泄放通道。
57.如图1所示，所述卸荷支路由控制元件和卸荷负载串联而成，当直流母线电压超过上限值时控制元件导通接入卸荷负载实现卸荷降压，当直流母线电压下降到允许波动范围内时控制元件关断，防止母线电压降到下限值以下。
58.并网逆变支路的作用是实现直流与交流间电能变换并通过升压变压器低、高压端满足船上用电负荷和海岛微电网对不同电压等级的需求。
59.如图1所示，用电负荷单元包括海岛微电网以及船上用电负荷两方面内容，其中船上用电负荷连接到升压变压器低压侧，海岛微电网通过海底交流电缆连接到变压器高压侧。
60.在本实施例中，根据外界浪况、海岛微电网负载以及储能单元状态的不同，波力发电系统可工作在不同的模式。
61.波力发电多源输入电能变换系统的工作模式包括：
62.工作模式1：正常发电模式
63.海岛微网正常时，波力发电系统工作在电流源模式，向海岛微网注入功率，并为海岛微网提供电网支撑功能。在此工作模式下，系统输出功率比较稳定，此时波力发电单元与光伏发电单元工作在最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking，简称mppt)模式，储能单元工作在功率波动平抑模式，根据波力发电单元和光伏发电单元综合输出功率与负载功率间的大小关系来决定储能单元的工作状态。
64.工作模式2：储能控制模式
65.当海岛微网出现异常需要波力发电系统逆变器以电压源模式控制或故障穿越情况下需要波力发电系统以限功率模式运行时，进入储能控制模式，此时中间直流母线的电压由储能变换器控制稳定。
66.根据系统储能单元蓄电池组充放电状态，波力发电变换器以最大平均功率或限功率运行模式注入功率到中间直流母线，光伏发电直流变换器以mppt或限功率模式注入功率到中间直流母线。
67.工作模式3：储能耗尽模式
68.根据上述描述，当荷电状态值降至soc
min
时蓄电池组进入过放状态，其中储能耗尽模式属于储能控制模式在荷电状态值为0时的极端情况。
69.在外界浪况极不理想情况下，波力发电单元和光伏发电单元的输出功率小于负载功率，储能系统中的蓄电池组长期处于放电状态，且波力发电单元、光伏发电单元以及储能单元的综合输出功率仍小于负载功率，直流母线电压将会有所下降，若此时不减小并网逆变单元并网负载，将导致蓄电池组储能耗尽并造成直流母线电压大幅下降，最终使储能系统失去功率波动平抑以及稳定直流母线电压能力，发电系统停止工作，因此系统需尽力避免进入该工作模式。
70.工作模式4：储能满荷模式
71.根据上述描述，当荷电状态值升至soc
max
时蓄电池组进入过充状态，其中储能满荷模式属于储能控制模式在荷电状态值为1时的极端情况。
72.在外界浪况以及光况较为理想的情况下，波力发电单元以及光伏发电单元综合输出功率足以支撑负载功率需求，此时储能系统处于稳定充电状态，吸收系统多余功率并稳
定直流母线电压，但若储能系统在达到过充状态后仍继续充电，则蓄电池组进入满荷状态，储能单元控制器失去稳定直流母线电压的能力。因此当蓄电池组过充时应控制波力发电支路和光伏发电支路以限功率运行模式注入功率到中间直流母线，同时投入卸荷支路代替储能单元消耗系统多余的功率，避免进入储能满荷模式而失控。
73.工作模式5：波力过剩模式
74.波力过剩模式属于储能满荷模式中的极端情况，此时波力发电装置输出功率超过并网逆变支路海岛微电网、船上用电负载的功率需求，同时储能单元已处于满荷状态，此时应控制波力发电单元以限功率模式运行、光伏发电单元停止输出功率或以限功率模式运行并投入卸荷支路。
75.请参阅图2，图2是本发明某一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法的流程示意图。在本实施例中，波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，包括以下步骤：
76.s210，采样并计算海岛微电网消耗功率、船上用电负荷消耗功率、卸荷负载消耗功率、储能单元吸收或发出的功率、光伏发电单元发出功率和波力发电单元输出功率；
77.s220，根据波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和，与海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和，比较得到储能单元充放电状态结果；根据所述储能单元充放电状态结果对蓄电池组充放电状态进行初判断，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果；
78.s230，根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施。
79.在某一实施例中，所述根据波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和，与海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和，比较得到储能单元充放电状态结果；根据所述储能单元充放电状态结果对蓄电池组充放电状态进行初判断，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果，包括：
80.判断波力发电单元输出功率和光伏发电单元发出功率的总和是否大于海岛微电网消耗功率和船上用电负荷消耗功率的总和；
81.若是，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为充电状态；
82.若否，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为放电状态。
83.在本实施例中，当储能单元蓄电池组充放电状态结果为充电状态时，进一步判断储能单元蓄电池组是否过充，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定充电状态或过量充电状态；当储能单元蓄电池组充放电状态结果为放电状态时，进一步判断储能单元蓄电池组是否过放，得到储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定放电状态或过量放电状态。
84.根据储能单元蓄电池组充放电状态结果，选择并执行协调控制措施，包括：
85.(1)当储能单元蓄电池组充放电状态结果为过量充电状态时，控制波力发电单元及光伏发电单元工作在限功率模式并投入卸荷支路代替储能单元快速消耗系统多余功率。
86.(2)当储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定充电状态时，控制波力发电及光伏发电单元工作在最大功率点跟踪模式，不投入卸荷支路。
87.(3)当储能单元蓄电池组充放电状态结果为过量放电状态时，控制波力发电单元和光伏发电单元以最大功率点跟踪模式运行，同时根据海岛微电网负载优先级顺序切除部
分海岛微电网负载，将切除负载后多余的电能储存到蓄电池组中。
88.(4)当储能单元蓄电池组充放电状态结果为稳定放电状态时，控制波力发电单元及光伏发电单元工作在最大功率点跟踪模式。
89.请参阅图3，图3是本发明另一实施例提供的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法的流程示意图。本发明提出的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法可以根据外界浪况以及蓄电池组充放电状态选择相应的工作模式，并依照图3所示的协调控制逻辑对系统功率波动进行平抑并稳定直流母线电压，具体操作步骤如下：
90.步骤1：通过各测量装置和测量系统采样并计算功率参数p
load
、p
boat
、p
unload
、p
bat
、p
pv
、p
wave
。其中p
load
为海岛微电网消耗功率，p
boat
为船上用电负荷消耗功率，p
unload
为卸荷负载消耗功率，p
bat
为储能单元吸收或发出的功率，p
pv
为光伏发电单元发出功率，p
wave
为波力发电单元输出功率。
91.步骤2：对步骤1得到的功率参数p
boat
、p
load
、p
wave
、p
pv
进行比较，若p
wave
+p
pv
》p
load
+p
boat
，则此时储能单元处于充电状态，进入步骤3.1；反之则处于放电状态，进入步骤3.2。
92.步骤3：通过储能单元蓄电池组荷电状态判断储能单元的过充/放电状态并选择相应的协调控制措施。
93.步骤3.1：储能单元蓄电池组过充状态初判断。
94.步骤3.1.1：若此时蓄电池组soc≥soc
max
，则蓄电池组处于过充状态，若不采用抑制措施继续给蓄电池组充电直至soc＝1，则蓄电池组进入满荷状态。因此当蓄电池组进入过充状态时应控制波力发电单元及光伏发电单元工作在限功率模式，并投入卸荷支路代替储能单元快速消耗系统多余功率；
95.步骤3.1.2：若soc＜soc
max
，则储能单元蓄电池组处于在稳定充电状态，此时控制波力发电及光伏发电单元工作在mppt模式，不投入卸荷支路，重复步骤3.1判断蓄电池组是否过充。
96.步骤3.2：储能单元蓄电池组过放状态初判断。
97.步骤3.2.1：若蓄电池组soc≤soc
min
，则蓄电池组处于过放状态，若不采取抑制措施蓄电池组继续放电至soc＝0，则蓄电池组处于储能耗尽状态。因此当蓄电池组进入过放状态时应根据海岛微电网负载优先级顺序及时切除部分海岛微电网负载，将切除负载后多余的电能储存到蓄电池组中，同时使波力发电单元以及光伏发电单元工作在mppt模式，防止储能单元进入储能耗尽状态；
98.步骤3.2.2：若蓄电池组soc》soc
min
，则蓄电池组处于稳定放电状态，此时应调整控制策略使波力发电单元及光伏发电单元工作在mppt模式，从而实现对直流母线的功率支撑，重复步骤3.2判断蓄电池组是否过放。
99.步骤4：在上述步骤3的基础上对调整控制策略后蓄电池组充放电状态进行再判断并选择相应的协调控制措施。
100.步骤4.1：在上述步骤3.1基础上对蓄电池组充放电状态进行再判断。
101.步骤4.1.1：若在上述步骤3.1.1协调控制策略调整后蓄电池组soc≥soc
max
，则此时蓄电池组仍处于过充状态，为了防止蓄电池组进入满荷状态，此时应控制波力发电单元以限功率模式运行，同时控制光伏发电单元停止输出功率，并继续投入卸荷支路消耗多余功率，在实际工程应用中应通过步骤3.1.1及时调整控制策略尽量避免进入储能满荷模式。
read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
113.在一示例性实施例中，计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
114.在另一示例性实施例中，还提供了一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由计算机终端设备的处理器执行以完成上述的波力发电多源输入电能变换系统的控制方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
115.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。