CN107294201A - 一种同步发电机和储能变流器并联模拟平台 - Google Patents
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Abstract
一种同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其拖动变频器的输出和拖动电机定子电枢绕组绕组连接，拖动电机和同步发电机转子轴直接机械连接，励磁电源通过励磁机连接同步发电机转子励磁绕组，蓄电池和储能变流器的直流侧相连，光伏电池板和光伏逆变器的直流侧相连，同步发电机的定子绕组、储能变流器和光伏逆变器的交流输出、负荷连接到公共连接点，再通过配网变压器连接到电网上。拖动变频器、拖动电机、同步发电机、励磁电源模拟燃气轮机发电机组电气特性；储能变流器和蓄电池为储能系统用于削峰填谷，辅助调频调压；光伏电池板和光伏逆变器组成光伏发电系统，与同步发电机、储能变流器并联运行；所述的模拟平台接受能量管理系统的调度。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步发电机和储能变流器并联模拟平台。
背景技术
由于分布式能源系统具有开放灵活的优点，寻求多种能源综合互补高效利用的有效途径正逐渐成为能源领域可持续发展方向之一。多能互补的冷热电联供系统以其良好的环境友好性，可靠性与经济性等特点受到了广泛的重视。多种能源互补，能够利用可再生能源的同时弥补其不稳定的特点；系统的合理配置和优化运行能有效地保障供电的可靠性、提高微电网的能源综合利用效率和系统经济性，满足电能需求，实现能源最大化利用。
现有的冷热电多能互补系统中的燃气轮机、燃气内燃机、柴油发电机、不同种类的蓄电池等设备成本较高，且运行消耗燃料资源，导致整个系统成本较高，同时个别燃料会带来污染，因此在系统方案论证初期，迫切需要建立一种多能互补系统模拟平台，掌握系统稳定性及运行策略，为多能互补系统实体建设提供理论支撑。
CN 104578177 A《一种多能互补供电系统频率控制方法》仅从频率控制角度提出了一种多能互补供电系统频率控制方法，未提及多种能源协调控制，自发自用为负荷供电，余电上网等相关控制策略。CN 105305495 A《一种多能互补微电网系统调度方法》提出了一种多能互补微电网系统调度，主要利用电动汽车电池的储能特性，与风光系统互补供电，降低储能装置的投资成本，未提及同步发电机系统模拟燃气轮机发电及储能变流器辅助调频调压等功能。CN 103023035 A《一种多能互补发电系统的优化配置方法》提出了一种风光抽蓄多能互补发电系统的容量优化配置，未提及多种能源互补发电最优运行控制相关内容。
发明内容
本发明的目的是针对现有的冷热电多能互补系统中的燃气轮机、燃气内燃机、柴油发电机、不同种类的蓄电池等设备成本较高，且运行消耗燃料资源，导致整个系统成本较高，同时个别燃料会带来污染，搭建一种同步发电机和储能变流器并联模拟平台，模拟冷热电联供系统中燃气轮机、燃气内燃机、柴油发电机等发电机组的电气特性，同时研究和储能变流器、光伏发电系统并联发电运行特性及稳定性，为冷热电多能互补系统实体建设提供理论支撑及指导。
本发明的技术方案如下：
本发明同步发电机和储能变流器并联模拟平台主要由拖动变频器、拖动电机、同步发电机、励磁电源、储能变流器、蓄电池、光伏电池板、光伏逆变器、负荷、能量管理系统组成。其中拖动变频器的输出和拖动电机定子电枢绕组绕组连接，拖动电机和同步发电机转子轴直接机械连接，励磁电源通过励磁机连接同步发电机转子励磁绕组，蓄电池和储能变流器的直流侧相连，光伏电池板和光伏逆变器的直流侧相连，同步发电机的定子绕组、储能变流器和光伏逆变器的交流输出、负荷一同连接到公共连接点，再通过配网变压器连接到电网上。为了避免拖动变频器给整个并联模拟平台注入谐波，拖动变频器和励磁电源的交流侧通过隔离变压器连接到电网上。同步发电机、储能变流器、光伏逆变器、蓄电池、负荷通过以太网或485通讯线和能量管理系统的通讯接口相连。其中拖动变频器、拖动电机、同步发电机、励磁电源用于模拟燃气轮机发电机组的电气特性；储能变流器和蓄电池为储能系统，用于削峰填谷，同时辅助调频调压；光伏电池板和光伏逆变器组成光伏发电系统，与同步发电机、储能变流器并联运行；整个并联模拟平台接受能量管理系统调度，给负荷供电，满足自发自用、余电上网的需求。
本发明模拟平台运行模式主要分为并网和孤网两种模式。并网模式时，本发明并联模拟平台从电网取电，拖动变频器控制拖动电机，控制同步发电机并网运行，为同步发电机提供转矩输入，并网时输出有功功率，励磁电源调节同步发电机定子电动势，并网时调节无功功率；储能变流器以PQ控制模式运行，给蓄电池充电；光伏逆变器与储能变流器、同步发电机并联，以PQ控制模式并网发电。孤网模式时，拖动变频器控制拖动电机，控制同步发电机转速，稳定并联模拟平台频率，励磁电源调节系统电压幅值。同步发电机作为电压源组网运行，建立公共连接点节点电压；储能变流器与同步发电机并联，以PQ下垂控制模式运行，给蓄电池充放电，辅助调频调压。光伏逆变器与储能变流器、同步发电机并联，以PQ控制模式并网发电。
本发明的运行模式具体如下：
同步发电机和储能变流器并联模拟平台在并网模式时，优先光伏系统给负荷供电，光伏系统不满足负荷需求时，再对比燃料价格和电网电价，选择是否启动同步发电机系统，同时考虑蓄电池状态，是否已充满。
当光伏发电量不满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电。此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从系统中取电，给蓄电池充电，充满后，储能变流器待机，多余电量上网；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网。当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行，本发明并联模拟平台从电网取电给负荷供电。此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机。
当光伏发电量满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电。此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从并联模拟平台中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机，多余电量上网。当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网。当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行。此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机。当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机。
同步发电机和储能变流器并联模拟平台孤网模式时，同步发电机组网，建立电压、频率；考虑蓄电池状态是否充足，启动储能变流器辅助调频调压，同时给负荷供电。同时考虑阳光是否充足，启动光伏系统给负荷供电。
当蓄电池电量充足，满足储能变流器启动条件，储能变流器辅助调频调压，给负荷供电。当阳光充足时，光伏发电系统启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，电池充满电后，光伏系统限功率运行，同步发电机系统限功率运行。当阳光不充足时，光伏发电系统待机。
当蓄电池电量不充足时，不满足储能变流器启动条件，储能变流器待机。当阳光充足时，光伏发电系统启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，电池充满电后，光伏系统限功率运行，同步发电机系统限功率运行。当阳光不充足时，光伏发电系统待机，此时只有同步发电机系统给负荷供电。
所述的同步发电机系统，其拖动变频器控制拖动电机，为同步发电机提供转矩输入，并网时输出有功功率，孤网时控制同步发电机转速，稳定微网频率；励磁电源调节同步发电机定子电动势，并网时调节无功功率，孤网时调节微网电压幅值。
所述的储能变流器根据并联模拟平台运行模式的不同，其控制模式有所不同。当并网模式运行时，以PQ控制模式运行；当孤网运行模式时，以PQ下垂控制模式运行。
所述的光伏逆变器与储能变流器、同步发电机并联，以PQ控制模式并网发电。
附图说明
图1本发明模拟平台系统整体框图；
图2储能变流器控制流程图；
图3储能变流器PQ下垂控制器控制框图；
图4系统控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明的同步发电机和储能变流器并联模拟平台构成如下：
所述的模拟平台由电网、隔离变压器、配网变压器、同步发电机系统101、储能系统102、光伏发电系统103、负荷104，以及能量管理系统105组成。
所述的同步发电机系统101包括拖动变频器、拖动电机、同步发电机和励磁电源，其中拖动变频器的输出和拖动电机定子电枢绕组绕组连接，拖动电机和同步发电机转子轴直接机械连接，励磁电源通过励磁机连接同步发电机转子励磁绕组，用于模拟燃气轮机、燃气内燃机、柴油发电机等发电机组的电气特性。其中拖动变频器可用AC/DC，DC/AC变换器等效模拟，控制拖动电机，为同步发电机提供转矩输入，并网时输出有功功率，孤网时控制同步发电机转速，稳定系统频率；励磁电源可用AC/DC等效模拟，调节同步发电机定子电动势，并网时调节无功功率，孤网时调节系统电压幅值。该同步发电机系统101启动流程大致为先启动励磁电源，然后启动拖动变频器，拖动拖动电机运行，带动同步发电机发电运行。
储能系统102包括储能变流器和蓄电池，其中储能变流器的直流侧和蓄电池的输出侧连接，用于削峰填谷，同时辅助调频调压。由同步发电机的转子运动方程可知，当发电机输出电功率大于原动机输入的机械功率时，发电机转速会下降，然后发电机调速系统测量到发电机转速下降，开始动作，增加原动机的能量输入，使发电机速度恢复到额定值。当本发明并联模拟平台处于并网运行模式时，由于本发明并联模拟平台和电网连接，对同步发电机的响应特性要求不是特别高。当本发明并联模拟平台处于孤网运行模式时，同步发电机作为电压源组网，需要同步发电机快速建立稳定的电压和频率。而此时由于同步发电机的励磁绕组惯性较大，调节速度较慢，因此发电机转速恢复到额定值会有一定时间的延迟，此时储能变流器可以做辅助支撑。
光伏发电系统103包括光伏电池板和光伏逆变器，其中光伏电池板的输出和光伏逆变器的直流侧连接，该光伏发电系统与同步发电机、储能变流器并联运行。整个并联模拟平台受能量管理系统105统一调度，给负荷104供电。
图2是储能变流器控制流程图，如图2所示：
储能变流器辅助同步发电机调频调压控制，定义频率控制死区时间为0.03Hz。当同步发电机作为电压源组网时所建立的频率f在死区时间内，即49.97Hz≤f≤50.03Hz时，此时储能变流器负责给蓄电池充放电，不参与调频调压，采用PQ控制模式运行；当同步发电机所建立的频率f超出死区范围，即47Hz≤f<49.97Hz，50.03Hz<f≤52Hz时，储能变流器采用PQ下垂控制模式运行，负责辅助调频调压。
所述的PQ控制模式，即为常规有功无功控制；PQ下垂控制可通过图3实现。如图3所示，其中交流电压V由电压传感器测得，频率f由锁相环得到。通过下垂线关系式Pref＝P0+Kpf(f0-f)和Qref＝Q0+Kpv(V0-V)，获得有功功率给定值Pref和无功功率给定值Qref。根据有功无功解耦理论，分别得到dq轴电流给定值idref，iqref，作为电流内环的给定。其中P0和Q0为有功和无功功率的额定值，V0和f0为电压和频率的额定值。
图4是能量管理系统对整个系统的控制流程图，如图4所示：
本发明的模拟平台运行模式主要分为并网和孤网两种模式。并网模式时，模拟平台从电网取电，拖动电机拖动同步发电机并网运行；储能变流器以PQ控制模式运行，从电网或模拟平台中取电，给储能系统102的蓄电池充电；光伏发电系统103的光伏电池板通过光伏逆变器以最大功率跟踪方式并网发电。
孤网模式时，同步发电机作为电压源组网运行，建立公共连接点节点电压，同时和储能变流器、光伏发电系统103的光伏逆变器并联运行；储能变流器以PQ下垂控制模式运行，给储能系统102的蓄电池充放电，辅助调频调压；光伏发电系统103的光伏电池板通过光伏逆变器发电，给负荷供电。
具体控制过程如下：
同步发电机和储能变流器并联模拟平台在并网模式时，优先光伏系统103给负荷供电，光伏系统103不满足负荷需求时，再对比燃料价格和电网电价，选择是否启动同步发电机系统，同时考虑蓄电池状态是否已充满。
当光伏系统103的发电量不满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电。此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从模拟平台中取电，给蓄电池充电，充满后，储能变流器待机，多余电量上网；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网。当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行，模拟平台从电网取电给负荷供电。此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机。
当光伏系统103的发电量满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电。此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从模拟平台中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机，多余电量上网。当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网。当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行。此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机。当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机。
同步发电机和PCS并联模拟平台处于孤网模式时，同步发电机组网，建立系统电压、频率；考虑蓄电池状态是否充足，启动储能变流器辅助调频调压，同时给负荷供电。同时考虑阳光是否充足，启动光伏系统给负荷供电。
当蓄电池电量充足，满足储能变流器启动条件，储能变流器辅助调频调压，给负荷供电。当阳光充足时，光伏发电系统启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，电池充满电后，光伏系统限功率运行，同步发电机系统限功率运行。当阳光不充足时，光伏发电系统待机。
当蓄电池电量不充足时，不满足储能变流器启动条件，储能变流器待机。当阳光充足时，光伏发电系统103启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，电池充满电后，光伏系统103限功率运行，同步发电机系统限功率运行。当阳光不充足时，光伏发电系统103待机，此时只有同步发电机系统给负荷供电。
Claims (5)
1.一种同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其特征是：所述的模拟平台由拖动变频器、拖动电机、同步发电机、励磁电源、储能变流器、蓄电池、光伏电池板、光伏逆变器、负荷及能量管理系统组成；其中拖动变频器的输出和拖动电机定子电枢绕组连接，拖动电机和同步发电机转子轴直接机械连接，励磁电源通过励磁机连接同步发电机转子励磁绕组，蓄电池和储能变流器的直流侧相连，光伏电池板和光伏逆变器的直流侧相连，同步发电机的定子绕组、储能变流器和光伏逆变器的交流输出、负荷一同连接到公共连接点，再通过配网变压器连接到电网上；同步发电机、储能变流器、光伏逆变器、蓄电池、负荷通过以太网或485通讯线和能量管理系统的通讯接口相连；所述的拖动变频器、拖动电机、同步发电机、励磁电源用于模拟燃气轮机、燃气内燃机、柴油发电机等发电机组电气特性；储能变流器和蓄电池为储能系统，用于削峰填谷，同时辅助调频调压；光伏电池板和光伏逆变器组成光伏发电系统，与同步发电机、储能变流器并联运行；整个并联模拟平台接受能量管理系统调度，给负荷供电，满足自发自用，余电上网需求。
2.根据权利要求1所述的同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其特征是：所述的并联模拟平台并网模式时，优先光伏系统给负荷供电，光伏系统不满足负荷需求时，再对比燃料价格和电网电价，选择是否启动同步发电机系统，同时考虑蓄电池状态是否已充满；当光伏发电量不满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电；此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从并联模拟平台中取电，给蓄电池充电，充满后，储能变流器待机，多余电量上网；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网；当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行，模拟平台从电网取电给负荷供电；此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机；
当光伏发电量满足负荷需求时，当燃料成本低于电网电价，启动同步发电机系统发电；此时，当蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从模拟平台中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机，多余电量上网；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机，多余电量上网；当燃料成本高于电网电价，则同步发电机系统不运行；此时，蓄电池处于未充满电状态时，储能变流器从电网中取电，给蓄电池充电，充满后储能变流器待机；当蓄电池处于充满电状态时，储能变流器待机。
3.根据权利要求1所述的同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其特征是：孤网模式时，同步发电机组网，建立系统电压、频率；考虑蓄电池状态是否充足，启动储能变流器辅助调频调压，同时给负荷供电；同时考虑阳光是否充足，启动光伏系统给负荷供电；
当蓄电池电量充足，满足储能变流器启动条件，储能变流器辅助调频调压，给负荷供电；当阳光充足时，光伏发电系统启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，蓄电池充满电后，光伏系统限功率运行，同步发电机系统限功率运行；当阳光不充足时，光伏发电系统待机；
当蓄电池电量不充足时，不满足储能变流器启动条件，储能变流器待机；当阳光充足时，光伏发电系统启动运行，优先给负荷供电，同时补充蓄电池的电量，电池充满电后，光伏系统限功率运行，同步发电机系统限功率运行；当阳光不充足时，光伏发电系统待机，此时只有同步发电机系统给负荷供电。
4.根据权利要求1所述的同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其特征是：所述的同步发电机系统的拖动变频器控制拖动电机，为同步发电机提供转矩输入，并网时输出有功功率，孤网时控制同步发电机转速，稳定系统频率；励磁电源调节同步发电机定子电动势，并网时调节无功功率，孤网时调节系统电压幅值。
5.根据权利要求1所述的同步发电机和储能变流器并联模拟平台，其特征是：所述的储能变流器根据模拟平台运行模式的不同采用不同的控制模式，当并网模式运行时，以PQ控制模式运行；当孤网运行模式时，以PQ下垂控制模式运行。
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