風光互補直流并網在海島上的應用

馬 強,張 理,肖 鋼,陳 明,顏廷富

(1.中海油研究總院,北京 100027;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;3.中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

風光互補直流并網在海島上的應用

馬 強1,張 理1,肖 鋼1,陳 明2,顏廷富3

(1.中海油研究總院,北京 100027;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;3.中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

孤島直流并網獨立電力系統匯集3臺風力發電機與1套太陽能發電裝置。通過對多種不同類型的新能源發電裝置進行直流并網，成功驗證了600 V母排直流并網方案的可行性。風光互補直流并網確保了電力系統有較高的轉換效率，可保障新能源電力系統的穩定性，提高輸出電能質量，并最終滿足項目的總體需求。該方案對今后的新能源多能互補電力系統具有工程指導意義。

電力系統；直流并網；風光互補；海島

0 引 言

孤島采用獨立電力系統實現電能轉換，特別是對于使用可再生能源作為電源的情況，國內外案例均比較少。在使用傳統燃料的孤島獨立電力系統中，例如海上石油平臺或者船舶電站，全部是采用交流(AC)并網方案;而對于新能源發電系統組網而言，采用直流(DC)并網匯集到600 V直流母排的應用案例非常少，國內幾乎為空白[1-4]。本文利用設計的風光互補直流并網系統，成功實現了300 kW的風光互補直流母線并網。電能輸出質量穩定，可實現新能源發電裝置向用戶的平穩供電。

1 系統組成

本系統由1套功率為50 kW的太陽能發電系統、3套50 kW風力發電系統和集中控制裝置組成。每套風力發電系統由50 kW風力發電機、電力變換裝置等構成。風力發電系統的電力變換由AC/DC變換器、DC/DC變換器和隔離變換器組成。太陽能發電系統由50 kW太陽能電池板、匯流箱、防雷配電柜、電力變換裝置等組成。太陽能發電系統的電力變換裝置由DC/DC變換器和隔離變換器組成。集中控制裝置通過485總線與上層控制系統進行通信。風機控制器控制風機的變槳、啟動、停止和各種保護功能。圖1為該系統示意圖。

圖1 風光直流并網系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind and solar energy DC grid system

2 風力系統直流并網

風力發電機組額定輸出功率為50 kW，在啟動風速(3 m/s)時可以啟動；當風速超過額定風速(10 m/s)時變槳機構控制保持額定功率；當風速超過最大工作風速(25 m/s)時，風機自動卸荷。風機發出的交流電經AC/DC變換器(風機控制器)逆變后進入到DC/DC變換器，最終匯入到600 V直流母排系統并網。該系統如圖2所示。

圖2 風力直流并網系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind energy DC grid system

風力發電系統的電力變換裝置由AC/DC 變換器、DC/DC變換器和隔離變換器串聯組成。第一級AC/DC電力變換用于將風力發電裝置發出的不穩定交流電變換為直流電。第二級DC/DC電力變換的主要作用是根據系統能量管理的要求和發電系統實際發電能力，進行最大功率獲取和直流電壓提升。隔離變換器的主要作用是實現發電系統與直流母線的隔離，并將DC/DC變換器的輸出電能送到直流母線上并控制直流匯流母線電壓，將其保持在設計的范圍內。三級電力變換裝置配合，將發電機發出的電壓、頻率均不穩定的交流電變換為電壓穩定的600 V直流電，輸送到公共直流母線。電力變換的拓撲結構見圖3。

圖3 隔離形式的電力變換系統的拓撲結構Fig.3 Topological structure of the electrical energy transformation system in the isolation form

AC/DC變換采用高功率因數二極管整流方式，使發電機的輸出電流接近正弦波，提高發電機的效率。該AC/DC 變換器的顯著優點是結構簡單，可靠性高，整體性能指標較好。DC/DC變換采用三重升壓型的升壓變壓器，電流紋波小，控制方便，系統的穩定性更好，更有利于今后的推廣應用。中小功率風力發電普遍采用這種升壓型的DC/DC變換器。隔離變換器采用高頻全橋變換器，具有體積小等優點。

3 太陽能直流并網

本系統50 kW太陽能光伏發電裝置由單晶硅太陽能電池組件構成，輸出直流電經DC/DC變換后接入600 V直流母線。本系統由光伏電池組件及其支架、光伏陣列、防雷匯流箱、直流防雷配電柜、系統的通信監控系統等組成。圖4為其結構與配置示意圖。

圖4 太陽能發電裝置結構配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of solar power generation device

光伏陣列組件固定于支架上，露天安裝在海島陸地上。為了減少光伏電池組件間的連接線，方便操作和維護，直流側采用分段連接、逐級匯流的方式進行連接。直流穩壓控制柜將4路光伏陣列進行匯流，直流控制單元將匯流箱輸出進行可控匯流，通過控制器輸出給蓄電池供電，并保證直流電壓小于640 V。當蓄電池電壓達到640 V時，控制器的穩壓電路或脈沖寬度調制(PWM)電路將4路匯流以不同的電壓等級逐個打開，電壓值降低時4路逐個導通實現穩壓輸出。直流穩壓控制柜實測電壓值和控制狀況等子系統的信息通過傳感、監測與通信網絡匯集到能量集中控制與管理系統，并接受其調控。光伏陣列組件固定在支架上，直流側接入直流配電柜，匯線盒和直流配電柜中設有防雷保護裝置，并具有短路保護等功能。經直流部分匯流調整后，接入直流母線。

本工程選用峰值功率為200 W(在輻射強度1 000 W/m2，大氣質量AM1.5，電池溫度25 ℃的標準條件下，太陽能電池的輸出功率)的單晶硅太陽電池組件。將256塊電池組件分為21個陣列布置，每個陣列以2×6的方式布置12塊電池板。集中控制中心屋頂每條橫梁上安放24塊太陽能電池陣列，剩余的4塊太陽能電池單獨布置在最后排的半根橫梁上。電池組件傾角35°。

太陽能發電系統的電力變換由升壓DC/DC變換器和隔離變換器組成。升壓DC/DC變換器采用三重升壓變壓器結構，具有電壓輸出紋波小、控制平穩等特點。隔離控制級采用移相全橋結構。DC/DC變換器的主要作用為電壓變換和最大功率獲取。隔離變換器的主要作用與風力發電系統的隔離變換器相同。太陽能發電系統的電力變換系統如圖5所示。

圖5 太陽能發電系統的電力變換系統Fig.5 Power conversion system for solar power generation system

4 風光直流并網性能驗證

風光系統直流并網后，其實測數據如表1和表2所示。由表1、表2中數據可知，直流并網端能平穩輸出600 V的電力，DC/DC控制系統的轉換效率達到96%。結果表明該系統完全滿足設計要求，實現了風機與太陽能的直流并網發電。

表1 太陽能直流并網實測數據Table 1 Measured data for solar DC grid

5 結 語

通過3臺風力發電機與1套太陽能發電裝置的直流并網發電，成功驗證了600 V母排直流并網方案的可行性。孤島直流并網獨立電力系統電能轉換匯集多種不同類型的風能機組和太陽能發電裝置，采用最合適的匯集和轉換方案，并確保電力系統有較高的轉換效率，可保障多能互補情況下新能源電力系統的穩定性，提高輸出電能質量，滿足項目的總體需求。

表2 風能直流并網實測數據 (風速：7.2 m/s)Table 2 Measured data for wind energy DC grid (wind speed: 7.2 m/s)

[1] Liu H,Chau K T,Zhang X.An efficient wind-photovoltaic hybrid generation system using doubly excited permanent-magnet brushless machine[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(3): 831.

[2] 李碧輝，申洪，湯涌.風光儲聯合發電系統儲能容量對有功功率的影響及評價指標[J].電網技術，2011，35(4)：123.

[3] Park S J,Kang B B,Yoon J P,et al.A study on the stand-alone operating or photovoltaic/wind power hybrid generation system[C].Proceedings of the 35th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference,2004: 1631.

[4] Borowy B S,Salameh Z M.Methodology for optimally sizing the combination of a battery bank and PV array in a wind/PV hybrid system [J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1996,11(2): 367.

ApplicationsofWindandSolarEnergyDCGridonIsland

MA Qiang1， ZHANG Li1， XIAO Gang1， CHEN Ming2， YAN Ting-fu3

(1.CNOOCResearchCenter,Beijing100027,China; 2.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China; 3.CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Ji’nan,Shandong250101,China)

An independent direct current (DC) grid power system on an isolated island is constructed,bringing together three wind turbines and one set of solar power installation.With different combinations of the new energy power generation devices in the DC grid,the 600 V DC busbar and network solution is verified successfully.This wind and solar energy DC grid system ensures a higher conversion efficiency,and helps to protect the stability of the new energy power system and increase the output power quality.Ultimately,the overall requirements of the project can be satisfied.This research can provide solutions to the future new energy multi-power systems.

power system; direct current grid; wind and solar energy complementation; island

TE7

A

2095-7297(2014)03-0254-04

2014-08-05

海洋可再生能源專項資金(GHME2010GC02)

馬強(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋能方面的研究。