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分布式光伏多端口接入直流配电系统关键技术和装备

 
项目介绍

(一)项目的目标及主要研究内容

1.项目的目标

  为提高规模化、高渗透率分布式光伏并网消纳能力,围绕分布式光伏多端口直流接入技术需求,本项目将解决面向分布式光伏的高效高变比电力电子拓扑构建与直流并网稳定机理,在此基础上攻克“高效/高可靠变流”、“系统设计集成”和“故障定位保护”三项关键技术,研制面向不同应用场景的系列化分布式光伏直流变换装备、中低压直流配电系统控制保护装置样机等关键设备,制定分布式光伏中低压直流并网工程典型设计方案,建立MW级分布式光伏多端口接入直流配电系统实证平台,为提升我国分布式光伏产业和直流配电系统的发展提供理论基础、核心技术与实证经验。

2.项目的主要研究内容

  本项目针对规模化、高渗透率分布式光伏并网消纳总体目标,围绕分布式光伏多端口直流接入技术需求,将丰富并深化面向分布式光伏的高效高变比电力电子拓扑构建与直流并网稳定分析理论,在此基础上突破分布式光伏多端口直流接入系统中的高效/高可靠变流、系统集成设计和故障定位保护三项关键技术。

科学问题:

  面向分布式光伏的高效高变比电力电子拓扑构建与直流并网稳定机理

  分布式光伏多端口直流并网要求变换器具备高变比、高效率、高可靠性、高自由度控制、宽运行范围的优良特性,对其拓扑结构设计提出多种制约。目前针对此类面向光伏应用的特殊直流变换器拓扑构建与参数设计方法尚无深入研究。针对其宽频带、宽工作范围、多运行模式下的模型刻画缺乏全面研究。直流并网系统中多变换器间电气距离短,耦合作用强,多尺度交互作用机理复杂,给多端口并网系统的稳定裕度测算带来挑战。因此,探索面向多应用场景的中低压分布式光伏直流变换器拓扑构建方法,开展变换器宽频带、全工作域下动态特性建模,揭示变换器与系统间多时间尺度相互影响机理,是本项目亟需攻克的理论难题。

关键技术:

  (1)高变比分布式光伏中压直流变换器高效/高可靠性变流技术

  分布式光伏中压直流变换器升压比高达20倍以上,并且光伏阵列输出功率及电压宽范围随机变化,设备内部电能转换环节较多,导致直流变换器效率提升困难;变换器端口工况复杂,运行模式多变,并且中压变换器模块串并联数量多,故障耦合和传导问题突出,降低了变换器的可靠性。因此,研制高变比、高效、高可靠分布式光伏中压直流变换器具有极大挑战。

  (2)基于全寿命周期模型的中低压直流并网分布式光伏系统集成与工程设计技术

  中低压直流并网分布式光伏系统研究设计处于起步阶段。规模化分布式光伏多端口间交互影响不明确,导致系统工程设计约束条件不清晰;中低压直流系统综合效益评估指标不完善以及装备技术不成熟,且无工程示范以及适配的标准和规范。因此开展基于全寿命周期模型的中低压直流并网分布式光伏系统集成与工程设计技术研究具有较大的挑战。

  (3)基于暂态故障特征快速提取辨识的直流配电系统故障定位与保护技术

  含高比例分布式光伏的中压和低压直流配电系统呈现出电力电子化特征,不同拓扑结构、控制策略的换流设备对故障的响应不尽相同,这导致直流故障特征不明确,故障暂态过程解析困难、非线性特征较强,难以准确提取并分析故障特征;同时由于高比例电力电子装置接入后系统故障电流主要来自电容放电,上升速度快、冲击电流大;故障后换流设备在3ms之内快速闭锁,导致有效故障信息持续时间极短。因此,直流系统保护必需在极短的时间内通过故障信号有效解析实现多端口故障线路快速且有选择性地识别,具有较大的挑战性。

(二)项目拟采取的研究方法

  本项目拟采用理论研究、技术攻关、装置研发和平台实证有机结合的研究方法,产学研用协同攻关,重点解决分布式光伏多端口直流接入中的高效/高可靠变流、系统集成设计和故障定位保护三项关键技术,以及支撑关键装备研发与系统集成的直流拓扑构建与并网稳定机理。本项目总体路线如图1所示。

图1项目总体路线

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课题1:分布式光伏直流变换器拓扑结构与参数综合优化设计

1)研究目标:

  建立涵盖多应用场景的光伏直流变换器的高效高可靠性拓扑族系;开展拓扑动态建模与特性评估;结合具体场景,提出变换器功率协调与多模式控制策略;建立变换器拓扑与控制参数的多目标联合优化模型并实现简化解析;形成涵盖拓扑结构、模型刻画、控制方法、参数优化的中低压分布式光伏直流变换器基础理论体系。

2)主要研究内容:

  1)基于模块化组合复用的分布式光伏直流变换器拓扑构建研究

  2)宽频带/全工作域下拓扑动态特性建模与拓扑评估方法研究

  3)分布式光伏直流变换器功率协调与多模式控制策略研究

  4)复杂约束下变换器拓扑与控制参数多目标联合优化研究

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课题2:中压与低压分布式光伏直流变换器研制

1)研究目标:

  掌握基于宽禁带半导体器件的高效中低压光伏直流变换技术和中压大功率、多端口光伏直流变换技术;研制基于宽禁带半导体器件的高效中压和低压光伏直流变换器,中压变换器容量200kW,低压变换器容量50kW,最大效率98%;研制大功率、多端口光伏中压直流变换器,端口数量4个,单体容量500kW,最大效率97%。

2)主要研究内容:

  1)宽禁带功率器件高速驱动与串并联技术

  2)中压高频下光伏直流功率变换电路的杂散参数影响机制及抑制优化方法

  3)高效分布式光伏中压与低压直流变换器研制

  4)大功率、多端口光伏中压直流变换器研制

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课题3:直流并网分布式光伏与系统的相互影响及集成设计技术

1)研究目标:

  针对中低压直流并网的分布式光伏系统,揭示规模化直流变换器群的参数耦合和交互影响机制;给出系统稳定运行约束条件,提出稳定性判据及协调稳控策略;构建系统工程设计综合效益评估指标体系和全寿命周期模型,形成分布式光伏中低压直流接入系统典型设计方案及标准规范。

2)主要研究内容:

  1)考虑光伏多端口接入的中低压直流配电系统内动态交互影响机制及稳定控制

  2)含高比例分布式光伏直流配电系统与交流电网的交互影响及稳定控制

  3)中低压直流并网的分布式光伏系统综合效益评估指标体系

  4)含规模化分布式光伏多端口接入的中低压直流系统集成与工程设计技术

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课题4:含高比例分布式光伏的直流配电系统控制、保护和运行技术

1)研究目标:

  重点突破多端口光伏直流配电系统的故障快速定位、协调优化控制等核心技术,形成直流系统的控制与保护整体方案,研制适用于光伏接入的中低压直流配电系统控制保护装置,实现系统安全可靠运行,为未来直流配电网发展奠定基础。

2)主要研究内容:

  1)考虑光伏不同运行场景下的直流配电系统多模式协调控制策略

  2)基于直流断路器的直流配电系统快速故障检测、定位与保护技术

  3)交流系统故障扰动下的交直流控保协调配合技术

  4)中低压直流配电系统控保成套装置研制

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课题5:MW级实证平台构建、关键技术及装备实证研究

1)研究目标:

  构建涵盖±10kV、±375V分布式光伏多端接入直流配电系统的多场景实证平台,开发实证平台监控测试系统;提出分布式光伏直流变换器效率算法及测试规范,提出系统效率优化技术;开展分布式光伏多端口接入直流配电系统关键装备实证测试,提出分布式光伏直流变换器实证测试规范及并网特性评价方法。

2)主要研究内容:

  1)分布式光伏多端口接入直流配电系统的多场景实证方案与实证测试技术研究

  2)计及场景差异化与拓扑可重构的MW级实证平台构建

  3MW级实证平台监控测试系统开发与系统效率优化技术研究

  4)分布式光伏多端口接入直流配电系统关键装备运行特性实证与评价方法研究

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