微電網控制系統及新能源循環利用系統的製作方法
2023-09-21 00:38:00 1
微電網控制系統及新能源循環利用系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種微電網控制系統，包括：微電網控制櫃，分別與發電模塊和儲能模塊電連接，用於接收並匯集一個或多個發電模塊的電能，並且管理儲能模塊的電能的儲存和釋放；主控櫃和測控櫃，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行，其中，主控櫃與微電網控制櫃電連接，測控櫃與主控櫃電連接；微電網管理模塊，分別與微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃電連接，集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理，負責發電模塊、儲能模塊和外網之間的協調工作。本實用新型還提供一種應用上述微電網控制系統的新能源循環利用系統。
【專利說明】微電網控制系統及新能源循環利用系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及可再生清潔能源【技術領域】，尤其涉及一種微電網控制系統及新能源循環利用系統。
【背景技術】
[0002]現有交通領域的太陽能、風能利用技術是通過光伏發電和風力發電就地進行儲能，應用的領域依然針對的是道路兩側分散的用電設備，例如道路照明和監控設備。
[0003]這種技術只是對太陽能和風能的簡單收集和利用，只能針對就地用電設備分散式的供電，對於收費站系統和通信系統等較為集中負荷供電不能提供幫助。
[0004]所以，我國交通領域綠色能源利用率很低，在交通線路上進行節能挖潛和綠色能源開發利用存在巨大的空間。
實用新型內容
[0005]本實用新型要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種微電網控制系統及新能源循環利用系統，系統化管理和利用公路處收集的太陽能和風能，提高綠色能源利用率。
[0006]根據本實用新型一個方面，提供一種微電網控制系統，包括:微電網控制櫃，分別與發電模塊和儲能模塊電連接，用於接收並匯集一個或多個發電模塊的電能，並且管理儲能模塊的電能的儲存和釋放；主控櫃和測控櫃，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行，其中，主控櫃與微電網控制櫃電連接,測控櫃與主控櫃電連接；微電網管理模塊,分別與微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃電連接，集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理，負責發電模塊、儲能模塊和外網之間的協調工作。
[0007]可選的，微電網管理模塊適於:通過用戶側負荷需求分析、儲能模塊供電能力和發電側供電能力的量測、外部電網電力需求預測，通過併網和離網運行的能量管理策略，統一調度微電網和外網電力傳輸，保證微電網在離網和併網情況下能夠自動切換。
[0008]可選的，主控櫃包括:微電網集中控制器、通信管理機和交換機。通信管理機採集各單元模塊信息，通過交換機送至微電網集中控制器。微電網集中控制器用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行。
[0009]可選的，測控櫃包括:微電網並離網控制器和負荷控制器。微電網並離網控制器可對微電網公共連接點進行監視，通過孤島檢測實現離網自動斷開PCC點斷路器，實現微電網與大電網的隔離，當大電網恢復供電時能自動併網。負荷控制器用於併網轉離網時快速切除微電網多餘的負荷或發電設備，快速實現並轉離的發用電平衡。
[0010]可選的，微電網集中控制器、微電網並離網控制器在微電網併網運行期間的控制策略包括:併網運行期間，微電網自身分布式電源發電只佔用電的一部分，集中控制器在併網運行時，實時計算系統功率差額，並規劃如果發生離網，各分布式電源的出力計劃和各種負荷的投切計劃，微電網並離網控制器一旦檢測到微電網離網，則微電網控制管理系統立即執行已定控制計劃，實現微電網並離網的過渡。
[0011]可選的，微電網集中控制器、微電網並離網控制器在微電網離網運行期間的控制策略包括:離網運行期間，微電網並離網控制器時刻檢查微電網頻率，如果頻率上升，則恢復部分已切除的負荷，如果所有的負荷均投入頻率依舊過高，則採用切除分布式電源的措施或調整分布式電源出力。如果頻率下降到允許的最低限值，則通過負荷控制器繼續切除剩餘部分負荷，保證在離網期間最重要負荷供電的可靠性和供電質量。
[0012]可選的，在切除負荷時按負荷重要程度，先切除非重要的負荷再切重要負荷。
[0013]根據本實用新型另一個方面，提供一種新能源循環利用系統，包括:一個或多個發電模塊；儲能模塊，用於存儲發電模塊產生的電能；微電網控制系統；和用電模塊，分別與測控櫃和微電網管理模塊電連接，包括負荷及外部電網。
[0014]可選的，發電模塊包括風力發電模塊，風力發電模塊包括布置於高速公路中間的多節垂直軸風力發電機，多節垂直軸風力發電機上部、中部、下部分別採集自然風、大型車輛和小型車輛的行駛過程中帶動的風力。
[0015]可選的，所述多節垂直軸風力發電機為:多組薩瓦紐斯型垂直軸風力發電機和/或多組直葉片H型垂直軸風力發電機。
[0016]本實用新型優點在於:在保障高速高速公路及其沿線高效、安全運營的前提下，通過多種綠色能源技術的綜合應用，以高速公路收費站/服務區、公路沿線和公路隧道為推廣應用對象，從綠色可再生能源利用、微電網綜合供能及監控、節能控制技術、儲能技術和離網供電技術等方面突破影響推廣應用的技術瓶頸、實現公路運營節能技術的集成應用及推廣，推動高速公路向著資源節約、高效環保的綠色能源公路目標發展。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是根據本實用新型一個實施例提供的新能源循環利用系統結構示意圖；
[0018]圖2是根據本實用新型另一個實施例提供的新能源循環利用系統結構示意圖；
[0019]圖3是根據本實用新型另一個實施例提供的儲能模塊結構示意圖；
[0020]圖4-5是薩瓦紐斯(Savonius)型垂直軸風力發電機示意圖；
[0021]圖6-7是直葉片H型垂直軸風力發電機示意圖；
[0022]圖8是根據本實用新型另一個實施例提供的多節垂直軸風機部署和結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0024]新能源循環利用系統
[0025]發明人經研究提出了一種新能源循環利用系統，包括:風光儲互補一體化路燈照明系統、光伏發電、儲能系統、微電網控制子系統(即微電網控制系統)。
[0026]以公路沿線的服務區/收費區/停車區等為核心，利用建築屋頂及空地的太陽能和風能建設分布式光伏發電、風力發電、集中儲能等子系統，結合外部供電電源、應急備用柴油發電設備等提供電力供應，共同構成新能源循環利用系統，在微電網控制管理系統統一調度下優化運行。
[0027]新能源循環利用系統可以為服務區或沿線設備提供電力供應，也可以就近接入電網，將綠色能源發出的電能送入電網。新能源循環利用系統可以綜合調節公路能源供應，提高與電網系統的互動性，提高能源的綜合運行效率，降低用能成本。
[0028]如圖1所示，根據本實用新型一個實施例，提供一種新能源循環利用系統，包括:
[0029]一個或多個發電模塊11 ；
[0030]儲能模塊13，用於存儲發電模塊11產生的電能；
[0031]微電網控制子系統12 (即微電網控制系統，簡稱微電網)，包括:
[0032]微電網控制櫃122，分別與發電模塊11和儲能模塊13電連接/耦接，用於接收並匯集一個或多個發電模塊11的電能，並且管理儲能模塊13的電能的儲存和釋放；
[0033]主控櫃123和測控櫃124，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行；其中，主控櫃123與微電網控制櫃122電連接，測控櫃124與主控櫃123電連接；
[0034]微電網管理模塊121，分別與微電網控制櫃122、主控櫃123和測控櫃124電連接，集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理；
[0035]用電模塊14，分別與測控櫃124和微電網管理模塊121電連接，包括負荷及外部電網。
[0036]如圖2所示，根據本實用新型另一個實施例，提供一種新能源循環利用系統，包括:
[0037]位於發電側的發電模塊，包括風力發電模塊和光伏發電模塊；
[0038]微電網控制子系統，包括微電網控制櫃、微電網管理模塊、主控櫃和測控櫃；
[0039]儲能模塊，包括交直流轉換單元(PCS)和蓄電池；
[0040]用戶側的用電模塊，包括智能開關櫃、負荷及外部電網。
[0041]其中，微電網管理模塊集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理，負責發電模塊、儲能模塊和外網之間的協調工作，通過用戶側負荷需求分析、儲能模塊供電能力和發電側供電能力的量測、外部電網電力需求預測，通過併網和離網運行的能量管理策略，統一調度微電網和外網電力傳輸，保證微電網在離網和併網情況下能夠自動切換，滿足用戶側供電需求，維持微電網的安全運行。
[0042]風力發電模塊和光伏發電模塊在發電側處於平行位置，其中，光伏發電是採用太陽能板收集太陽能，將太陽能轉化為電能，經匯流箱和逆變器將直流電轉換成交流電接入到微電網控制櫃中；風力發電是由風機控制器控制垂直軸或其他小型風機發電，經過風機變流器接入到微電網控制櫃中。
[0043]用戶側的用電模塊包括智能開關櫃、負荷及外部電網母線，當用戶側電能需求變化時，智能開關櫃根據微電網管理子系統指令控制外網電源的接入，最大化的利用現有光伏發電和風力發電產生的電能。
[0044]蓄電池與PCS電連接，是儲能模塊的重要組成部分。儲能模塊用於實現電池與電網間能量雙向交換，可工作在蓄電池充電模式和蓄電池能量回饋電網模式。如圖3所示，蓄電池、PCS、隔離變壓器和微電網控制櫃依次電連接。
[0045]新能源循環利用系統的電流傳導過程是將風力發電和光伏發電的交流電經過整流，存儲到蓄電池中，使風力發電機產生的電能變成化學能。然後通過具有保護電路的逆變電源，把蓄電池裡的化學能轉變成交流220V，向用戶側提供電力，如果用戶側負荷增大到儲能系統無法保證其供應的程度，系統將從外網獲取電能。
[0046]微電網控制子系統(即微電網控制系統)
[0047]如圖1-2所示，微電網控制子系統12包括:
[0048]微電網控制櫃122，分別與發電模塊11和儲能模塊13電連接/耦接，用於接收並匯集一個或多個發電模塊11的電能，並且管理儲能模塊13的電能的儲存和釋放；
[0049]主控櫃123和測控櫃124，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行；其中，主控櫃123與微電網控制櫃122電連接，測控櫃124與主控櫃123電連接；
[0050]微電網管理模塊121，分別與微電網控制櫃122、主控櫃123和測控櫃124電連接，集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理。
[0051]根據本實用新型一個實施例，主控櫃(即微電網主控櫃)包括:
[0052]微電網集中控制器；
[0053]通信管理機；和
[0054]交換機。
[0055]其中，通信管理機採集各單元模塊信息，如PCS、BMS (蓄電池的電池管理系統)、逆變器、風機控制器、風機變流器、表計、保護、斷路器等信息，通過交換機送至微電網集中控制器，通過微電網集中控制器進行監視及調控。
[0056]其中，微電網集中控制器是微電網主控櫃中的重要裝置，是一款嵌入式微電網主機兼操作員站，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行，同時可作為資料庫伺服器，是微電網控制子系統的核心部件。
[0057]根據本實用新型一個實施例，測控櫃(即微電網測控櫃)包括:
[0058]微電網並離網控制器；和
[0059]負荷控制器。
[0060]其中，微電網並離網控制器可對微電網公共連接點進行監視，通過孤島檢測實現離網自動斷開PCC點斷路器，實現微電網與大電網的隔離，當大電網恢復供電時能自動併網。同時本裝置配備保護功能實現微電網內部故障以及外部故障時的自動隔離，可作為整個微電網的系統級保護。
[0061]其中，負荷控制器具有離網聯切、低頻、低壓、過頻、過壓控制功能，主要用於併網轉離網時快速切除微電網多餘的負荷或發電設備，快速實現並轉離的發用電平衡，在離網期間具有低頻、低壓減載，過頻切機，過頻或過壓解列，通過判斷電壓、頻率等運行參數實現微電網能量平衡。
[0062]根據本實用新型一個實施例，在主控櫃和測控櫃中，微電網集中控制器、微電網並離網控制器在微電網的各種運行方式及微電網進行並轉離或離轉並時起著重要作用，下面進行具體說明。
[0063]1、微電網併網運行期間的控制策略
[0064]併網運行期間，微電網自身分布式電源發電只佔用電的一部分，針對這種情況，集中控制器在併網運行時，實時計算系統功率差額，並規劃如果發生離網，各分布式電源的出力計劃和各種負荷的投切計劃，微電網並離網控制器一旦檢測到微電網離網，則微電網控制管理系統立即執行已定控制計劃，實現微電網並離網的過渡。
[0065]2、微電網離網運行期間的控制策略
[0066]離網運行期間，微電網並離網控制器時刻檢查微電網頻率，如果頻率上升，則恢復部分已切除的負荷，如果所有的負荷均投入頻率依舊過高，則採用切除分布式電源的措施或調整分布式電源出力。如果頻率下降到允許的最低限值，則通過負荷控制器繼續切除剩餘部分負荷，保證在離網期間最重要負荷供電的可靠性和供電質量。
[0067]在切除負荷時按負荷重要程度，先切除非重要的負荷再切重要負荷，對分布式電源出力的調整，原則是優先保證可再生能源的最大出力發電，達到微電網離網後的供需平衡目標。
[0068]離網運行期間，微網集中控制器檢測到系統電源恢復後，微電網並離網控制器檢測出滿足同期條件時下發併網指令合PCC點電子開關，微電網重新併網運行。
[0069]根據本發明一個實施例，微電網自身分布式電源發電只佔用電的一部分，其他還是要靠市電接入來提供電力。如果市電出現故障或其他原因斷開(停電)，這個時候就是離網，這時就要有柴油發電機啟動發電來保證一些設備的正常運行。例如，微電網在離網運行期間柴油發電機啟動處於電壓源V/F工作模式，為交流母線提供電源支撐。
[0070]根據本實用新型一個實施例，微電網控制櫃包括:計量表計和控制開關。
[0071]微電網控制櫃主要是完成發電側光伏發電和風力發電的電能匯集，並且通過微電網控制子系統中主控櫃的通信管理機採集PCS、BMS信息，經過交換機送至微電網集中控制器，通過微電網集中控制器完成PCS對電池充放電管理即電能的儲存和釋放。
[0072]新能源循環利用系統在配備儲能裝置後，新能源出力與儲能裝置的協調運行，能夠平滑微電網系統的出力曲線，提高新能源電能質量；同時新能源循環利用系統由併網轉為離網運行，儲能系統作為UPS後備電源為整個微電網系統不間斷供電。
[0073]根據本實用新型一個實施例，為了實現微電網安全穩定運行，需要制定正確的微電網控制及能量管理策略，說明如下:
[0074]1、分布式電源控制
[0075]分布式電源控制採用P/Q控制模式或最大功率跟蹤控制模式，在電網正常運行時實現可再生能源的最大化發電，實現分布式電源發電的可調性。本項目分布式電源控制包括光伏逆變器、風機變流器。
[0076]2、儲能控制
[0077]儲能控制器PCS能夠在併網運行時處於P/Q控制模式，由微電網管理單元通過微電網集中控制器調度其充放電狀態，在離網後自動切換為V/F控制模式，維持微電網離網期間的電壓和頻率，儲能控制由儲能PCS實現。
[0078]3、微電網實時監控
[0079]新能源循環利用系統通過低壓測控單元、分布式電源逆變器、並離網控制器等實時採集模擬量、開關量等信息量，完成整個微電網運行工況的監視。
[0080]4、電壓及無功調節
[0081]當供電電壓偏離允許範圍造成較嚴重的電能質量問題時，電壓無功控制功能通過調節各分布式電源、無功補償器等設備的無功輸出，保證電壓在合格範圍內，並實現無功功率的就地平衡。
_2] 多節垂肓軸風機
[0083]進一步的，發明人經研究發現，在高速公路上，雖然自然地勢開闊、自然風力較強，但是現有技術並未充分利用高速公路上高速行駛的來往車輛帶動的風能，降低了風能的利用率，同時自然風力的大小不同，很容易導致機組處於不滿負荷運行狀態，而分散式的供電容易造成蓄電池電能溢出，不利於風能最大化利用。
[0084]由於現有技術中未考慮到公路系統中車輛行駛帶動的風能，造成了風能利用率較低，發明人提出:
[0085]將垂直軸風機進行多節整合，布置於高速公路中間的隔離帶中，充分利用來往高速行駛車輛帶動的風力，由於高速公路上隔離帶兩側車輛行駛的方向正好相反，可以最大限度的對垂直軸風機提供風能，在加上自然風的推動將能大大增加風力發電機滿負荷運行時間，提高風能利用率，增加機組利用效率。
[0086]根據驅動垂直軸風力發電機轉動的氣動力的不同，有兩種類別?.薩瓦紐斯(Savonius)型垂直軸風力發電機(也稱為S型風力機)和直葉片H型垂直軸風力發電機。
[0087]薩瓦紐斯型垂直軸風力發電機，又稱S型風力機。S型風力機主要是利用空氣產生的阻力，推動S型葉片旋轉，從而帶動稀土永磁發電機發電產生電能。
[0088]如圖4-5所示，薩瓦紐斯型垂直軸風力發電機通常包括兩枚軸線錯開的半圓柱形葉片、剎車單元、稀土永磁發電機。也有用3枚以上的這種風力機往往上下重疊多層，以提高功率並且避開啟動死區。其優點是啟動轉矩大，弱風下容易啟動。
[0089]H型垂直軸風力發電機屬於升力型風力發電機，採用空氣動力學原理，利用空氣產生的升力做功，
[0090]H型垂直軸風力發電機包括葉片、剎車單元、稀土永磁發電機。主要是用垂直直線3-5個葉片，由4角形或5角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連杆組成的風輪，由風輪帶動稀土永磁發電機發電。例如，如圖6所示，H型垂直軸風力發電機包括3個葉片011以及轉軸012。
[0091]如圖7所示，葉片採用飛機翼形形狀，空氣繞葉片流動產生的合力形成轉矩，推動葉輪旋轉。在風輪旋轉時，它不會受到因變形而改變效率。
[0092]根據本實用新型一個實施例，為了提高綠色能源公路中風能的利用率，採用垂直軸風機作為風力發電設備，通過在公路隔離帶合理設置垂直軸風機的安裝位置和高度，通過多節垂直軸風機組合，充分利用公路上來往大小各種車輛帶動的風力進行發電，同時通過微電網控制子系統對所有垂直軸風機進行集中電能管理，合理安排發電側供電能力和用戶側需求，最大化提升電能利用效率。
[0093]如圖8所示，垂直軸風力發電機的三個葉片同軸轉動，頂層葉片主要採集自然風，中間葉片採集大貨車行駛過程中帶動的風力，底層葉片同時採集小汽車和大貨車行駛過程中帶動的風力，三組葉片同時作用提高發電機轉速，增加發電量。
[0094]應該注意到並理解，在不脫離後附的權利要求所要求的本實用新型的精神和範圍的情況下，能夠對上述詳細描述的本實用新型做出各種修改和改進。因此，要求保護的技術方案的範圍不受所給出的任何特定示範教導的限制。
【權利要求】
1.一種微電網控制系統，其特徵在於，包括: 微電網控制櫃，分別與發電模塊和儲能模塊電連接，用於接收並匯集一個或多個發電模塊的電能，並且管理儲能模塊的電能的儲存和釋放； 主控櫃和測控櫃，用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行，其中，主控櫃與微電網控制櫃電連接，測控櫃與主控櫃電連接； 微電網管理模塊，分別與微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃電連接，集中對微電網控制櫃、主控櫃和測控櫃進行控制和管理。
2.根據權利要求1所述的微電網控制系統，其特徵在於，主控櫃包括: 微電網集中控制器； 通信管理機；和 交換機； 其中，通信管理機採集各單元模塊信息，通過交換機送至微電網集中控制器； 其中，微電網集中控制器用於全面監視整個微電網一次設備的運行情況，實時分析微電網的運行情況並獲得整個微電網優化和調整策略並快速自動執行。
3.根據權利要求2所述的微電網控制系統，其特徵在於，測控櫃包括: 微電網並離網控制器；和 負荷控制器； 其中，微電網並離網控制器可對微電網公共連接點進行監視，通過孤島檢測實現離網自動斷開PCC點斷路器，實現微電網與大電網的隔離，當大電網恢復供電時能自動併網；其中，負荷控制器用於併網轉離網時快速切除微電網多餘的負荷或發電設備，快速實現並轉離的發用電平衡。
4.一種新能源循環利用系統，其特徵在於，包括: 一個或多個發電模塊； 儲能模塊，用於存儲發電模塊產生的電能； 如權利要求1-3中任一項所述的微電網控制系統；和 用電模塊，分別與測控櫃和微電網管理模塊電連接，包括負荷及外部電網。
5.根據權利要求4所述的新能源循環利用系統，其特徵在於，發電模塊包括風力發電模塊，風力發電模塊包括布置於高速公路中間的多節垂直軸風力發電機，多節垂直軸風力發電機上部、中部、下部分別採集自然風、大型車輛和小型車輛的行駛過程中帶動的風力。
6.根據權利要求5所述的新能源循環利用系統，其特徵在於，所述多節垂直軸風力發電機為:多組薩瓦紐斯型垂直軸風力發電機和/或多組直葉片H型垂直軸風力發電機。
【文檔編號】H02J3/38GK203942287SQ201420148944
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】郭炬, 常建平, 呂文杰, 沈春雷, 徐臣, 徐傑彥, 王楠, 範瀅 申請人:國網節能服務有限公司