一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統的製作方法
2023-11-05 20:09:27 1
專利名稱：一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及風能、光能新能源發電和應用領域，以及涉及分布式發電與控制技術領域。特別涉及一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統。本發明適用於小區屋頂太陽能和風能組成的微網系統，也適用於城鎮社區、偏遠地區等智能用電小區系統。
背景技術：
一方面，目前廣泛採用的常規供電方式，由於電力負荷的迅速增長，必須建設一個以大容量發電機組為主要電源的超高壓特大電力系統來保證供電的可靠性和穩定性。這種供電模式的固有缺點日趨明顯。2008年春季發生在我國南方雪災對常規電網擊就有力的說明了這一點。因此需要建設一批分散布置的微型電站和小型分布源機組作為大電網的輔助和補充。另一方面，太陽能、風能是新能源發電的主要方式。目前的太陽能發電和風能發電系統，分為大功率併網發電系統和小功率離網發電系統兩種，但各有缺陷。大功率併網發電系統通常為麗級以上功率，通過發電站、配電站結合的方式對電網供電，佔地面積大，對當地資源條件要求高，對電網衝擊較大，且供電方式與常規供電模式相同。小功率離網型發電系統功率通常為數百W至幾KW，自成系統，不接入電網。隨著太陽能屋頂工程和小型風機的推廣，小功率的風能、光能發電系統應用越來越廣泛。分布式電源的不足(1)分布式電源自身的特性決定了一些電源的出力將隨外部條件的變化而變化， 表現出間歇性和隨機性等特點，使得這些電源僅依靠自身的調節能力難以滿足負荷的功率平衡，且不可調度，需要其他電源或儲能裝置的配合以提供支持和備用。(2)分布式電源的併網運行改變了系統中的潮流分布，對配電網而言，由於分布式電源的接入導致系統中具有雙向潮流，給電壓調節、保護協調與能量優化帶來了新問題。當前，一些分布式電源在系統側發生故障時自動退出運行，加劇了系統暫態功率不平衡，不利於系統的安全性和穩定性。(3)需要通過電力電子接口併入電網，大量電力電子設備和電容、電感的引入，易影響周邊用戶的供電質量，外界產生幹擾可能導致頻率和電壓的不同步，從而拖垮整個系統。(4)為數眾多、形式各異、不可調度的分布式電源將給依靠傳統集中式電源調度方式進行管理的系統運行人員帶來更大的困難，缺乏有效的管理將導致分布式電源運行時的 「隨意性」，給系統的安全性和穩定性造成隱患。因此國外學者提出了微網的概念，本發明「一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統」做了如權利要求書所要求的方面的改進，使其更加智能化。本發明提出將小功率的太陽能、風能發電系統作為分布式微系統來源，與市電綜合利用，通過與城市微氣象交互，支撐分時電價，支持儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動，構成微網系統。目前國內尚無該領域的專利申請。
發明內容
本發明的目的是提供一種智能交互的風光能源微網系統，既能獨立對用戶負載供電，又能根據城市微氣象交互信息的處理結果與電網併網發電，同時支撐分時 電價，支持儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動，滿足用戶供電需求並降低成本，提高發電效益，降低用電成本，提高電網可靠性。本發明目的是這樣實現的一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，該微網系統包含分布式的風光能源微系統、用戶負荷、雙向功率表、交流母線、高低壓變電器、常規電網、上層調度管理系統、城市微氣象交互、時鐘交互和開關；其中，分布式的風光能源微系統和用戶負荷通過雙向功率表連接到交流母線，經過高低壓變電器接入常規電網，在雙向功率表和交流母線之間、交流母線和高低壓變電器之間、高低壓變電器和常規電網之間均有開關，其中開關表示隔離開關和斷路器；上層調度管理系統能夠檢測分布式的風光能源微系統的狀態，並根據城市微氣象交互、時鐘交互和用戶負荷狀態決定分布式的風光能源微系統的發電/供電狀態，決定分布式的風光能源微系統與常規電網的交互狀態；以及分布式的風光能源微系統中所述風光能源微系統，其包含風能、太陽能和其他能源的發電裝置、儲能裝置、雙向DC/DC、控制器、直流母線、雙向併網逆變器；其中，風能、太陽能和其他能源的發電裝置與儲能裝置均連接到直流母線，由控制器控制，並且儲能裝置和直流母線之間有雙向DC/DC模塊，保證能量能存儲到儲能裝置，也可以由儲能裝置供電； 風光能源微系統通過雙向併網逆變器接向用戶負荷或常規電網。所述的分布式的風光能源微系統，既可以獨立對用戶負荷供電，又可以與常規電網之間進行雙向能源傳輸和交互；所述的風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統可以通過雙向逆變器把分布式電源和儲能裝置的電能反饋到常規電網中，同時也可以從常規電網中購入電能滿足用戶負載和對儲能裝置充電；其中，以PwindE分布式的風光能源微系統中的風能發電功率，以Ppv記太陽能發電功率，以P_thCT記其他能源的發電功率，以Plt5ad記用戶負荷功率，以pbat-。hange記儲能裝置的充電或者是放電功率，當儲能裝置在充電狀態時pbat-。hange為正，當儲能裝置在放電狀態時為Pbat-。hange負；當分布式的風光能源微系統的發電功率大於用戶負荷和儲能裝置的輸出功率的功率需求，即Pwind+Ppv+Pm。thCT > Pload+Pbat-Charge時，則相當於用戶負荷、常規電網、儲能裝置組成了交流母線的負載，風能、光能和其他能源發電裝置既對儲能裝置充電，又通過雙向併網逆變器反饋電能到常規電網中，通過雙向功率表記錄反饋到常規電網的電量；當分布式的風光能源微系統的發電功率小於用戶負荷和儲能裝置的輸出功率的功率需求，即 Pwind+Ppv+Panother < Pload+Pbat-charge時，相當於風能、光能和其他能源發電裝置、常規電網、儲能裝置組成了用戶負載的電源，分布式的風光能源微系統從常規電網中購入電量，通過雙向功率表記錄從電網購入的電量。所述風光能源微系統，與常規電網之間的能量傳輸和交互由上層調度管理系統控制；上層調度管理系統在決策時，不僅考慮分布式發電裝置的發電功率、儲能裝置現有容量、用戶負荷的功率需求，還可以與用戶環境交互； 所述與用戶環境交互，主要包含三方面的內容其一，與城市微氣象的交互。風能、太陽能等新能源發電裝置的發電功率，受氣象資源條件變化的制約具有隨機性和不確定性。目前人工天氣預報已經足夠可信，因此上層調度管理系統可以通過獲取城市微氣象預測，估計發電裝置的發電功率，從而可以預先調節、控制儲能裝置與電網之間的交互，在保證系統使用壽命的情況下讓用戶獲得最大的經濟效益，並且為常規電網的調節。比如，若是連續晴天且風速為微風以上，既Pwind+Ppv+Pan。thCT SP1^+Pbat-Ctoge,則可以通過上層調度管理系統和控制器預先把儲能裝置中的電能通過雙向併網逆變器反饋到電網中；若是連續幾天陰天且無風或者軟風，既Pwind+Ppv+Pan。thCT < Pload+Pbat-charge,則上層調度管理系統和控制器減少儲能裝置的電量輸出，而在分布式電源功率小於用戶負載功率時從電網中購入電量滿足負載，當資源條件不足且儲能裝置容量偏低時，從電網購入電量補充儲能裝置，並具有過充和過放保護，詳細控制策略如圖五所示。其二，與計量系統的交互，即時鐘交互，支持階梯電價和分時電價和支持儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動；由上層調度管理系統根據時鐘交互統一調度各分布式系統，根據當前電網電的價格和儲能裝置的電容量，當常規電網電價較高時由儲能裝置和分布式電源對用戶負載進行供電，當常規電網的電價低時，由常規電網對用戶負載進行供電，並且當儲能裝置電能容量較低還可以通過雙向逆變器使用常規電網對儲能裝置充電，當間歇式分布電源出力波動範圍較大時由儲能裝置進行平抑使其滿足併網要求；詳細控制策略如圖五。其三，與常規電網的交互，併網運行模式和孤島運行切換模式時，根據常規電網的電壓來提升微網系統的電壓的幅值、相位、頻率，使得在微網電壓接近常規電網電壓，並在常規電網和微網系統之間電流接近為零時切換，減少了模式切換對常規電網和微網系統的影響。所述微網系統還支持即插即用，也就是說，只需要把現有系統的常規功率表換成雙向功率表，即可以簡單的把風光能源微系統接入到整個常規電網大系統中。本發明的有益效果體現在1、本發明使用風能、太陽能構成分布式微網系統，其風光能源微系統即可以獨立運行，又可以與大電網互為支撐，可以根據用戶需求，提供多種服務，如備用發電、削峰填谷寸。2、本發明所提出的與用戶交互的風光能源智能微網系統，可以通過與城市微氣象的交互和時鐘交互，提高發電效益，降低用電成本。3、本發明所提出的智能微網系統，可以簡單的實現風光能源微系統的即插即用式使用。
圖1 與用戶交互的風能源、光能源智能微網系統結構圖示意圖；圖2 風能源、光能源微系統結構圖示意圖；圖3 —種與用戶交互的風能源、光能源智能微網系統實施例示意圖4 第二種與用戶交互的風能源、光能源智能微網系統實施例示意圖；圖5 —種用戶交互策略的流程圖。
具體實施例方式以下 說明本發明的實施例。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對該領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。實施例1、一種由屋頂太陽能系統和小型風力發電機作為多種分布式電源的智能微網系統實施圖。其分布式電源主要有兩類一類使用太陽能(主要使用小區每棟樓的屋頂太陽能，典型功率如3. 2KW，由太陽板200WX 16組成)作為能量來源，一類使用小型風機作為能量來源，其特點是直流母線功率是由太能能和儲能裝置或者是風機和儲能裝置提供，這樣控制器控制複雜度降低相對於直流母線功率由多種分布電源和儲能裝置提供的系統，且既含有直流母線又有交流母線，如圖3所示。硬體連接是在小區每棟樓的樓頂放置太陽能板和風機，整個小區的每棟樓上面的分布式能源發電裝置、儲能裝置、雙向DC/DC模塊控制儲能裝置，風機交流電能由整流器為直流電，通過直流匯電箱把每棟樓上的分布式電源太陽能集中，並通過直流匯電箱把每棟樓上整流後的風能電能分別集中，經由雙向併網逆變器接向用戶負載，整個小區構成一個微電網由一個節點接入電網，通過上層調度管理系統進行同一協調調度控制。交流母線為普通三相400V、50Hz，經過400KVA箱變電接入IOKV常規電網如圖3所示。軟體控制策略用戶環境交互的風光能源儲能微網系統交互策略。該策略綜合考慮分布式風光能源微系統的儲能裝置現有儲量、用戶負荷需求、風光能源微系統發電裝置的未來發電量預測、城市微氣象、階梯電價和分時電價(未來的天氣狀況和未來的發電量預測是指的常規電網電價從當前狀態到常規電網電價變化這段時間)，支持儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動，執行如下過程1、檢測儲能裝置現有能量容量；2、檢測是Spwind+ppv+p
another 〉Pload+Pbat-Charge ；3、由時鐘交互判斷常規電網電價高低；4、通過上層調度系統獲得城市微氣象。總體思路是按照在保證儲能裝置壽命的情況下，進行用戶經濟利益最大設計和控制儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動使得在電網所能承受範圍內的控制策略。因此第一步先檢測儲能裝置現有能量，以防止過放、過充等危險狀態，然後(1)當儲能裝置現有能量高時，其次考慮到當前的供電狀態，既是否 Pwind+Ppv+Panother > PlMd+Pbat-。harge，這是使得用戶獲得經濟利益最大的判定依據，當儲能裝置現有能量比較高時且Pwind+Ppv+P_thCT > Pload+Pbat-charge,因為儲能裝置儲存能量有限且已經滿足負載供電則無論電價的高低和未來天氣狀態，都要把分布式電源中多餘的電能反饋到電網中，而對於儲能裝置中的電由於要控制儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動使得在電網所能承受範圍內，因此當常規電網電價高和常規電網電價低且未來天氣為晴 &風時也同時把儲能裝置中的電能反饋到電網；但是當儲能裝置現有能量比較高但Pwind+Ppv+Pan。thCT < Pload+Pbat-charge時，則需要考慮此時的電網的電價，若此時的常規電網電價高且未來天氣狀況不是晴&風，則由儲能裝置和分布式電源對負載供電並且少量反饋常規電網中電能；若此時的常規電網電價高且未來天氣狀況是晴&風，則由儲能裝置和分布式電源對負載供電且多反饋常規電網中電能， 若此時的電網電價較低且且未來天氣狀況否晴&風，則仍由常規電網和分布式電源對負載供電(儲能裝置中的電能在電價高時再對負載供電和反饋到常規電網中)，若此時的電網電價較低且未來天氣狀況是晴&風，則由儲能裝置、分布式電源同時對負載供電(減少從電網中購電能因為未來天氣狀況是晴&風，既分布式電源發電電能將很充足)。 (2)當儲能裝置現有能量低時(此時就要考慮何時對儲能裝置充電的問題，保證儲能裝置壽命和用戶最大經濟利益)，其次考慮到當前的供電狀態，既是否Pwind+Ppv+P_thCT > P1Oad+Pbat-Charge'這是使得用戶獲得經濟利益最大的判定依據，當儲能裝置現有能量比較低時且否Pwind+Ppv+Pan。thCT > Pload+Pbat-charge'並且常規電網電價高時，則執行分布式電源和儲能裝置對用戶負載供電且反饋電網中電能(從經濟角度考慮但儲能裝置不能過放電)，當電網電價較低且未來天氣狀況不是晴&風時，分布式電源對負載供電對儲能裝置充電且反饋電網中電能(電網電價較低要對儲能裝置充電以保證高電價時可以反饋電網中電能)，但未來天氣是晴&風時，此時先由常規電網和分布式電源對負載供電(未來分布式電源電能充沛因此先不對儲能裝置充電)；當pwind+ppv+pan。thCT > pl0ad+pbat-charge時且電網電價高未來天氣狀況是晴&風時，分布式電源和儲能裝置對負載供電且反饋電網中電能(等電網電價低時再對儲能裝置充電， 此時保證防止過放電)，但未來天氣狀態不是晴&風時，分布式電源對用戶負載供電且對儲能裝置充電(未來分布式電源不足因此儲能裝置中電能保留)，常規電網電價低時，未來天氣狀況是晴&風則分布式電源對用戶負載供電且反饋電能到常規電網中，不是晴&風時分布式電源對用戶負載供電且對儲能裝置充電。具體控制策略如圖5所示。實施例2、另一種含有儲能裝置的智能微網系統的實施圖。其分布式電源主要由風能、太陽能和其他能源共同組成，儲能裝置為鉛酸電池或者電動車棄用的鋰電池，其特點是直流母線功率是由多種分布電源(太陽能和風能等)，控制器的控制複雜度增加，但是成本相對較低，如圖4所示。硬體連接是在小區每棟樓的樓頂放置太陽能板和風機，整個小區的每棟樓上面的分布式能源發電裝置、儲能裝置、雙向DC/DC模塊控制儲能裝置，風機交流電能由整流器為直流電，通過直流匯電箱把每棟樓上的分布式電源太陽能和風能電能同一集中，經由雙向併網逆變器接向用戶負載，整個小區構成一個微電網由一個節點接入電網，通過上層調度管理系統進行同一協調調度控制。交流母線為普通三相400V、50Hz，經過400KVA箱變電接入IOKV常規電網。如圖4所示，其軟體控制策略與上一個實施例相同。本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1.一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，其特徵是該微網系統包含分布式的風光能源微系統、用戶負荷、雙向功率表、交流母線、高低壓變電器、常規電網、上層調度管理系統、城市微氣象交互、時鐘交互和開關；其中，分布式的風光能源微系統和用戶負荷通過雙向功率表連接到交流母線，經過高低壓變電器接入常規電網，在雙向功率表和交流母線之間、交流母線和高低壓變電器之間、高低壓變器電和常規電網之間均有開關，其中開關表示隔離開關和斷路器；上層調度管理系統能夠檢測分布式的風光能源微系統的狀態，並根據城市微氣象交互、時鐘交互和用戶負荷狀態決定分布式的風光能源微系統的發電/供電狀態，決定分布式的風光能源微系統與常規電網的交互狀態；以及分布式的風光能源微系統中所述風光能源微系統，其包含風能、太陽能和其他能源的發電裝置、儲能裝置、雙向DC/DC、控制器、直流母線、雙向併網逆變器；其中，風能、太陽能和其他能源的發電裝置與儲能裝置均連接到直流母線，由控制器控制，並且儲能裝置和直流母線之間有雙向DC/DC模塊，保證能量能存儲到儲能裝置，也可以由儲能裝置供電；風光能源微系統通過雙向併網逆變器接向用戶負荷或常規電網。
2.根據權利要求1所述的一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，其特徵是所述的分布式的風光能源微系統，既可以獨立對用戶負荷供電，又可以與常規電網之間進行雙向能源傳輸和交互；所述的風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統可以通過雙向逆變器把分布式電源和儲能裝置的電能反饋到常規電網中，同時也可以從常規電網中購入電能滿足用戶負載和對儲能裝置充電；其中，以Pwind記分布式的風光能源微系統中的風能發電功率，以Ppv記太陽能發電功率，以Pan。thCT記其他能源的發電功率，以PlMd記用戶負荷功率，以Pbat-。h_記儲能裝置的充電或者是放電功率，當儲能裝置在充電狀態時Pbat-。hange為正，當儲能裝置在放電狀態時為Pbat-。hange負；當分布式的風光能源微系統的發電功率大於用戶負荷和儲能裝置的輸出功率的功率需求，即PwindPpv+Pan。thCT > Pload+Pbat-charge時，則相當於用戶負荷、常規電網、儲能裝置組成了交流母線的負載，風能、 光能和其他能源發電裝置既對儲能裝置充電，又通過雙向併網逆變器反饋電能到常規電網中，通過雙向功率表記錄反饋到常規電網的電量；當分布式的風光能源微系統的發電功率小於用戶負荷和儲能裝置的輸出功率的功率需求，即Pwind+Ppv+P_thCT < Pload+Pbat-charge時，相當於風能、光能和其他能源發電裝置、常規電網、儲能裝置組成了用戶負載的電源，含分布式風光能源的微系統從常規電網中購入電量，通過雙向功率表記錄從電網購入的電量。
3.根據權利要求2所述的一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，其特徵是所述風光能源微系統，與常規電網之間的能量傳輸和交互由上層調度管理系統控制；上層調度管理系統在決策時，不僅考慮分布式發電裝置的發電功率、儲能裝置現有容量、用戶負荷的功率需求，還可以與用戶環境交互；所述與用戶環境交互，主要包含三方面的內容其一，與城市微氣象交互；風能、太陽能新能源發電裝置的發電功率，受氣象資源條件變化的制約具有隨機性和不確定性；目前人工天氣預報已經足夠可信，因此上層調度管理系統可以通過獲取城市微氣象預測，估計發電裝置的發電功率，從而可以預先調節、控制儲能裝置與電網之間的交互，在保證系統使用壽命的情況下讓用戶獲得最大的經濟效益，並且為常規電網的調節；其二，與計量系統的交互，即時鐘交互，支持階梯電價和分時電價和支持儲能裝置系統用於平抑間歇式電源發電出力波動；由上層調度管理系統根據時鐘交互統一調度各分布式系統，根據當前電網電的價格和儲能裝置的電容量，當常規電網電價較高時由儲能裝置和分布式電源對用戶負載進行供電，當常規電網的電價低時，由常規電網對用戶負載進行供電，並且當儲能裝置電能容量較低還可以通過雙向逆變器使用常規電網對儲能裝置充電， 當間歇式分布電源出力波動範圍較大時由儲能裝置進行平抑使其滿足併網要求；其三，與常規電網的交互，併網運行模式和孤島運行切換模式時，根據常規電網的電壓來提升微網系統的電壓的幅值、相位、頻率，使得在微網電壓接近常規電網電壓，並在常規電網和微網系統之間電流接近為零時切換，減少了模式切換對常規電網和微網系統的影響。
4.根據權利要求3所述的一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，其特徵是所述與城市微氣象交互，若是連續晴天且風速為微風以上，即Pwind+Ppv+Pan。thCT > P1^+Pbat-Cta吧，則可以通過上層調度管理系統和控制器預先把儲能裝置中的電能通過雙向併網逆變器反饋到常規電網中；若是連續幾天陰天且無風或者軟風，即Pwind+Ppv+Pan。thCT < P1^+Pbat-Chaw，則上層調度管理系統和控制器減少儲能裝置的電量輸出，而在分布式電源功率小於用戶負載功率時，從常規電網中購入電量滿足負載，當資源條件不足且儲能裝置容量偏低時，從常規電網購入電量補充儲能裝置，並具有過充和過放保護功能。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，其特徵是所述微網系統還支持即插即用，也就是說，只需要把現有系統的常規功率表換成雙向功率表，即可以簡單的把風光能源微系統接入到整個常規電網大系統中。
全文摘要
本發明提供一種利用風能、光能互補並與市電綜合利用的分布式微網系統，該系統包含分布式的風光能源微系統、用戶負荷、雙向功率表、交流母線、高低壓變電器、電網、上層調度管理系統、微氣象交互、時鐘交互和開關組成。其中，分布式的風光能源微系統和用戶負荷通過雙向功率表連接到交流母線，經過高低壓變電器接入常規電網，其中開關表示隔離開關和斷路器。上層調度管理系統與檢測風光能源微系統的狀態，根據氣象微預測交互、時鐘交互、儲能裝置狀態和用戶負荷狀態決定風光能源微系統的發電/供電狀態，決定風光能源微系統與電網的交互狀態。本發明既能獨立對用戶負載供電，又能根據城市微氣象交互信息的處理結果與電網併網發電，同時支撐分時電價，滿足用戶供電需求並降低成本，提高發電效益，降低用電成本，提高電網可靠性。
文檔編號H02J3/38GK102361328SQ201110326620
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年10月25日
發明者王智靈, 陳宗海, 陳永環 申請人:中國科學技術大學