CN102361328A - 一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，该系统包含分布式的风光能源微系统、用户负荷、双向功率表、交流母线、高低压变电器、电网、上层调度管理系统、微气象交互、时钟交互和开关组成。其中，分布式的风光能源微系统和用户负荷通过双向功率表连接到交流母线，经过高低压变电器接入常规电网，其中开关表示隔离开关和断路器。上层调度管理系统与检测风光能源微系统的状态，根据气象微预测交互、时钟交互、储能装置状态和用户负荷状态决定风光能源微系统的发电/供电状态，决定风光能源微系统与电网的交互状态。本发明既能独立对用户负载供电，又能根据城市微气象交互信息的处理结果与电网并网发电，同时支撑分时电价，满足用户供电需求并降低成本，提高发电效益，降低用电成本，提高电网可靠性。

Description

一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统

技术领域

本发明涉及风能、光能新能源发电和应用领域，以及涉及分布式发电与控制技术领域。特别涉及一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统。本发明适用于小区屋顶太阳能和风能组成的微网系统，也适用于城镇社区、偏远地区等智能用电小区系统。

背景技术

一方面，目前广泛采用的常规供电方式，由于电力负荷的迅速增长，必须建设一个以大容量发电机组为主要电源的超高压特大电力系统来保证供电的可靠性和稳定性。这种供电模式的固有缺点日趋明显。2008年春季发生在我国南方雪灾对常规电网击就有力的说明了这一点。因此需要建设一批分散布置的微型电站和小型分布源机组作为大电网的辅助和补充。

另一方面，太阳能、风能是新能源发电的主要方式。目前的太阳能发电和风能发电系统，分为大功率并网发电系统和小功率离网发电系统两种，但各有缺陷。大功率并网发电系统通常为MW级以上功率，通过发电站、配电站结合的方式对电网供电，占地面积大，对当地资源条件要求高，对电网冲击较大，且供电方式与常规供电模式相同。小功率离网型发电系统功率通常为数百W至几KW，自成系统，不接入电网。随着太阳能屋顶工程和小型风机的推广，小功率的风能、光能发电系统应用越来越广泛。

分布式电源的不足：

(1)分布式电源自身的特性决定了一些电源的出力将随外部条件的变化而变化，表现出间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，且不可调度，需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用。

(2)分布式电源的并网运行改变了系统中的潮流分布，对配电网而言，由于分布式电源的接入导致系统中具有双向潮流，给电压调节、保护协调与能量优化带来了新问题。当前，一些分布式电源在系统侧发生故障时自动退出运行，加剧了系统暂态功率不平衡，不利于系统的安全性和稳定性。

(3)需要通过电力电子接口并入电网，大量电力电子设备和电容、电感的引入，易影响周边用户的供电质量，外界产生干扰可能导致频率和电压的不同步，从而拖垮整个系统。

(4)为数众多、形式各异、不可调度的分布式电源将给依靠传统集中式电源调度方式进行管理的系统运行人员带来更大的困难，缺乏有效的管理将导致分布式电源运行时的“随意性”，给系统的安全性和稳定性造成隐患。

因此国外学者提出了微网的概念，本发明“一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统”做了如权利要求书所要求的方面的改进，使其更加智能化。本发明提出将小功率的太阳能、风能发电系统作为分布式微系统来源，与市电综合利用，通过与城市微气象交互，支撑分时电价，支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动，构成微网系统。目前国内尚无该领域的专利申请。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能交互的风光能源微网系统，既能独立对用户负载供电，又能根据城市微气象交互信息的处理结果与电网并网发电，同时支撑分时电价，支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动，满足用户供电需求并降低成本，提高发电效益，降低用电成本，提高电网可靠性。

本发明目的是这样实现的：

一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，该微网系统包含分布式的风光能源微系统、用户负荷、双向功率表、交流母线、高低压变电器、常规电网、上层调度管理系统、城市微气象交互、时钟交互和开关；其中，

分布式的风光能源微系统和用户负荷通过双向功率表连接到交流母线，经过高低压变电器接入常规电网，在双向功率表和交流母线之间、交流母线和高低压变电器之间、高低压变电器和常规电网之间均有开关，其中开关表示隔离开关和断路器；

上层调度管理系统能够检测分布式的风光能源微系统的状态，并根据城市微气象交互、时钟交互和用户负荷状态决定分布式的风光能源微系统的发电/供电状态，决定分布式的风光能源微系统与常规电网的交互状态；以及：

分布式的风光能源微系统中所述风光能源微系统，其包含风能、太阳能和其他能源的发电装置、储能装置、双向DC/DC、控制器、直流母线、双向并网逆变器；其中，风能、太阳能和其他能源的发电装置与储能装置均连接到直流母线，由控制器控制，并且储能装置和直流母线之间有双向DC/DC模块，保证能量能存储到储能装置，也可以由储能装置供电；风光能源微系统通过双向并网逆变器接向用户负荷或常规电网。

所述的分布式的风光能源微系统，既可以独立对用户负荷供电，又可以与常规电网之间进行双向能源传输和交互；所述的风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统可以通过双向逆变器把分布式电源和储能装置的电能反馈到常规电网中，同时也可以从常规电网中购入电能满足用户负载和对储能装置充电；其中，

以p_wind记分布式的风光能源微系统中的风能发电功率，以p_pv记太阳能发电功率，以p_another记其他能源的发电功率，以p_load记用户负荷功率，以p_bat-change记储能装置的充电或者是放电功率，当储能装置在充电状态时p_bat-change为正，当储能装置在放电状态时为p_bat-change负；当分布式的风光能源微系统的发电功率大于用户负荷和储能装置的输出功率的功率需求，即p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge时，则相当于用户负荷、常规电网、储能装置组成了交流母线的负载，风能、光能和其他能源发电装置既对储能装置充电，又通过双向并网逆变器反馈电能到常规电网中，通过双向功率表记录反馈到常规电网的电量；当分布式的风光能源微系统的发电功率小于用户负荷和储能装置的输出功率的功率需求，即p_wind+p_pv+p_another＜p_load+p_bat-charge时，相当于风能、光能和其他能源发电装置、常规电网、储能装置组成了用户负载的电源，分布式的风光能源微系统从常规电网中购入电量，通过双向功率表记录从电网购入的电量。

所述风光能源微系统，与常规电网之间的能量传输和交互由上层调度管理系统控制；上层调度管理系统在决策时，不仅考虑分布式发电装置的发电功率、储能装置现有容量、用户负荷的功率需求，还可以与用户环境交互；

所述与用户环境交互，主要包含三方面的内容：

其一，与城市微气象的交互。风能、太阳能等新能源发电装置的发电功率，受气象资源条件变化的制约具有随机性和不确定性。目前人工天气预报已经足够可信，因此上层调度管理系统可以通过获取城市微气象预测，估计发电装置的发电功率，从而可以预先调节、控制储能装置与电网之间的交互，在保证系统使用寿命的情况下让用户获得最大的经济效益，并且为常规电网的调节。比如，若是连续晴天且风速为微风以上，既p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，则可以通过上层调度管理系统和控制器预先把储能装置中的电能通过双向并网逆变器反馈到电网中；若是连续几天阴天且无风或者软风，既p_wind+p_pv+p_another＜p_load+p_bat-charge，则上层调度管理系统和控制器减少储能装置的电量输出，而在分布式电源功率小于用户负载功率时从电网中购入电量满足负载，当资源条件不足且储能装置容量偏低时，从电网购入电量补充储能装置，并具有过充和过放保护，详细控制策略如图五所示。

其二，与计量系统的交互，即时钟交互，支持阶梯电价和分时电价和支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动；由上层调度管理系统根据时钟交互统一调度各分布式系统，根据当前电网电的价格和储能装置的电容量，当常规电网电价较高时由储能装置和分布式电源对用户负载进行供电，当常规电网的电价低时，由常规电网对用户负载进行供电，并且当储能装置电能容量较低还可以通过双向逆变器使用常规电网对储能装置充电，当间歇式分布电源出力波动范围较大时由储能装置进行平抑使其满足并网要求；详细控制策略如图五。

其三，与常规电网的交互，并网运行模式和孤岛运行切换模式时，根据常规电网的电压来提升微网系统的电压的幅值、相位、频率，使得在微网电压接近常规电网电压，并在常规电网和微网系统之间电流接近为零时切换，减少了模式切换对常规电网和微网系统的影响。

所述微网系统还支持即插即用，也就是说，只需要把现有系统的常规功率表换成双向功率表，即可以简单的把风光能源微系统接入到整个常规电网大系统中。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明使用风能、太阳能构成分布式微网系统，其风光能源微系统即可以独立运行，又可以与大电网互为支撑，可以根据用户需求，提供多种服务，如备用发电、削峰填谷等。

2、本发明所提出的与用户交互的风光能源智能微网系统，可以通过与城市微气象的交互和时钟交互，提高发电效益，降低用电成本。

3、本发明所提出的智能微网系统，可以简单的实现风光能源微系统的即插即用式使用。

附图说明

图1：与用户交互的风能源、光能源智能微网系统结构图示意图；

图2：风能源、光能源微系统结构图示意图；

图3：一种与用户交互的风能源、光能源智能微网系统实施例示意图；

图4：第二种与用户交互的风能源、光能源智能微网系统实施例示意图；

图5：一种用户交互策略的流程图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1、一种由屋顶太阳能系统和小型风力发电机作为多种分布式电源的智能微网系统实施图。其分布式电源主要有两类：一类使用太阳能(主要使用小区每栋楼的屋顶太阳能，典型功率如3.2KW，由太阳板200W×16组成)作为能量来源，一类使用小型风机作为能量来源，其特点是直流母线功率是由太能能和储能装置或者是风机和储能装置提供，这样控制器控制复杂度降低相对于直流母线功率由多种分布电源和储能装置提供的系统，且既含有直流母线又有交流母线，如图3所示。

硬件连接是在小区每栋楼的楼顶放置太阳能板和风机，整个小区的每栋楼上面的分布式能源发电装置、储能装置、双向DC/DC模块控制储能装置，风机交流电能由整流器为直流电，通过直流汇电箱把每栋楼上的分布式电源太阳能集中，并通过直流汇电箱把每栋楼上整流后的风能电能分别集中，经由双向并网逆变器接向用户负载，整个小区构成一个微电网由一个节点接入电网，通过上层调度管理系统进行同一协调调度控制。交流母线为普通三相400V、50Hz，经过400KVA箱变电接入10KV常规电网如图3所示。

软件控制策略：用户环境交互的风光能源储能微网系统交互策略。该策略综合考虑分布式风光能源微系统的储能装置现有储量、用户负荷需求、风光能源微系统发电装置的未来发电量预测、城市微气象、阶梯电价和分时电价(未来的天气状况和未来的发电量预测是指的常规电网电价从当前状态到常规电网电价变化这段时间)，支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动，执行如下过程：

1、检测储能装置现有能量容量；

2、检测是否p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge；

3、由时钟交互判断常规电网电价高低；

4、通过上层调度系统获得城市微气象。

总体思路是按照在保证储能装置寿命的情况下，进行用户经济利益最大设计和控制储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动使得在电网所能承受范围内的控制策略。因此第一步先检测储能装置现有能量，以防止过放、过充等危险状态，然后：

(1)当储能装置现有能量高时，其次考虑到当前的供电状态，既是否p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，这是使得用户获得经济利益最大的判定依据，当储能装置现有能量比较高时且p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，因为储能装置储存能量有限且已经满足负载供电则无论电价的高低和未来天气状态，都要把分布式电源中多余的电能反馈到电网中，而对于储能装置中的电由于要控制储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动使得在电网所能承受范围内，因此当常规电网电价高和常规电网电价低且未来天气为晴&风时也同时把储能装置中的电能反馈到电网；

但是当储能装置现有能量比较高但p_wind+p_pv+p_another＜p_load+p_bat-charge时，则需要考虑此时的电网的电价，若此时的常规电网电价高且未来天气状况不是晴&风，则由储能装置和分布式电源对负载供电并且少量反馈常规电网中电能；若此时的常规电网电价高且未来天气状况是晴&风，则由储能装置和分布式电源对负载供电且多反馈常规电网中电能，若此时的电网电价较低且且未来天气状况否晴&风，则仍由常规电网和分布式电源对负载供电(储能装置中的电能在电价高时再对负载供电和反馈到常规电网中)，若此时的电网电价较低且未来天气状况是晴&风，则由储能装置、分布式电源同时对负载供电(减少从电网中购电能因为未来天气状况是晴&风，既分布式电源发电电能将很充足)。

(2)当储能装置现有能量低时(此时就要考虑何时对储能装置充电的问题，保证储能装置寿命和用户最大经济利益)，其次考虑到当前的供电状态，既是否p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，这是使得用户获得经济利益最大的判定依据，当储能装置现有能量比较低时且否p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，并且常规电网电价高时，则执行分布式电源和储能装置对用户负载供电且反馈电网中电能(从经济角度考虑但储能装置不能过放电)，当电网电价较低且未来天气状况不是晴&风时，分布式电源对负载供电对储能装置充电且反馈电网中电能(电网电价较低要对储能装置充电以保证高电价时可以反馈电网中电能)，但未来天气是晴&风时，此时先由常规电网和分布式电源对负载供电(未来分布式电源电能充沛因此先不对储能装置充电)；

当p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge时且电网电价高未来天气状况是晴&风时，分布式电源和储能装置对负载供电且反馈电网中电能(等电网电价低时再对储能装置充电，此时保证防止过放电)，但未来天气状态不是晴&风时，分布式电源对用户负载供电且对储能装置充电(未来分布式电源不足因此储能装置中电能保留)，常规电网电价低时，未来天气状况是晴&风则分布式电源对用户负载供电且反馈电能到常规电网中，不是晴&风时分布式电源对用户负载供电且对储能装置充电。具体控制策略如图5所示。

实施例2、另一种含有储能装置的智能微网系统的实施图。其分布式电源主要由风能、太阳能和其他能源共同组成，储能装置为铅酸电池或者电动车弃用的锂电池，其特点是直流母线功率是由多种分布电源(太阳能和风能等)，控制器的控制复杂度增加，但是成本相对较低，如图4所示。

硬件连接是在小区每栋楼的楼顶放置太阳能板和风机，整个小区的每栋楼上面的分布式能源发电装置、储能装置、双向DC/DC模块控制储能装置，风机交流电能由整流器为直流电，通过直流汇电箱把每栋楼上的分布式电源太阳能和风能电能同一集中，经由双向并网逆变器接向用户负载，整个小区构成一个微电网由一个节点接入电网，通过上层调度管理系统进行同一协调调度控制。交流母线为普通三相400V、50Hz，经过400KVA箱变电接入10KV常规电网。如图4所示，其软件控制策略与上一个实施例相同。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，其特征是：该微网系统包含分布式的风光能源微系统、用户负荷、双向功率表、交流母线、高低压变电器、常规电网、上层调度管理系统、城市微气象交互、时钟交互和开关；其中，

分布式的风光能源微系统和用户负荷通过双向功率表连接到交流母线，经过高低压变电器接入常规电网，在双向功率表和交流母线之间、交流母线和高低压变电器之间、高低压变器电和常规电网之间均有开关，其中开关表示隔离开关和断路器；

上层调度管理系统能够检测分布式的风光能源微系统的状态，并根据城市微气象交互、时钟交互和用户负荷状态决定分布式的风光能源微系统的发电/供电状态，决定分布式的风光能源微系统与常规电网的交互状态；以及：

分布式的风光能源微系统中所述风光能源微系统，其包含风能、太阳能和其他能源的发电装置、储能装置、双向DC/DC、控制器、直流母线、双向并网逆变器；其中，风能、太阳能和其他能源的发电装置与储能装置均连接到直流母线，由控制器控制，并且储能装置和直流母线之间有双向DC/DC模块，保证能量能存储到储能装置，也可以由储能装置供电；风光能源微系统通过双向并网逆变器接向用户负荷或常规电网。

2.根据权利要求1所述的一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，其特征是：所述的分布式的风光能源微系统，既可以独立对用户负荷供电，又可以与常规电网之间进行双向能源传输和交互；所述的风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统可以通过双向逆变器把分布式电源和储能装置的电能反馈到常规电网中，同时也可以从常规电网中购入电能满足用户负载和对储能装置充电；其中，以p_wind记分布式的风光能源微系统中的风能发电功率，以p_pv记太阳能发电功率，以p_another记其他能源的发电功率，以p_load记用户负荷功率，以p_bat-change记储能装置的充电或者是放电功率，当储能装置在充电状态时p_bat-change为正，当储能装置在放电状态时为p_bat-change负；当分布式的风光能源微系统的发电功率大于用户负荷和储能装置的输出功率的功率需求，即p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge时，则相当于用户负荷、常规电网、储能装置组成了交流母线的负载，风能、光能和其他能源发电装置既对储能装置充电，又通过双向并网逆变器反馈电能到常规电网中，通过双向功率表记录反馈到常规电网的电量；当分布式的风光能源微系统的发电功率小于用户负荷和储能装置的输出功率的功率需求，即p_wind+p_pv+p_another＜p_load+p_bat-charge时，相当于风能、光能和其他能源发电装置、常规电网、储能装置组成了用户负载的电源，含分布式风光能源的微系统从常规电网中购入电量，通过双向功率表记录从电网购入的电量。

3.根据权利要求2所述的一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，其特征是：所述风光能源微系统，与常规电网之间的能量传输和交互由上层调度管理系统控制；上层调度管理系统在决策时，不仅考虑分布式发电装置的发电功率、储能装置现有容量、用户负荷的功率需求，还可以与用户环境交互；

所述与用户环境交互，主要包含三方面的内容：

其一，与城市微气象交互；风能、太阳能新能源发电装置的发电功率，受气象资源条件变化的制约具有随机性和不确定性；目前人工天气预报已经足够可信，因此上层调度管理系统可以通过获取城市微气象预测，估计发电装置的发电功率，从而可以预先调节、控制储能装置与电网之间的交互，在保证系统使用寿命的情况下让用户获得最大的经济效益，并且为常规电网的调节；

其二，与计量系统的交互，即时钟交互，支持阶梯电价和分时电价和支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动；由上层调度管理系统根据时钟交互统一调度各分布式系统，根据当前电网电的价格和储能装置的电容量，当常规电网电价较高时由储能装置和分布式电源对用户负载进行供电，当常规电网的电价低时，由常规电网对用户负载进行供电，并且当储能装置电能容量较低还可以通过双向逆变器使用常规电网对储能装置充电，当间歇式分布电源出力波动范围较大时由储能装置进行平抑使其满足并网要求；

其三，与常规电网的交互，并网运行模式和孤岛运行切换模式时，根据常规电网的电压来提升微网系统的电压的幅值、相位、频率，使得在微网电压接近常规电网电压，并在常规电网和微网系统之间电流接近为零时切换，减少了模式切换对常规电网和微网系统的影响。

4.根据权利要求3所述的一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，其特征是：所述与城市微气象交互，若是连续晴天且风速为微风以上，即p_wind+p_pv+p_another＞p_load+p_bat-charge，则可以通过上层调度管理系统和控制器预先把储能装置中的电能通过双向并网逆变器反馈到常规电网中；若是连续几天阴天且无风或者软风，即p_wind+p_pv+p_another＜p_load+p_bat-c_harge，则上层调度管理系统和控制器减少储能装置的电量输出，而在分布式电源功率小于用户负载功率时，从常规电网中购入电量满足负载，当资源条件不足且储能装置容量偏低时，从常规电网购入电量补充储能装置，并具有过充和过放保护功能。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种利用风能、光能互补并与市电综合利用的分布式微网系统，其特征是：所述微网系统还支持即插即用，也就是说，只需要把现有系统的常规功率表换成双向功率表，即可以简单的把风光能源微系统接入到整个常规电网大系统中。

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