CN102611161A - 小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法 - Google Patents

Abstract

小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法，属于新能源发电与电气技术领域，本发明的方法具有能源利用效率高、系统储能方式灵活多样、系统运行稳定等特点。与传统的发电、逆变、并网系统相比，该系统的能源利用率高于传统系统10％左右；系统采用DSP对本地储能单元进行有效控制，使得不同储能方式间切换速度快，克服了控制指令执行滞后的缺点，大大提高了系统运行的稳定性；系统采用多种储能方式相结合的储能方式，使储能装置响应时间短，储能方式变得灵活多样，能够适用于系统不同的工作情况。

Description

小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电与电气技术领域，特别涉及小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，能源消耗越来越大，环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。风能、太阳能发电技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。因此，近几年来，中国的新能源发电事业也得到了很快的发展。由于中国地域辽阔，海岸线长，拥有丰富的风能资源和太阳能资源，大力发展风能、太阳能发电技术及其相关的储能、电能传输等相关技术成为缓解现今能源危机的关键。

由于风能、太阳能能源的自身特点——间歇性和不稳定性，使得很多国家限制该类型能源产生电能接入电网的容量，中国可允许的接入容量上限为30％，造成部分地区由于产生的电能不能及时的通过电网输出而白白浪费掉。高的建造成本和低的发电率使很多投资商不能得到相应的收益，致使许多已建的发电厂处于停机状态。如何扭转此种情况成了社会各界关注的焦点，它也是未来新能源发电技术的关键性一步。

目前国内新能源发电通常采用整流、逆变的离网型运行模式，系统的储能方式有抽水蓄能、蓄电池等方式。但是此类系统都具有输出功率对负载波动响应时间长，供电电能稳定性差的特点。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法，解决系统储能装置响应时间长，稳定性差的问题，使得储能方式变得灵活可靠，可适用性强。

本发明的技术方案是这样实现的：小型风光互补抽水蓄能并网发电系统的充放电控制方法，包括本地储能单元充电控制方法和本地储能单元放电控制方法，其中，所述的本地储能单元充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1-1：设置初始参数，所述的初始参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄；

步骤1-2：计算风光互补控制器输出端功率P_out、三相逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P以及各采样节点电压、电流；

步骤1-3：计算可供本地储能单元储存的电量W，公式为：

W＝(P_out-P_in′)T

式中，T为储存能量供电时间；

步骤1-4：根据飞轮最大角速度ω_max和响应时间t，计算飞轮储能装置的最大容量W_max，公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

式中，R₁、R₂分别为飞轮内外半径；

步骤1-5：根据抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置储能最大容量W_max′，公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

式中，ρ_水为水的密度，g为重力加速度，S为上位水库底面积，h上位水库实时水位高度；

步骤1-6：判断风光互补控制器输出端功率P_out和三相逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则不对本地储能单元进行充电，执行步骤1-15；否则，执行步骤1-7；

步骤1-7：对W及W_max进行判断，如果W＜W_max，执行步骤1-8；否则，执行步骤1-9；

步骤1-8：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将飞轮储能装置接通，进行储能操作；

步骤1-9：对W及W_max′进行判断，如果W＜W_max′，执行步骤1-10；否则，执行第1-11步；

步骤1-10：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行抽水蓄能操作；

步骤1-11：对W及W_蓄进行判断，如果W＜nW_蓄，执行步骤1-12；否则，执行步骤1-13；

步骤1-12：比较风光互补控制器输出电压V和蓄电池额定充电电压V_蓄，如果V＜V_蓄，执行步骤1-13，否则，执行步骤1-15；

步骤1-13：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将蓄电池控制器接通，蓄电池组开始充电，执行步骤1-15；

步骤1-14：将多余电能通过卸荷电路进行放电；

步骤1-15：结束。

本地储能单元放电控制方法，包括以下步骤：

步骤2-1：设置初始参数，所述的初始参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄；

步骤2-2：计算风光互补控制器输出端功率P_out、三相逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P以及各采样节点电压、电流；

步骤2-3：计算本地储能单元应提供能量容量W′，公式为：

W′＝(P_out-P_in′)T

步骤2-4：根据飞轮最大角速度ω_max和响应时间t，计算飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max，公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

步骤2-5：根据抽水蓄能设备中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′，公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

步骤2-6：判断风光互补控制器输出端功率P_out和三相逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则本地储能单元不进行放电操作，执行步骤2-15；否则，DSP发出PWM波驱动本地储能单元控制器进行工作，执行步骤2-7；

步骤2-7：对W′及飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max进行比较，如果W′＜W_max，执行步骤2-8；否则，执行步骤2-9；

步骤2-8：本地储能单元控制器将飞轮蓄能装置接通，进行放电操作，执行步骤2-15；

步骤2-9：对W′及抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′进行比较，如果满足W′＜W_max′，则执行步骤2-10，否则，执行步骤2-11；

步骤2-10：本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行放电操作；

步骤2-11：对W′及W_蓄进行判断，如果满足W′＜nW_蓄，执行步骤2-12，否则，执行步骤2-14

步骤2-12：比较蓄电池放电电压V和蓄电池浮冲电压V_浮，如果满足V＜V_浮，执行步骤2-13；否则，执行步骤2-14；

步骤2-13：DSP发出PWM波驱动蓄电池控制器，蓄电池组开始放电；

步骤2-14：DSP发出PWM波驱动并网控制器开启，利用电网电能补充系统不足的电能；

步骤2-15：结束。

实现上述充放电控制方法的小型风光互补抽水蓄能并网发电系统，包括发电单元、逆变控制单元、并网单元和主控制单元，此外，还包括检测单元，由本地交流负载电路和本地直流负载电路组成；

所述的本地交流负载电路，为三相三线制的星型连接方式，包括至少一个三相三线阻抗固定的主负载R1、至少两个三相三线阻抗可变的调节负载R2和R3、至少一个三相三线交流电动机、至少两个电感、至少一个可变电感、阻值可变的电阻、阻值固定的电阻，至少一个电容和至少一个可变电容，其连接关系为：在导线的AB相间接有阻值可变的电阻，在导线的BC相间接有阻值固定的电阻，三相三线交流电机定子接线端中A相接有三相三线阻抗固定的主负载、第一三相三线阻抗可变的调节负载和第二三相三线阻抗可变的调节负载；三相三线交流电机定子接线端中B相接有电容、三相三线交流电动机和可变电感；三相三线交流电机定子接线端中C相接有第一电感、第二电感和可变电容；三相三线阻抗固定的主负载、电容和第一电感并联，第一三相三线阻抗可变的调节负载、三相三线交流电动机和第二电感并联，第二三相三线阻抗可变的调节负载、可变电感和可变电容并联。

所述的本地直流负载电路，包括至少一个直流灯泡和至少一个直流电动机，且直流灯泡与直流电动机以并联方式连接。

本发明优点：本发明所提供的一种小型风光互补抽水蓄能并网发电系统及充放电控制方法具有能源利用效率高、系统储能方式灵活多样、系统运行稳定等特点。与传统的发电-逆变-并网系统相比，该系统的能源利用率高于传统系统10％左右；系统采用DSP对本地储能单元进行有效控制，使得不同储能方式间切换速度快，克服了控制指令执行滞后的缺点，大大提高了系统运行的稳定性；系统采用多种储能方式相结合的储能方式，使储能装置响应时间短，储能方式变得灵活多样，能够适用于系统不同的工作情况。

附图说明

图1为本发明一种实施方式小型风光互补抽水蓄能并网发电系统结构图；

图2为本发明一种实施方式本地储能控制器结构图；

图3为本发明一种实施方式信号调理电路的电路原理图；

图4为本发明一种实施方式DSP与本地储能单元控制器的电路连接原理图；

图5为本发明一种实施方式DSP与寄存器模块的电路连接原理图；

图6为本发明一种实施方式DSP与通讯模块的电路连接原理图；

图7为本发明一种实施方式DSP与电源模块的电路连接原理图；

图8为本发明一种实施方式本地直流负载的模拟电路原理图；

图9为本发明一种实施方式本地交流负载的模拟电路原理图；

图10为本发明一种实施方式本地储能单元充电控制方法的流程图；

图11为本发明一种实施方式本地储能单元放电控制方法的流程图；

图12为本发明一种实施方式锁相环电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。

本发明的一个实施方式给出一种小型风光互补抽水蓄能并网发电系统，其结构如图1所示，由发电单元、逆变控制单元、检测单元、并网单元和主控制单元组成。其中，所述的放电单元包括直流风力发电机组、光伏电池板矩阵、蓄电池组、蓄电池控制器、飞轮储能装置、抽水蓄能装置和本地储能单元控制器。其中，所述的直流风力发电机组由至少一个直流风力发电机组成，且直流风力发电机彼此之间可采用串并联结合的混连方式进行连接，每个直流风力发电机组的发电功率控制在1500W；所述的光伏电池板矩阵由至少一个光伏电池板组成，且光伏电池板之间也采用串并联结合的混联方式，每个光伏电池板的发电功率也控制在1500W。所述的飞轮储能装置、抽水蓄能装置以及蓄电池组共同组成本地储能单元，各装置间采用并联方式，用于将直流风力发电机组、光伏电池板矩阵发出的多余电能进行储存，主要作用包括：(1)在电能紧缺的时候充当补充电源；(2)平衡三相逆变器与发电机组的功率差。所述的本地储能单元控制器，对所述本地储能单元的储能顺序、放电顺序及工作状态进行控制，其放电顺序依次为飞轮储能装置、抽水蓄能装置、蓄电池组。

所述的逆变控制单元包括三相逆变器风光互补控制器，用于将直流转换为交流电。

所述的检测单元包括本地交流负载电路和本地直流负载电路，本实施方式中，将本地交流负载和本地直流负载集成于负载模拟箱内，负载模拟箱有5路输入端，其中2路用于输入直流电压和直流电流，另外三路用于输入三相交流电压。

并网单元由并网控制器组成，用于当本地储能单元无法满足电量供应时，将电网电压补充进入供电系统，为本地直流负载及本地交流负载供电。

所述的主控制单元由DSP(中央处理单元)及其外围模块组成，用于发送指令，控制蓄电池控制器、本地储能单元控制器和并网控制器的关断。

本发明的一种实施方式给出小型风光互补抽水蓄能发电系统的信号传递过程：风力发电机组和光伏电池板矩阵之间采用并联方式，直流风力发电机组输出的一路直流电压和一路直流电流传递给风光互补控制器的两个输入端，光伏电池板矩阵输出的一路直流电压和一路直流电流传递给风光互补控制器的另两个输入端；风光互补控制器输出的一路直流电压和一路直流电流传递给本地储能单元控制器的电压、电流输入端和三相逆变器的电压、电流输入端；本地储能单元控制器具有6路输出，3路输出直流电压，3路输出直流电流，其中，第一路直流电压和第一路直流电流输出给蓄电池控制器的两个输入端，第二路直流电流和第二路直流电压输出给飞轮蓄能装置，第三路直流电流和第三路直流电压输出给抽水蓄能装置；所述的蓄电池控制器具有2路输出，一路提供直流电压给蓄电池组，另一路提供直流电流给蓄电池组。

本地直流负载连在风光互补控制器与三相逆变器之间，三相逆变器的三相电压输出端与本地交流负载相连，同时也与并网控制器的三相电压输入端相连，并网控制器的三相电压输出端与电网相连。

本发明的一种实施方式通过在信号采集总线上连接传感器来实现数据的采集。其中，采集到的数据包括：光伏电池板矩阵输出的直流电压、直流电流值；直流风力发电机组输出的直流电压、直流电流值；三相逆变器输出的三相交流电压值；并网控制器与电网的公共耦合节点的三相电压值(所述的公共耦合节点设置在并网控制器的输出端与电网之间)。

所述的信号采集总线将采集到的模拟信号送至信号调制电路，经信号调制电路输出给DSP的A/D转换接口，本地储能单元控制器的脉冲信号输入端连至DSP的第一PWM接口，通过接收DSP发出的PWM波，驱动本地储能单元控制器中PLC芯片实现个储能装置(如蓄电池组、飞轮蓄能装置和抽水蓄能装置)之间的切换；蓄电池控制器的脉冲信号输入端连接DSP的第二PWM接口，蓄电池控制器通过接收DSP发出的PWM波，经过蓄电池控制器中的可控整流电路产生控制电压，通过改变蓄电池的开关线圈中的电流，实现对蓄电池开关状态的控制，实现蓄电池充、放电状态的转换控制；并网控制器的脉冲信号输入端连至DSP的第三PWM接口，并网控制器中的可控整流电路将DSP输出的PWM波转换为相应的直流控制电压，可控整流电路的输出与并网控制器连接，直流控制电压产生的电流信号流经并网控制器的线圈，通过电磁力来改变并网控制器中断路器的状态，实现系统的并网控制。此外，本实施方式还包括数据及地址的存储和数据的通讯，具体为：寄存器模块的输出端与DSP的地址端相连，通讯模块的输入端与DSP的数据端相连，DSP电源模块输出端与DSP电源接口相连。

本发明的一种实施方式给出具体的电路原理图，具体如下：

本发明的一种实施方式，采用直流风力发电机组的型号为SN-500W，采用的光伏电池板的型号为SN-150W，风光互补控制器的型号为WWS06A-24-R-C，本地储能单元控制器中的PLC的型号为西门子S7-200，蓄电池采用铅酸蓄电池，蓄电池的型号为6-GFM-200Ah，所述的蓄电池彼此之间并联，组成蓄电池组。

本地储能单元的电路原理图如图2所示，本地储能单元储能模式控制的核心为一个本地储能单元控制器，它是一个由PLC芯片构成的充放电装置切换开关。风光互补控制器输出一路直流电压和一路直流电流给本地储能单元控制器中的PLC，PLC具有6路输出信号，其中，PLC的Q0.0输出端、Q0.1输出端分别连接蓄电池控制器的两个输入端，为蓄电池控制器提供一路直流电流和一路直流电压；PLC的Q0.2输出端、Q0.3输出端分别连接飞轮储能装置的两个输入端，为飞轮储能装置提供一路直流电流和一路直流电压；PLC的Q0.4输出端、Q0.5输出端分别连接抽水蓄能装置的两个输入端，为抽水蓄能装置提供一路直流电流和一路直流电压。

信号采集总线采集18路信号给信号调理电路送给DSP进行处理，其中，位于三相逆变器与并网控制器之间的信号调理电路如图3所示，三相逆变器的型号为YTP-1000-I，其输出端连接信号调理电路的1a端、1b端和1c端，信号调理电路的输出端OUTa、OUTb和OUTc端分别连接DSP的数据输入端OUTa、OUTb和OUTc端。

本发明的一种实施方式采用DSP的型号为TMS320F2407A，DSP的第一PWM接口包括PWM1端口、PWM2端口、PWM3端口和PWM4端口，分别连接本地储能单元控制器的I0.0端、I0.1端、I0.2端和I0.3端，输出的脉冲信号用于控制本地储能单元控制器的关断，如图4所示；

所述的主控制单元DSP的外围模块包括信号调理电路、寄存器模块、通讯模块和DSP电源模块，其具体连接关系如下：

寄存器模块主要储存系统运行状态参数，包括数据和地址，本发明的一种实施方式采用IS61LV16416型号存储器，DSP与寄存器模块的连接如图5所示，DSP的地址端A0～A14连接寄存器模块的地址端A0～A14，DSP的地址端A15与寄存器模块的地址端A15连接，DSP的PS端连接寄存器模块的地址端A16，DSP的

端与寄存器模块的

端连接(此外，还包括常规的连接，例如：DSP的端与寄存器模块的片选

端连接，寄存器模块的

端接地)，实现地址和数据的存储功能。

本发明的一种实施方式采用的通讯模块的型号为MAX485，负责DSP与上位机之间的通讯，该芯片采用RS485协议建立DSP与上位机之间的通讯协议，DSP与通讯模块的连接如图6所示，DSP的数据端SCI/RXD、SCI/TXD分别连接通讯模块的输入端RO和DI(此外，还包括常规的连接，通讯模块的片选端连接DSP的PC2端，通讯模块的DE端连接第一电阻R1后接电源)。

DSP与电源模块的连接如图7所示，本发明的一种实施方式采用电源分配开关芯片的型号为TPS767D301，其输出端OUT1处电压经调理后(VDD1.9V)接DSP的Vcore口，输出端OUT2处电压经调理后(VDD3.3V)接DSP的VI/O口。

本发明的一种实施方式给出本地直流负载和本地交流负载的模拟电路原理图，所述的本地直流负载的模拟电路如图8所示，包括3个直流灯泡和2个直流电动机，其连接关系为：第一直流灯泡的一端连接第二直流灯泡一端、第一直流电动机一端、第二直流电动机一端和第三直流灯泡一端，第一直流灯泡的另一端连接第二直流灯泡的另一端、第一直流电动机的另一端、第二直流电动机的另一端和第三灯泡的另一端，即至少一个直流灯泡与至少一个直流电动机并联连接构成本地直流负载。

本发明的一种实施方式给出本地交流负载的模拟电路原理图，如图9所示，为三相三线制的星型连接方式，包括一个三相三线阻抗固定的主负载R1、两个三相三线阻抗可变的调节负载R2和R3、一个三相三线交流电动机、两个电感L1和L2、阻值可变的电阻R4、阻值固定的电阻R5，电容C和可变电容C2，其连接关系为：在导线的AB相间接有阻值可变的电阻R4，在导线的BC相间接有阻值固定的电阻R5，三相三线交流电机定子接线端中A相接有三相三线阻抗固定的主负载R1、三相三线阻抗可变的调节负载R2和R3，三相三线交流电机定子接线端中B相接有电容C、三相三线交流电动机

和可变感抗L3，三相三线交流电机定子接线端中C相接有电感L1、电感L2和可变电容C2。三相三线阻抗固定的主负载R1、电容C和电感L1并联，三相三线阻抗可变的调节负载R2、三相三线交流电动机

和电感L2并联，三相三线阻抗可变的调节负载R3、可变电感L3和可变电容C2并联。

本发明的一种实施方式，给出本地储能单元充电控制方法的流程，如图10所示。该流程开始于步骤1001。在步骤1002，进行初始参数的设置，所述的参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄。

在步骤1003，对采样数据进行处理，得到各节点的电压、电流和功率值，所述的各节点具体是指：光伏电池板矩阵与直流风力发电机组的输出端为第一结点，风光互补控制器的输出端为第二节点、三相逆变器的输出端为第三节点、并网控制器的输出端为第四节点。利用信号采集总线采集上述四个节点的电压及电流值，计算出风光互补控制器输出端功率P_out、逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P(即并网控制器的输出端)以及上述各采样节点电压、电流值。

在步骤1004，计算可供本地储能单元储存的电量W，公式如下：

W＝(P_out-P_in′)T

式中，T为储存能量供电时间。

在步骤1005：根据初始化参数飞轮最大角速度ω_max和响应时间t计算飞轮蓄能装置最大容量W_max，计算公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

式中，R₁、R₂分别为飞轮内外半径。

在步骤1006：根据初始化参数抽水蓄能设备中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置储能最大容量W_max′，计算公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

式中，ρ_水为水的密度，g为重力加速度，S为上位水库底面积，h上位水库实时水位高度。

在步骤1007：判断风光互补控制器输出端功率P_out和三相逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则不对本地储能单元进行充电，执行步骤1016；否则，执行步骤1008。

在步骤1008：对W及W_max进行判断，如果W＜W_max，执行步骤1009；否则，执行步骤1010。

在步骤1009：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将飞轮蓄能装置接通，进行储能操作。

在步骤1010：对W及W_max′进行判断，如果W＜W_max′，执行步骤1011；否则，执行步骤1012。

在步骤1011：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行抽水蓄能操作；

在步骤1012：对W及W_蓄进行判断，如果W＜nW_蓄，执行步骤1013；否则，执行步骤1015。

在步骤1013：比较风光互补控制器输出电压V和蓄电池额定充电电压V_蓄，如果V＜V_蓄，执行步骤1014，否则，执行步骤1015。

在步骤1014：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将蓄电池控制器接通，蓄电池组开始充电，执行步骤1016。

在步骤1015：将多余电能通过卸荷电路进行放电。

在步骤1016：结束。

本地储能单元放电控制方法的流程如图11所示，该流程开始于步骤1101。在步骤1102，设置初始参数，所述的初始参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄。

在步骤1103：计算风光互补控制器输出端功率P_out、逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P以及各采样节点电压、电流。其中，各采样节点的电压和电流分别是指：光伏电池板矩阵输出的直流电压和电流值，直流风力发电机组输出的直流电压和电流值，风光互补控制器输出的直流电压和电流值，三相逆变器输出的三相交流电压和电流值，并网控制器输出的三相交流电压和电流值。

在步骤1104，计算本地储能单元应提供能量容量W′，公式为：

W′＝(P_out-P_in′)T

在步骤1105，根据飞轮最大角速度ω_max和响应时间t，计算飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max，公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

在步骤1106，根据抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′，公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

在步骤1107，判断风光互补控制器输出端功率P_out和逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则本地储能单元不进行放电操作，执行步骤1116；否则，DSP发出PWM波驱动本地储能单元控制器进行工作，执行步骤1108。

在步骤1108，对W′及飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max进行比较，如果W′＜W_max，执行步骤1109；否则，执行步骤1110。

在步骤1109：本地储能单元控制器将飞轮储能装置接通，进行放电操作，执行步骤1116。

在步骤1110：对W′及抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′进行比较，如果满足W′＜W_max′，则执行步骤1111，否则，执行步骤1112。

在步骤1111，本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行放电操作。

在步骤1112，对W′及W_蓄进行判断，如果满足W′＜nW_蓄，执行步骤1113，否则，执行步骤1115。

在步骤1113，比较蓄电池放电电压V和蓄电池浮冲电压V_浮，如果满足V＜V_浮，执行步骤1114；否则，执行步骤1115。

在步骤1114：DSP发出PWM波驱动蓄电池控制器，蓄电池组开始放电。

在步骤1115：DSP发出PWM波驱动并网控制器开启，利用电网电能补充系统不足的电能。

步骤1116：结束。

本发明的一种实施方式，利用图1～图9所示的结构及电路原理图、图9～图10所描述的流程图，可实现的充放电控制过程，此外还包括蓄电池控制器的控制过程、逆变控制过程和并网控制过程，具体如下：

蓄电池控制器的控制过程是：风光互补控制器中的直流升压电路将光伏电池板矩阵和直流风力发电机组发出的直流电压和电流调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入TMS320F2407A的ADCIN02～03接口，在本地储能单元工作过程中，当飞轮储能装置及抽水蓄能装置工作结束后，比较此时所需存储或发出的能量与蓄电池可储存电能的最大容量，若需要蓄电池储能装置工作，则TMS320F2407A输出引脚PWM02～03产生相应的PWM波，控制蓄电池控制器的开关K1、K2的处于导通或关断状态，使蓄电池组正常工作(例如充电或放电)。

逆变控制过程是：本发明的一种实施方式利用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采集三相逆变器输出端的线电压和线电流。采集的线电压先经过锁相环电路，具体连接如图12所示，锁相后的线电压和线电流信号经信号调制电路，调理成0～+5V范围的电压、电流信号输入TMS320F2407A的ADCIN04～09接口，DSP内部对送入的数据执行电能质量分析(例如，谐波分析、瞬时功率计算等)，根据分析结果，输出引脚PWM04～09产生相应的PWM波，控制三相逆变器内部的6个IGBT功率管的开断频率，使得逆变器的输出电能质量高，逆变器的运行效率大。

并网控制过程是：电网的三相线电压和线电流经过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采集后，经信号调制处理电路，调理成0～+5V范围的电压、调理后的信号输入TMS320F2407A的ADCIN10～15接口，DSP对送入的数据执行孤岛检测，依据执行结果输出引脚PWM10～15产生相应的PWM波，控制并网控制器中断路器的状态，实现系统运行状态的切换。

在图10和图11所示的流程图的基础上，对于一个本领域内熟练的技术人员无需创造性的工作即可开发出一个或者更多的软件，且所开发的软件置于DSP中，这样开发出的软件将执行图10所示的充电方法及图11所示的放电方法，实现对本地储能单元的充电和放电过程。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种小型风光互补抽水蓄能并网发电系统的充放电控制方法，其特征在于：包括本地储能单元充电控制方法，过程如下：

步骤1-1：设置初始参数，所述的初始参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄；

步骤1-2：计算风光互补控制器输出端功率P_out、三相逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P以及各采样节点电压、电流；

步骤1-3：计算可供本地储能单元储存的电量W，公式为：

W＝(P_out-P_in′)T

式中，T为储存能量供电时间；

步骤1-4：根据飞轮最大角速度ω_max和响应时间t，计算飞轮储能装置的最大容量W_max，公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

式中，R₁、R₂分别为飞轮内外半径；

步骤1-5：根据抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置储能最大容量W_max′，公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

式中，ρ_水为水的密度，g为重力加速度，S为上位水库底面积，h上位水库实时水位高度；

步骤1-6：判断风光互补控制器输出端功率P_out和三相逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则不对本地储能单元进行充电，执行步骤1-15；否则，执行步骤1-7；

步骤1-7：对W及W_max进行判断，如果W＜W_max，执行步骤1-8；否则，执行步骤1-9；

步骤1-8：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将飞轮储能装置接通，进行储能操作；

步骤1-9：对W及W_max′进行判断，如果W＜W_max′，执行步骤1-10；否则，执行第1-11步；

步骤1-10：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行抽水蓄能操作；

步骤1-11：对W及W_蓄进行判断，如果W＜nW_蓄，执行步骤1-12；否则，执行步骤1-13；

步骤1-12：比较风光互补控制器输出电压V和蓄电池额定充电电压V_蓄，如果V＜V_蓄，执行步骤1-13，否则，执行步骤1-15；

步骤1-13：DSP发出PWM波，命令本地储能单元控制器将蓄电池控制器接通，蓄电池组开始充电，执行步骤1-15；

步骤1-14：将多余电能通过卸荷电路进行放电；

步骤1-15：结束。

2.一种小型风光互补抽水蓄能并网发电系统的充放电控制方法，其特征在于：还包括本地储能单元放电控制方法，过程如下：

步骤2-1：设置初始参数，所述的初始参数包括：飞轮最大角速度ω_max和响应时间t、抽水蓄能装置中水位的最大高度h_max、蓄电池额定充电电压V_蓄以及容量W_蓄；

步骤2-2：计算风光互补控制器输出端功率P_out、三相逆变器输入端功率P_in′和输出功率P′_out、并网节点功率P以及各采样节点电压、电流；

步骤2-3：计算本地储能单元应提供能量容量W′，公式为：

W′＝(P_out-P_in′)T

步骤2-4：根据飞轮最大角速度ω_max和响应时间t，计算飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max，公式如下：

$W_{\max }={4\mathrm{\π\ω}}_{\max }^2(R_1^2+R_2^2)t$

步骤2-5：根据抽水蓄能设备中水位的最大高度h_max，计算抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′，公式如下：

W_max′＝ρ_水gSh·h_max

步骤2-6：判断风光互补控制器输出端功率P_out和三相逆变器输入端功率P_in′是否相等，如果相等，则本地储能单元不进行放电操作，执行步骤2-15；否则，DSP发出PWM波驱动本地储能单元控制器进行工作，执行步骤2-7；

步骤2-7：对W′及飞轮蓄能装置可提供能量最大容量W_max进行比较，如果W′＜W_max，执行步骤2-8；否则，执行步骤2-9；

步骤2-8：本地储能单元控制器将飞轮蓄能装置接通，进行放电操作，执行步骤2-15；

步骤2-9：对W′及抽水蓄能装置可提供能量最大容量W_max′进行比较，如果满足W′＜W_max′，则执行步骤2-10，否则，执行步骤2-11；

步骤2-10：本地储能单元控制器将抽水蓄能装置接通，进行放电操作；

步骤2-11：对W′及W_蓄进行判断，如果满足W′＜nW_蓄，执行步骤2-12，否则，执行步骤2-14

步骤2-12：比较蓄电池放电电压V和蓄电池浮冲电压V_浮，如果满足V＜V_浮，执行步骤2-13；否则，执行步骤2-14；

步骤2-13：DSP发出PWM波驱动蓄电池控制器，蓄电池组开始放电；

步骤2-14：DSP发出PWM波驱动并网控制器开启，利用电网电能补充系统不足的电能；

步骤2-15：结束。

3.实现权利要求1或2所述的充、放电控制方法的小型风光互补抽水蓄能并网发电系统，包括：发电单元、逆变控制单元、并网单元和主控制单元；

所述的放电单元包括直流风力发电机组、光伏电池板矩阵、蓄电池组、蓄电池控制器、飞轮储能装置、抽水蓄能装置和本地储能单元控制器；

所述的逆变控制单元包括三相逆变器风光互补控制器，用于将直流转换为交流电；

并网单元由并网控制器组成，用于当本地储能单元无法满足电量供应时，将电网电压补充进入供电系统，为本地直流负载及本地交流负载供电；

所述的主控制单元由中央处理单元及其外围模块组成，用于发送指令，控制蓄电池控制器、本地储能单元控制器和并网控制器的关断；

其特征在于：还包括检测单元，由本地交流负载电路和本地直流负载电路组成。

4.根据权利要求3所述的小型风光互补抽水蓄能并网发电系统，其特征在于：所述的本地直流负载电路，包括至少一个直流灯泡和至少一个直流电动机，且直流灯泡与直流电动机以并联方式连接。

5.根据权利要求3所述小型风光互补抽水蓄能并网发电系统，其特征在于：所述的本地交流负载电路，为三相三线制的星型连接方式，包括至少一个三相三线阻抗固定的主负载R1、至少两个三相三线阻抗可变的调节负载R2和R3、至少一个三相三线交流电动机、至少两个电感、至少一个可变电感、阻值可变的电阻、阻值固定的电阻，至少一个电容和至少一个可变电容，其连接关系为：在导线的AB相间接有阻值可变的电阻，在导线的BC相间接有阻值固定的电阻，三相三线交流电机定子接线端中A相接有三相三线阻抗固定的主负载、第一三相三线阻抗可变的调节负载和第二三相三线阻抗可变的调节负载；三相三线交流电机定子接线端中B相接有电容、三相三线交流电动机和可变电感；三相三线交流电机定子接线端中C相接有第一电感、第二电感和可变电容；三相三线阻抗固定的主负载、电容和第一电感并联，第一三相三线阻抗可变的调节负载、三相三线交流电动机和第二电感并联，第二三相三线阻抗可变的调节负载、可变电感和可变电容并联。

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