CN102769303B - 独立式海岛供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力控制技术领域中的一种独立式海岛供电系统，用于解决偏远海岛上的供电需求。包括供电装置、控制中心和电能控制器；供电装置包括波浪能发电单元、第一逆变器、海流能发电单元、第二逆变器、第一蓄电池组单元、第一双向斩波器、第二蓄电池组单元、第二双向斩波器、飞轮储能单元和第三双向逆变器；第一蓄电池组单元和第二蓄电池组单元交替充放电，电能控制器根据有功功率-频率下垂控制系数和无功功率-电压下垂控制系数控制第一蓄电池组单元或第二蓄电池组单元输出电压和电流，电能控制器根据设定的有功功率和设定的无功功率控制波浪能发电单元和海流能发电单元输出电压和电流。本发明解决了偏远海岛的供电问题。
Description
技术领域
本发明属于电力控制技术领域，尤其涉及一种独立式海岛供电系统。
背景技术
随着全球常规能源的日益枯竭以及使用化石能源所带来的一系列环境问题，人类必须寻找清洁的、可持续发展的能源道路。海洋能作为一种清洁的可再生能源，已成为世界主要沿海国家能源战略的重要组成部分。“十二五”是我国海洋事业加快发展的重要时期，也是推动经济结构优化升级、转变经济发展方式的关键时期，我们应紧跟世界海洋能源发展的步伐，以高端技术、高端产品和高端产业为引领，提高海洋可再生能源开发利用的核心竞争力，优化我国能源生产和消费结构，促进经济社会的可持续发展。
目前，由于海洋能源有典型的不稳定性和分散性，单一的海洋能源利用装置大都存在着投资大、规模小、获益能力低以及输出功率不稳定等诸多缺陷，严重制约了海洋能源利用产业的快速发展。因此，研究高效的多能源互补利用装置和装置的并网技术、降低海洋能源开发成本、提高输出稳定性，是海洋能源综合开发利用所关注的重点问题。经过前期大量调研，基于波浪能、海流能在资源区和时间上具有的重合性以及在不同季节和时间上具有的互补性，于是提出了波浪能与海流能互补开发利用的方案，实现这两种能源形式的互补结合，降低能源开发成本，提高能源输出稳定性，并希望通过研究，探寻一条海上多能源综合开发的新思路。
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的电力系统，微网内部的微电源主要是由电力电子器件负责能量的流动转换，并提供必要的控制技术，其相对于外部大电网表现为孤立的受控单元，并可以同时满足用户对供电电能质量和供电安全性能等的要求。微电网技术能够提供传统的电力系统无法比拟的可靠性及经济性，具有污染很少、可靠性较高、能源的利用效率高。微电网是高效利用可再生能源的发电，发挥可再生能源的优势的重要途径，通过在海岛上建立以海洋能为主要分布式电源的微电网，可以解决偏远海岛上的供电需求。基于海洋能的供电系统的建立将在诸如民生改善、能源结构、社会经济等多个方面产生重要的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种独立式海岛供电系统，用于解决偏远海岛上的供电需求。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种独立式海岛供电系统，其特征是所述供电系统包括供电装置、控制中心和电能控制器；
所述供电装置包括波浪能发电单元、第一逆变器、海流能发电单元、第二逆变器、第一蓄电池组单元、第一双向逆变器、第二蓄电池组单元、第二双向逆变器、飞轮储能单元和第三双向逆变器；
所述波浪能发电单元和第一逆变器相连，用于通过海洋波浪产生直流电；
所述第一逆变器分别与波浪能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将波浪能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；
所述海流能发电单元和第二逆变器相连，用于通过海洋洋流产生直流电；
所述第二逆变器分别与海流能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将海流能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；
所述第一蓄电池组单元和第一双向逆变器相连，第一双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；当第一蓄电池组单元放电时，第一双向逆变器用于将第一蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第一蓄电池组单元充电时，第一双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第一蓄电池组单元；
所述第二蓄电池组单元和第二双向逆变器相连，第二双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；当第二蓄电池组单元放电时，第二双向逆变器用于将第二蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第二蓄电池组单元充电时，第二双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第二蓄电池组单元；
所述第一蓄电池组单元放电时，第二蓄电池组单元进行充电，所述第二蓄电池组单元充电时，第一蓄电池组单元进行放电；
所述飞轮储能单元和第三双向逆变器相连，第三双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；飞轮储能单元用于在第一蓄电池组单元和第二蓄电池组单元进行充放电切换时，平滑交流母线上的功率；当飞轮储能装置放电时，第三双向逆变器用于将飞轮储能装置产生的直流电转换为交流电并输出到交流母线，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当飞轮储能装置充电时，第三双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为直流电并输出到飞轮储能装置中；
所述电能控制器分别与控制中心、第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器相连，用于将第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息发送到控制中心，接收控制中心发送的控制指令并将控制指令发送到第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器；
所述控制中心与电能控制器相连，用于接收并存储电能控制器发送的第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息，并根据上述信息计算有功功率-频率下垂控制系数、无功功率-电压下垂控制系数、设定的有功功率和设定的无功功率，并根据计算结果生成控制指令，然后将所述控制指令发送到电能控制器。
所述供电系统包括微电源控制器，所述微电源控制器分别与波浪能发电单元和海流能发电单元相连，用于控制波浪能发电单元和海流能发电单元的启动和停止。
所述波浪能发电单元包括顺序相连的波浪能发电机组、第一整流器和第一斩波器，第一斩波器与第一逆变器相连；波浪能发电机组用于通过海洋波浪产生交流电，第一整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第一斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
所述海流能发电单元包括顺序相连的海流能发电机组、第二整流器和第二斩波器，第二斩波器与第二逆变器相连；海流能发电机组用于通过海洋洋流产生交流电，第二整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第二斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
所述第一蓄电池组单元包括顺序连接的第一蓄电池组和第一双向斩波器，第一双向斩波器和第一双向逆变器相连；第一蓄电池组用于充电和放电；当第一蓄电池组放电时，第一双向斩波器用于将第一蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第一蓄电池组充电时，第一双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第一蓄电池组。
所述第二蓄电池组单元包括顺序连接的第二蓄电池组和第二双向斩波器，第二双向斩波器和第二双向逆变器相连；第二蓄电池组用于充电和放电；当第二蓄电池组放电时，第二双向斩波器用于将第二蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第二蓄电池组充电时，第二双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第二蓄电池组。
本发明选用波浪能发电单元和海流能发电单元构成互补的发电系统，提高了能源输出的稳定性，并增加了发电容量；选用两组蓄电池组单元分别进行充放电，保证了供电系统长时间稳定运行；选用飞轮储能单元，可以平滑两组蓄电池组单元充放电时产生功率变化，确保供电系统的稳定运行。
附图说明
图1是供电装置结构图；
图2是供电系统结构示意图；
图3是主从电源控制策略图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提供的独立式海岛供电系统包括供电装置、控制中心和电能控制器。
图1是供电装置结构图，图1中，供电装置包括波浪能发电单元、第一逆变器、海流能发电单元、第二逆变器、第一蓄电池组单元、第一双向斩波器、第二蓄电池组单元、第二双向斩波器、飞轮储能单元和第三双向逆变器。
波浪能发电单元和第一逆变器相连，用于通过海洋波浪产生直流电。第一逆变器分别与波浪能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将波浪能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器。
波浪能发电单元包括顺序相连的波浪能发电机组、第一整流器和第一斩波器，第一斩波器与第一逆变器相连；波浪能发电机组用于通过海洋波浪产生交流电，第一整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第一斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
海流能发电单元和第二逆变器相连，用于通过海洋洋流产生直流电。第二逆变器分别与海流能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将海流能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器。
海流能发电单元包括顺序相连的海流能发电机组、第二整流器和第二斩波器，第二斩波器与第二逆变器相连；海流能发电机组用于通过海洋洋流产生交流电，第二整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第二斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
第一蓄电池组单元和第一双向斩波器相连，第一双向斩波器分别与交流母线和电能控制器相连；当第一蓄电池组单元放电时，第一双向逆变器用于将第一蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第一蓄电池组单元充电时，第一双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第一蓄电池组单元。
第一蓄电池组单元包括顺序连接的第一蓄电池组和第一双向斩波器，第一双向斩波器和第一双向逆变器相连；第一蓄电池组用于充电和放电；当第一蓄电池组放电时，第一双向斩波器用于将第一蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第一蓄电池组充电时，第一双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第一蓄电池组。
第二蓄电池组单元和第二双向斩波器相连，第二双向斩波器分别与交流母线和电能控制器相连；当第二蓄电池组单元放电时，第二双向逆变器用于将第二蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第二蓄电池组单元充电时，第二双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第二蓄电池组单元。
第二蓄电池组单元包括顺序连接的第二蓄电池组和第二双向斩波器，第二双向斩波器和第二双向逆变器相连；第二蓄电池组用于充电和放电；当第二蓄电池组放电时，第二双向斩波器用于将第二蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第二蓄电池组充电时，第二双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第二蓄电池组。
第一蓄电池组单元放电时，第二蓄电池组单元进行充电，所述第二蓄电池组单元充电时，第一蓄电池组单元进行放电。
飞轮储能单元和第三双向逆变器相连，第三双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；飞轮储能单元用于在第一蓄电池组单元和第二蓄电池组单元进行充放电切换时，平滑交流母线上的功率；当飞轮储能装置放电时，第三双向逆变器用于将飞轮储能装置产生的直流电转换为交流电并输出到交流母线，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当飞轮储能装置充电时，第三双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为直流电并输出到飞轮储能装置中。
如图1所示，各个逆变器并联在交流母线上，其中波浪能发电装置和海流能发电装置，通过整流器、斩波器和逆变器转换输出电能，其中对逆变器进行控制，跟随系统电压和频率的变化进行功率控制；蓄电池通过双向斩波器和双向逆变器进行充放电，当其中蓄电池组A（第一蓄电池组）放电时充当主电源，为系统提供刚性的电压和频率，当放电到容量剩余50%时蓄电池组B（第二蓄电池组）进行放电，担任主电源的角色，蓄电池组A进行充电；飞轮储能含有一定的存储量，通过双向逆变器并联在交流母线上，平滑母线功率波动；负载分为重要负载和非重要负载，当供电小于用电时，可切断非重要负载，也可为重要负载备用柴油发电机，保证其可连续工作。
图2是供电系统结构示意图。图2中，电能控制器分别与控制中心、第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器相连，用于将第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息发送到控制中心，接收控制中心发送的控制指令并将控制指令发送到第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器。
如图2所示，控制中心与电能控制器相连，用于接收并存储电能控制器发送的第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息，并根据上述信息计算有功功率-频率下垂控制系数、无功功率-电压下垂控制系数、设定的有功功率和设定的无功功率，并根据计算结果生成控制指令，然后将所述控制指令发送到电能控制器。
如图2所示供电系统包括微电源控制器，所述微电源控制器分别与波浪能发电单元和海流能发电单元相连，用于控制波浪能发电单元和海流能发电单元的启动和停止。
如图2所示，整个供电系统分为三层，中央控制层、电能控制层、微电源控制层，其中中央控制层有上位机和数据库，上位机汇集各个环节的信息，监视整个供电系统的运行状态，并将数据存于数据库中，给出电能控制层调度信号，调整主电源的下垂控制系数和从电源的功率设定值，控制蓄电池组的充放电；电能控制层进行电气信息采集，同时对各电力电子设备分别进行恒频恒压控制和恒功率控制；微电源控制层对海洋能转换装置进行发电量控制和启停控制。
图3是主从电源控制策略图。图3说明了主从控制的工作过程，其中各单元的逆变器采用电压源型电压控制SPWM技术，核心的控制策略是下垂控制策略，主从电源的逆变器不仅要采集输出端的电压电流信息，还要接受电能控制器的控制，电能控制器通过通讯线路与蓄电池组A、B（主电源）、波浪能发电装置、海流能发电装置（从电源）的逆变器相连，两级间每隔一定的时间进行信息交换，电能控制器接受中央控制中心的指令，为主电源提供有功功率-频率下垂控制系数kp和无功功率-电压下垂控制系数Kq，为从电源提供有功功率和无功功率的设定值。当微网内负载发生变化时，由中央控制器根据检测到的负载端的电气量并结合对主从电源的发电量和负荷的需求量的预测，对电能控制器发出指令，电能控制器根据负荷变化调整主电源的下垂控制系数，让主电源调整输出功率快速跟踪负荷功率变化，避免频率发生大的偏移，同时计算功率的变化量，根据现有的发电单元的可用量来调节从电源的功率设定值，改变它们的输出功率，从电源输出功率增大时，主电源的输出功率相应的减小，从而保证主电源有足够的能量来调节瞬时功率的变化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种独立式海岛供电系统，其特征是所述供电系统包括供电装置、控制中心和电能控制器；
所述供电装置包括波浪能发电单元、第一逆变器、海流能发电单元、第二逆变器、第一蓄电池组单元、第一双向逆变器、第二蓄电池组单元、第二双向逆变器、飞轮储能单元和第三双向逆变器；
所述波浪能发电单元和第一逆变器相连，用于通过海洋波浪产生直流电；
所述第一逆变器分别与波浪能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将波浪能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；
所述海流能发电单元和第二逆变器相连，用于通过海洋洋流产生直流电；
所述第二逆变器分别与海流能发电单元、电能控制器和交流母线相连，用于将海流能发电单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；
所述第一蓄电池组单元和第一双向逆变器相连，第一双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；当第一蓄电池组单元放电时，第一双向逆变器用于将第一蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第一蓄电池组单元充电时，第一双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第一蓄电池组单元；
所述第二蓄电池组单元和第二双向逆变器相连，第二双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；当第二蓄电池组单元放电时，第二双向逆变器用于将第二蓄电池组单元产生的直流电转换为交流电并根据电能控制器输出的控制指令确定输出到交流母线的电压和电流的大小，然后输出相应的电压和电流，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当第二蓄电池组单元充电时，第二双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为电压可变的直流电并输出到第二蓄电池组单元；
所述第一蓄电池组单元放电时，第二蓄电池组单元进行充电，所述第二蓄电池组单元充电时，第一蓄电池组单元进行放电；
所述飞轮储能单元和第三双向逆变器相连，第三双向逆变器分别与交流母线和电能控制器相连；飞轮储能单元用于在第一蓄电池组单元和第二蓄电池组单元进行充放电切换时，平滑交流母线上的功率；当飞轮储能装置放电时，第三双向逆变器用于将飞轮储能装置产生的直流电转换为交流电并输出到交流母线，同时采集输出的电压和电流信息并将采集的电压和电流信息发送至电能控制器；当飞轮储能装置充电时，第三双向逆变器用于将交流母线的交流电转换为直流电并输出到飞轮储能装置中；
所述电能控制器分别与控制中心、第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器相连，用于将第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息发送到控制中心，接收控制中心发送的控制指令并将控制指令发送到第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器；
所述控制中心与电能控制器相连，用于接收并存储电能控制器发送的第一逆变器、第二逆变器、第一双向逆变器、第二双向逆变器和第三双向逆变器采集的电压和电流信息，并根据上述信息计算有功功率-频率下垂控制系数、无功功率-电压下垂控制系数、设定的有功功率和设定的无功功率，并根据计算结果生成控制指令，然后将所述控制指令发送到电能控制器。
2.根据权利要求1所述的独立式海岛供电系统，其特征是所述供电系统包括微电源控制器，所述微电源控制器分别与波浪能发电单元和海流能发电单元相连，用于控制波浪能发电单元和海流能发电单元的启动和停止。
3.根据权利要求1或2所述的独立式海岛供电系统，其特征是所述波浪能发电单元包括顺序相连的波浪能发电机组、第一整流器和第一斩波器，第一斩波器与第一逆变器相连；波浪能发电机组用于通过海洋波浪产生交流电，第一整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第一斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
4.根据权利要求1或2所述的独立式海岛供电系统，其特征是所述海流能发电单元包括顺序相连的海流能发电机组、第二整流器和第二斩波器，第二斩波器与第二逆变器相连；海流能发电机组用于通过海洋洋流产生交流电，第二整流器用于将交流电转换为电压固定的直流电；第二斩波器用于将电压固定的直流电转换为电压可变的直流电。
5.根据权利要求1或2所述的独立式海岛供电系统，其特征是所述第一蓄电池组单元包括顺序连接的第一蓄电池组和第一双向斩波器，第一双向斩波器和第一双向逆变器相连；第一蓄电池组用于充电和放电；当第一蓄电池组放电时，第一双向斩波器用于将第一蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第一蓄电池组充电时，第一双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第一蓄电池组。
6.根据权利要求1或2所述的独立式海岛供电系统，其特征是所述第二蓄电池组单元包括顺序连接的第二蓄电池组和第二双向斩波器，第二双向斩波器和第二双向逆变器相连；第二蓄电池组用于充电和放电；当第二蓄电池组放电时，第二双向斩波器用于将第二蓄电池组产生的电压固定的直流电转换为电压可变的直流电；当第二蓄电池组充电时，第二双向斩波器用于将电压可变的直流电转换为电压固定的直流电并输出到第二蓄电池组。
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