CN103532164A - 风光柴互补型交直流智能微电网系统 - Google Patents

Abstract

风光柴互补型交直流智能微电网系统，由风力发电子系统(1)、太阳能PV发电子系统(2)、柴油发电机子系统(3)、蓄电池或超级电容器储能子系统(4)、变流器子系统(5)等组成，能稳定提供交流电和直流电两种电能，系统采用以风光电为主、柴油机发电为辅、蓄电池用量少的新互补结构建立微电网，风光电比重可超过80％以上而稳定供电，一反目前以柴油发电为主的传统互补系统，为解决不稳定的风光电并网提出了新的途径，也是新能源分布电网的一种全新系统构思。

Description

风光柴互补型交直流智能微电网系统

发明领域

本发明属于电学中电力的发电、变电或配电，属于常规发电和新能源发电技术领域，涉及新能源发电、变流、用电和电网的自动控制，具体来说是一种由风力发电、太阳能PV发电和传统柴油发电机所组成的复合型微电网系统。

背景技术

由于风光新能源是不稳定的自然能量，必然会受到随机波动影响，因此在并网时受到大电网的诟病，自成发电体系又会受储能电池价格和性能上的约束，不得不以采用互补技术来减少能量波动，目前的互补发电主要是风光柴三者中的二互补发电系统，例如风光互补、光柴互补或风柴互补，而风光柴三互补发电系统难度较大、应用较少；在牵涉到以柴油发电机为互补的新能源系统中，大都以采用柴油发电为主而以风光电为辅的技术路线，风光电占比仅在20％以内，目的仅仅是节省柴油消耗，风光电只起配角作用，未能发挥新能源的积极作用；此外，当风光电能超过用电负荷，且蓄电池也已充足电时，风光电也不能加以有效利用，只能白白浪费掉，造成弃电损失。

发明内容

本发明的目的是构建一个以新能源发电为主体、发电和用电平衡的风光柴互补型交直流智能微电网系统，系统由风力发电子系统(1)、太阳能PV发电子系统(2)、柴油发电机子系统(3)、蓄电池或超级电容器储能子系统(4)、变流器子系统(5)、智能微电网控制子系统(6)、电网并车子系统(7)组成，其特征为，由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)分别并联连接到蓄电池或超级电容器储能子系统(4)；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)并联连接到变流器子系统(5)，变流器子系统(5)将蓄电池或超级电容器储存的直流电逆变成为交流电，并通过电网并车子系统(7)构成一个标准交流电微电网系统；同时，柴油发电机子系统(3)也能通过电网并车子系统(7)接入微电网系统；系统是以风电和/或光电为主体的风柴互补、光柴互补或风光柴互补型、能同时不间断地向负荷稳定输出交直流功率的电网系统。

与传统风光互补、风柴互补、光柴互补或风光柴互补发电系统相比，本发明的系统不但消除了新能源发电系统的不稳定性，从而使风电、光电的比重远大于传统系统，实际上将传统系统中的风光电的配角地位上升到主角位置，有利于更好发挥清洁能源的效能，也能大量节约柴油燃料，同时本发明系统能根据负荷需要同时提供交流电和直流电不同电制的电能，减少转换损失，一举获得节能和节材的双重积极效果。

附图说明

图1、本发明系统的系统结构框图。

图2、带有平衡负荷子系统的系统结构框图。

图3、带有MPPT最大功率跟踪功能的直流局部结构框图。

具体实施方式

图1为本发明系统的系统结构框图。图中，风力发电子系统(1)采用同步交流风力发电机，发电机在风流动能驱动下旋转发电，输出非恒频交流电，经整流器整流成直流电，向蓄电池或超级电容器充电，整流器可以是不可控整流器，也可以是可控整流器。由于太阳能PV发电子系统(2)所产出的已经是直流电，只要电压电流合适就可以接入系统，无需整流器。二者都可用于对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)充电储能。直流电可以直接用于部分用电负荷，例如LED照明灯、水电解制氢、或通过加热电阻产热等。但是，由于大多数用电设备必须由220V或380V标准电压的工频交流电供电，为此，本发明系统中还将蓄电池或超级电容器储能子系统(4)后接变流器子系统(5)，变流器子系统(5)将蓄电池或超级电容器中的直流电能逆变产生标准电压的工频交流电，交流电通过电网并车子系统(7)到达交流电输出终端，利用该交流电输出，系统又可以得到交流电供电，从而建立能同时提供不间断的交流电和直流电的互补型新能源微电网系统。

本发明的稳定供电是这样实现的，首先，系统中的风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)采取浮充电形式，只要蓄电池或超级电容器还未充足电，就允许吸收全部风电和光电能量；其次，蓄电池或超级电容器还连接到本系统的直流电输出终端，可以在充电的同时对外保持不间断的直流供电，蓄电池或超级电容器对风光电来说，相当于一个储蓄器和钳位器，不管有没有风光电，也不管风光电的量多或少，这个储蓄器都能满足负荷的用电需求、稳定供电，其钳位器功能是由于蓄电池电压的相对稳定，使生产电能时电压可能大幅波动的风光电电压，不致严重影响到系统的直流电压输出，使负荷端的电压基本稳定。但超级电容器的电压外特性与蓄电池有所不同，设计时应考虑钳位器功能的设置。

对蓄电池或超级电容器而言，有关系式：

Irc＝Ic-Io                (式1)

上式中，

Irc为蓄电池或超级电容器实际的充电电流，

Ic为风光电输入蓄电池或超级电容器的电流(浮充电流)，

Io为蓄电池或超级电容器向负荷输出的电流(放电电流)。

当然，从风光发电子系统的角度而言，风光发电子系统的总输出有两部分，一部分为如上式所说的Ic，但也可能有另一部分，即直接向负荷输出的电流Id。如从负荷角度看，流向负荷的电流应该是(Io+Id)。(Io+Id)包括了从蓄电池或超级电容器储能子系统(4)流向DC口的电流和流向变流器子系统(5)的电流。

本发明的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，系统由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)采取浮充电形式；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中的蓄电池或超级电容器，使系统不受风光电波动影响，能保持不间断的和相对稳定的直流电输出。

由于自然环境的变化，可能较长时间缺乏足够的风光电，或者用电负荷的增加导致风光电严重不敷应用，为保证供电的连续性，致使系统必须依赖大容量的蓄电池或超级电容器，系统成本居高不下。采用柴油发电机子系统(3)，可以大大减少蓄电池或超级电容器容量，使系统获得更高的性价比。

本发明的风光柴三互补智能微电网系统，其特征为，系统由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)充电；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中的蓄电池或超级电容器，使系统能保持不间断的直流电输出。在直流供电的同时，蓄电池或超级电容器的直流电通过变流器子系统(5)逆变为标准电压和频率的单相、三相交流电，系统可以满足额定的交流电和直流电功率输出的要求；当微电网控制子系统(6)监测到蓄电池或超级电容器中储存的电能行将很快耗尽，而风光电不可能及时补充足够电能时，微电网控制子系统(6)立即启动柴油发电机子系统(3)，柴油发电机子系统(3)通过电网并车子系统(7)稳定接入微电网后，微电网控制子系统(6)则中断变流器子系统(5)运行，柴油发电机子系统(3)除承担向负荷供应交流电外，还将通过另一整流器与风光电一起对蓄电池或超级电容器补充充电；当蓄电池或超级电容器充足电后，如没有很紧迫的大负荷必须依靠柴油发电机子系统(3)为其供电，微电网控制子系统(6)则起动变流器子系统(5)运行，变流器子系统(5)通过电网并车子系统(7)接入微电网后，微电网控制子系统(6)则停止柴油发电机子系统(3)的运行，以节约燃油消耗；在柴油发电机子系统(3)和变流器子系统(5)替换工作向微电网供电期间，有一小段短时间的并联过程，实现交流微电网系统的不间断交流并网供电，但绝大部分时间内，二者都采用择一工作的模式，从而避开难度高的并网运行。

由于系统中的风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)采取浮充电形式，风光电只与直流系统相关，与柴油发电机子系统(3)的交流子系统不直接相干，属于二个不同的子系统，所以不容易产生并网问题，不存在任何互补供电的难题，这一点明显区别于传统互补系统。采用中小容量电池蓄能或超级电容器浮充稳定直流供电，既解决了风光电间歇性问题；而电池或超级电容器蓄能逆变供电与柴油发电机供电交替接续工作的机制，也解决了新能源与传统发电机互补系统中复杂的交流电并网问题。

本发明的系统与传统的大型风电系统和大型太阳能发电系统不同，因为后者只能利用大电网作为依托接受风能和太阳能，脱离了电网就不能吸收风光能源，所以发电功能的实现完全依赖于电网，受电网的制约，因为他们的不稳定性通常会对大电网的安全运行产生不利影响。而在本发明的系统中，风光能源的采集和应用虽然同样有不稳定的缺陷，但不牵涉公共电网。在本发明的微电网系统中，由于采用带蓄电池或超级电容器的浮充电结构，即使没有风和太阳，变流器子系统(5)照样能从蓄电池或超级电容器储能子系统(4)得到直流电能并逆变成交流电，以维持微电网系统的连续性，正常供应交直流电能。

说明书的上述段落已经阐述了本发明如何通过浮充电原理的蓄电池或超级电容器储能子系统(4)解决风光电的不稳定性问题；如何采用柴油发电机子系统(3)补充发电，解决风光电不足的问题；以及如何采用柴油发电机子系统(3)与变流器子系统(5)交替工作，避开不同发电系统间复杂的并网问题，具有重要的实际应用价值。下面将阐明系统如何应对风光电过剩的问题。

图2为带有平衡负荷子系统(8)的本系统结构框图。从图2中可以看出，在本发明的系统中还有一个额外的机动负荷，即所谓平衡负荷子系统(8)，平衡负荷子系统(8)是一个为电网稳定运行服务的、适用于风光非稳定发电的辅助子系统，或者也可称为生产性子系统。

众所周知，风光互补的目的是将两种不稳定能源，通过互补来降低其波动性，但互补后仍会出现风光电不足的问题，离电网的稳定供电相距甚远，所以在系统设计时，必须首先加大风光发电设备容量和适当增大蓄电池或超级电容器容量，以保证在最不利情况下都不会发生电能断供，这就会大大增加系统复杂性和投资成本，不但浪费资材，还带来了如何处理风光电可能过量的问题。

当风光发电量大于实际负荷，且蓄电池或超级电容器储能子系统(4)也已充足电时，势必停止风力发电子系统(1)和太阳能PV发电子系统(2)的工作。否则，或者蓄电池或超级电容器因过充电而造成损伤，或者风力发电机组因无负荷而超速运转，同样会造成风机设备损毁，必须加以制动停转。制动意味着，系统也将白白浪费宝贵的风能和太阳能，所以本发明特别设置了平衡负荷子系统(8)，平衡负荷子系统(8)中可以为一种供电负荷，也可以是多种不同性质的用电负荷，但其共同性质主要是二点：

1、适应变负荷运行的要求，能够吸收多余的、随机变化的风光电电能；

2、能够产生经济利益，有利于降低系统的建设和维护成本。

首先，平衡负荷子系统(8)可以根据负荷不同的用电需要，平衡负荷可以接在蓄电池或超级电容器储能子系统(4)的直流输出DC端口，也可以接在并车子系统(7)交流输出AC端口。有了平衡负荷子系统，原来过剩而无法利用的风能、太阳能就能按正常发电而加以利用，所产生的多余风光电电能照样可以用在平衡负荷子系统(8)中，由于平衡负荷子系统(8)能按照富余电的数量，通过微电网控制子系统(6)的控制，自动调节用电量，或者说使充电量Ic与蓄电池供电量Io相等，则蓄电池或超级电容器储能子系统(4)的电能无进出，实际上并没有充电电流Irc。而风能、太阳能又可照样利用，化弊为利。

本发明的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，系统内还设置有平衡负荷子系统(8)；平衡负荷子系统(8)可以为一种供电负荷，也可以是多种用电负荷，可以根据负荷不同的用电需要，接在蓄电池或超级电容器储能子系统(4)输出端，使平衡负荷子系统(8)得到直流电能，也可以接在并车子系统(7)输出端，使平衡负荷子系统(8)得到交流电能；当风光发电量大于系统所需输出的实际负荷，且蓄电池或超级电容器储能子系统(4)也已充足电时，平衡负荷子系统(8)受微电网控制子系统(6)控制启动工作，并按富余电的数量自动调节系统输出到平衡负荷子系统(8)的用电量，以达到发电和用电的平衡。

平衡负荷子系统(8)实际上也是一种生产性负荷，是一类比较容易调节工作用电量的负荷，可以根据不同的微电网应用场合加以选择采用，例如电解、泵水、制热(冷)、净水增氧和污水处理、车辆蓄电池充放电等等。

电解过程可以根据输入电量的大小调节电解速度，而对生产效率的影响不大，例如电解水制氢，电流大则制氢量大，电流小则制氢量随之减小，没有多余电则停止制氢也无大碍。所制得的氢气也相当于储存化学能，尤其是在燃料电池中，氢又可以转化为电能加以利用。氢也是一种清洁燃料，在热机中燃烧后可以利用活塞机或涡轮机发电。

电解还可以应用在更多种类上，例如电解金属或非金属，分解化合物，都可以利用多余风光能源的电能产生经济效益。

泵水也是利用多余风光能源的手段之一，将自来水通过水泵送到水塔，利用水塔的多余容量蓄水，可以减少高峰负荷时的能量消耗，达到节能的目的，蓄在高位的水在向下流动时，其所蓄的势能也可以用于发电。

制热或制冷，更是利用多余风光能源的重要方法，将多余电能通过加热电阻转变为热能，或制冷机中的压缩机产生的热加以储存，转化为热水，或取用热空气，加以取暖，在冬季特别需要取暖能源，储热就可以减少取暖用电。在夏季，则可以利用冷凝机制冷，冷水和冰是夏季特别宝贵的生产和生活资源。热气热水或冷气冷水都可以分别储存在隔热绝缘舱室内。空调装置既可以制热又可以制冷，特别是集中式变频空调，其用电量很容易调节以适合多余风光能源电能的产量需要，是平衡负荷子系统(8)中其中一项重要的设备。将冷热两种资源分别储存在隔热室内供凤荷时使用，尽量减小峰荷时的供电，有利于减少电网用电负荷，符合节能理念。

在生产设施中，有些净水增氧设备和污水处理装置也属于可变负荷类设备，这些设备可以按多余风光电能的数量调节用电量。

利用车辆蓄电池充放电也是利用多余风光能源的发展途径，特别是利用深夜的多余风电对汽车等车辆上的蓄电池充电，如果白天车辆上的蓄电池电能未用完，也可以利用这些蓄电池电能逆变回输微电网，增加白天的峰荷供电能力，待夜晚再进行充电补充电能，相当于电能的调峰操作。

由于本发明的系统能达到电网稳定和有效利用自然能发电的目标，就为如何更好地利用清洁能源创造了条件，那就是在本发明系统中的风力发电子系统(1)和太阳能PV发电子系统(2)都可以设置具备最大功率跟踪(Maximum Power PointTracking--MPPT)功能的控制器(11)或控制器(21)，这样，风力发电子系统(1)和太阳能PV发电子系统(2)的效率和发电量就可以得到提升，系统的经济性和性价比都可以得到提高。但是，由于风力发电子系统(1)和太阳能PV发电子系统(2)是两种发电物理机制和负载特性差异特别大的动态系统，尤其是MPPT采用后，其动态匹配必须有专门的软硬件系统进行相应的调节，所以图3中的蓄电池储能子系统(4)中，还包括一个风光互补输出匹配装置(41)。

本发明的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，风力发电子系统(1)含有一个最大功率跟踪(MPPT)控制器(11)；太阳能PV发电子系统(2)含有一个最大功率跟踪(MPPT)控制器(21)；蓄电池储能子系统(4)中，还包括一个风光互补输出匹配装置(41)。

图3为带有MPPT最大功率跟踪功能的局部直流系统结构图。图中，风力发电子系统(1)含有控制器(11)，太阳能PV发电子系统(2)含有控制器(21)，风电和光电分别经过蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中的互补输出匹配装置(41)进入蓄电池或超级电容器，各系统就能按MPPT的控制要求得到最大风电功率输出和最大光电功率输出。

可见，本发明的系统是一种稳定的、不间断供电的电网系统，在运行过程中，本系统存在下列几种交直流供电模式：

1、风力发电子系统(1)单独供电；

2、太阳能PV发电子系统(2)单独供电；

3、风力发电子系统(1)和太阳能PV发电子系统(2)互补供电；

4、柴油发电机子系统(3)单独供电；

5、变流器子系统(5)单独供电；

6、柴油发电机子系统(3)和变流器子系统(5)短时间联合供电。

从微电网控制子系统(6)控制过程中可以看出，本发明系统与传统风柴互补或风光柴互补的几个区别是：

1、传统系统中通常以柴油发电机为主供电能，风光电能仅起辅助作用，而本系统则以风光电为主输出电能，使风光电能供电的比例大幅增加，风光电比重可超过80％以上而稳定供电。

2、传统系统中柴油发电机和风光电能并联供电时间较长，而本系统中二者同时供电时间极短，这就消除了传统互补供电并网的技术难度。

3、在独立微电网中的风力发电机，为保护已充满电的蓄电池，通常必须使发电机制动或将发电机接一个电阻器以防止发电机飞车，在本发明中的平衡负荷子系统，充分利用了这部分的风能量，增加了额外的经济性收益，不会产生弃风损失。

4、平衡负荷子系统中的许多负荷可以采用直流供电，减轻了变流器子系统的负担，也提高了系统能源利用效率。

5、传统微电网系统通常只供标准频率的交流电，本发明系统能同时输出交直流电。

Claims (5)

1.一种风光柴互补型交直流智能微电网系统，系统由风力发电子系统(1)、太阳能PV发电子系统(2)、柴油发电机子系统(3)、蓄电池或超级电容器储能子系统(4)、变流器子系统(5)、智能微电网控制子系统(6)、电网并车子系统(7)组成，其特征为，由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)分别并联连接到蓄电池或超级电容器储能子系统(4)；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)并联连接到变流器子系统(5)，变流器子系统(5)将蓄电池或超级电容器储存的直流电逆变成为交流电，并通过电网并车子系统(7)构成一个标准交流电微电网系统；同时，柴油发电机子系统(3)也能通过电网并车子系统(7)接入微电网系统；系统是以风电和/或光电为主体的风柴互补、光柴互补或风光柴互补型、能同时不间断地向负荷稳定输出交直流功率的电网系统。

2.权利要求1所述的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，系统由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)采取浮充电形式；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中的蓄电池，使系统不受风光电波动影响，能保持不间断的和相对稳定的直流电输出。

3.权利要求1和权利要求2所述的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，系统由风力发电子系统(1)和/或太阳能PV发电子系统(2)对蓄电池或超级电容器储能子系统(4)充电；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中的蓄电池或超级电容器，使系统能保持不间断的直流电输出。在直流供电的同时，蓄电池或超级电容器的直流电通过变流器子系统(5)逆变为标准电压和频率的单相、三相交流电，系统可以满足额定的交流电和直流电功率输出的要求；当微电网控制子系统(6)监测到蓄电池或超级电容器中储存的电能行将很快耗尽，而风光电不可能及时补充足够电能时，微电网控制子系统(6)立即启动柴油发电机子系统(3)，柴油发电机子系统(3)通过电网并车子系统(7)稳定接入微电网后，微电网控制子系统(6)则中断变流器子系统(5)运行，柴油发电机子系统(3)除承担向负荷供应交流电外，还将通过另一整流器与风光电一起对蓄电池或超级电容器补充充电；当蓄电池或超级电容器充足电后，如没有很紧迫的大负荷必须依靠柴油发电机子系统(3)为其供电，微电网控制子系统(6)则起动变流器子系统(5)运行，变流器子系统(5)通过电网并车子系统(7)接入微电网后，微电网控制子系统(6)则停止柴油发电机子系统(3)的运行，以节约燃油消耗；在柴油发电机子系统(3)和变流器子系统(5)替换工作向微电网供电期间，有一小段短时间的并联过程，实现交流微电网系统的不间断交流并网供电，但绝大部分时间内，二者都采用择一工作的模式，从而避开难度高的并网运行。

4.权利要求1和权利要求2所述的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，系统内还设置有平衡负荷子系统(8)；平衡负荷子系统(8)可以为一种供电负荷，也可以是多种用电负荷，可以根据负荷不同的用电需要，接在蓄电池或超级电容器储能子系统(4)输出端，使平衡负荷子系统(8)得到直流电能，也可以接在并车子系统(7)输出端，使平衡负荷子系统(8)得到交流电能；当风光发电量大于系统所需输出的实际负荷，且蓄电池或超级电容器储能子系统(4)也已充足电时，平衡负荷子系统(8)受微电网控制子系统(6)控制启动工作，并按富余电的数量自动调节系统输出到平衡负荷子系统(8)的用电量，以达到发电和用电的平衡。

5.权利要求1和权利要求3所述的风光柴互补型交直流智能微电网系统，其特征为，风力发电子系统(1)含有一个最大功率跟踪(MPPT)控制器(11)；太阳能PV发电子系统(2)含有一个最大功率跟踪(MPPT)控制器(21)；蓄电池或超级电容器储能子系统(4)中，还包括一个风光互补输出匹配装置(41)。

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