CN103595138B - 一种智能微电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能微电网系统，包括就地控制层、网络通信层、主站层和软件层，就地控制层通过通信网络层与主站层通信连接，主站层通过信息交互总线与软件层通信连接，本发明集成光伏发电、风力发电、多种类型和容量的储能系统及现代电力电子、通信、控制技术，在实现高可靠性供电的同时，实现可再生能源的优化配置，实现对微网内负荷的高可靠性供电；正确反映微网和外部电网之间的相互作用、相互影响的关系，充分展现分布式能源对于提高供电可靠性的作用；实现光伏、风电、储能系统及微网系统的运行数据采集和存储，为微网关键技术的研究积累运行数据。解决了现有微电网系统能源利用率低、环境效益差、电能质量及供电可靠性差的问题。

Description

一种智能微电网系统

技术领域

本发明涉及电力、电网技术领域，具体涉及一种智能微电网系统。

背景技术

在时代高速发展的今天，电力需求迅速增长，负荷加大，电力部门大多把投资集中在火电、水电以及核电等大型及中国电源和超高压远距离输电网的建设上，但是，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。以能源多元化、清洁化为方向，以优化能源结构、推进能源战略转型为目标，以清洁能源和智能电网为特征的新一轮能源变革正在全球范围推进。面对新形势，国家电网公司提出加快建设特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网，积极促进清洁能源发展，为实现社会、经济又好又快地发展提供强大支撑。

分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置（一般50MW以下）分散布置在用户（负荷）现场或用户附近的发电（供能）方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用电使供电可靠性得以改善。

虽然分布式电源优点突出，但其本身还存在很多问题，例如：分布式电源单机接入成本高、控制困难等。分布式电源接入配电系统以后，使配电网从原来单一受电结构变为多电源结构，给电力系统的电压波动、谐波、继电保护等带来很大影响。另外，分布式电源相对于大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。

结合我国电网的实际状况，微电网可以定义为：能量来源主要为可再生能源；发电系统类型可以为微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、太阳能电池、风力发电系统、生物质能等分布式电源；系统容量为20KW～10MW；网内的用户配电电压等级为380V，或者包括10.5KV；如与外部电网进行能量交换，电压等级由微电网的具体应用情况而定。微电网系统将负荷和分布式电源看作一个整体，在外网故障的时候转到孤岛运行模式，提高供电可靠性，尤其在电网发生严重故障时，可向重要负荷独立供电。分布式发电与微电网的结合应该达到经济、环保、安全可靠、低成本等要求。

但是，目前我国对微电网的研究还处于起步阶段，还没有实现分布式电源优化控制、能量经济调度、可再生能源出力预测等，严重削弱了微电网系统带来的经济效益和环境效益，而且能源利用效率不高，电能质量及供电可靠性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能微电网系统，该微网系统可以提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，有助于推动分布式电源上网，降低大电网的负担，改善电能质量及供电可靠性，并促进社会向绿色、环保、节能方向发展，用以解决现有微电网系统能源利用率低、环境效益差、电能质量及供电可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种智能微电网系统，包括就地控制层、网络通信层、主站层和软件层，所述就地控制层包括储能系统，所述储能系统通信连接有储能控制器，所述网络通信层包括专用的通信网络，所述主站层包括数据中心、通信服务器和中央运行管理主站，所述通信服务器分别与数据中心和中央运行管理主站通信连接，所述储能控制器通过专用的通信网络与通信服务器通信连接，用于将采集到的储能系统的数据信息发送到通信服务器，数据中心、通信服务器和中央运行管理主站通过信息交互总线与软件层通信连接，用于将接收到的储能系统的实时数据信息发送到软件层，

所述就地控制层还包括分布式电源和负荷，所述分布式电源包括风力发电系统和光伏发电系统，所述风力发电系统和光伏发电系统均连接有DG控制器，所述负荷连接有负荷监控终端；所述软件层包括协调运行管理系统、电能质量监控系统、能量管理系统和设备状态监测系统；所述DG控制器和负荷监控终端均通过无线通信网络与主站层通信连接，用于将采集到的分布式电源和负荷的实时数据信息发送到主站层，软件层通过信息交互总线接收主站层发来的实时数据，实现电能的协调运行管理、电能的质量监控、能量管理和就地控制层的状态监测。

所述储能系统主要由储能电池组、电池管理系统、隔离变压器、储能双向变流装置、储能监控系统组成，所述电池管理系统与所述储能电池组连接，所述储能双向变流装置的交流侧通过所述隔离变压器接入微电网，所述双向变流装置的直流侧连接储能电池组，所述储能监控系统通过所述储能控制器与储能双向变流装置通讯连接。

所述光伏发电系统包括光伏组件、光伏逆变器、直流汇流箱、交流配电柜和光伏监控系统，所述光伏逆变器的直流侧通过直流汇流箱连接光伏组件，所述光伏逆变器的交流侧通过交流配电柜接入电网，所述光伏监控系统与光伏逆变器通信连接。

所述风力发电系统包括风力发电机、风机逆变器和风机控制器，所述风机逆变器的直流侧通过风机控制器连接风力发电机，风机逆变器的交流侧通过隔离变压器连接微网交流母线。

所述负荷包括交流负荷和直流负荷，所述交流负荷包括：信息机房UPS用电、电动汽车充换电站以及电灯和空调负荷；所述直流负荷为20kW的直流电器，直流电压为220V。

所述双向储能变流装置包括第一双向储能变流装置和第二双向储能变流装置，所述的第一双向储能变流装置包括AC/DC功率模块和DC/DC功率模块，所述AC/DC功率模块的交流侧通过隔离变压器连接微电网，所述AC/DC功率模块的直流侧连接DC/DC功率模块的一侧，所述DC/DC功率模块的另一侧通过直流母线连接储能电池组；所述的第二双向储能变流装置由一个AC/DC功率变换模块组成，直流侧连接电池组，交流侧通过隔离变压器连接微电网。

所述储能电池组包括铅酸电池和超级电容，锂电池组、镍氢电池组和钠盐电池组。

所述风力发电机为垂直轴风力发电机。

所述通信网络为以太网。

所述第一双向储能变流器的容量为250KW，所述第二双向储能变流器的容量为200KW。

本发明达到的有益效果：本发明通过整合多种分布式发电，协调微网与外部电网之间的关系，在一个局部区域内直接将分布式发电、电力网络和用户负荷联系在一起，可以方便地进行结构调整和配置以及利用能源转换技术，提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，推动分布式电源上网，降低大电网的负担，改善电能质量及供电可靠性，并促进社会向绿色、环保、节能方向发展。

本发明集成光伏发电、风力发电、多种类型和容量的储能系统及现代电力电子、通信、控制技术，建立一个智能化微网系统，在实现高可靠性供电的同时，实现可再生能源的优化配置，实现对微网内负荷的高可靠性供电；可以正确反映微网和外部电网之间的相互作用、相互影响的关系，充分展现分布式能源对于提高供电可靠性的作用；实现光伏、风电、储能系统及微网系统的运行数据采集和存储，为微网关键技术的研究积累运行数据。

附图说明

图1是本发明智能微电网的结构示意图；

图2是本发明就地控制层的结构示意图；

图3是本发明储能系统的结构原理图；

图4是本发明光伏发电系统的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1，本发明的智能微电网系统包括就地控制层、网络通信层、主站层和软件层，所述就地控制层包括储能系统，所述储能系统通信连接有储能控制器，所述网络通信层包括专用的通信网络，所述主站层包括数据中心、通信服务器和中央运行管理主站，所述通信服务器分别与数据中心和中央运行管理主站通信连接，所述储能控制器通过专用的通信网络与通信服务器通信连接，用于将采集到的储能系统的数据信息发送到通信服务器，数据中心、通信服务器和中央运行管理主站通过信息交互总线与软件层通信连接，用于将接收到的储能系统的实时数据信息发送到软件层，

所述就地控制层还包括分布式电源和负荷，所述分布式电源包括风力发电系统和光伏发电系统，所述风力发电系统和光伏发电系统均连接有DG控制器，所述负荷连接有负荷监控终端；所述软件层包括协调运行管理系统、电能质量监控系统、能量管理系统和设备状态监测系统；所述DG控制器和负荷监控终端均通过无线通信网络与主站层通信连接，用于将采集到的分布式电源和负荷的实时数据信息发送到主站层，软件层通过信息交互总线接收主站层发来的实时数据，实现电能的协调运行管理、电能的质量监控、能量管理和设备的状态监测。

如图2，本实施例40kWp光伏发电系统和4kW风力发电系统接入微网交流母线，接收微网的总体控制，储能系统中的磷酸铁锂电池、镍氢电池、钠盐电池及飞轮储能回路为已有设备，通过接在交流母线上的电能质量调节装置（APF，150kVA，1台），实时检测微网交流母线的谐波电流，采用先进的控制技术，将与负载谐波电流波形相同、方向相反的电流注入微网系统中，实现谐波补偿的功能，进一步提高微网的供电电能质量。微网负荷包括交流负荷及直流负荷，直流负荷连接的DC/DC装置为微网的直流负荷提供电源，为提高直流负荷供电的可靠性，该DC/DC回路的输入侧分别接在PCS的公共直流母线上及一组铅酸电池的直流母线上。

如图3，储能系统主要由储能电池组、电池管理系统BMS、隔离变压器、储能双向变流装置PCS、储能监控系统组成。电池管理系统与储能电池组连接，储能双向变流装置的交流侧通过隔离变压器接入微电网，双向变流装置的直流侧连接储能电池组，储能监控系统通过储能控制器与储能双向变流装置通讯连接。储能电池组包括铅酸电池和超级电容，已有锂电池组、镍氢电池组、预留锂电池组、钠盐电池组。

本实施例的PCS装置共有两套，一套容量为250kW，采用一体化模块设计，实现梯次利用锂电池的灵活接入，并考虑后期锂电池和光伏更新及扩容，为其预留相应的接入设备；另一套容量为200kW，方便快捷的实现微网系统的并离网无缝切换。

PCS250kW内部采用模块化设计方案，采用两级变换拓扑，包括前级AC/DC功率模块和后级DC/DC功率模块，AC/DC功率模块的交流侧通过隔离变压器接入微网400V母线，AC/DC功率模块的直流侧通过DC/DC功率模块连接电池组，无论接入何种电池组，交流侧AC/DC50kW模块均通过隔离变压器接入电网，故直流侧电池可以灵活设置，可以根据容量分别独立成组。由于DC/DC模块采用非隔离DC/DC技术，为了避免模块之间不均流及环流，模块之间需增加均流处理技术。PCS200kW采用一级变换拓扑，结构为整机AC/DC变换。

PCS装置实现电池组与电网间能量双向交换，可工作在电池组充电模式和电池组能量回馈电网模式。网侧AC/DC功率模块采用全控三相高频SPWM整流（逆变）模块接入电网，该模块可四象限运行，既可以从电网吸收有功，也可将电池能量回馈到电网。

如图4，光伏发电系统包括光伏组件、光伏逆变器、直流汇流箱、交流配电柜和光伏监控系统，光伏逆变器的直流侧通过直流汇流箱连接光伏组件，光伏逆变器的交流侧通过交流配电柜接入电网，光伏监控系统与光伏逆变器通信连接。

光伏组件采用太阳光伏电池组件；光伏逆变器为三相集中型并网光伏逆变器，并与太阳能光伏电池组件容量匹配，光伏逆变器的结构为壁挂式，采用MPPT功率跟踪方式，保证转换效率始终工作在最佳状态，MPPT精度不小于99％；直流汇流箱实现光伏组件和光伏逆变器间的电气连接，主要包含直流断路器、直流保护、防雷设备等；交流配电柜实现光伏逆变器和内部电源网络之间的电气连接，主要包括网侧交流断路器、防雷器、发电计量表及并网接口等，具备交流保护、汇流、电网接入、电网检测等功能；光伏监控系统的通信方式采用光纤通信方式，具有RS232/485、以太网标准通讯接口，通信协议公开，能将相关信息送至上层微网监控系统，进行集中监控并实现故障自动记录、用电评价指标的记录计算，光伏监控系统具有数据存储查询功能，可以方便的归档查询。

风力发电系统包括风力发电机、风机逆变器和风机控制器，风机逆变器的直流侧通过风机控制器连接风力发电机，风机逆变器的交流侧通过隔离变压器连接微网交流母线。

风机控制器能够智能判断风机转速过快、输出电压过高、输出电流过大等异常情况，并通过泄荷、极限短路等措施确保风机正常运行。将风力发电机组的交流输出转换为直流电；智能检测风力发电机组的运行状态，在风机转速过快、输出电压过高或输出电流过大时，采用主动泄荷或者极限短路的方式，使风机工作在正常特性范围内。

风机逆变器专为风力发电系统设计，将直流电变换成交流电后接入微网交流母线。逆变电源采用升压隔离变压器，不仅安全可靠，还可多台并联运行。具有电网过、欠压，电网过、欠频，输出电流过载等多项保护功能。并同时具有主动式和被动式孤岛运行检出功能。配有RS485通讯接口，可进行远程数据采集和通讯。

负荷包括交流负荷和直流负荷，所述交流负荷包括：信息机房UPS用电、电动汽车充换电站以及电灯和空调负荷；所述直流负荷为20kW的直流电器，直流电压为220V。

微网负荷包括交流负荷及直流负荷，按重要程度分为4路，在微网进行并离网切换及离网运行期间，微网要保证重要负荷的不间断供电。负荷控制器根据微网交流母线的频率及电压值决定非重要负荷的切除及分布式电源的投退，以实现微网的稳定运行。

本实施例的网络通信层采用的以太网，就地控制层的储能系统、风力发电系统、光伏发电系统和负荷电路均通过以太网与主站层实现信息的传递，主站层将接收到的实时数据信息发送到软件层，软件层的微网能量管理系统根据接收到的实时数据信息，通过执行优化算法，决定如何优化调度微网设备运行，例如决定储能装置何时充电、何时放电等。电能质量调节装置可以通过补偿负荷电流中各主要谐波，使得微网清洁高效，满足国标对微网谐波的要求；电能质量调节装置可以根据不同的现场要求灵活设定不同的控制方式，最终达到不同的补偿效果，例如三相负荷平衡、功率因数校正、谐波抑制等；电能质量调节装置带有存储器，可以保存电网的主要参数，并通过自身的通信接口传送给电力用户，方便统计和管理。协调运行管理系统可以协调控制微网中的多种分布式发电设备和储能装置，满足各种用电负荷的需求，对微网中的各种分布式发电系统以及各种储能系统的运行状态和参数进行监测，协调设备运行，保持微网安全、稳定运行，而且对各种用电负荷数据进行监测，根据历史数据进行负荷预测，协调发电、储能装置，满足用电负荷要求。

本发明集成光伏发电、风力发电、多种类型和容量的储能系统及现代电力电子、通信、控制技术，建立一个智能化微网系统，在实现高可靠性供电的同时，实现可再生能源的优化配置，实现对微网内负荷的高可靠性供电。

Claims (7)

1.一种智能微电网系统，包括就地控制层、网络通信层、主站层和软件层，所述就地控制层包括储能系统，所述储能系统通信连接有储能控制器，所述网络通信层包括专用的通信网络，所述主站层包括数据中心、通信服务器和中央运行管理主站，所述通信服务器分别与数据中心和中央运行管理主站通信连接，所述储能控制器通过专用的通信网络与通信服务器通信连接，用于将采集到的储能系统的数据信息发送到通信服务器，数据中心、通信服务器和中央运行管理主站通过信息交互总线与软件层通信连接，用于将接收到的储能系统的实时数据信息发送到软件层，其特征在于：

所述就地控制层还包括分布式电源和负荷，所述分布式电源包括风力发电系统和光伏发电系统，所述风力发电系统和光伏发电系统均连接有DG控制器，所述负荷连接有负荷监控终端；所述软件层包括协调运行管理系统、电能质量监控系统、能量管理系统和设备状态监测系统；所述DG控制器和负荷监控终端均通过无线通信网络与主站层通信连接，用于将采集到的分布式电源和负荷的实时数据信息发送到主站层，软件层通过信息交互总线接收主站层发来的实时数据，实现电能的协调运行管理、电能的质量监控、能量管理和设备的状态监测；

所述的风力发电系统和光伏发电系统接入微网的交流母线上，同时通过在交流母线上接入电能质量调节装置，实时检测微网交流母线的谐波电流，并将与负载谐波电流波形相同、方向相反的电流注入微网系统中，实现谐波补偿的功能，进一步提高微网的供电电能质量；

所述储能系统由储能电池组、电池管理系统、隔离变压器、储能双向变流装置、储能监控系统组成，所述电池管理系统与所述储能电池组连接，所述储能双向变流装置的交流侧通过所述隔离变压器接入微电网，所述双向变流装置的直流侧连接储能电池组，所述储能监控系统通过所述储能控制器与储能双向变流装置通讯连接；

所述双向储能变流装置包括250KW第一双向储能变流装置和200KW的第二双向储能变流装置，所述的第一双向储能变流装置包括AC/DC功率模块和DC/DC功率模块，所述AC/DC功率模块的交流侧通过隔离变压器连接微电网，所述AC/DC功率模块的直流侧连接DC/DC功率模块的一侧，所述DC/DC功率模块的另一侧通过直流母线连接储能电池组；所述的第二双向储能变流装置由一个AC/DC功率变换模块组成，直流侧连接电池组，交流侧通过隔离变压器连接微电网。

2.根据权利要求1所述的智能微电网系统，其特征是所述光伏发电系统包括光伏组件、光伏逆变器、直流汇流箱、交流配电柜和光伏监控系统，所述光伏逆变器的直流侧通过直流汇流箱连接光伏组件，所述光伏逆变器的交流侧通过交流配电柜接入电网，所述光伏监控系统与光伏逆变器通信连接。

3.根据权利要求1所述的智能微电网系统，其特征是所述风力发电系统包括风力发电机、风机逆变器和风机控制器，所述风机逆变器的直流侧通过风机控制器连接风力发电机，风机逆变器的交流侧通过隔离变压器连接微网交流母线。

4.根据权利要求1所述的智能微电网系统，其特征是所述负荷包括交流负荷和直流负荷，所述交流负荷包括：信息机房UPS用电、电动汽车充换电站以及电灯和空调负荷；所述直流负荷为20kW的直流电器，直流电压为220V。

5.根据权利要求1所述的智能微电网系统，其特征是所述储能电池组包括铅酸电池和超级电容，锂电池组、镍氢电池组和钠盐电池组。

6.根据权利要求3所述的智能微电网系统，其特征是所述风力发电机为垂直轴风力发电机。

7.根据权利要求1所述的智能微电网系统，其特征是所述通信网络为以太网。