CN104807143A - 基于电能友好空调负荷侧主动需求策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，供电侧与负荷侧之间直流母线侧设计Z型低电压穿越及谐波预防电路，在非线性负荷群变频启动时缓冲电流突变对电网的影响；设置电网监测，严重低电压穿越及电网其它紧急电网故障下，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作；结合负荷预测，电池储能与负荷错峰管理相结合，直流母线与储能电池之间双向充放电电路，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现部分负荷移峰填谷，保证空调负荷正常运行。本发明有效解决了分布式空调系统节能技术与电网供电电能质量矛盾问题。

Description

基于电能友好空调负荷侧主动需求策略

技术领域

本发明涉及一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略。

背景技术

空调作为建筑物的主要设施，由于能提供给人们舒适生活或生产需要的特定空间空气温度、相对湿度、洁净度、噪音或空气流速等被越来越多的企事业单位或群体使用，所以伴随中华大地建筑主体完工而出现了空调配置数量的飞速攀升。空调数量的日益庞大意味着建筑用能需求的不断提升。为响应节能政策，许多空调厂家推出了变频空调，但是节能的变频空调大量接入电网又会对电网造成大量谐波，影响其他设备的正常运行，也影响电能质量。变频运行造成的高次谐波误触发晶闸管导通，也会导致系统失控。因此，未来的电网侧或负荷侧设计相应的谐波主动抑制电路，以实现电网友好型负荷目标尤有必要。

高峰负荷无功不足会造成电压崩溃，甚至导致整个系统瓦解。这无疑给正常的社会经济秩序和人民的日常生活带来了极大的影响，在当前电力供求矛盾非常突出的情况下，如何友好用电，提高中央空调冷却水系统、冷冻水系统和整个空调主机的运行效率，降低其能耗是当务之急，新型的高效节能空调系统已成为空调领域技术开发的首要任务。国家标准规定的中央空调系统最大负载能力是按照当地的最高气温、最大负荷工作环境来设计的，而中央空调98％的时间在70％负载上下波动，所以系统运行控制设计存在较大余量。要较好实现节能和舒适功能目标，尽量减少对电网电能质量影响，这些都离不开科学的控制及低电压跌落防治与谐波治理技术。有人通过对大量引起电网电压畸变而形成谐波的变速空调（VSAC）统计分析，表明变频空调是国内引起电压畸变的大型负荷之一。

随着大规模互联电网的迅猛发展，风电、太阳能等波动性能源的大规模接入以及各类电力负荷的快速增长，传统电网的脆弱性日益突显，夏季高峰时段的空调负荷高比例，加上随伴雾霾天气诞生更多的空气净化新产品的投入，势必加剧电网不稳定性，增加电网负担。在考虑负荷运行功能需求特性分析基础上，进行负荷节能运行电能友好调度设计，顺应国家当前节能减排口号，具有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决分布式空调系统节能技术与电网供电电能质量矛盾问题的基于电能友好空调负荷侧主动需求策略。

本发明的技术解决方案是：

一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，

步骤1.供电侧与负荷侧之间直流母线侧设计Z型低电压穿越及谐波预防电路，在非线性负荷群变频启动时缓冲电流突变对电网的影响。设置电网监测，严重低电压穿越及电网其它紧急电网故障故障下，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作。紧密结合负荷预测，电池储能与负荷错峰管理相结合，直流母线与储能电池之间双向充放电电路，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现部分负荷移峰填谷，保证空调负荷正常运行。当用电高峰电池荷电状态不足以维持负荷正常运行，同时室内温度及湿度监测在人体适应度一定范围内时，结合中央空调系统在冷热源发挥作用或消退方面存在的时间延迟特性，临时采用空调系统设备暂停策略。

步骤2. 根据步骤1所述一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，电池充放电行为的控制与管理其特征在于：所述电池储能装置BESS(储能电池系统) SOC（电池荷电状态）管理采用出厂实验数据与现场实时监测数据相结合。采用如下步骤进行:

步骤2-1.采用厂家提供实验曲线与实时在线监测采样数据相结合，对充放电电流进行积分计算，结合充放电周期及先前实测数据，动态修正充放电曲线变化，获取当前动态荷电状态变化趋势，尽可能准确进行电池剩余容量动态预测与实时计量。

步骤2-2.双向DC-DC控制器设计，由于系统中储能电池充当电网负荷与空调负荷电源的双面角色，涉及功率电流频繁流入及流出，选用双向DC-DC控制电路。

步骤3. 一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，其中谐波处理采用硬件器件电路与软件编程相结合，包括如下步骤：

步骤3-1. 在变换器的电网侧及直流母线侧设置一定谐波阶次的滤波电路，直流母线侧加装超级电容吸收高次谐波，抑制电压波动，吸纳两侧在此交合的部分谐波，避免衍生新的谐波频率；变换器与负荷之间施加滤波环节，作为RLC无源滤波器，可以再滤去一部分高频谐波。

步骤3-2. 考虑仅用无源滤波器，需要的滤波器件繁多，消除的谐波的频率范围不完整，附加费用高，速度慢，能耗大，在简单无源滤波基础上引进高功率有源滤波器。结合监测负载端的电流电压，与电源端锁相环出来的参数值进行比较，通过调节变换器的PWM来消除低频谐波。

本发明所述一种双馈风力发电机系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）考虑空调负荷占比整个电网负荷较高，运行时段比较集中，对电网容量需求越来越高等需求特性。创新性引进储能电池，在用电负荷高峰时期，切入储能系统作为空调负荷电源，削峰调谷，主动参与电网调度。

(2)空调负荷全年度利用率不高，从性价比最优角度，在储能系统与变换器直流母线之间创新性设计双向DC-DC充放电电路。降低系统设计成本，缩小控制器占用空间大小。

(3)针对节能变频运行产生的谐波，综合采用固定滤波电路与嵌入智能控制技术，在直流母线处引进能消除部分谐波及抑制低电压穿越的Z型电路，大容量电容较好避免变换器两侧的谐波源相互作用，预防催生新的谐波类型，同时预防电网电压跌落对负荷造成不利影响。简单滤波电路滤去高次谐波。智能控制紧密结合负荷侧谐波监测，滤除低次谐波。

（4）有效利用储能电池寿命，运用优化协同控制及调度策略，实现友好用电，达到有效节能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

图1是本发明设计的一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略功能模块连接控制示意图；

图2是本发明设计的一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略的功能模块调度示意图；

图3是本发明设计的一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略的硬件结构示意图；

图4是本发明设计的一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略所要解决变频控制馈线谐波示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明设计了一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，所采用硬件包括：电网接口模块、削峰填谷控制模块、舒适度兼节能控制模块。

步骤一，供电侧与负荷侧之间直流母线侧设计Z型低电压穿越及谐波预防电路，在非线性负荷群变频启动时缓冲电流突变对电网的影响。

步骤二，设置电网监测，严重低电压穿越及电网其它紧急电网故障故障下，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作。

步骤三，紧密结合负荷预测，电池储能与负荷错峰管理相结合，直流母线与储能电池之间双向充放电电路，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现部分负荷移峰填谷，保证空调负荷正常运行。当用电高峰电池荷电状态不足以维持负荷正常运行，同时室内温度及湿度监测在人体适应度一定范围内时，结合中央空调系统在冷热源发挥作用或消退方面存在的时间延迟特性，临时采用空调系统设备暂停策略。

实施例1：

作为具体实施例一的一个电能友好空调负荷侧主动需求策略硬件设备实施例，如图2所示，具体包括：

谐波处理与低电压穿越电路设计

空调负荷采用变频节能运行调节方式，在电网与变频系统及变频系统与负荷之间设计LC滤波电路，滤去一部分高频谐波，中间直流母线设计Z型电路主要为了预防低电压穿越对设备影响，作为滤波电路可再滤去一部分谐波。通过供电侧与负荷侧之间设计谐波处理及低电压穿越预防电路，避免非线性负荷变频启动及工作时对电网的影响。

严重低电压穿越及电网其它紧急故障下储能电路接入设计

储能电池技术不断进步，容量也越来越高，其能量完全能够供给中小功率分布式空调负荷的峰值时段用电需求，系统设计紧密结合电网故障监测，在空调负荷系统电源供应中灵活切入储能电池，用来控制直流母线端电压，设计合理双向充放电电路，缓冲大量空调集中时段内运行对电网造成的供电压力。当系统检测到电压大幅跌落用电高峰时，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作。储能侧电源及时切入，维持空调负荷可靠正常运行，减少负荷端设备损坏。

电池储能与负荷错峰管理设计

紧密结合负荷预测，引进储能电池，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现电网负荷移峰填谷，维持负荷正常运行。当用电高峰电池荷电状态不足以维持负荷正常运行，同时室内温度及湿度监测在人体适应度一定范围内时，由于央空调系统从制冷机产生冷量到传送至末端发挥作用，或停机到室内冷热源所释放能量完全消退有20-30分钟的延迟，可临时采用空调系统设备暂停策略，储能系统根据电网监测情况间断充电。

双向DC-DC控制器设计

由于系统中储能电池充当电网负荷与空调电源的双面角色，涉及功率频繁流入及流出，如果系统选用单向功率流DC-DC变换器，需要两个变换器，增加了设计成本，也增加了装置空间体积，因此，课题考虑空调负荷全年度利用率不高因素，从性价比最优角度，选用双向DC-DC控制电路。

实施例3：

如图2，图3所示，作为本发明的一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略功能模块调度策略示意图。采用电网友好负荷硬件电路设计与嵌入编程技术相结合，电池储能系统的运行在时序上必须紧密结合电网状态监测信号及空调负荷预测信号，一个总的优化调度模块可以协调整个系统各子模块运行。实施具体步骤如下：

步骤1，根据负荷预测，当检测有启动要求时，检测当前电网负荷情况，判断是否处于需求高峰时段；

步骤2，如果是高峰时段，首选储能供电，负荷离网运行，与此同时测试荷电状态，判断荷电状态情况。如果不是高峰时段，判断是否用电低谷，利用用电低谷时段储能，直到储满为负荷高峰时段到来作准备。如果不是高峰也不是低谷，负荷并网正常运行。当并网运行时刻关注电网低电压与电网故障情况；

步骤3，当储能电池耗电到荷电状态不足以继续供电维持负荷运行时，电网无电压跌落或电网故障时，负荷并网运行。如果电网有电压跌落或电网故障时，负荷短暂停机20-30分钟；

步骤4，监测谐波情况，以程序参数动态修正，去除硬件电路未能处理的谐波，再返回负荷预测。

图4简单描述一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略中空调负荷谐波情况。变频空调在电网故障时吸收的无功不大，而变频空调运行所引起的谐波不可忽视，变频空调由于变频器的输入侧为整流回路，具有非线性特性，产生的高次谐波使电流源或电压源波形发生畸变。图中馈线上的相比i₀输入端起始端i_i，发生了畸变，同时，变频器输出电路是脉宽调制控制电路，使输出的电压电流也产生高次谐波。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

1.电网负荷运行需求高峰时段，储能灵活接入，维持空调负荷可靠正常运行，避免负荷端设备损坏；缓冲大量空调集中时段内运行对电网造成的供电压力。

2.利用电网负荷需求低谷时段储能，需求峰值释放储能，起到削峰调谷作用。

3.谐波采用软硬件相结合方式，这种方法与单靠无源滤波器消除部分谐波的方法相比，显然在源头直接进行谐波处理效果更佳，直流部分接有Z型LC电路，同时也提升电路抵抗电压瞬间波动的能力。总的来说，RLC滤波电路略去高次谐波，先进嵌入控制器可消除低次谐波。

4.储能系统与变流器直流母线间接入双向DC-DC控制电路，节省成本，提高性价比。

Claims (3)

1.一种基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，其特征是：所采用硬件包括：电网接口模块、削峰填谷控制模块、舒适度兼节能控制模块；采用的步骤包括：

步骤一，供电侧与负荷侧之间直流母线侧设计Z型低电压穿越及谐波预防电路，在非线性负荷群变频启动时缓冲电流突变对电网的影响；

步骤二，设置电网监测，严重低电压穿越及电网其它紧急电网故障故障下，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作；

步骤三，结合负荷预测，电池储能与负荷错峰管理相结合，直流母线与储能电池之间双向充放电电路，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现部分负荷移峰填谷，保证空调负荷正常运行；当用电高峰电池荷电状态不足以维持负荷正常运行，同时室内温度及湿度监测在人体适应度一定范围内时，结合中央空调系统在冷热源发挥作用或消退方面存在的时间延迟特性，临时采用空调系统设备暂停策略。

2.根据权利要求1所述的基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，其特征是：电网接口模块是在电网与变频系统及变频系统与负荷之间设计LC滤波电路，滤去一部分高频谐波，中间直流母线采用Z型电路，预防低电压穿越对设备影响，作为滤波电路可再滤去一部分谐波；通过供电侧与负荷侧之间设计谐波处理及低电压穿越预防电路，避免非线性负荷变频启动及工作时对电网的影响；

削峰填谷控制模块在空调负荷系统电源供应中灵活切入储能电池，用来控制直流母线端电压，采用双向充放电电路，缓冲大量空调集中时段内运行对电网造成的供电压力；当系统检测到电压大幅跌落用电高峰时，紧急切断电网侧电源供应，硬件互锁联动电路启动储能电源供电直流母线，通过DC-AC逆变供电负载工作；储能侧电源及时切入，维持空调负荷可靠正常运行，减少负荷端设备损坏。

3. 根据权利要求1所述的基于电能友好空调负荷侧主动需求策略，其特征是：所述“结合负荷预测，电池储能与负荷错峰管理相结合，直流母线与储能电池之间双向充放电电路，在用电低谷时段充分利用电能进行储能，用电高峰时段储能释放，实现部分负荷移峰填谷，保证空调负荷正常运行”，具体步骤是：

步骤1，根据负荷预测，当检测有启动要求时，检测当前电网负荷情况，判断是否处于需求高峰时段；

步骤2，如果是高峰时段，首选储能供电，负荷离网运行，与此同时测试荷电状态，判断荷电状态情况。如果不是高峰时段，判断是否用电低谷，利用用电低谷时段储能，直到储满为负荷高峰时段到来作准备；如果不是高峰也不是低谷，负荷并网正常运行。当并网运行时刻关注电网低电压与电网故障情况；

步骤3，当储能电池耗电到荷电状态不足以继续供电维持负荷运行时，电网无电压跌落或电网故障时，负荷并网运行。如果电网有电压跌落或电网故障时，负荷短暂停机20-30分钟；

步骤4，监测谐波情况，以程序参数动态修正，去除硬件电路未能处理的谐波，再返回负荷预测。