CN105048505B - 一种用于智能小区的风光互补型微电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能小区的风光互补型微电网系统，包括屋顶光伏阵列、垂直轴风力发电机、MPPT控制器、智能负载控制器、并网接口控制装置等设备，采取风光互补型微电源，充分利用了两种能源的互补性，也提高了电能输出的稳定性与可靠性；对风光互补微电源设计统一的高性能MPPT控制器，更有利于实现最大功率跟踪，充分利用能源；引入智能负载控制器，根据天气情况预测发电量的大小，进行小区负载的智能控制，最大限度的利用微网电能，满足用户在不同时间与季节的不同需求；并网接口控制装置可以提高微电网与配电网之间电能传输的效率，使两者能够协调运行的优点。

Description

一种用于智能小区的风光互补型微电网系统

技术领域

本发明涉及一种微电网系统，特别涉及一种用于智能化小区的风光互补型微电网系统。

背景技术

随着新能源技术的发展，基于各种分布式电源的微电网技术也成为了国内外研究的热点之一。

随着技术的不断成熟，微电网被广泛应用于对供电灵活性与可靠性要求较高的航空航天、军工装备等领域；而在民用领域多以各种新能源为载体的独立型分布式发电为主。

当前，以屋顶光伏发电、路灯用小型垂直轴风力发电为代表的分布式电源在民用领域使用最为普遍。

但这些单一形式的微电源供电的可靠性不高，输出电能质量低，可控性差，这些缺点显然降低了能源的利用效率，也制约了新能源在民用行业的普及。

居民小区是目前新能源在民用领域最具潜力的应用场合。当下城市化水平的提高，居民对智能家居、环保小区的要求也相应提高。相较于普通小区，智能小区可以融入各种小区美化、集中式电暖、集中式电热水、集中制冷等装置，充分满足居民方便、快捷、环保的高质量生活需求。

目前，智能小区为体现环保，同时充分利用自然资源，在小区内装配有独立的光伏以及风力发电装置，对特定的用户或者小区的某些设备进行供电。

但独立形式的微电源受环境影响较大，缺乏有效控制，供电稳定性差；其次，一个大型的智能化小区仅依靠各种新能源发电是很难达到供电需求的，通常需要配电网的介入，然而独立微电源对配电网冲击较大，很难与配电网协调运行，配合供电；

另外，独立光伏或风电忽略了两种能源在昼夜与季节上的互补性，以及输出电能上的匹配性。

因此，对小区内的新能源发电进行整合，配备相应的电能质量管理、电气控制及继电保护装置，使其组成一个完备的风光互补型微电网系统，才能做到能源利用的最大化，小区建设的智能化。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种在充分利用新能源的同时，提高小区供电的可靠性、稳定性与灵活性，并且实现微网与配电网的协调运行的用于智能小区的风光互补型微电网系统。

本发明的技术方案是：一种用于智能小区的风光互补型的微电网系统，从宏观上看由电能产生环节、电能变换与控制环节、电能消耗环节、并网环节组成；从微观上看包括屋顶光伏阵列、垂直轴风力发电机、不控三相整流器、第一DC/DC 变换器、第二DC/DC 变换器、MPPT控制器、智能负载控制器、DC/AC逆变器、直流负载、交流负载、并网接口控制装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于智能小区的风光互补型微电网系统，包括屋顶光伏阵列、垂直轴风力发电机、不控三相整流器、第一DC/DC 变换器、第二DC/DC 变换器、DC/AC逆变器、直流负载、交流负载，所述垂直轴风力发电机与不控三相整流器连接，并通过DC/DC 变换器升压连到直流母线侧，所述屋顶光伏阵列直接连接至第二DC/DC 变换器，升压后连接到直流母线，直流负载与直流母线侧相连，直流母线侧的电能经过DC/AC逆变器逆变后连接交流母线，还包括智能负载控制器，所述智能负载控制器对输出功率进行预测，并实时检测环境相关参数，在此基础上对具体负载进行通断控制以满足居民的用电需求；例如在温度很低的夜晚，需要接通电暖设备、小区照明，而白天用到的小区喷泉等美化装置则需断开，做到功率输出的合理分配；在风光互补的微电源设有一个基于DSP2812的32位高性能处理器的MPPT控制器，对风光互补微电源采取统一的最大功率跟踪方法，加快跟踪的速度，提高跟踪的精度，降低系统的复杂性，还包括并网接口控制装置，所述并网接口控制装置在风光互补系统不能满足小区用电时通过接口控制从配电网中吸收电能；相反，微电网系统可向配电网馈电。

采用风光互补型微电源作为能源供给单元；光伏阵列安装于小区屋顶，合理利用小区空间；选取启动风速小，风能利用率高的垂直轴风力发电机，充分利用风能；光伏阵列将太阳能转换为直流电能，经过DC/DC 变换器（boost升压电路）连接到直流母线侧；风力机将风能转换为交流电能，经过三相不控整流器和DC/DC 变换器对电能进行转化与调理后变为高压直流连接至直流母线侧，小区内的直流负载可从直流母线侧获取电能；对光伏与风力发电使用基于DSP2812的32位高性能内核的MPPT控制器，实现微电源的最大功率跟踪；直流母线侧的电能可以通过DC/AC逆变器转变为交流电能，供给交流负载；当整个微电网系统的电能有富余的前提下，可以将电能并入配电网，当系统内的负载供能得不到满足时也可以从配电网中获取电能；配电网与微电网之间能量的传递可通过并网接口控制装置来实现。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、做到了风能与太阳能的互补利用，提高了对小区供电的可靠性；克服了单一分布式电源供电产生的波动性与间歇性问题。

2、结合居民小区这一使用场合，将光伏阵列安装于小区屋顶，将垂直轴风力机安装于小区的绿化带，既合理利用了小区空间，又可将新能源发电作为小区美化的一部分。

3、充分考虑到小区居民的生活需求，以及小区智能化的指标。在传统微电网的基础上引入智能负载控制器，不仅对系统的输出功率进行预测，更主要针对不同的自然环境在不同功能的负载之间进行切换，以满足居民的生活需要，同时合理地利用了能源。

4、在微电源的最大功率跟踪控制器设计方面，使用了基于DSP2812的32位高性能处理器，既加快了MPPT跟踪的速度，又提高了跟踪的精度；对风光互补微电源使用统一的控制器简化了系统的复杂性，降低了系统的设计难度。

5、在使用了输出稳定性较高的风光互补微电源的前提下，合理地省去了储能这一环节；结合实际分析，大型智能化小区光伏与风力发电输出的电能在一般情况下很难实现小区供电的自给自足，很多情况下配电网要向小区馈电，因此储能装置对于智能小区专用的微电网系统不是必不可少的，本着简化设计，降低成本的原则，省去这一环节，做到了微电网系统发电的“即供即用”。

附图说明

图1 为本发明的原理框图。

附图标记说明:

0风光互补的微电源；1-屋顶光伏阵列；2-垂直轴风力发电机；3-不控三相整流器；4-第一DC/DC 变换器；5-第二DC/DC 变换器；6-DC/AC逆变器；7-直流负载；8-交流负载；9-智能负载控制器；10-MPPT控制器；11-并网接口控制装置。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图1和实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

一种用于智能小区的风光互补型微电网系统的具体实施方式：包括风光互补的微电源0、包括屋顶光伏阵列1、垂直轴风力发电机2、不控三相整流器3、第一DC/DC 变换器4、第二DC/DC 变换器5、MPPT控制器10、智能负载控制器9、DC/AC逆变器6、直流负载7、交流负载8、并网接口控制装置11；

光伏阵列1安装于小区屋顶，合理利用小区空间；垂直轴风力发电机2启动风速小，风能利用率高；风光互补微电源0输出电能质量高，稳定性强，从负载特性上把小区负载分为直流与交流两种类型；光伏发出的直流电能经第二DC/DC 变换器5升压连接到直流母线侧；垂直轴风力机发出的交流电能经过整流器与第一DC/DC 变换器4后也连接到直流母线上；直流负载7从直流母线侧吸收电能，直流母线侧的电能除供应直流负载，富余的经过DC/AC逆变器6，转换为交流电能连接到交流母线侧，供应交流负载8用电；

风光互补微电源使用基于DSP2812的MPPT控制器，便于有效地对微电源进行最大功率跟踪；MPPT控制器除了具有高性能处理器之外还包括外围的电压采样模块、电流采样模块、以及PWM驱动模块等相关环节；

智能负载控制器在对输出功率采取精确预测及外界环境进行实时监测的前提下，依据小区居民的生活需求，灵活地在不同功能的负载之间进行切换；其主要包括功率预测的功率数据模块及对环境温度、湿度、风速进行实时监测的检测模块，还有在各种功能间进行切换的动作模块，以及高性能的控制处理模块。

本发明构建的微电网系统充分利用了风能与太阳能在昼夜与季节上的互补性，在此基础上全面结合小区内各种负载的特性与用途以及小区居民的生活需求灵活地规划系统，在阳光充足的白天利用光伏发电对小区的美化系统供电；夜晚风力相对较大，利用风力发电机供应小区的照明系统用电；在光照强烈的夏季光伏发电可以供给电热水系统，满足小区居民在夏季较高的热水需求量；在北风凛冽的冬季，风力发电机发出的电能则可以驱动小区的电暖设备，以确保小区居民的供暖，而风光互补微电网在不同时间发电功能的切换则由系统内部的智能负载控制器来实现。

并网接口控制装置是微电网与配电网连接的纽带。在风光互补微电网系统不能满足小区用电时通过接口控制从配电网中吸收电能；相反，微电网系统输出电能有所富余时可以向配电网馈电。

本发明做到了风能与太阳能的互补利用，提高了对小区供电的可靠性；克服了单一分布式电源供电产生的波动性与间歇性问题；结合居民小区这一使用场合，将光伏阵列安装于小区屋顶，将垂直轴风力机安装于小区的绿化带，既合理利用了小区空间，又可将新能源发电作为小区美化的一部分；充分考虑到小区居民的生活需求，以及小区智能化的指标。在传统微电网的基础上引入智能负载控制器，不仅对微电源输出功率进行预测，并以此为基础针对不同的自然环境在不同功能的负载之间进行切换，以满足居民的生活需要，同时合理地利用了能源；在微电源的最大功率跟踪控制器设计方面，使用了基于DSP2812的32位高性能处理器，既加快了MPPT跟踪的速度，又提高了跟踪的精度；对风光互补微电源使用统一的控制器简化了系统的复杂性，降低了系统的设计难度；在使用了输出稳定性较高的风光互补微电源的前提下，合理地省去了储能这一环节；结合实际分析，大型智能化小区光伏与风力发电输出的电能在一般情况下很难实现小区供电的自给自足，很多情况下配电网要向小区馈电，因此储能装置对于智能小区专用的微电网系统不是必不可少的。本着简化设计，降低成本的原则，省去这一环节，做到了微电网系统发电的“即供即用”。

以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

申请人又一声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的实现方法及装置结构，但本发明并不局限于上述实施方式，即不意味着本发明必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用实现方法等效替换及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开的范围之内。本发明并不限于上述实施方式，凡采用和本发明相似结构及其方法来实现本发明目的的所有方式，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于智能小区的风光互补型微电网系统，其特征在于：包括屋顶光伏阵列（1）、垂直轴风力发电机（2）、不控三相整流器（3）、第一DC/DC 变换器（4）、第二DC/DC 变换器（5）、DC/AC逆变器（6）、直流负载（7）、交流负载（8），所述垂直轴风力发电机与不控三相整流器连接，并通过第一DC/DC 变换器升压连到直流母线侧，所述屋顶光伏阵列直接连接至第二DC/DC 变换器，升压后连接到直流母线，直流负载与直流母线侧相连，直流母线侧的电能经过DC/AC逆变器逆变后连接交流母线；还包括智能负载控制器（9），其内部集成有功率数据库模块以及外部环境监测模块；功能是依据功率数据库的数据对某一时间段的出力进行预测，并实时地监测外部的环境变化，根据功率、温度、光照度参数决定对功能负载供电才能在有限的功率输出条件下满足居民的用电需求，并随之控制不同功能负载的通断，不采用储能环节，实现功能负载的智能控制；在风光互补的微电源（0）设有一个基于DSP2812的32位高性能处理器的MPPT控制器（10），对风光互补微电源采取统一的最大功率跟踪方法，加快跟踪的速度，提高跟踪的精度，降低系统的复杂性。

2.根据权利要求1所述一种用于智能小区的风光互补型微电网系统，其特征在于：还包括并网接口控制装置（11），其与DC/AC逆变器接口及并网接触器相连，所述并网接口控制装置在风光互补型微电网系统不能满足小区用电时通过并网接口控制从配电网中吸收电能；相反，风光互补型微电网系统向配电网馈电。