CN106786497B - 交流微电网三相负荷的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的特征在于，包括：分散电源，包括柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机及储能装置；交流电网，通过使分散电源与电力系统相连接来供电；以及电力管理系统，检测由电力分配装置供给的各个线间负荷的线间需求电力，来控制上述交流微电网三相负荷的供电系统的稳定度，电力管理系统根据所检测的各个线间负荷的线间需求电力和可由基础电力供给的最大电力，计算出柴油发电机的输出电力，并以对在线间需求电力中的电力消耗比从柴油发电机输出并分别分配供给的电力大的相应线间需求电力的不足部分由基础电力供给的方式进行控制。

Description

交流微电网三相负荷的供电系统

技术领域

本发明涉及交流微电网(AC MICROGRID)三相负荷的供电系统，更详细地，涉及在利用包括可再生能源、储能装置、柴油发电机及风力发电机的分散电源的独立型微电网中，根据各个线间负荷的需求电力及基础电力，计算出柴油发电机的最低运行条件，根据上述柴油发电机的最低运行条件，对在线间需求电力中的电力消耗比所供给的平均电力大的线间需求电力的实时不足部分由基础电力向相应的线间负荷实时追加供给的交流微电网三相负荷的供电系统。

背景技术

在如岛屿地区或偏僻地区等很难广泛进行供电的地区，普遍使用利用风力发电机、太阳能发电机等和储能装置的与现有的电力网相互独立的微电网电力网。

上述微电网电力网可根据连接方式分为以交流的方式连接的交流微电网和以直流的方式连接的直流微电网。

上述交流微电网具有直接使用现有配电网的优点，但存在同步化、稳定度、无效电力等方面的问题。相反，直流微电网不存在同步化、稳定度、无效电力等方面的问题，在连接从各个电源产生的电力方面，因不存在两阶段电力变换，从而具有系统的损失少、费用少的优点。

上述独立型微电网以与现有电力网分离的方式独立运行，因此，当运营上述微电网时，维持电力均衡的技术为最为重要的因素并且是决定可靠度的技术。

图1为简要示出交流微电网系统的图，其中，上述交流微电网系统可包括太阳能发电机10(PV，photovoltaic)、储能装置20(ESS，energy storage system)、柴油发电机30(D/G，diesel generator)、风力发电机40(W/G，wind generator)、小水电发电机50及飞轮能量储存装置(FES，Flywheel Energy Storage)60，可使分散电源与交流电网相连接，从而可向需求方供电。

此时，以分散电源中的太阳能发电机10及储能装置20为例，上述分散电源包括将直流电变换为交流电的直流/交流(DC/AC)逆变器，上述交流电网通过使三相的电力分配为单相后向负荷供电。

图2为以单相的方式供给交流电网的三相电力的配线结线的简要结构图，图2为用于以单相的方式向需求方供给三相电力的结构图。

参照图2，在三相电源为三相四线式(R、S、T及N)的情况下，为了供给需求方所需的电压，例如，为了供给220V的电压，各个三相电力与中性线(N)相结合来向需求方侧供电。例如，通过R相和N相连接的电力可向作为线间负荷的需求方A组(或需求方)供给，通过S相和N相连接的电力向作为线间负荷的需求方B组(或需求方)供给，通过T相和N相连接的电力向作为线间负荷的需求方C组(或需求方)供给。即，向需求方组或需求方提供各个单相电力。

但是，在如上所述的电力线的结构中，有可能在与各个相相连接的线间负荷中发生电力不均衡。即，在某一时点，有可能在各个作为线间负荷的需求方组(A、B及C)所使用的电力方面发生差异，若上述线间负荷的需求电力超出逆变器可承受的程度，则有可能在交流电网发生电力不均衡。例如，可在与R相相连接的线间负荷的需求方组所使用的需求电力达到最大允许值，与S相或T相相连接的线间负荷的需求方组中的需求电力停滞在最低值的情况下，从交流电网方面考虑，在输出的电力中，在上述线间负荷的需求电力方面发生不均衡，因上述线间负荷之间的电力不均衡，导致在交流电网发生电力不均衡，而且因上述电力不均衡，存在逆电力施加于构成交流电网的逆变器的问题。因此，可在逆电力被施加的情况下，有可能导致逆变器停止工作或导致逆变器受损，当逆变器功能性地停止时，有可能发生停电问题。

因此，作为用于防止逆电力的技术，在登录特许公报第10-1412742号中公开了独立型微电网控制系统及其控制方法。

上述独立型微电网控制系统及其控制方法的特征在于，独立型微电网控制系统包括：独立型微电网系统，具有柴油发电机、可再生能源及储能装置；能源管理系统(EMS，Energy Management System)，与独立型微电网系统的结构要素进行通信；以及电力管理系统(PMS，Power Management System)，用于控制独立型微电网系统的稳定度，上述独立型微电网控制系统通过利用能源管理系统及电力管理系统，控制及监视独立型微电网系统，上述电力管理系统直接检测对上述柴油发电机、上述可再生能源中的至少一种的分散电源的功率和负荷的电力，在因产生剩余电力而导致逆电力施加于上述柴油发电机并释放逆电力的事故情况下，直接向上述柴油发电机施加假负荷电阻来防止逆电力，在因上述可再生能源释放电力而导致上述独立型微电网系统的电压及频率发生变动的情况下，为了对此进行补偿，通过控制上述储能装置的充放电，调整电力的供求平衡。

上述技术为通过投入假负荷电阻来防止因产生剩余电力而导致逆电力施加于上述柴油发电机并释放逆电力的事故的技术，上述技术使假负荷电阻强制性地消耗剩余电力。但是，如上所述，若由假负荷电阻强制性地消耗剩余电力，则会浪费电力，因而上述技术并不有效，而且，还有可能发生上述技术无法应对上述假负荷电阻无法消耗的程度的较大剩余电力的问题。

并且，上述技术无法成为对在作为线间负荷的需求方组(A组、B组及C组)发生需求电力差异的情况的实际方案，反而，有可能发生加重电力不均衡的问题。

此外，利用柴油发电机实施的供电具有如下缺点，利用柴油发电机供给的电力品质比基于逆变器的电力品质差，并很难控制，而且，无法根据快速变化的需求电力迅速应对。

现有技术文献

专利文献0001：KR 10-1412742 B1 2014.06.20.

发明内容

本发明用于解决上述现有技术所具有的问题，本发明所要解决的问题在于，提供如下交流微电网三相负荷的供电系统，即，实时检测由作为线间负荷的需求方组所消耗的各个线间需求电力，并以实时检测到的各个线间需求电力求平均的平均电力作为供给电力，来向各个线间负荷供电，对在电力消耗比所供给的平均电力大的线间负荷中产生的实时不足部分的电力，由基础电力实时追加供给。在本发明中所称的基础电力(base power)是指，发电时根据不同时间或不同季节变化的总发电量中的最低限度的连续的发电量。

并且，本发明所要解决的另一问题在于，提供在线间需求电力为三相电力的情况下，在基础电力中变换为三相电力后供电的交流微电网三相负荷的供电系统。

为了解决上述问题，本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的特征在于，包括：分散电源，包括柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机及储能装置；交流电网，通过使上述分散电源与电力系统相连接来供电；以及电力管理系统，检测由电力分配装置供给的各个线间负荷的线间需求电力，来控制上述交流微电网三相负荷的供电系统的稳定度，上述电力管理系统根据所检测到的各个线间负荷的上述线间需求电力和可由基础电力供给的最大电力，计算出上述柴油发电机的输出电力，并以对在上述线间需求电力中的电力消耗比从上述柴油发电机输出并分别分配供给的电大的相应线间需求电力的不足部分由上述基础电力供给的方式进行控制。

其中，本发明的特征在于，上述基础电力包括构成上述分散电源的太阳能发电机或储能装置中的一种以上。

并且，本发明的特征在于，在上述线间需求电力中的电力消耗比从上述柴油发电机输出并分别分配供给的输出电力大的相应线间负荷为三相负荷的情况下，在将由上述基础电力输出的电力通过三相逆变器变换为三相电力之后，向上述线间负荷供给。

根据本发明，本发明具有如下优点，随着不足部分的电力由基础电力分担，可解决电力不均衡，从而可通过防止逆电力施加于交流电网来稳定地供电。

并且，本发明具有如下优点，随着因电力不均衡而导致的不足部分的电力由基础电力分担，可降低柴油发电机的负担，从而可延长柴油发电机的工作寿命，并减少因驱动柴油发电机而消耗的燃料。

并且，本发明具有如下优点，根据所需的负荷状态，可改变三相电力及单相电力来提供，从而可有效地使用电力。

附图说明

图1为以往交流微电网供电系统的简要结构图。

图2为以单相的方式供给以往交流微电网的三相电力的配线结线的简要结构图。

图3为本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的简要结构图。

图4为本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的结构图。

图5为本发明的交流微电网三相负荷的供电系统中的电力管理系统的简要结构图。

图6为本发明的交流微电网三相负荷的供电系统中的供给需求电力中的不足部分电力的逆变器及电力分配装置的简要结构图。

具体实施方式

以下，参照附图，更加详细说明本发明的优选实施例。

本发明涉及交流微电网三相负荷的供电系统，上述交流微电网三相负荷的供电系统检测在利用包括可再生能源、储能装置、柴油发电机及风力发电机的分散电源的独立型微电网的负荷实时产生的各个线间需求电力，以对所实时检测到的各个线间需求电力求平均的平均电力作为供给电力来向各个线间负荷供给平均电力，对在电力消耗比所供给的平均电力大的线间负荷发生的实时不足的部分，由基础电力实时追加供给。

其中，本发明的基础电力包括选自分散电源中的太阳能发电机或储能装置中的一种以上，上述基础电力意味着在基本处于经常生产或储存能量的状态下，可向负荷提供能量的已准备的电力，上述基础电力意味着虽可根据时间或季节略有变动，但与初期设置费用相比，运行费用较低的发电电力。

图3为本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的简要结构图，图4为示出本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的结构图的图。

参照图3及图4，本发明的交流微电网三相负荷的供电系统包括：分散电源，包括太阳能发电机100、储能装置200、柴油发电机300及风力发电机；交流电网500，通过使上述分散电源与电力系统相连接来供电；以及电力管理系统600，检测由上述交流电网500供给的各个线间的需求电力，来控制上述交流微电网三相负荷的供电系统的稳定度。

上述太阳能发电机100意味着由太阳光产生电能的普通太阳能发电装置。优选地，与上述太阳能发电机100相连接的电力变换装置110起到使从上述太阳能发电机100输出的直流电变换为交流电来向交流电网供给的作用，为了从因日照射量和温度而导致功率发生变化的太阳能电池始终获得最大功率，执行最大功率点跟踪(MPPT，Maximum Power PointTracking)控制。通常，光伏列阵的开放状态的电压等级低于交流电网电压，因此，上述电力变换装置100可使用具有升压功能的电力变换装置。并且，在最大功率点跟踪控制方式中，若使用扰动与观测(Perturbation&Observation)方式，则具有可容易实现并可稳定地进行控制的优点。

上述储能装置200为在储存电能之后必要时以放电的方式供电的装置，作为代表性的例子，可举出电池及燃料电池等。

与上述储能装置200相连接的电力变换装置210在交流电网500和储能装置200之间执行双向电力变换及电力传递功能，并控制电网的电力供给。即，优选地，储能装置200需从交流电网500接收电力并存储，并且向交流电网500供给所储存的电力，因此，电力变换装置210使用在交流电网500和储能装置200之间可双向传递电力的双向逆变器。尤其，优选地，在储能装置200由电池构成的情况下，电池需使所流入的电流具有较低的谐波含有率，由于充放电时的纹波电流对电池的寿命产生影响，因此，为了降低纹波电流而使用双向三相直流-交流电力变换装置。

上述柴油发电机300执行接收供电指令并根据上述指令适当运行，由此向交流电网500供给所产生的电力的作用。

上述柴油发电机300的电力变换装置310通过对交流形态的柴油发电机的功率进行整流，来向交流电网500供给。调节上述柴油发电机300的功率的方法可使用角速度控制方式。

上述柴油发电机300根据从后述的电力管理系统800接收的控制信号改变上述柴油发电机300的功率并运行。例如，根据线间负荷的电力需求调整功率，从而改变所供给的电力。

上述风力发电机400执行利用风力产生电力并向交流电网500供给上述电力的作用。通常，风力发电机作为基于旋转器的发电装置，上述风力发电机的功率为交流形态，因此，在与上述风力发电机400相连接的电力变换装置410中对交流电力进行整流，并向交流电网500供给整流后的交流电力。此时，上述风力发电机400根据风速改变功率，通常，可对上述风力发电机400使用对最大功率点进行跟踪的方式，使得在所处的气候状况下获得最大功率。

根据设计条件，上述风力发电机400可从分散电源中排出。例如，在利用风力的发电效率低下的地区或者很难设置风力发电机的地区，可在去除上述风力发电机400的状态下构成分散电源。

除包括如上所述的太阳能发电机100、储能装置200、柴油发电机300及风力发电机400的分散电源之外，分散电源还可包括小水电发电机50(参照图1)及飞轮能量储存装置(参照图1)。

其中，飞轮能量储存装置为机械结构的电池，若向飞轮能量储存装置供给能量，则飞轮的转速上升，若从飞轮能量储存装置取出能量，则飞轮的转速下降。即，上述飞轮能量储存装置为将电能储存于飞轮的转速的装置，为了减少基于摩擦的能量损失，飞轮的腔室内部处于真空状态，并由磁轴承构成。

以如上所述的方式构成的分散电源可由相互协作系统构成。即，上述分散电源由如下系统构成，在基于上述太阳能发电机100的发电量足以承担线间需求电力的情况下，停止上述柴油发电机300的运行，从而节减柴油燃料，超出需求电力的剩余电力储存于上述储能装置200。更加优选地，在柴油发电机300处于最低运行状态的情况下，控制上述分散电源，使得通过除上述柴油发电机之外的其他分散电源来承担需求电力。

上述电力分配装置600为向各个线间负荷分配从上述交流电网500输出的电力的装置，上述电力分配装置600向各个线间负荷分配各个线间负荷所需的三相四线式的供给电力。具体地，向需供给三相电力的线间负荷提供基于R、S、T及N相的三相四线式电力或R、S及T三相三线式电力，对于需供给单相电力的线间负荷，借助选自R、S及T相中的一个电力线和N相的电力线供给电力。

上述逆变器700用于使基础电力的电力变换为线间需求电力所需的电力后供给，上述逆变器700可包括用于供给三相电力的三相逆变器710及用于供给单相电力的单相逆变器720。

其中，上述基础电力可由选自分散电源的太阳能发电机100或储能装置200中的一种以上构成，可根据设计条件，上述基础电力还可包括第二个柴油发电机、风力发电机及飞轮能量储存装置等。

上述电力管理系统800用于检测从上述交流电网供给的各个线间负荷的需求电力，来控制本发明的交流微电网三相负荷的供电系统的稳定度，上述电力管理系统800执行检测分散电源的电力发电状况及线间负荷的需求电力状况等来控制分散电源的工作的功能。例如，上述电力管理系统800实时检测分散电源中的太阳能发电机100的发电状况、储能装置200的充电电力状况等，并实时对上述状况和需求电力进行比较判断，从而对不足部分的电力，综合性地控制通过柴油发电机的运行来生产电力的过程等。

并且，电力管理系统800用于执行如下功能，在紧急状态下，上述电力管理系统800紧急驱动柴油发电装置，或者应对从分散电源供给的电力突然发生的改变或由线间负荷消耗的消耗电力突然发生的改变，防止供电区域的停电等。

为此，上述电力管理系统800检测从构成分散电源的太阳能发电机100、储能装置200、柴油发电机300及风力发电机400产生的输出电力，上述电力管理系统800可与数字功率表共同使用与数字功率表相连接的变流器。

并且，上述电力管理系统800以对所实时检测到的各个线间需求电力求平均的平均电力作为供给电力来向各个线间负荷供给电力，并控制上述逆变器700，使得对在电力消耗比所供给的平均电力大的线间负荷所发生的实时不足部分的电力由基础电力追加提供。

在现有技术的情况下，例如，在线间负荷A组所需的需求电力为50kW，线间负荷B组所需的需求电力为30kW、线间负荷C组所需的需求电力为10kW的情况下，在按照线间最大需求电力50kW为基准来共生产150kW电力的状态下，向各个线间负荷供给50kW的电力。对此，在线间负荷B组和C组中，分别产生消耗后的20kW及40kW的剩余电力，而且，存在为了不必要的剩余电力而使得柴油发电机被过度驱动的问题。

但是，本发明中的上述电力管理系统800在使得从交流电网500输出的各个线间负荷电力的平均电力被调整为30kW后供给，并在使通过柴油发电机发电的总电力达到90kW之后，向各个线间负荷分别供给30kW的电力，对线间负荷A组所需的50kW的需求电力的不足部分20kW，由基础电力供给。

即，上述电力管理系统800根据各个线间负荷的需求电力，计算出平均电力，基于交流电网的控制向各个线间负荷供给上述平均电力，并在线间需求电力比所供给的电力大而发生不足部分的情况下，对上述不足部分的需求电力由基础电力供给。

作为另一例，可在线间负荷A组、B组及C组所需的线间需求电力分别为40kW、40kW及10kW的情况下，所计算出的平均电力为30kW，并以所计算出的上述平均电力作为供给电力并通过交流电网供电，对A组和B组的不足部分的电力10kW可分别由基础电力供给。

此时，上述基础电力可由选自分散电源中的一种以上的电力供给源构成，优选地，上述基础电力可由除上述柴油发电机300之外的剩余电力构成。此时，根据是否设置上述风力发电机400，上述风力发电机400可包含在基础电力之中，或者可从基础电力中去除上述风力发电机。

其中，在构成上述基础电力的电力源由太阳能发电机100及储能装置200构成的情况下，上述太阳能发电机100及储能装置200通过将直流电力变换为交流电力的逆变器700向发生不足部分的线间负荷投入电力。

作为另一设计条件，根据所检测到的各个线间负荷的需求电力和可由基础电力供给的最大电力，计算出柴油发电机的输出电力，对线间负荷的需求电力中的电力消耗比从上述柴油发电机输出并分配供给的电力大的线间负荷，不足部分的电力由上述基础电力供给，从而使上述柴油发电机300的驱动负担最小化。

例如，在所检测到的线间负荷A组、B组及C组所需的需求电力分别为40kW、40kW及10kW，所检测到的可由基础电力供给的电力为50kW的情况下，控制柴油发电机300以45kW的输出电力运行，并向各个线间负荷提供15kW的电力，上述A组及B组所需的不足部分的25kW的电力由基础电力供给。

图5示出本发明的交流微电网三相负荷的供电系统中的电力管理系统的简要结构，用于执行如上所述的功能的电力管理系统800包括需求电力检测模块810，供给电力检测模块820、比较判断模块830、投入控制模块840及通信模块850。

上述需求电力检测模块810执行检测从上述交流电网500向各个线间负荷组供给的需求电力的功能，需求电力可通过检测电流来实现。此时，电流的检测可利用变流器(CT，current transformer)来进行。

上述供给电力检测模块820可用于检测分散电源的运行状态、充电状态等，上述供给电力检测模块820实时检测太阳能发电机100的发电量、储能装置200所充电的电力量、柴油发电机300的运行状况/发电量以及风力发电机400的发电量等，基于此，上述供给电力检测模块820计算出可从交流电网500供给的电力量等。

上述比较判断模块830通过对在上述需求电力检测模块610中所检测到的线间负荷的需求电力和在上述供给电力检测模块820中所检测到的可供给的电力进行比较，来计算出可用于通过柴油发电机300的最低运行获得最大效果的供电量。此时，上述比较判断模块830可以以根据基于柴油发电机300的运行的电力的输出量、基础电力的输出量及各个线间负荷的需求电力使上述柴油发电机300的运行最小化的方式计算出柴油发电机300供电量。

即，根据所检测到的各个线间负荷的需求电力和可由基础电力提供的最大电力，计算出基于上述柴油发电机300的最低运行的供电量。

上述投入控制模块840根据上述比较判断模块830的控制来控制位于上述基础电力和电力分配装置600之间的逆变器700的工作，来使得可向所接收的电力小于需求电力的线间负荷投入由基础电力提供的电力。

上述通信模块850用于向外部装置(例如，管理服务器或移动设备等)传输分散电源的状态及需求电力的检测现况，接收从上述外部装置传输的控制信息，通常，上述通信模块850可使用通信装置。

根据如上所述的结构，具有如下优点，即使柴油发电机300不以线间负荷的需求电力的最大电力运行，不足部分的需求电力由基础电力提供，由此可减少柴油发电机300所承担的供给电力，因此，可减少柴油发电机300所消耗的燃料，可延长柴油发电机300的使用寿命。

图6示出在本发明的交流微电网三相负荷的供电系统中的供给需求电力的不足部分电力的逆变器及电力分配装置的简要的结构图。

独立型微电网系统不仅可使用向需求方供给的单相电力，而且，在必要的情况下，还可使用驱动三相马达的电力设备。

对此，根据是否使用三相马达，需求电力急剧变化，上述需求电力的急剧变化对基于柴油发电机300的发电造成相当大的负担。

在本发明中，为了供给根据上述需求电力的急剧变化而产生的不足部分的三相电力，由基础电力供给上述不足部分的三相电力。

即，参照图6，由交流电网和基础电力协同分担三相马达的需求电力，而且，本发明还包括三相逆变器710，上述三相逆变器710用于将基础电力的电力变换为三相电力后进行供给。

其中，三相逆变器执行使用六个或四个电力器件来生成三相电压，并将上述三相电压作为线间负荷的需求电力供给的功能。在上述使用四个电力器件的逆变器中，若供给直流电压，则对串联的直流母线电容进行充电，并向逆变器供给上述充电电压。接收电压的逆变器的开关通过开启或关闭来生成三相电力并输出。

根据本发明，可通过选自太阳能发电机、储能装置及风力发电机中的一种以上的基础电力协同分担柴油发电机的负担，因此，可降低运行柴油发电机所消耗的柴油燃料。因此，可维持柴油发电机的功率，并可防止线间负荷的电力不均衡，由此，可具有防止向交流电网施加基于电力不均衡的逆电力的优点。

并且，根据所需的负荷状态，可改变三相电力及单相电力来提供，因此具有可有效使用电力的优点。

以上，说明了本发明的优选实施例，但本发明的发明要求保护范围并不局限于此，应理解，实际处于与本发明实施例等同的技术范围的内容属于本发明的发明要求范围，本发明所属技术领域的普通技术人员可在不脱离本发明思想的范围内对本发明进行多种变形实施。

Claims (2)

1.一种交流微电网三相负荷的供电系统，其特征在于，

包括：

分散电源，包括柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机及储能装置，其中除柴油发电机之外的剩余电力构成基础电力；

交流电网，通过使上述分散电源与电力系统相连接来供电；以及

电力管理系统，检测由电力分配装置供给的各个线间负荷的线间需求电力，来控制上述交流微电网三相负荷的供电系统的稳定度，

上述电力管理系统进行如下控制：根据所检测到的各个线间负荷的上述线间需求电力和能够由基础电力供给的最大电力，计算出上述柴油发电机的输出电力，并对在上述线间需求电力中的电力消耗比从上述柴油发电机输出并分别分配供给的输出电力大的相应线间需求电力的不足部分由上述基础电力供给。

2.根据权利要求1所述的交流微电网三相负荷的供电系统，其特征在于，

在上述线间需求电力中的电力消耗比从上述柴油发电机输出并分别分配供给的输出电力大的相应线间负荷为三相负荷的情况下，在将由上述基础电力输出的电力通过三相逆变器变换为三相电力之后，向上述线间负荷供给。