CN106953345A - 有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法及微电网系统 - Google Patents

有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法及微电网系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法及微电网系统，其中，带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网还配置有柴油发电机组，在带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行过程中，柴油发电机组始终保持处于额定功率的工作状态；带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行方法包括在冲击性负荷启动时，柴油发电机组接入电网进行发电，柴油发电机组配合飞轮一起给冲击性负荷供电；当冲击性负荷结束后，柴油发电机提供的功率自动地转化为对飞轮进行充电，这样通过柴油发电机组与飞轮配合供电使柴油发电机组一直以额定功率供电的运行模式来减小对电网的冲击性。

Description

有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法及微电网系统
技术领域
本发明属于微电网领域，尤其涉及一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法及微电网系统。
背景技术
由于微电网的应用发展迅速，实现了更大范围内新能源发电资源的优化利用，偏远山区海岛与移动载具的电气化，促进了电力市场化的发展。微电网作为一个小范围的电网，其发电与负荷均存在大波动与不确定性，特别在军用领域，负荷波动更加不可能有效预测并且更加剧烈。其中冲击性负荷以时间短幅度大的特点对电网有着诸多危害但同时也是一些微电网的重要组成部。冲击性负荷的研究成果大致分为军用与民用，军用集中于电气化武器，冲击性负荷模型多为脉冲电容充放电，民用集中于钢铁厂的生产。冲击性负荷的危害主要体现在：
(1)谐波污染；
(2)电压波动和闪变；
(3)三相不平衡；
(4)系统频率振荡；
(5)有功功率大幅变化影响发电机组的安全运行。
对于冲击性负荷危害的治理上，多数的文献的应对措施为滤波与使用SVC装置。对于有功功率波动储能作为一种应对效果显著，可靠迅速并且经济。由于微电网其自身系统惯性系数小，阻尼不足，不具备大电网的抗扰动能力，所以在冲击性负荷下更加需要储能装置来调节。
飞轮储能作为一种依靠飞轮旋转动能存储能量的储能设备，具有功率密度大与能量密度大的双重优势，并且放电深度大，对环境无污染，缺点是基建费用高。而且现有文献也论证了相对于其他储能设备，飞轮储能是电网调节的最佳选择并且性价比最高，同时在应对冲击性负荷上也是以飞轮储能效果最优。
在应对冲击性负荷时，飞轮的传统运行方式为间接性供电。通过飞轮储能作为能量媒介，在冲击性负荷发生时，冲击性负荷需要的功率全部由飞轮储能提供。冲击性负荷停止后，电网给飞轮储能充电，由此电网间接地给冲击性负荷供给能量，冲击性负荷与电网完全隔离没有电气连接。这样电网发电机无法配合供能，同时频繁地投切也会造成冲击从而导致电网稳定性下降。当储能与电网自身的发电机配合调节时，由于发电机可以提够部分功率给冲击性负荷，从而可以降低对储能容量的需求。
发明内容
基于上述传统研究与应用存在的问题，本发明目的在于提出一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，其使电网发电机与飞轮一起协调运行，既可以防止冲击又可以使整个供电过程更加经济。
本发明的一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，所述有冲击性负荷与飞轮储能的微电网还配置有柴油发电机组，在带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行过程中，柴油发电机组始终保持处于额定功率的工作状态；
所述带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行方法，包括：
在冲击性负荷启动时，柴油发电机组接入电网进行发电，柴油发电机组配合飞轮一起给冲击性负荷供电；
当冲击性负荷结束后，柴油发电机提供的功率自动地转化为对飞轮进行充电，这样通过柴油发电机组与飞轮配合供电使柴油发电机组一直以额定功率供电的运行模式来减小对电网的冲击性。
进一步的，所述柴油发电机组还与功率控制器相连，所述功率控制器用于控制柴油发电机组所输出的功率准确地输入至冲击性负荷。
进一步的，所述功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路通过控制信号来控制开关占空比，以实现功率控制。
进一步的，所述冲击性负荷为周期性冲击性负荷。这样能够更加准确地控制柴油发电机组与飞轮配合的时间，最终达到避免对电网的冲击性。
本发明的第二目的是提供一种微电网系统。
该微电网系统采用上述所述的微电网运行方法。
进一步的，所述柴油发电机组还与功率控制器相连，所述功率控制器用于控制柴油发电机组所输出的功率准确地输入至冲击性负荷。
进一步的，所述功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路通过控制信号来控制开关占空比，以实现功率控制。
进一步的，所述冲击性负荷为周期性冲击性负荷。这样能够更加准确地控制柴油发电机组与飞轮配合的时间，最终达到避免对电网的冲击性。
进一步的，所述微电网系统为直流电网。
进一步的，所述微电网系统包括两条母线，两条母线通过线路阻抗相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在本发明的飞轮储能与发电机组协调配合的优化运行方式下，将原本在电网中发生的周期性大幅度的冲击性负荷功率需求转化为了小幅度持续性的功率需求，保证了冲击性负荷的可靠供电的同时避免了其对电网的冲击，相对于传统的通过飞轮储能作为能量媒介间接的供电方式更加稳定可靠，同时节省发电机与飞轮储能配置所需的容量与运行消耗的柴油，更加经济。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是一种简化的军用微电网拓扑结构示意图；
图2是符合实际的简化电网结构；
图3是对冲击性负荷的供电运行示意图；
图4(a)是电磁弹射冲击性负荷所获得的功率；
图4(b)是电磁弹射冲击性负荷所获得的飞轮转速；
图5柴油发电机给冲击性负荷提供的功率；
图6基础负荷侧的功率；
图7柴油发电机给冲击性负荷提供的功率；
图8冲击性负荷获得的功率；
图9基础负荷侧的功率。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，所述有冲击性负荷与飞轮储能的微电网还配置有柴油发电机组，在带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行过程中，柴油发电机组始终保持处于额定功率的工作状态；
所述带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行方法，包括：
在冲击性负荷启动时，柴油发电机组接入电网进行发电，柴油发电机组配合飞轮一起给冲击性负荷供电；
当冲击性负荷结束后，柴油发电机提供的功率自动地转化为对飞轮进行充电，这样通过柴油发电机组与飞轮配合供电使柴油发电机组一直以额定功率供电的运行模式来减小对电网的冲击性。
由于全电动力军舰是典型的带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网，本发明以一种简化的军用微电网拓扑结构为例，如图1所示，微电网有2台40MW的汽轮发电机，母线电压20kV，双母线，带有最大峰值为250MW持续1.5s的电磁弹射系统作为短时间大幅度的冲击负荷(发生周期约1分钟)，2台30MW的同步电动机为军舰推进系统，10MW的基础负荷。整个电网系统为直流电网。
由于图1是为了实物实验仿真而简化的电网，主要减少了模拟电磁弹射冲击负荷的设备，而由实际的福特级航母微电网带有4台电磁弹射设备，同时依据图1的电网的轴对称性，可以只考虑一半的电网结构，所以可以建立如图2所示更符合实际的简化电网。
以尼米兹航母为例，其带有8台核动力汽轮机与4台柴油机组，总发电功率为72MW(其中核电占64MW)，同时福特航母总发电功率为172MW，由于电磁弹射的冲击性负荷导致其总发电功率增加了100MW，可以这样推测：尼米兹航母配置有4台蒸汽弹射器，福特航母改用电磁弹射后一台电磁弹射设备充电功率为25MW，而且需要快速启动，总共需要100MW。
核电机组的调节速率最大为5％Pn/min(Pn为核电机组额定功率)，不然有安全风险，非紧急情况下调节速率为0.2％Pn/min～0.3％Pn/min，对于微网这个最大调节速率为4MW/min，但是一般只以0.24MW/min调节，调节范围在30％Pn～100％Pn。核电发电成本为222.4元/MWh，调节成本为71元/MWh，即0.02元/MJ。且核电机组如果要参与调节就需要长期低功率运行，这即不经济也不安全。
柴油发电机启动响应时间一般小于10s，调频成本由市场柴油价格与柴油机的效率决定，一般为1.5元/kWh，即0.42元/MJ。柴油发电机的运行寿命一般为6000～10000小时，投资成本约为1500元/kW。
综上，不可能通过增发核电机组来提供电磁弹射的功率，只有响应时间短的柴油发电机能满足需求。所以福特级航母增加的100MW发电量全部为柴油机组。考虑到航母的日常运行，配置的核电机组的额定功率必然等于基础负荷加上军舰动力系统负荷额定功率的总功率。
此外，在应对短时间突增突降的冲击性负荷时，如果使用电网发电机直接供电，则会造成电网发电机转速上下大幅震荡，由此引发的电网波动会影响其他设备的正常运行。所以通过飞轮储能作为能量媒介，在冲击性负荷发生时，冲击性负荷需要的功率全部由飞轮储能提供，冲击性负荷没有发生时，电网给飞轮储能供电，由此电网间接地给冲击性负荷供给能量，冲击性负荷与电网完全隔离没有电气连接。传统针对军用冲击性负荷调节都是基于这种控制方式，对电网产生冲击的负荷转化为了对储能设备的充电。
下面针对柴油发电机油耗效率的数学分析
柴油发电机的运行油耗特性为二次曲线形式如公式(1)：
Q＝a0+a1P+a2P2 (1)
公式(1)中a0,a1,a2为常系数，P为柴油发电机的发电功率，Q为柴油发电机的每小时耗油量。
当柴油发电机以恒功率发电时，由公式(1)可知柴油发电机的发电效率η为：
公式(3)中E为柴油发电机一小时内所发出的电能。
当P≠0时，由基本不等式可知：
当P＝(a0/a2)0.5时，柴油发电机的发电效率达到最大，这个最佳效率功率值通常为柴油发电机的额定功率。所以优化目的即为设计控制策略使得柴油发电机尽量保持中额定功率工作状态，尽量避免不必要的启动停机或者空载投切。
下面针对电磁弹射冲击性负荷的优化供电运行方式进行分析：
在传统供电中，是以飞轮储能为能量媒介的间接供电方式。当冲击性负荷发生时如图3的虚线所示，飞轮就要切断与电网的连接并接入冲击性负荷进行供电，此时之前给飞轮充电的柴油发电机就会进入空载状态，在1.5s冲击性负荷结束后又重新给飞轮进行充电，如图3中的点划线所示。而且这样频繁的投切操作本身也会带来冲击。
当冲击性负荷发生时，如果不断开电网的连接，让电网中的柴油发电机配合飞轮一起给冲击性负荷供电，既可以节约飞轮的配置容量，又可以使柴油机持续稳定地发电从而保持最高的发电效率，当冲击性负荷结束后，发电机提供的功率自动地转化为对飞轮的充电，如图3中的实线所示。当冲击性负荷的部分功率由电网柴油发电机提供时需要做好冲击隔离措施，避免对电网其他设备产生影响。图2电网中功率控制器选择适合的电力电子变压电路就可以起到隔离冲击的作用。
传统航母蒸汽弹射器使用周期约为1分钟。假设现在电磁弹射器以这个周期进行运作，当柴油机发电机按照图3的运行方式持续恒功率运行时，在周期1分钟内发出的电能便等于一次弹射所需的能量，所以一台电磁弹射冲击性负荷需要柴油发电机组安排部分柴油发电机以恒定3MW的功率发电(一台2MW与一台1MW的柴油发电机)。
由于柴油发电机在冲击性负荷发生时提供了部分的能量，冲击性负荷侧的飞轮储能可以减少一定的能量配置。如果柴油发电机按3MW的功率对充电，则可以节约4.5MJ的飞轮储能的配置容量。按21.7MW的功率充电则可以节约32.61MJ的飞轮储能的配置容量。
与此同时柴油发电机组由于以额定功率恒功率运行，效率高，减小了柴油消耗。传统运行方式中冲击性负荷发生的1.5s内柴油发电机组必须空载，则优化后的运行方式相对于传统的供电方式至少会减小1.5s的空载时间，参考现有文献中的柴油发电机的具体数学模型，则在对每个冲击性负荷每个周期内供电可以至少节省燃油0.46L，即弹射一架飞机所耗费的燃油节省0.46L。
下面针对本发明的带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网进行仿真实验：
根据图2的电网进行Simulink建模。由于直流电网的关系，发电机组使用直流电机建模，使用PID控制电机转矩从而控制电机的输出功率。军舰推进系统与电磁弹射系统也均由直流电机搭建，在电路模拟中可以比传统仿真用电阻建模更为精确。由于无刷直流电机的广泛运用所以飞轮电机也由直流电机进行搭建。功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路可以通过控制信号控制开关占空比实现功率控制。
(1)针对电磁弹射冲击性负荷的优化供电运行方式
在柴油发电机与飞轮储能配合供电时，当冲击性负荷启动时，柴油发电机便可以接入电网进行发电，由于功率控制电路的作用，柴油发电机所输出的功率会比较准确地输入至冲击性负荷。
在这种运行方式下，冲击性负荷获得的功率与飞轮转速如图4(a)和图4(b)所示。柴油发电机在辅助性地对冲击性负荷供电后会自动转为对飞轮储能的充电。
柴油发电机注入的功率与电网中基础负荷的功率如图5和图6所示，由图6可知在这种供电方式下，初始冲击对电网扰动很小，产生的扰动能很快地恢复。
在后续冲击性负荷发生时，柴油机已经以额定功率稳定地进行发电，此时柴油发电机注入功率如图7，冲击性负荷如图8，基础负荷侧的功率如图9。
结合图4(a)～图9可知，在经过由Cuk电路搭建的功率控制器隔离之后，在柴油发电机与飞轮储能配合供电时，冲击性负荷不会对电网产生明显冲击，产生冲击的主要因素为柴油发电机的投切，所以相对于传统需要不断投切对冲击性负荷进行间接供电的运行模式，柴油发电机与飞轮储能配合供电并使柴油发电机一直以额定功率供电的优化运行模式对电网的冲击更小。
除本发明中的微电网实例，这种优化运行方式对所有的周期性冲击性负荷的供电均有效。
本发明还提供一种微电网系统。该微电网系统采用上述所述的微电网运行方法。
其中，柴油发电机组还与功率控制器相连，所述功率控制器用于控制柴油发电机组所输出的功率准确地输入至冲击性负荷。
功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路通过控制信号来控制开关占空比，以实现功率控制。
冲击性负荷为周期性冲击性负荷。这样能够更加准确地控制柴油发电机组与飞轮配合的时间，最终达到避免对电网的冲击性。
微电网系统为直流电网。
微电网系统包括两条母线，两条母线通过线路阻抗相连。
在本发明的飞轮储能与发电机组协调配合的优化运行方式下，将原本在电网中发生的周期性大幅度的冲击性负荷功率需求转化为了小幅度持续性的功率需求，保证了冲击性负荷的可靠供电的同时避免了其对电网的冲击，相对于传统的通过飞轮储能作为能量媒介间接的供电方式更加稳定可靠，同时节省发电机与飞轮储能配置所需的容量与运行消耗的柴油，更加经济。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，所述有冲击性负荷与飞轮储能的微电网还配置有柴油发电机组，其特征在于，在带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行过程中，柴油发电机组始终保持处于额定功率的工作状态；
所述带有冲击性负荷与飞轮储能的微电网的运行方法，包括：
在冲击性负荷启动时，柴油发电机组接入电网进行发电，柴油发电机组配合飞轮一起给冲击性负荷供电；
当冲击性负荷结束后，柴油发电机提供的功率自动地转化为对飞轮进行充电，这样通过柴油发电机组与飞轮配合供电使柴油发电机组一直以额定功率供电的运行模式来减小对电网的冲击性。
2.如权利要求1所述的一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，其特征在于，所述柴油发电机组还与功率控制器相连，所述功率控制器用于控制柴油发电机组所输出的功率准确地输入至冲击性负荷。
3.如权利要求2所述的一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，其特征在于，所述功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路通过控制信号来控制开关占空比，以实现功率控制。
4.如权利要求1所述的一种有冲击性负荷与飞轮储能的微电网运行方法，其特征在于，所述冲击性负荷为周期性冲击性负荷。
5.一种微电网系统，其特征在于，采用如权利要求1所述的微电网运行方法。
6.如权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述柴油发电机组还与功率控制器相连，所述功率控制器用于控制柴油发电机组所输出的功率准确地输入至冲击性负荷。
7.如权利要求6所述的微电网系统，其特征在于，所述功率控制器使用Cuk电路，Cuk电路通过控制信号来控制开关占空比，以实现功率控制。
8.如权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述冲击性负荷为周期性冲击性负荷。
9.如权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述微电网系统为直流电网。
10.如权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述微电网系统包括两条母线，两条母线通过线路阻抗相连。
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