CN108649602A - 风光柴储智能交流微电网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风光柴储智能交流微电网系统，包括风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台。本发明将风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台实现互联，可以实现并网运行，也可以独立运行，并且可以实现二者之间的无缝切换；通过DC/DC变换器、DC/AC变换器以及AC/DC/AC变换器作为电力电子能量转换设备将风力发电机、光伏电池阵列、柴油发电机和储能装置连接到微电网交流母线上，实现电源与负荷之间的功率平衡；配备微网能量管理平台，具备能量管理和调度的功能，可以快速平滑风电、光伏和负荷变化等造成的功率波动。

Description

风光柴储智能交流微电网系统
技术领域
本发明涉及交流微电网系统技术领域，具体涉及一种风光柴储智能交流微电网系统。
背景技术
随着移动通信的大规模普及，世界各国众多通信运营商不断加大对硬件设施的投入，主要表现为通过增加通信基站来扩大通信覆盖范围。就我国而言，截止2017年6月，仅4G基站规模就超过328万个，4G通信网络用户数突破了8亿。通信基站电源的作用是为基站的通信设备提供直流电源，它是通信网络基础设施的重要组成部分。基站的供电方式可以分为两种：对于离电网较近的通信基站，市电能够送达，为了保证可靠性，一般采用市电和柴油发电机联合供电方式，即在有市电的情况下，采用市电供电，当市电中断时，先由蓄电池供电一段时间，基站维护人员在规定的时间内赶到，启动柴油发电机供电；对于远离电网的偏远地区所建立的通信基站，由于距离和成本等因素的限制，市电无法送达，多采用当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机独立供电。上述两种供电方式均会消耗大量的电能和燃油，一方面给运营商带来了较大的运营成本，据统计，我们国家基站能耗占到整个移动通信网络设备能源消耗的90％左右，目前，通信运营商的运营费用中有大约30％的比例用于电费支出，运营商基站每年耗电费就达数百亿元；另一方面传统的柴油发电需要大量燃烧价格昂贵不可再生的化石原料，并且会产生环境和噪声污染，此外柴油发电机过载能力较差。
为了顺应国家节能减排的战略，降低通信运行商的运营成本，提升通信基站的节能环保性能，最优选择是改变基站现有的供电方式，充分利用风能、太阳能等清洁的可再生能源进行发电，建设绿色通信基站。风能、太阳能是可免费利用的天然绿色资源，取之不尽，用之不竭，具有无污染、无辐射，具有清洁、安全、可持续利用的特点，目前风能、太阳能等新能源发电已经取得了飞速发展，成为世界各国应对能源危机、环境污染、全球气候变暖、实现可持续发展的重要保证。然而，风能和太阳能受到自然环境、季节变化、昼夜交替等因素的制约，具有较强的随机性和间歇性，因此仅采用风能和太阳能对通信基站负荷供电，会导致供电系统功率出现较大波动，从而严重影响系统的安全稳定运行以及基站负载的安全使用。另外一种方案是通过增加储能装置构成的风储、光储或者风光储联合发电系统对通信基站负荷进行供电，虽然储能装置对功率波动的抑制有所改善，但也不能从根本上完全解决上述问题，特别是遇到连续阴雨或无风天气，风力和光伏无法发电，而蓄电池储能有限，也会出现负荷供电中断，而且为了平抑风力和光伏发电的功率波动，储能单元会出现频繁的充放电，严重影响其使用寿命，因此这种供电方案也无法满足通信基站电源安全可靠性的要求。此外，功率波动的平抑依赖大量增加储能设备来实现，从而提高了供电系统成本，经济性较差。
如何将柴油发电机、风力发电机和光伏发电系统以智能微电网的形式接入配网，形成由柴油发电机、风力发电机、光伏电池、储能装置、电力电子能量转换装置、相关负荷和微网能量管理、监控保护装置汇集而成的风光柴储智能交流微电网系统，用于替代传统的柴油发电机组发电是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风光柴储智能交流微电网系统，能够实现自我控制、保护和管理，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行，主要为中低压配电网系统中的用户以及海岛、农村和偏远地区的用户用电提供解决方案。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
风光柴储智能交流微电网系统，包括风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台，
其中，所述风力发电机的电能输出端连接AC/DC/AC变换器的交流电源输入端，所述光伏发电阵列的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，所述柴油发电机的电能输出端连接微电网交流母线；
所述AC/DC/AC变换器的输出端和DC/AC变换器的输出端均接入微电网交流母线；
所述储能装置的电能输出端连接DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端接入直流母线，所述直流母线的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，所述DC/AC变换器的输出端接入微电网交流母线；
所述微电网交流母线通过并网开关连接公共连接点PCC，所述微电网交流母线连接负荷和微网能量管理平台；所述微网能量管理平台还与风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机和储能装置连接，实现信息传输。
进一步的，所述DC/DC变换器的左侧接直流母线，所述DC/DC变换器的右侧接储能装置，所述DC/DC变换器还与双向DC/DC变换器控制器连接，双向DC/DC变换器控制器对DC/DC变换器实现PWM控制。
进一步的，所述DC/AC变换器的左侧接微电网交流母线，所述DC/AC变换器的右侧接光伏发电阵列的输出，实现直流到交流的变换以及功率点跟踪，所述DC/AC变换器还与DC/AC变换器控制器连接，DC/AC变换器控制器对DC/AC变换器实现PWM控制。
进一步的，所述AC/DC/AC变换器分为机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器用于控制发电机有功功率和无功功率，网侧变流器用于控制微电网交流母线电压；所述AC/DC/AC变换器的左侧接微电网交流母线，所述AC/DC/AC变换器的右侧接风力发电机，所述AC/DC/AC变换器的机侧变流器还与机侧变流器控制器连接，所述AC/DC/AC变换器的网侧变流器还与网侧变流器控制器连接。
进一步的，所述微网能量管理平台包括电力市场电价信息采集模块、微网能量管理平台信息处理模块、环境参数采集模块、微网优化计算控制模块、负荷预测模块和功率预测模块，其中，电力市场电价信息采集模块、环境参数采集模块的输出端与微网能量管理平台信息处理模块的输入端连接，负荷预测模块、功率预测模块的输出端与微网优化计算控制模块的输入端连接，微网能量管理平台信息处理模块与微网优化计算控制模块双向连接；微网优化计算控制模块的输出端还连接风力发电机、柴油发电机、光伏发电陈列、储能装置和负荷，风力发电机、柴油发电机、光伏发电阵列和储能装置均与功率预测模块的输入端连接，负荷与负荷预测模块的输入端连接；微网能量管理平台还与配电网信息中心双向通讯连接，配电网信息中心的输出端还与电力市场电价信息采集模块连接。
作为优选的，所述风力发电机包括双馈型风力发电机和直驱型风力发电机。
作为优选的，所述储能装置为蓄电池和超级电容中的一种或多种。
本发明的有益效果是：
1、将风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台实现互联，可以实现并网运行，也可以独立运行，并且可以实现二者之间的无缝切换。并网时微电网的电压、频率、相角和相序应与电网的相匹配，两者上述参数偏差满足：电压偏差△U在±10％以内,频率偏差△f在±0.4Hz以内,△δ在±10°以内。
2、并网运行时微电网与主电网并网点处的有功功率和无功功率大小和方向可控可调；独立运行时能根据负荷的变化不断调节微电源的有功和无功输出，维持交流母线频率和电压在规定的范围内。
3、通过DC/DC变换器、DC/AC变换器以及AC/DC/AC变换器作为电力电子能量转换设备将风力发电机、光伏电池阵列、柴油发电机和储能装置连接到微电网交流母线上，实现电源与负荷之间的功率平衡。
4、配备微网能量管理平台，具备能量管理和调度的功能，可以快速平滑风电、光伏和负荷变化等造成的功率波动。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明风光柴储智能交流微电网系统的拓扑结构示意图；
图2为本发明风光柴储智能交流微电网系统中的DC/DC变换器的拓扑结构示意图；
图3为本发明风光柴储智能交流微电网系统中的DC/AC或AC/DC变换器的拓扑结构示意图；
图4为本发明风光柴储智能交流微电网系统中的AC/DC/AC变换器的拓扑结构示意图；
图5为本发明风光柴储智能交流微电网系统中的微网能量管理平台的系统框图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明风光柴储智能交流微电网系统，包括风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台，
其中，风力发电机的电能输出端连接AC/DC/AC变换器的交流电源输入端，光伏发电阵列的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，柴油发电机的电能输出端连接微电网交流母线；
AC/DC/AC变换器的输出端和DC/AC变换器的输出端均接入微电网交流母线；
储能装置的电能输出端连接DC/DC变换器的输入端，DC/DC变换器的输出端接入直流母线，直流母线的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，DC/AC变换器的输出端接入微电网交流母线；
微电网交流母线通过并网开关连接公共连接点PCC，微电网交流母线连接负荷和微网能量管理平台；微网能量管理平台还与风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机和储能装置连接，实现信息传输。
如图2所示，为双向直流/直流变换器(DC/DC变换器)的拓扑结构，左侧为高压侧，接直流母线，右侧为低压侧，接储能装置。能量正向流动时，工作在降压状态，给右侧储能装置充电；能量反向流动时，工作在升压状态，右侧储能装置放电。
如图2所示，电力晶体管S1的输出端与电感的输入端串联，电力晶体管S1与电感之间并联有电力晶体管S2，电感的输出端并联有电容C。DC/DC变换器还与双向DC/DC变换器控制器连接，双向DC/DC变换器控制器对DC/DC变换器实现PWM控制。
如图3所示，为逆变器/整流器(DC/AC或AC/DC变换器)的拓扑结构，逆变器/整流器(DC/AC或AC/DC变换器)用于两种功能的接口，一是用于光伏并网逆变器，左侧接微电网交流母线，右侧接光伏发电阵列的输出，实现直流到交流的变换以及功率点跟踪；二是用于实现在微电网内部交流侧和直流侧能量的双向流动，能量正向流动，工作在整流状态，储能装置充电；能量反向流动，工作在逆变状态，储能装置放电。
如图3所示，微电网交流母线的三相A、B、C均串联有电感L和电阻R，电阻R的输出端并联有三组电力晶体管和电容C，输出端连接直流母线或光伏发电阵列。DC/AC变换器还与DC/AC变换器控制器连接，DC/AC变换器控制器对DC/AC变换器实现PWM控制。
如图4所示，为背靠背变换器(AC/DC/AC变换器)的拓扑结构，分为机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器用于控制发电机有功功率和无功功率，网侧变流器用于控制直流母线电压；AC/DC/AC变换器的左侧接微电网交流母线，AC/DC/AC变换器的右侧接风力发电机，风力发电机包括双馈型风力发电机和直驱型风力发电机。AC/DC/AC变换器的机侧变流器还与机侧变流器控制器连接，AC/DC/AC变换器的网侧变流器还与网侧变流器控制器连接。
如图4所示，微电网交流母线的三相A、B、C均串联有电感L和电阻R，电阻R的输出端并联有三组电力晶体管和电容C，组成网侧变流器；电容C的输出端与右侧的三组电力晶体管并联组成机侧变流器，输出端连接风力发电机。
本发明中，双向DC/DC变换器控制器、DC/AC变换器控制器、AC/DC/AC变换器的机侧变流器控制器和AC/DC/AC变换器的网侧变流器控制器均采用TMS320F28335高精度浮点DSP，本发明风光柴储智能交流微电网系统中通过上述变流器控制器实现电源与负荷之间的功率平衡。
如图5所示，为微网能量管理平台的拓扑结构，根据能源需求、负荷情况、市场信息和运行约束等条件做出决策，通过对风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置和负荷的灵活调度来实现系统的优化运行。
其中，包括电价信息采集、环境参数采集、信息处理、负荷预测、功率预测、优化计算控制以及与配电网信息中心之间的通信等。电价信息采集模块能够实时的将电价信息上传给信息处理模块。环境参数采集模块将微网风电和光伏系统中的实时风速、日照强度等参数，上传给信息处理模块进行分析。信息处理模块将电价参数、环境信息以及通过配电网信息中心所得到的天气预报信息分析处理后上传给微网优化计算控制模块，优化计算控制模块同时结合负荷预测和功率预测的情况，微网优化计算控制模块采用多目标(运行效率、系统环境效益等目标)优化算法进行计算得到控制量，对柴油发电机、风力发电机和光伏发电阵列的功率、储能装置的充放电、负荷以及微网的运行模式进行控制。
负荷预测需要采集负荷长期变化信息，通过曲线拟合或插值的方法预测下一时刻负荷信息并上传给微网优化计算控制模块。同时，该负荷预测也需要实时上传负荷变化信息及负荷计划变化信息。同样，功率预测需要根据柴油发电机、风力发电机和光伏发电阵列年运行出力状态、未来几天的环境参数变化情况做出功率预测，一般来说，负荷预测和功率预测数据更新间隔为分钟。
柴油发电机、风力发电机和光伏发电阵列的安装位置和额定容量的选取，将会影响到系统短路电流的大小、配电网的电压分布、电压稳定性等。合理的发电机安装位置和设置容量可以有效改善配电网电压、减小系统有功网损、提高系统负荷率。因此在本发明中，进行优化计算时可选取的优化变量包括柴油发电机、风力发电机和光伏发电阵列的数目、位置以及储能的容量等。此外，也可以考虑结合电网某些评估变量(如网损、环境效益等)来共同确定最佳的优化目标。同时，系统中各种设备还需要满足各种运行约束和系统约束，整个微网优化设计问题可以转化为多目标优化模型，采用合适的求解算法如解析法、智能进化类算法等进行求解，得到相应的全部或局部最优解。
本发明中，发电设备包括柴油发电机、风力发电机和光伏发电阵列。柴油发电机组是一种小型发电设备，以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。柴油发电机组属非连续运行发电设备，若连续运行超过12小时，其输出功率将低于额定功率约90％。风力发电机组包括风力机、齿轮箱、发电机、背靠背变流器及其控制单元、调向机构、制动机构、塔架等，其中风力机和发电机是主要的能量转换部件。目前风力发电机主要包括双馈型和直驱型两种，这两种风力发电机均能够实现变速恒频和功率的解耦控制，差别在于变流器容量和系统拓扑结构上，直驱型风电系统中多采用永磁同步发电机，其变流器容量和发电机容量相当，系统无齿轮箱；双馈型的风电系统中采用双馈感应发电机，其变流器容量仅为转差率倍(约为0.3倍)的发电机容量，系统有齿轮箱。光伏发电系统由光伏发电阵列和光伏并网逆变器组成，光伏发电阵列的输出功率受日照强度、发电板结温等因素的影响，因此需要对最大功率点进行跟踪，此外，光伏发电阵列输出为直流电，在本发明中将光伏阵列通过逆变器(DC/AC变换器)连接到交流微网的微电网交流母线上，将光伏阵列产生的直流电能转变成交流电能给负荷供电。
本发明中，储能装置是该交流微电网系统中非常关键的设备。因为风能和太阳能的随机性和间歇性，使得风力发电和光伏发电难以实时和负荷的需求平衡，在交流微电网系统中加入储能装置，可以快速平滑风电、光伏和负荷变化等造成的功率波动。储能装置有多种，蓄电池和超级电容是常见的两种。蓄电池作为微网中主要的储能设备,具有制造成本低、生产技术成熟、能量转化效率高等特点。根据工作性质和储存方式划分,蓄电池可以分为铅酸电池、铅晶蓄电池、镍镉蓄电池、锂电池等。其中铅酸电池中常用的时阀控型铅酸蓄电池常用于短时间内提供大功率的场所，具有工作电压平稳、结构简单，内阻小，启动性能好，价格较低的优点；超级电容器(supercapacitor)又名双电层电容器(ElectricalDoule-Layer Capacitor),是一种电化学元件,通过极化电解质来储能。超级电容器在储能过程中并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,因此它可以进行数十万次的循环充电。具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，放电时利用移动导体间的电子释放电流,从而为设备供电。超级电容器具有体积小、容量打、充电速度快(10秒充电能够达到额定容量的95％)，过电压不击穿，充放电电路简单等特点。因此可以作为微网内部功率型储能单元，平滑网内功率波动。基于上述两种储能设备的优点，本发明选取蓄电池和超级电容作为储能装置。
综上所述，本发明风光柴储智能交流微电网系统：
1、将风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台实现互联，可以实现并网运行，也可以独立运行，并且可以实现二者之间的无缝切换。并网时微电网的电压、频率、相角和相序应与电网的相匹配，两者上述参数偏差满足：电压偏差△U在±10％以内,频率偏差△f在±0.4Hz以内,△δ在±10°以内。
2、并网运行时微电网与主电网并网点处的有功功率和无功功率大小和方向可控可调；独立运行时能根据负荷的变化不断调节微电源的有功和无功输出，维持母线频率和电压在规定的范围内。
3、通过DC/DC变换器、DC/AC变换器以及AC/DC/AC变换器作为电力电子能量转换设备将风力发电机、光伏电池阵列、柴油发电机和储能装置连接到微电网交流母线上，实现电源与负荷之间的功率平衡。
4、配备微网能量管理平台，具备能量管理和调度的功能，可以快速平滑风电、光伏和负荷变化等造成的功率波动。
5、微网中的电能质量指标主要有：谐波和波形畸变、电压波动和闪变、直流注入、电压不平衡度、电压偏差、频率。上述指标符合我国电能质量相关标准中的相应规定GB/T12325-2008,GB/T 14549-1993，GB/T 15945-2008，GB/T 12326-2008，GB/T 15543-2008。
6、可以配置专用的继电保护装置；将接入微电网的负荷、发电机和储能装置的工作状态进行实时监测、显示和记录，具有本地监控和远程监控两种方式。
要说明的是，以上所述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其他修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (7)

1.风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：包括风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机、储能装置、负荷和微网能量管理平台，
其中，所述风力发电机的电能输出端连接AC/DC/AC变换器的交流电源输入端，所述光伏发电阵列的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，所述柴油发电机的电能输出端连接微电网交流母线；
所述AC/DC/AC变换器的输出端的输出端接入微电网交流母线，光伏发电阵列连接的DC/AC变换器的输出端接入微电网交流母线；
所述储能装置的电能输出端连接DC/DC变换器的输入端，所述DC/DC变换器的输出端接入直流母线，所述直流母线的电能输出端连接DC/AC变换器的输入端，所述DC/AC变换器的输出端接入微电网交流母线；
所述微电网交流母线通过并网开关连接公共连接点PCC，所述微电网交流母线连接负荷和微网能量管理平台；所述微网能量管理平台还与风力发电机、光伏发电阵列、柴油发电机和储能装置连接，实现信息传输。
2.根据权利要求1所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述DC/DC变换器的左侧接直流母线，所述DC/DC变换器的右侧接储能装置，所述DC/DC变换器还与双向DC/DC变换器控制器连接，双向DC/DC变换器控制器对DC/DC变换器实现PWM控制。
3.根据权利要求1所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述DC/AC变换器的左侧接微电网交流母线，所述DC/AC变换器的右侧接光伏发电阵列的输出，实现直流到交流的变换以及功率点跟踪，所述DC/AC变换器还与DC/AC变换器控制器连接，DC/AC变换器控制器对DC/AC变换器实现PWM控制。
4.根据权利要求1所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述AC/DC/AC变换器分为机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器用于控制发电机有功功率和无功功率，网侧变流器用于控制微电网交流母线电压；所述AC/DC/AC变换器的左侧接微电网交流母线，所述AC/DC/AC变换器的右侧接风力发电机。
5.根据权利要求1-4任一项所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述微网能量管理平台包括电力市场电价信息采集模块、微网能量管理平台信息处理模块、环境参数采集模块、微网优化计算控制模块、负荷预测模块和功率预测模块，其中，电力市场电价信息采集模块、环境参数采集模块的输出端与微网能量管理平台信息处理模块的输入端连接，负荷预测模块、功率预测模块的输出端与微网优化计算控制模块的输入端连接，微网能量管理平台信息处理模块与微网优化计算控制模块双向连接；微网优化计算控制模块的输出端还连接风力发电机、柴油发电机、光伏发电陈列、储能装置和负荷，风力发电机、柴油发电机、光伏发电阵列和储能装置均与功率预测模块的输入端连接，负荷与负荷预测模块的输入端连接；微网能量管理平台还与配电网信息中心双向通讯连接，配电网信息中心的输出端还与电力市场电价信息采集模块连接。
6.根据权利要求5所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述风力发电机包括双馈型风力发电机和直驱型风力发电机。
7.根据权利要求5所述的风光柴储智能交流微电网系统，其特征在于：所述储能装置为蓄电池和超级电容中的一种或多种。
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