CN112636334B - 一种基于太阳能的微电网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于太阳能的微电网系统，包括太阳能发电子系统、受控发电子系统与中央控制装置，中央控制装置包括N个边缘计算终端。太阳能发电子系统由M个太阳能光电转换装置组成；每个所述太阳能光电转换装置连接有现场测控单元；每个所述边缘计算终端获取与其连接的K个太阳能光电转换装置的当前输出功率以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，基于预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率；所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态。本发明的技术方案能够使得微电网系统中太阳能发电子系统的效率得到最大利用的同时不影响正常用电。

Description

一种基于太阳能的微电网系统
技术领域
本发明属于微电网技术领域，尤其涉及一种基于太阳能的智能微电网系统。
背景技术
能源是环球经济发展和人类生活水平稳步提升的引擎。在化石能源日趋枯竭的今天，大规模开发和利用以太阳能光伏发电为代表的可再生能源，是环球能源可持续发展的必由之路。传统的电力系统又面临着诸多的问题，例如对能源的利用效率达到了一个瓶颈的状态，系统结构也越来越老化，环境保护的问题，用户对电能质量越来越高的标准要求和集中供电的可靠性问题等，而光能、风能、沼气等可再生能源的开发利用，使得人们必须去探索出一条能够高效利用可再生能源的可持续发展的道路。由此，微电网应运而生。
微电网是以分布式发电技术为基础的，将储能单元、各种分布式电源、负荷及保护装置、监控装置集合为一体的混合供能系统，能够方便灵活地和电网并网运行或自主独立运行，并满足用户的各种要求，例如高电能质量、稳定性、安全性、供电的可靠性等要求。智能微电网是规模较小的分散的独立系统，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网运行，也可以孤立运行。它将分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。
在智能微电网系统中，太阳能的有效利用是一个重要的因素。对此，由法国道达尔太阳能国际公司和北卡罗来纳大学联合提交的PCT专利申请PCT/US2018/022880提出一种用于管理离网功率供应的方法。该方法包括从一个或多个负载获取数据。一个或多个负载连接到离网功率供应。该方法还包括基于所获取的数据对一个或多个负载建模，估计与离网功率供应相关联的能量存储设备(ESD)的充电状态，以及确定一个或多个负载中的每一个的操作状态。操作状态至少基于ESD的充电状态和一个或多个负载中的每一个的类别，基于操作状态控制每个负载。
中国发明专利申请CN202010799102.X则提出一种基于分布式发电的供电调度方法，所述调度方法包括：监控电网的并网准许指令，判断当前的分布式发电所在系统中的并网序列，所述并网序列包括当前并网发电节点、预并网节点和储备并网节点；设置电网监控节点，监控电网中的设备(负载)的最大需求功率；对所述监控节点检测到的最大需求功率进行拆解，所述最大需求功率包括第一需求变量，其中，所述第一需求变量为针对分布式发电节点的并网业务参数；对所述监控节点检测到的最大需求功率进行功率匹配，获取所述第一需求变量对应的预设并网规则；将所述第一需求变量按照所述预设并网规则调整各个分布式发电节点的并网序列。
然而，由于太阳能发电的输出存在不确定性，而用户用电的确定性相对存在。如何在提高太阳能发电的利用效率的同时，不影响用户用电设备的正常使用，现有技术并未给出有效的技术方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于太阳能的智能独立微电网系统，包括太阳能发电子系统、受控发电子系统与中央控制装置，中央控制装置包括N个边缘计算终端。太阳能发电子系统由M个太阳能光电转换装置组成；每个所述太阳能光电转换装置连接有现场测控单元；每个所述边缘计算终端获取与其连接的K个太阳能光电转换装置的当前输出功率以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，基于预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率；所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态。
本发明的技术方案能够使得微电网系统中太阳能发电子系统的效率得到最大利用，降低资源能耗，同时不影响正常用电。
具体而言，本发明提出一种基于太阳能的微电网系统，所述微电网系统包括太阳能发电子系统与受控发电子系统。
所述微电网系统还包括中央控制装置，所述中央控制装置包括N个边缘计算终端；
所述太阳能发电子系统由M个太阳能光电转换装置组成，所述M个太阳能光电转换装置与所述N个边缘计算终端分组连接；其中，
Figure BDA0002827878720000031
Figure BDA0002827878720000032
表示向上取整；
每个所述太阳能光电转换装置连接有现场测控单元，所述现场测控单元用于测定所述太阳光电转换装置所在位置的光强信号值；
每个所述边缘计算终端包括可更新的预测引擎模型；
每个所述边缘计算终端获取与其连接的K个太阳能光电转换装置的当前输出功率以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，基于所述预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率；其中K>1；
所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，所述运行状态包括所述受控发电子系统的启停时段以及运行功率。
其中，所述微电网系统包括至少一个储能池；
所述中央控制装置获取所述储能池的剩余电能状态，基于所述剩余电能状态，调节所述受控发电子系统的运行状态。
所述中央控制装置获取所述微电网系统中的时段可控用电设备的配置参数以及所述储能池的剩余电能状态，调节所述受控发电子系统的运行状态；
所述时段可控用电设备的配置参数包括所述时段可控用电设备的开启时段、关闭时段以及启动功率、运行功率。
所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，具体包括：
生成所述受控发电子系统在所述未来预定时间段的多个开启时段和对应于多个开启时段的发电输出功率。
总体来说，所述中央控制装置基于预测发电输出功率、所述储能池的剩余电能状态以及所述时控模块设置的多个时段可控用电设备的多个开启时段和关闭时段，控制所述受控发电子系统的运行状态。
所述基于所述预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率，具体包括：
所述预测引擎模型结合在线云数据库提供的光强预测数据以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，预测出未来预定时间段的多个不同太阳光电转换装置所在位置的光强预测信号；
基于所述光强预测信号，预测出未来预定时间段的所述多个不同太阳光电转换装置的光电转换效率；
基于所述光电转换效率的加权值，预测所述太阳能发电子系统的发电输出功率。
本发明的技术方案将边缘计算终端和远程终端单元结合利用到微电网系统中，使得数据传输压力降低，适合微电网的运行；在具体实现中，不仅基于当前状态参数，还结合预测参数进行微电网的耗能设备调节，降低资源消耗；本发明的技术方案能够最大程度的利用太阳能资源，同时不影响设备的正常使用。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的一种基于太阳能的微电网系统的主体架构图
图2是图1所述实施例的进一步具体实现的整体架构图
图3是图1所述实施例中所述中央控制装置的控制数据流示意图
图4是图3所述实施例中所述中央控制装置的预测引擎示意图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
参见图1，本发明一个实施例的一种基于太阳能的微电网系统的主体架构图。
图1中，所述微电网系统包括太阳能发电子系统与受控发电子系统。太阳能发电子系统通过边缘计算终端连接中央控制装置，中央控制装置连接所述受控发电子系统，控制所述受控发电子系统的运行状态。
受控发电子系统是相对于太阳能自动发电子系统而言的。
在本发明的各个实施例中，太阳能发电子系统为离网发电系统，通过配置逆变器，输出可正常使用的电能。
更具体的，所述太阳能发电子系统为太阳能光伏发电系统(Solar powersystem)。
一般来说，太阳能光伏发电系统为自动发电系统，可以无需人为控制，即非受控发电，并且不需要额外输入能源。
而受控发电是指额外提供其他资源，例如油、气等。受控发电子系统是指耗能发电，因此其发电状态可以控制，例如是否开启、是否关闭、开启后输出功率可以控制等。
作为一般性的例子，所述太阳能发电子系统由M个太阳能光电转换装置组成，所述中央控制装置包括N个边缘计算终端。所述M个太阳能光电转换装置与所述N个边缘计算终端分组连接；其中，
Figure BDA0002827878720000061
Figure BDA0002827878720000062
表示向上取整。
在本发明的各个实施例中，边缘计算终端是指能够完成本地边缘计算的单元组，即边缘计算单元。
边缘计算中的边缘(edge)指的是网络边缘上的计算和存储资源，这里的网络边缘与数据中心相对，无论是从地理距离还是网络距离上来看都更贴近用户。作为一种新的计算范式，边缘计算将计算任务部署于接近数据产生源的网络边缘，利用边缘资源为用户提供大量服务或功能接口，大大减少上传至云数据中心的数据量，缓解网络带宽压力。
基于边缘计算的以上优点，发明人创造性的将边缘计算终端(单元)用于微电网系统，尤其是离网独立运行的微电网现场。
太阳能光电转换装置通常指太阳能向电能的转换，即太阳能光伏。它的实现方式主要是通过利用硅等半导体材料所制成的太阳能电板，利用光照产生直流电后进行转换。
在图1基础上，参见图2。
图2示出了4个太阳能光电转换装置和2个边缘计算单元，其中，每两个太阳能光电转换装置与一个边缘计算单元连接。
在图2中，每个所述太阳能光电转换装置连接有现场测控单元，所述现场测控单元用于测定所述太阳光电转换装置所在位置的光强信号值；
每个所述边缘计算终端包括可更新的预测引擎模型；
每个所述边缘计算终端获取与其连接的2个太阳能光电转换装置的当前输出功率以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，基于所述预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率；
所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，所述运行状态包括所述受控发电子系统的启停时段以及运行功率。
在本发明的各个实施例中，所述现场测控单元可以是布置于离网运行的微电网现场的各个远程终端单元(Remote Terminal Unit)。
RTU(Remote terminal unit)也称为远程遥测单元或远程遥控单元，是一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。
本发明的各个实施例使用的RTU是针对微电网环境设计的，用于测定所述太阳光电转换装置所在位置的光强信号值，并能够进行一定的预处理。
在图2所述的实施例中，所述微电网系统还包括多个用电设备以及蓄能池。
通常情况下，所述太阳能发电子系统给所述用电设备组供电，并且所述蓄能池也能给所述用电设备组的部分特定设备供电。
用电设备组将自身的状态信息发送至所述中央控制装置后，所述中央控制装置启动或者关闭所述受控发电子系统。
作为优选，所述微电网系统包括多个用电设备，所述用电设备包括时段可控用电设备和时段不可控用电设备；
所述可控用电设备的开启时段和关闭时段通过移动终端设置。
时段可控用电设备，在本发明中是指运行时间具备一定规律，因此可以通过智能设备控制的用电设备，例如家用智能热水器、家用路由器等，通过智能设备可对这些设备设置固定的开启时段和关闭时段，同时不会影响设备正常使用；
时段不可控用电设备，通常是指运行时间不固定，不存在规律的用电设备，例如电视机、电脑等，可能随时需要关闭，随时需要开启，无法进行时段控制，否则将会影响正常使用。
接下来参见图3。
所述微电网系统包括至少一个储能池，所述储能池连接所述受控发电子系统，所述受控发电子系统对所述储能池进行充电。
所述太阳能发电子系统连接多个用电设备与所述储能池；
当所述太阳能发电子系统的输出功率大于所述多个用电设备的额定功率总和时，所述太阳能发电子系统给所述储能池充电。
前述已经提到，所述蓄能池也能给所述用电设备组的部分特定设备供电。
这里的部分特定设备，是指通过智能设备控制的时段可控用电设备的时段控制模块，即时控模块。
虽然通过智能设备可对时段可控用电设备设置固定的开启时段和关闭时段，同时不会影响设备正常使用，但是前提是所述时控模块能够保持正常工作状态，因此，作为本发明的再一个创新点，在图3中，可控用电设备组包括至少一个时控模块，所述时控模块连接所述储能池，所述储能池给所述时控模块提供工作电流。
与此相对应的关联技术手段，所述储能池设置有预警上限值和预警下限值；
当所述储能池的剩余电能低于所述预警下限值时，启动所述受控发电子系统；
当所述储能池的剩余电能高于所述预警上限值时，关闭所述受控发电子系统。
如此设置，既能使得节能效率最大化，又能保证储能池的电量足够供应所述时控模块的正常工作，确保设备本身使用不会受到影响。
作为进一步的优选，所述中央控制装置获取所述储能池的剩余电能状态，基于所述剩余电能状态，调节所述受控发电子系统的运行状态。
所述中央控制装置获取所述微电网系统中的时段可控用电设备的配置参数以及所述储能池的剩余电能状态，调节所述受控发电子系统的运行状态；
所述时段可控用电设备的配置参数包括所述时段可控用电设备的开启时段、关闭时段以及启动功率、运行功率。
图3中，所述中央控制装置基于预测发电输出功率、所述储能池的剩余电能状态以及所述时控模块设置的多个时段可控用电设备的多个开启时段和关闭时段，控制所述受控发电子系统的运行状态。
在图1-图3基础上，参见图4。
所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，具体包括：
生成所述受控发电子系统在所述未来预定时间段的多个开启时段和对应于多个开启时段的发电输出功率。
更具体的，在图4中，所述预测引擎模型结合在线云数据库提供的光强预测数据以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，预测出未来预定时间段的多个不同太阳光电转换装置所在位置的光强预测信号；
基于所述光强预测信号，预测出未来预定时间段的所述多个不同太阳光电转换装置的光电转换效率；
基于所述光电转换效率的加权值，预测所述太阳能发电子系统的发电输出功率。
本发明的优点至少体现在：
(1)将边缘计算终端和远程终端单元结合利用到微电网系统中，使得数据传输压力降低，适合微电网的运行；
(2)不仅基于当前状态参数，还结合预测参数进行微电网的耗能设备调节，降低资源消耗；
(3)最大程度的利用太阳能资源，同时不影响设备的正常使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于太阳能的微电网系统，所述微电网系统包括太阳能发电子系统与受控发电子系统，
其特征在于：
所述微电网系统还包括中央控制装置，所述中央控制装置包括N个边缘计算终端；
所述太阳能发电子系统由M个太阳能光电转换装置组成，所述M个太阳能光电转换装置与所述N个边缘计算终端分组连接；其中，
Figure FDA0003300110130000011
Figure FDA0003300110130000012
表示向下取整；
每个太阳能光电转换装置连接有现场测控单元，所述现场测控单元用于测定所述太阳能光电转换装置所在位置的光强信号值；
每个所述边缘计算终端包括可更新的预测引擎模型；
每个所述边缘计算终端获取与其连接的K个太阳能光电转换装置的当前输出功率以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，基于所述预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率；其中K>1；
所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，所述运行状态包括所述受控发电子系统的启停时段以及运行功率；
所述微电网系统包括多个用电设备和至少一个储能池；
所述用电设备包括时段可控用电设备和时段不可控用电设备；
所述储能池设置有预警上限值和预警下限值；
所述中央控制装置获取所述微电网系统中的时段可控用电设备的配置参数以及所述储能池的剩余电能状态，调节所述受控发电子系统的运行状态；
所述时段可控用电设备的配置参数包括所述时段可控用电设备的开启时段、关闭时段以及启动功率、运行功率；
当所述储能池的剩余电能低于所述预警下限值时，启动所述受控发电子系统；
当所述储能池的剩余电能高于所述预警上限值时，关闭所述受控发电子系统；
其中，所述中央控制装置基于所述预测出的所述发电输出功率，调节所述受控发电子系统的运行状态，还包括：
生成所述受控发电子系统在所述未来预定时间段的多个开启时段和对应于多个开启时段的发电输出功率。
2.如权利要求1所述的一种基于太阳能的微电网系统，其特征在于：
所述可控用电设备的开启时段和关闭时段通过移动终端设置。
3.如权利要求1所述的一种基于太阳能的微电网系统，其特征在于：
所述储能池连接所述受控发电子系统，所述受控发电子系统对所述储能池进行充电。
4.如权利要求3所述的一种基于太阳能的微电网系统，其特征在于：
所述太阳能发电子系统连接多个用电设备与所述储能池；
当所述太阳能发电子系统的输出功率大于所述多个用电设备的额定功率总和时，所述太阳能发电子系统给所述储能池充电。
5.如权利要求2所述的一种基于太阳能的微电网系统，其特征在于：
所述可控用电设备包括至少一个时控模块，所述时控模块连接所述储能池，所述储能池给所述时控模块提供工作电流。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于太阳能的微电网系统，其特征在于：
所述基于所述预测引擎模型预测出未来预定时间段的所述太阳能发电子系统的发电输出功率，具体包括：
所述预测引擎模型结合在线云数据库提供的光强预测数据以及所述现场测控单元测定的所述光强信号值，预测出未来预定时间段的多个不同太阳光电转换装置所在位置的光强预测信号；
基于所述光强预测信号，预测出未来预定时间段的所述多个不同太阳光电转换装置的光电转换效率；基于所述光电转换效率的加权值，预测所述太阳能发电子系统的发电输出功率。
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