CN107785932B - 一种基于相变储热的能量实时平衡控制***及其控制方法 - Google Patents

一种基于相变储热的能量实时平衡控制***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变储热的能量实时平衡控制***及其控制方法，包括计算机处理单元、负荷平衡控制单元、高压调功单元、相变储热供热单元；所述负荷平衡控制单元用于与电网母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧连接；所述负荷平衡控制单元用于实时采集母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧的电压、电流信息，实时计算需要调节的消耗功率，再根据需要调节的功率值计算出所述高压调功单元的输出电压，从而实现调节所述相变储热供热单元的消耗功率。本发明实现新能源微网或自备发电***的实时能量平衡控制，降低与主电网交换功率的波动性，提高自身***安全稳定运行的可靠性，也降低***对主电网安全稳定运行产生影响。

Description

一种基于相变储热的能量实时平衡控制***及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源或负荷波动的新能源微电网或自备电力***的能量实时平衡控制领域，具体涉及一种基于相变储热的能量实时平衡控制***。
背景技术
光伏、风电等新能源的广泛应用是未来能源技术的重要发展方向，是人类能源可持续发展的一个必经阶段，它具有持续可再生、能有效地保护地球环境和有利于人类健康等诸多优点。如图1所示，为目前新能源微电网或自备电力等***典型结构示意图，10kV母线连接有常规发电机组、光伏发电、风力发电、冲击性用电负荷、一般性用电负荷等，10kV母线通过升压变压器连接到上级电力***或主电网，新能源发电超过用电负荷需求时，多余电力输送给主电网，新能源发电不能满足用电负荷需求时，由主电网提供需要的电力，冲击性用电负荷带来的负荷剧烈波动也由主电网承担平滑功能。但是新能源发电易受环境影响，其发电功率具有很大的波动性、随机性和间歇性，当新能源发电大规模接入主电网时，其对主电网的安全稳定运行将造成很大影响。如何平滑新能源***出力的波动性，是当前亟需要解决的问题，同时***提供单一能源不能满足客户的多种能源需求。因此提出采用微电网、局域电网等方式可以在一定程度上提高***的灵活性和稳定性。
另一方面，很多工商业自备电力***中存在轧机、电弧炉、大功率电动机启动等大量的波动性、冲击性负荷，这些***的负荷会出现幅度大、频次密集的功率波动，大容量的冲击性、波动性负荷会对网架结构薄弱的自备供电***安全稳定运行产生影响，对与其互联的主电网也产生不利影响。目前大多采用电池储能技术或高压电极锅炉来解决电源或负荷的波动问题，但存在投资成本高、功率波动平抑能力欠缺、占地面积大、存在安全隐患、寿命短等不足。为了解决电源或负荷波动对***造成的不利影响，需要在供能***中协调考虑能源供给方式和能量实时平衡控制。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，解决了新能源或负荷波动对主电网的安全稳定运行造成很大影响的问题，现有技术中采用电池储能技术或高压电极锅炉来解决电源或负荷的波动存在投资成本高、功率波动平抑能力欠缺、占地面积大、存在安全隐患、寿命短的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征在于，包括计算机处理单元、负荷平衡控制单元、高压调功单元、相变储热供热单元；
所述负荷平衡控制单元用于与电网母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧连接；
所述负荷平衡控制单元用于实时采集母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧的电压、电流信息，实时计算需要调节的消耗功率，再根据需要调节的功率值计算出所述高压调功单元的输出电压，从而实现调节所述相变储热供热单元的消耗功率。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述新能源微网包括新能源发电、常规发电机组、用电负荷。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述高压调功单元包括与负荷平衡控制单元连接的控制器和与控制器连接的晶闸管；所述控制器接收负荷平衡控制单元发出的晶闸管触发角度信息，从而改变晶闸管的输出电压。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述相变储热供热单元包括电加热器、储热箱、换热器，所述电加热器产生的热能储存在储热箱中，储热箱与换热器相连，换热器中通过管道将储热箱中储存的热能输送给用热客户或者将换热器与常规发电机组的加热锅炉相连，将换热器中热水提供给常规发电机组的加热锅炉，实现储热-发电循环再利用。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述储热箱由相变材料制成。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述计算机处理单元，用于完成对能量实时平衡控制***的监视，显示能量实时平衡控制***实时信息，查询历史记录，数据存储，自动报表。
一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：包括步骤：
1)负荷平衡控制单元通过升压变压器低压侧断路器位置及电流信息判断新能源微网与主电网是并网运行还是新能源微网脱离主电网孤网运行；
2)当新能源微网与主电网并网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1：
其中，m为发电设备数量，n为用电负荷数量，i＝1-m，j＝1-n；PGi为新能源微网发电设备i的输出功率瞬时值，PLj为用电负荷j的功率瞬时值，Pe为新能源微网与主电网交换功率设定值；
当前快速调节功率P1与前一次快速调节功率P1之差取绝对值ΔP1为：
ΔP1＝|P1(k)–P1(k–1)| (2)
当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节，k为正整数；
2)当新能源微网脱离主电网孤网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1和追加调节功率P2；
实时计算快速调节功率P1根据公式(1)计算得出；
当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节；
追加调节功率P2的计算方法为：
根据***频率与***功率的关系式：
得到：
其中，f为新能源微网频率瞬时值，PL为相变储热供热单元消耗功率瞬时值，f0为频率额定值，M为调频系数；
当前追加调节功率P2与前一次追加调节功率P2之差取绝对值ΔP2为：
ΔP2＝|P2(k)–P2(k–1)| (5)
当ΔP2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤4)延时完成对相变储热单元的消耗功率追加调节；
3)当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P1的值计算出所述高压调功单元的输出电压，从而实现快速调节所述相变储热供热单元的消耗功率；
4)当ΔP2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P2的值计算出所述高压调功单元的输出电压，从而实现追加调节所述相变储热供热单元的消耗功率。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：所述快速调节相变储热供热单元的消耗功率控制周期小于20ms。
前述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：所述追加调节相变储热供热单元的消耗功率控制周期在负荷平衡控制单元中设定，其周期小于100ms。
本发明所达到的有益效果：
1)本发明实现新能源微网或自备发电***的实时能量平衡控制，从而达到发电和负荷在波动性、间歇性情况下的实时能量平衡，满足新能源微网或自备电力***与主电网最大功率交换约束要求，降低与主电网交换功率的波动性，提高自身***安全稳定运行的可靠性，也降低***对主电网安全稳定运行产生影响；
2)在孤网情况下也能实时平衡***，提高孤网***的安全稳定运行水平。
3)该***可靠性高，可扩展性好，可根据负荷的使用情况和变化情况，任意调节相变电加热器的消耗功率，从而实现对负荷100％的长期稳定调节。
附图说明
图1是目前新能源微网或自备电力等***典型结构示意图；
图2是采用能量实时平衡控制***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，包括依次连接的计算机处理单元、负荷平衡控制单元、高压调功单元、相变储热供热单元；负荷平衡控制单元与电网母线(10kV)上的新能源微网(即所有新能源发电、常规发电机组、用电负荷)及主电网升压变压器低压侧连接；
所述高压调功单元，也称调功器，包括与负荷平衡控制单元连接的控制器和与控制器连接的晶闸管(双向可控硅整流元件)；所述控制器通过光纤以太网接受负荷平衡控制单元发出的晶闸管触发角度信息，从而改变晶闸管的输出电压，即改变加在相变储热供热单元电加热器的三相输入电压，从而实现0～100％范围内调节相变储热供热单元电加热器的消耗功率。
所述相变储热供热单元包括依次连接的电加热器、储热箱、换热器，电加热器作为负荷平衡控制的消耗功率设备，储热箱由相变材料制成；电加热器产生的热能储存在储热箱中，储热箱与换热器相连，换热器中热水可以通过管道将储热箱中储存的热能输送给用热客户，也可以将换热器与常规发电机组的加热锅炉相连，将换热器中热水提供给常规发电机组的加热锅炉，实现储热-发电循环再利用。
所述负荷平衡控制单元用于实时采集10kV母线上的新能源微网(所有新能源发电、常规发电机组、用电负荷)及主电网升压变压器低压侧的电压、电流信息，实时计算需要调节的功率，再根据需要调节的功率值计算出高压调功单元晶闸管的触发角度，从而实现调节相变储热供热单元的消耗功率；
计算机处理单元，用于完成对能量实时平衡控制***的监视功能，显示能量实时平衡控制***运行界面及各设备实时信息，查询历史记录，数据存储，自动报表等。
一种基于相变储热的能量实时平衡控制***的控制方法，包括步骤：
1)负荷平衡控制单元通过升压变压器低压侧断路器位置及电流信息判断新能源微网与主电网是并网运行还是新能源微网脱离主电网孤网运行；
2)当新能源微网与主电网并网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1：
其中，m为发电设备数量，n为用电负荷数量，i＝1-m，j＝1-n；PGi为新能源微网发电设备i的输出功率瞬时值，PLj为用电负荷j的功率瞬时值，Pe为新能源微网与主电网交换功率设定值；
当前快速调节功率P1与前一次快速调节功率P1之差取绝对值ΔP1为：
ΔP1＝|P1(k)–P1(k–1)| (2)
当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节，k为正整数；
2)当新能源微网脱离主电网孤网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1和追加调节功率P2；
实时计算快速调节功率P1根据公式(1)计算得出；
当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节；
追加调节功率P2的计算方法为：
根据***频率与***功率的关系式：
得到：
其中，f为新能源微网频率瞬时值，PL为相变储热供热单元消耗功率瞬时值，f0为频率率额定值，M为调频系数；
当前追加调节功率P2与前一次追加调节功率P2之差取绝对值ΔP2为：
ΔP2＝|P2(k)–P2(k–1)| (5)
当ΔP2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤4)延时完成对相变储热单元的消耗功率追加调节；
3)当ΔP1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P1的值再算出晶闸管的触发角度，通过光纤以太网向高压调功单元控制器发出控制晶闸管的触发角度，从而实现快速调节相变储热供热单元的消耗功率，本发明可以实现从采集电压电流信息到调节相变储热供热单元功率在20ms以内完成快速调节；
4)当ΔP2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P2的值再算出晶闸管的触发角度，然后通过光纤以太网向高压调功单元控制器发出控制晶闸管的触发角度，从而实现追加调节相变储热供热单元的消耗功率；追加调节相变储热供热单元的消耗功率控制周期在负荷平衡控制单元中设定，本发明可以实现追加调节控制周期小于100ms；追加调节可以有效防止新能源微网孤网运行时采集误差、电制热材料温度变化、***其它扰动等综合因素导致的***频率越限，增强了调节效果及孤网***鲁棒性。
本发明实现新能源微网或自备发电***的实时能量平衡控制，从而达到发电和负荷在波动性、间歇性情况下的实时能量平衡，满足新能源微网或自备电力***与主电网最大功率交换约束要求，降低与主电网交换功率的波动性，提高自身***安全稳定运行的可靠性，也降低***对主电网安全稳定运行产生影响。在孤网情况下也能实时平衡***，提高孤网***的安全稳定运行水平。
该***可靠性高，可扩展性好，可根据负荷的使用情况和变化情况，任意调节相变电加热器的消耗功率，从而实现对负荷100％的长期稳定调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征在于，包括计算机处理单元、负荷平衡控制单元、高压调功单元、相变储热供热单元；
所述负荷平衡控制单元用于与电网母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧连接；
所述负荷平衡控制单元用于实时采集母线上的新能源微网及主电网升压变压器低压侧的电压、电流信息，实时计算需要调节的消耗功率，再根据需要调节的功率值计算出所述高压调功单元的输出电压，从而实现调节所述相变储热供热单元的消耗功率；
负荷平衡控制单元通过升压变压器低压侧断路器位置及电流信息判断新能源微网与主电网是并网运行还是新能源微网脱离主电网孤网运行；
当新能源微网与主电网并网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率；当前快速调节功率与前一次快速调节功率之差取绝对值，当其大于动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据当前快速调节功率的值计算出高压调功单元的输出电压，从而实现快速调节所述相变储热供热单元的消耗功率；
当新能源微网脱离主电网孤网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率和追加调节功率；当前快速调节功率与前一次快速调节功率之差取绝对值，当其大于动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据当前快速调节功率的值计算出高压调功单元的输出电压，从而实现快速调节所述相变储热供热单元的消耗功率；
当前追加调节功率与前一次追加调节功率之差取绝对值，当当前追加调节功率与前一次追加调节功率之差的绝对值大于动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据当前追加调节功率的值计算出高压调功单元的输出电压，从而实现追加调节所述相变储热供热单元的消耗功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述新能源微网包括新能源发电机组、常规发电机组、用电负荷。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述高压调功单元包括与负荷平衡控制单元连接的控制器和与控制器连接的晶闸管；所述控制器接收负荷平衡控制单元发出的晶闸管触发角度信息，从而改变晶闸管的输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述相变储热供热单元包括电加热器、储热箱、换热器，所述电加热器产生的热能储存在储热箱中，储热箱与换热器相连，换热器中通过管道将储热箱中储存的热能输送给用热客户或者将换热器与常规发电机组的加热锅炉相连，将换热器中热水提供给常规发电机组的加热锅炉，实现储热-发电循环再利用。
5.根据权利要求4所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述储热箱由相变材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制***，其特征是：所述计算机处理单元，用于完成对能量实时平衡控制***的监视，显示能量实时平衡控制***实时信息，查询历史记录，数据存储，自动报表。
7.一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：包括步骤：
1)负荷平衡控制单元通过升压变压器低压侧断路器位置及电流信息判断新能源微网与主电网是并网运行还是新能源微网脱离主电网孤网运行；
2)当新能源微网与主电网并网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1：
其中，m为发电设备数量，n为用电负荷数量，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；PGi为第i个新能源微网发电设备的输出功率瞬时值，PLj为第j个用电负荷的功率瞬时值，Pe为新能源微网与主电网交换功率设定值；
当前快速调节功率P1(k)与前一次快速调节功率P1(k–1)之差取绝对值△P1为：
△P1＝|P1(k)–P1(k–1)| (2)
当△P1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节，k为正整数；
当新能源微网脱离主电网孤网运行时，负荷平衡控制单元实时计算快速调节功率P1和追加调节功率P2；
实时计算快速调节功率P1根据公式(1)计算得出；
当△P1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤3)完成对相变储热单元的消耗功率快速调节；
追加调节功率P2的计算方法为：
根据***频率与***功率的关系式：
得到：
其中，f为新能源微网频率瞬时值，PL为相变储热供热单元消耗功率瞬时值，f0为频率额定值，M为调频系数；
当前追加调节功率P2(k)与前一次追加调节功率P2(k–1)之差取绝对值△P2为：
△P2＝|P2(k)–P2(k–1)| (5)
当△P2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元转步骤4)延时完成对相变储热单元的消耗功率追加调节；
3)当△P1＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P1的值计算出高压调功单元的输出电压，从而实现快速调节所述相变储热供热单元的消耗功率；
4)当△P2＞动作门槛设定值时，负荷平衡控制单元根据P2的值计算出高压调功单元的输出电压，从而实现追加调节所述相变储热供热单元的消耗功率。
8.根据权利要求7所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：快速调节相变储热供热单元的消耗功率控制周期小于20ms。
9.根据权利要求7所述的一种基于相变储热的能量实时平衡控制方法，其特征是：追加调节相变储热供热单元的消耗功率控制周期在负荷平衡控制单元中设定，其周期小于100ms。
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