CN204168208U - 一种光伏微电网组网 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光伏微电网组网，所述光伏微电网组网包括：多个微电网子模块，所述微电网子模块包括：变流器；与所述变流器连接的光伏阵列；与所述变流器连接的蓄电池；与所述变流器连接的负载；与所述变流器连接的储能飞轮；其中，所述储能飞轮用于减小或是消除所述变流器输出功率的波动；所述变流器通过所述储能飞轮与供电电网连接。通过控制所述变流器与所述储能飞轮的工作状态，可以减小或是消除所述变流器输出功率的波动，保证了变流器输出功率的稳定，避免了对负载与蓄电池的损坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及光伏供电技术领域，更具体的说，涉及一种光伏微电网组网。
背景技术
微电网通常有两种运行模式，一种运行模式是与大电网并网运行，微电网作为大电网的一个可控调度单元接受大电网的调度。另一种是在孤岛效应时离网运行。所述孤岛效应指一个分布式发电***，如光伏发电***，在大电网出现电力中断时继续向负载输送电能的情况。
光伏阵列构成的微电网是现在常见的一种微电网结构，其自成体系，具有自平衡能力以及可以自主运行等优点。但是由于光伏阵列受光照影响以及供电电网电压波动等情况，均会导致变流器输出功率的波动，从而对负载以及蓄电池造成损坏。
实用新型内容
为解决上述问题，本申请提供了一种光伏微电网组网，保证了变流器输出功率的稳定，避免了对负载与蓄电池的损坏。
为实现上述目的，本申请提供了一种光伏微电网组网，该光伏微电网组网多个微电网子模块，所述微电网子模块包括：
变流器；
与所述变流器连接的光伏阵列；
与所述变流器连接的蓄电池；
与所述变流器连接的负载；
与所述变流器连接的储能飞轮；
其中，所述储能飞轮用于减小或是消除所述变流器输出功率的波动；所述变流器通过所述储能飞轮与供电电网连接。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述微电网子模块还包括：发电机；
其中，所述发电机分别与所述变流器以及所述负载连接。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述发电机为燃气发电机。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述微电网子模块与所述供电电网导通并网运行时，所述变流器与所述储能飞轮做功率闭环运行，所述储能飞轮用于实现与所述供电电网接入点的可控PQ节点功能或者调峰功能。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述微电网子模块与所述供电电网断路离网运行时，所述变流器与所述储能飞轮做电压闭环运行，所述储能飞轮用于实现所述微电网子模块的电压支撑与能量平衡。
优选的，在上述光伏微电网组网中，还包括：报警装置，所述报警装置在所述光伏阵列发电功率小于设定功率和/或所述蓄电池电能释放到设定阈值时进行报警。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述变流器的交流侧为380V交流母线，其直流侧为750V直流母线。
优选的，在上述光伏微电网组网中，所述变流器为储能逆变器。
通过上述描述可知，本申请提供的微电网组网包括多个微电网子模块，所述微电网子模块包括：变流器；与所述变流器连接的光伏阵列；与所述变流器连接的蓄电池；与所述变流器连接的负载；与所述变流器连接的储能飞轮；其中，所述储能飞轮用于减小或是消除所述变流器输出功率的波动；所述变流器通过所述储能飞轮与供电电网连接。通过控制所述变流器与所述储能飞轮的工作状态，可以减小或是消除所述变流器输出功率的波动，保证了变流器输出功率的稳定，避免了对负载与蓄电池的损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种光伏微电网组网的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种能量管理***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如背景技术所述，对于光伏真累构成的微电网，由于光照强度的变化、供电电网故障灯问题，均会导致为负载提供的工作电流的较大波动，从而对负载以及蓄电池造成损坏。
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种光伏微电网组网，参考图1，图1为本申请实施例提供的一种所述光伏微电网组网的结构示意图。
所述光伏微电网组网包括多个微电网子模块10，所述微电网子模块10包括：变流器11、光伏阵列12、蓄电池13、负载14以及储能飞轮15。
其中，所述光伏阵列12、蓄电池13、负载14以及储能飞轮15均与所述变流器11连接。所述变流器11通过所述储能飞轮15与供电电网2连接。
本申请实施例所述光伏微电网组网能够设置有所述储能飞轮15，所述储能飞轮15用于减小或是消除所述变流器输11出功率的波动，进而保证其输出功率的稳定，避免了由于其功率波动对负载14与蓄电池13造成的损坏。所述变流器11为三电平四桥臂变流器，以便于分别与所述光伏阵列12、蓄电池13以及负载14连接。
在所述光伏微电网组网中，所述微电网子网模块10具有两种工作模式：与所述供电电网2导通时的并网模式以及与所述供电电网2断开时的离网模式。
在并网模式时，所述微电网子模块10与所述供电电网2导通。在光照充足的时候，光伏阵列12生成的直流电通过所述变流器11转换未设定的交流电供所述负载14使用，多于的部分存储到所述储能飞轮15和所述蓄电池13中。当二者存满电后，所述微电网子模块10还可以向当地其他交流负载以及供电电网2供电。通过控制所述储能飞轮15的转动速率，可以保证电能的质量，在谐波、电压偏差、电压不平衡度、电压波动以及闪变等相关参数满足国家标准要求。
在光伏阵列12不发电或是发电功率小于设定功率时，由所述蓄电池13以及所述储能飞轮15为所述负载14提供电能，经所述变流器11转变成符合电能质量标准的交流电，对所述负载14进行供电。
所述蓄电池13瞬时充放电的反应能力较差，由于光伏发电受到光照强光影响波动较大的特性，会严重损坏所述蓄电池13，影响其使用寿命，同设置所述储能飞轮15，利用其充放电的快速响应能力和功率密度高特点来平抑光伏输出的瞬时大功率波动，对所述蓄电池13进行保护，可以提高可再生能源利用率，实现对电网最优运行。
在并网运行模式下，如果所述光伏阵列12发电功率小于设定功率，且所述蓄电池13电能释放到设定阈值，同时所述储能飞轮15存储的电能小于设定的储能阈值时，通过所述供电电网2为所述负载14供电
通过上述描述可知，本申请所述光伏微电网组网10，可以供电电网进行并网连接，当所述光伏微电网组网10自身供电能力充足时，可以为负载14供电，且可进行电能存储，当其自身供电能力不足时，可以由所述供电电网2为所述负载14供电，实现了并网运行时供电***能量利用率的最大化，通过所述储能飞轮15以及所述蓄电池13的充放电能够平衡所述光伏阵列12发电的输出功率，保证所述蓄电池13的使用寿命以及所述负载13功率的稳定。
当所述微电网子模块的负载率变化加大或是所述供电电网2供电故障发生孤岛效应时，所述微电网子模块10自动与所述供电电网2断开。此时，对于现有的微电网子模块，变流器输出功率会发生瞬时的较大波动，虽然蓄电池的充放电反应时间较长，不能瞬间输出较大功率补偿微电网子模块的功率缺额，会导致电能质量发生剧烈波动，容易造成供电***和设备的损坏。
本申请实施方案中，利用所述储能飞轮15的快速充放电响应能力，可以进行较大功率进行调节，同时对直流侧母线电压进行调节，随着调节的进行，直流侧母线电压逐步稳定到标准值，在将符合缺额逐步转移到蓄电池13，最后通过所述蓄电池13补偿负荷缺额，从而避免了对蓄电池13使用寿命的损坏。可以通过专门的能量管理***实现孤岛效应时微电网子模块工作的控制。
在发生孤岛效应时，所述微电网子模块10自动切换至离网运行模式，通过协调所述蓄电池13、光伏阵列12以及储能飞轮15为所述负载14供电，保证供电的稳定，可以实现离网运行时有用功率与无用功率的平衡。在离网运行时，由于所述网电网子模块10可以进行功率的调节，因此可以逐步切除非重要负载，而不会由于负载率变化导致***功率的较大波动，却可以保证对重要负载的可靠供电。
如图1所示，在本申请所述光伏微电网组网中，所述微电网子模块还包括发电机16。所述发电机16分别与所述变流器11以及所述负载14连接。所述发电机用于在长时间孤岛效应，且光伏阵列12供电能力不足情况下为负载供电，保证负载持续正常运行，同时避免蓄电池亏电情况发生，保证其使用寿命。
当离网运行时，如果光伏阵列12发电功率小于设定功率，同时蓄电池13电能释放到设定阈值时，通过所述发电机16为所述负载供电，同时为所述蓄电池13以及所述储能飞轮15充电，当所述储能飞轮15以及所述蓄电池13充满电后，所述发电机16停止工作。如果在发电机16工作过程中，光伏阵列12和/或所述供电电网2的供电能力恢复，则所述发电机16停止工作。在使用过程中，要使得光伏阵列12尽可能多的利用，以降低发电成本。所述发电机16优选采用燃气发电机，以减少对环境的污染。
所述光伏微电网组网中，每一个微电网子模块10的内部电源包括光伏阵列12、储能飞轮15以及蓄电池13。微电网子模块10交流母线的主要电力来源为光伏阵列12，储能飞轮15以及蓄电池13为辅助电力来源。微电网子模块10交流母线与供电电网2母线在并网运行时为同幅同频同相交流电，在离网运行时，由变流器11或是发电机16维持电压基准，如可以为380V、50Hz。所述变流器的交流侧为380V交流母线，其直流侧为750V直流母线。
所述光伏微电网组网还包括：报警装置，所述报警装置在所述光伏阵列发电功率小于设定功率和/或所述蓄电池电能释放到设定阈值时进行报警，以便于提示操作人员开启所述发电机16。所述报警装置可以与所述变流器11连接，通过所述变流器11获取所述光伏阵列的发电功率以及所述蓄电池电能释放数据。
所述微电网子模块10设置有所述储能飞轮15，在所述微电网子模块10与所述供电电网2导通并网运行时，所述变流器11与所述储能飞轮15做功率闭环运行，所述储能飞轮15用于实现与所述供电电网2接入点的可控PQ节点功能或者调峰功能，以对变流器11的输出功率进行调节，降低其输出功率的波动。在所述微电网子模块10与所述供电电网2断路离网运行时，所述变流器11与所述储能飞轮15做电压闭环运行，所述储能飞轮15用于实现所述微电网子模块10的电压支撑与能量平衡，以对变流器11的输出功率进行调节，降低其输出功率的波动。其中，所述PQ节点为负荷节点，这类节点的有功功率P和无功功率Q是给定的。
所述变流器11为储能逆变器，包括PCS(power conversion system，功率转换***或功率变换器)。并网运行时，PCS支持低/高电压穿越和不间断运行两种模式，该模式由用户根据实际情况配置。
对于规模较小的光伏微电网组网，负载的供电可靠性和供电质量较为重要，这种情况下将PCS配置成不间断运行模式，一旦供电电网2电压幅值或者谐波超出标准范围，PCS通过控制对应的开关使得储能飞轮15与供电电网2断开，将微电网子模块10与供电电网2快速脱离，可以在15ms之内由PCS重新建立电压基准，保证微电网子模块10负载的不间断和高电能质量运行。由于微电网子模块10中具备电源和负载，PCS重建电压基准时具备频率缓启动功能，确保不会对其他微电网子模块10的电源造成冲击。
对于规模较大的光伏微电网组网，由于供电电网2的可靠性相对于微网负载的供电可靠性来说更加重要，这种情况下一旦供电电网2电压短时过高或者过低时，PCS在一定曲线范围内容忍，并且发无功支持以加速电网恢复过程。并网运行时，PCS既可以配合EMS(能量管理***)来控制对应PQ节点处的有功无功功率，也可以根据EMS调度来控制对应PQ节点处的有功无功功率，还可以根据EMS调度来对电池自动充电。三种运行模式可以根据用户需求在线配置。
离网运行时，PCS以电压源运行，它是整个光伏微电网组网的电压支撑骨架。同时PCS还可以适配各种负载类型和电源类型，内置特殊的算法应对三相不平衡负载和非线性负载，确保光伏微电网组网中各个文电网子模块电压的电能质量。如果是由于供电电网2意外停电切换到离网运行时，一旦供电电网2恢复供电，PCS自动无缝切换到并网运行，并且根据之前的配置模式运行；如果是计划性孤岛调度指令导致的离网运行，无论供电电网2有电无电，PCS均不会切换到并网运行；如果供电电网2有电时，只要EMS下达并网指令，PCS无缝切换到并网运行。
离网运行时，PCS具备供电续航时间预测功能。用户可以设置储能不足告警时间，比如储能只能支撑5分钟时，PCS向EMS发出电量不足告警。EMS可以根据该信号来启动燃气发电机组。由于燃气发电机组并入微网时对PCS有一定的冲击电流，PCS具备较强的抗电流冲击能力和逐波限流功能。当燃气发电机组作为电压支撑运行时，如果供电电网2恢复供电，EMS可以命令PCS来接管微电网子模块10电压支撑，并且无缝切换到并网运行。
微电网子模块10直流母线部分挂接蓄电池储能和储能飞轮储能。蓄电池储能实现短时能量平衡，储能飞轮储能实现极速能量平衡。PCS既可以从电网侧启动，也可以从储能侧实现黑启动。
参考图2，图2为本申请实施例提供的一种能量管理***的结构示意图，所述能量管理***包括：网络交换机21、服务器22、多个从控装置23以及显示屏24。其中，所述从控装置23通过电参数采集模块25与上述微电网子模块10连接。所述电参数采集模块25可以为EDA9133A。所述电参数采集模块25采集与之连接的微电网子模块10的微网电参数，并将所述微网电参数通过对应的从控装置23发送给网络交换机21，并最终发送给服务器22。
所述服务器22包括：数据与通信主服务器221、数据与通信备用服务器222以及运算管理服务器223。所述数据与通信主服务器221与数据与通信备用服务器222用于获取所述微网电参数，并将所述微网电参数提供给所述运算管理服务器223。同时所述数据与通信主服务器221还通过主站26获取上述供电电网的电网参数。所述运算管理服务器223根据所述微网电参数以及所述电网电参数实现上述离网工作模式以及并网工作模式的自动控制。所述显示屏24可以用于显示各个微电网子模块10的实时微网电参数以及供电电网20的实时电网电参数。
能量管理***作为***管理层，主要负责提供***运行的控制协调，并在必要情况下干预并改变微电网运行模式，预防灾害发生。考虑到管理监控易操作性和可视化的需要，能量管理***设置有显示屏24，采用图形化运行控制界面，形成图形、数据库、通信、控制等一体化组态监控平台。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的光伏微电网组网中，微电网子模块采用光伏阵列，清洁环保，适用于供电不方便地区。采用燃气发电机作为补充能源，必要时可调节励磁电流对电网提供无功，改善电网功率因素，使运行***经济合理，同时燃气属于清洁能源不污染环境。可以并网或离网运行，无缝自动切换，供电不会间断，***运行更经济。可通过对应的能力管理***，重要运行数据(包括并网状态、辐照度、实时功率、发电量等)可通过网络传送至可视化平台。微电网子模块中加入储能飞轮，延长蓄电池寿命，使***更加可靠稳定。可以通过所提供的能力管理***自动实现并网运行以及离网运行。
本申请实施例还提供了光伏微电网组网的控制方法，用于上述光伏微电网组网，该控制方法包括：并网运行控制以及离网运行控制。
在所述微电网子模块并网运行时，通过协调所述蓄电池、光伏阵列以及供电电网，为所述负载供电。
并网运行时，微电网子模块与供电电网连接，光伏阵列并网发电；储能飞轮以及变流器以功率可控模式并网运行，依据能量管理***的优化控制策略，进行充放电能量管理。
在所述微电网子模块离网运行时，通过协调所述蓄电池、光伏阵列，为所述负载供电。
离网运行时，蓄电池储能控制器为微电网提供稳定的电压及频率支撑。光伏单元并网发电，其他储能单元以功率可控模式并网运行，依据能量管理***的优化控制策略，进行充放电能量管理。
在所述微电网子模块并网或是离网运行时，通过控制所述储能飞轮减小或是消除所述变流器输出功率的波动。
离网运行/并网运行无缝切换：离网运行模式下，当供电电网恢复或接收到并网调度指令，蓄电池储能控制器调整自身运行状态，与供电电网同步后闭合固态开关，微电网子模块转入并网运行模式，切换过程中确保负荷的正常供电。
并网运行/离网运行无缝切换：并网运行模式下，当外部电网供电异常或计划检修时，蓄电池储能控制器断开微电网子模块与供电电网连接的固态开关，并转入电压/频率控制模式，快速建立并稳定微电网的电压及频率。
在所述微电网子模块并网运行时，控制所述变流器与所述储能飞轮做功率闭环运行，所述储能飞轮用于实现与所述供电电网接入点的可控PQ节点功能或者调峰功能；
在所述微电网子模块离网运行时，所述变流器与所述储能飞轮做电压闭环运行，所述储能飞轮用于实现所述微电网子模块的电压支撑与能量平衡。
所述光伏微电网组网还包括：发电机；所述控制方法还包括：在所述微电网子模块离网运行，且所述光伏阵列发电功率小于设定功率和/或所述蓄电池电能释放到设定阈值时，控制所述发电机发电，为所述负载供电。通过所述发电机，可以在长时间孤岛效应情况下保证负载的正常运行，同时放置蓄电池亏电，保证其使用寿命。
可通过上述能量管理***实现所述控制方法，对上述微电网子模块进行并网运行管理与离网运行管理。
在对微电网子模块进行并网运行管理时，微电网子模块内光伏能源发电易受天气等自然因素的影响，功率输出具有间歇性和随机性的特点，针对可再生能源的功率波动，并结合功率调度指令，协调运用能量管理策略，对储能、负荷、电源等单元进行综合协调优化调度。
并网运行能量管理模式包括：
恒定功率交换模式：该模式将微电网子模块与供电电网连接处的馈线功率调整为常量或调度指定值。当接收到与供电电网功率交换指令时，蓄电池及储能飞轮的储能控制***结合光伏发电量与负荷的实际用电量，更新输出功率值，并将指令分解至各储能单元，实现微电网子模块与供电电网的能量交互跟随功率指令的变化。该模式的优点在于，相对供电电网而言，微电网子模块能够等效为一个可调度的负荷(或电源)。
削峰填谷模式：考虑到太阳日照特性与负荷的峰荷特性存在一定程度的重合，将光伏发电设置为峰荷电源，所述储能控制***根据负荷的实际用电量，并结合光伏发电量情况，更新输出功率值。当负荷高峰期功率需求超出发电量较大时，所述储能控制***释放能量，实现削峰优化运行；当负荷低谷期功率需求较小而光伏的发电量较高时，所述储能控制***存储能量，实现填谷优化运行。
平抑功率波动模式：此运行模式的主要目标是平抑可再生能源发电量波动，减少光伏功率波动对微电网子模块运行造成的不利影响。考虑到光伏的波动性影响，设置所述储能控制***作为跟随电源，调节微电网子模块功率波动。
功率直控模式：支持手动输入功率调度指令，为所述储能控制***紧急状态干预、临时性人工调度等应用需求提供在线、友好的信息交互。
在对微电网子模块进行离网运行管理时，微电网子模块的交流母线由供电电网提供稳定的电压与频率，电源与储能等单元均以并网方式运行。当供电电网停电或发生故障时，微电网子模块快速切换为独立运行模式，由储能单元实现负荷的快速分担、电压及频率调节、保障用户电能质量等功能，即储能单元控制器不仅具备基本的功率控制功能，还应具备按各自容量比例分担负荷、抑制干扰等特性。
离网能量管理主要包括：(1)蓄电池储能工作在电压/频率控制模式，建立并维持***电压及频率，在电源、负荷等单元功率波动的情况下，自动平衡微电网子模块功率流动，***轻载时，光伏在发电高峰期所产生的剩余电能由所述储能控制***储存。(2)当光伏发电功率不能满足负荷需求或供电电网长时间故障时，蓄电池储能容量无法长时间支撑微电网子模块的电力供应，各储能单元可以依据自身容量比例分担负荷，提供部分功率补偿。
所述控制方法可以控制所述微电网组网工作在离网模式或是并网模式，并在所述光伏微电网组网并网或是离网运行时，通过控制所述储能飞轮减小或是消除所述变流器输出功率的波动，保证了变流器输出功率的稳定。
需要说明是，本申请方法实施例与装置实施例描述各有侧重，相同相似之处和相互补充说明。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种光伏微电网组网，包括多个微电网子模块，其特征在于，所述微电网子模块包括：
变流器；
与所述变流器连接的光伏阵列；
与所述变流器连接的蓄电池；
与所述变流器连接的负载；
与所述变流器连接的储能飞轮；
其中，所述储能飞轮用于减小或是消除所述变流器输出功率的波动；所述变流器通过所述储能飞轮与供电电网连接。
2.根据权利要求1所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述微电网子模块还包括：发电机；
其中，所述发电机分别与所述变流器以及所述负载连接。
3.根据权利要求2所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述发电机为燃气发电机。
4.根据权利要求2所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述微电网子模块与所述供电电网导通并网运行时，所述变流器与所述储能飞轮做功率闭环运行，所述储能飞轮用于实现与所述供电电网接入点的可控PQ节点功能或者调峰功能。
5.根据权利要求2所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述微电网子模块与所述供电电网断路离网运行时，所述变流器与所述储能飞轮做电压闭环运行，所述储能飞轮用于实现所述微电网子模块的电压支撑与能量平衡。
6.根据权利要求5所述的光伏微电网组网，其特征在于，还包括：报警装置，所述报警装置在所述光伏阵列发电功率小于设定功率和/或所述蓄电池电能释放到设定阈值时进行报警。
7.根据权利要求1所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述变流器的交流侧为380V交流母线，其直流侧为750V直流母线。
8.根据权利要求1所述的光伏微电网组网，其特征在于，所述变流器为储能逆变器。
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