微电网控制系统及新能源循环利用系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种微电网控制系统，包括：微电网控制柜，分别与发电模块和储能模块电连接，用于接收并汇集一个或多个发电模块的电能，并且管理储能模块的电能的储存和释放；主控柜和测控柜，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行，其中，主控柜与微电网控制柜电连接，测控柜与主控柜电连接；微电网管理模块，分别与微电网控制柜、主控柜和测控柜电连接，集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理，负责发电模块、储能模块和外网之间的协调工作。本发明还提供一种应用上述微电网控制系统的新能源循环利用系统。
【专利说明】微电网控制系统及新能源循环利用系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及可再生清洁能源【技术领域】，尤其涉及一种微电网控制系统及新能源循环利用系统。
【背景技术】
[0002]现有交通领域的太阳能、风能利用技术是通过光伏发电和风力发电就地进行储能，应用的领域依然针对的是道路两侧分散的用电设备，例如道路照明和监控设备。
[0003]这种技术只是对太阳能和风能的简单收集和利用，只能针对就地用电设备分散式的供电，对于收费站系统和通信系统等较为集中负荷供电不能提供帮助。
[0004]所以，我国交通领域绿色能源利用率很低，在交通线路上进行节能挖潜和绿色能源开发利用存在巨大的空间。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种微电网控制系统及新能源循环利用系统，系统化管理和利用公路处收集的太阳能和风能，提高绿色能源利用率。
[0006]根据本发明一个方面，提供一种微电网控制系统，包括:微电网控制柜，分别与发电模块和储能模块电连接，用于接收并汇集一个或多个发电模块的电能，并且管理储能模块的电能的储存和释放；主控柜和测控柜，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行，其中，主控柜与微电网控制柜电连接，测控柜与主控柜电连接；微电网管理模块，分别与微电网控制柜、主控柜和测控柜电连接，集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理，负责发电模块、储能模块和外网之间的协调工作。
[0007]可选的，微电网管理模块适于:通过用户侧负荷需求分析、储能模块供电能力和发电侧供电能力的量测、外部电网电力需求预测，通过并网和离网运行的能量管理策略，统一调度微电网和外网电力传输，保证微电网在离网和并网情况下能够自动切换。
[0008]可选的，主控柜包括:微电网集中控制器、通信管理机和交换机。通信管理机采集各单元模块信息，通过交换机送至微电网集中控制器。微电网集中控制器用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行。
[0009]可选的，测控柜包括:微电网并离网控制器和负荷控制器。微电网并离网控制器可对微电网公共连接点进行监视，通过孤岛检测实现离网自动断开PCC点断路器，实现微电网与大电网的隔离，当大电网恢复供电时能自动并网。负荷控制器用于并网转离网时快速切除微电网多余的负荷或发电设备，快速实现并转离的发用电平衡。
[0010]可选的，微电网集中控制器、微电网并离网控制器在微电网并网运行期间的控制策略包括:并网运行期间，微电网自身分布式电源发电只占用电的一部分，集中控制器在并网运行时，实时计算系统功率差额，并规划如果发生离网，各分布式电源的出力计划和各种负荷的投切计划，微电网并离网控制器一旦检测到微电网离网，则微电网控制管理系统立即执行已定控制计划，实现微电网并离网的过渡。
[0011]可选的，微电网集中控制器、微电网并离网控制器在微电网离网运行期间的控制策略包括:离网运行期间，微电网并离网控制器时刻检查微电网频率，如果频率上升，则恢复部分已切除的负荷，如果所有的负荷均投入频率依旧过高，则采用切除分布式电源的措施或调整分布式电源出力。如果频率下降到允许的最低限值，则通过负荷控制器继续切除剩余部分负荷，保证在离网期间最重要负荷供电的可靠性和供电质量。
[0012]可选的，在切除负荷时按负荷重要程度，先切除非重要的负荷再切重要负荷。
[0013]根据本发明另一个方面，提供一种新能源循环利用系统，包括:一个或多个发电模块；储能模块，用于存储发电模块产生的电能；微电网控制系统；和用电模块，分别与测控柜和微电网管理模块电连接，包括负荷及外部电网。
[0014]可选的，发电模块包括风力发电模块，风力发电模块包括布置于高速公路中间的多节垂直轴风力发电机，多节垂直轴风力发电机上部、中部、下部分别采集自然风、大型车辆和小型车辆的行驶过程中带动的风力。
[0015]可选的，所述多节垂直轴风力发电机为:多组萨瓦纽斯型垂直轴风力发电机和/或多组直叶片H型垂直轴风力发电机。
[0016]本发明优点在于:在保障高速高速公路及其沿线高效、安全运营的前提下，通过多种绿色能源技术的综合应用，以高速公路收费站/服务区、公路沿线和公路隧道为推广应用对象，从绿色可再生能源利用、微电网综合供能及监控、节能控制技术、储能技术和离网供电技术等方面突破影响推广应用的技术瓶颈、实现公路运营节能技术的集成应用及推广，推动高速公路向着资源节约、高效环保的绿色能源公路目标发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是根据本发明一个实施例提供的新能源循环利用系统结构示意图；
[0018]图2是根据本发明另一个实施例提供的新能源循环利用系统结构示意图；
[0019]图3是根据本发明另一个实施例提供的储能模块结构示意图；
[0020]图4-5是萨瓦纽斯(Savonius)型垂直轴风力发电机示意图；
[0021]图6-7是直叶片H型垂直轴风力发电机示意图；
[0022]图8是根据本发明另一个实施例提供的多节垂直轴风机部署和结构示意图。【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]新能源循环利用系统
[0025]发明人经研究提出了一种新能源循环利用系统，包括:风光储互补一体化路灯照明系统、光伏发电、储能系统、微电网控制子系统(即微电网控制系统)。
[0026]以公路沿线的服务区/收费区/停车区等为核心，利用建筑屋顶及空地的太阳能和风能建设分布式光伏发电、风力发电、集中储能等子系统，结合外部供电电源、应急备用柴油发电设备等提供电力供应，共同构成新能源循环利用系统，在微电网控制管理系统统一调度下优化运行。
[0027]新能源循环利用系统可以为服务区或沿线设备提供电力供应，也可以就近接入电网，将绿色能源发出的电能送入电网。新能源循环利用系统可以综合调节公路能源供应，提高与电网系统的互动性，提高能源的综合运行效率，降低用能成本。
[0028]如图1所示，根据本发明一个实施例，提供一种新能源循环利用系统，包括:
[0029]一个或多个发电模块11 ；
[0030]储能模块13，用于存储发电模块11产生的电能；
[0031]微电网控制子系统12 (即微电网控制系统，简称微电网)，包括:
[0032]微电网控制柜122，分别与发电模块11和储能模块13电连接/耦接，用于接收并汇集一个或多个发电模块11的电能，并且管理储能模块13的电能的储存和释放；
[0033]主控柜123和测控柜124，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行；其中，主控柜123与微电网控制柜122电连接，测控柜124与主控柜123电连接；
[0034]微电网管理模块121，分别与微电网控制柜122、主控柜123和测控柜124电连接，集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理；
[0035]用电模块14，分别与测控柜124和微电网管理模块121电连接，包括负荷及外部电网。
[0036]如图2所示，根据本发明另一个实施例，提供一种新能源循环利用系统，包括:
[0037]位于发电侧的发电模块，包括风力发电模块和光伏发电模块；
[0038]微电网控制子系统，包括微电网控制柜、微电网管理模块、主控柜和测控柜；
[0039]储能模块，包括交直流转换单元(PCS)和蓄电池；
[0040]用户侧的用电模块，包括智能开关柜、负荷及外部电网。
[0041]其中，微电网管理模块集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理，负责发电模块、储能模块和外网之间的协调工作，通过用户侧负荷需求分析、储能模块供电能力和发电侧供电能力的量测、外部电网电力需求预测，通过并网和离网运行的能量管理策略，统一调度微电网和外网电力传输，保证微电网在离网和并网情况下能够自动切换，满足用户侧供电需求，维持微电网的安全运行。
[0042]风力发电模块和光伏发电模块在发电侧处于平行位置，其中，光伏发电是采用太阳能板收集太阳能，将太阳能转化为电能，经汇流箱和逆变器将直流电转换成交流电接入到微电网控制柜中；风力发电是由风机控制器控制垂直轴或其他小型风机发电，经过风机变流器接入到微电网控制柜中。
[0043]用户侧的用电模块包括智能开关柜、负荷及外部电网母线，当用户侧电能需求变化时，智能开关柜根据微电网管理子系统指令控制外网电源的接入，最大化的利用现有光伏发电和风力发电产生的电能。
[0044]蓄电池与PCS电连接，是储能模块的重要组成部分。储能模块用于实现电池与电网间能量双向交换，可工作在蓄电池充电模式和蓄电池能量回馈电网模式。如图3所示，蓄电池、PCS、隔离变压器和微电网控制柜依次电连接。[0045]新能源循环利用系统的电流传导过程是将风力发电和光伏发电的交流电经过整流，存储到蓄电池中，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后通过具有保护电路的逆变电源，把蓄电池里的化学能转变成交流220V，向用户侧提供电力，如果用户侧负荷增大到储能系统无法保证其供应的程度，系统将从外网获取电能。
[0046]微电网控制子系统(即微电网控制系统)
[0047]如图1-2所示，微电网控制子系统12包括:
[0048]微电网控制柜122，分别与发电模块11和储能模块13电连接/耦接，用于接收并汇集一个或多个发电模块11的电能，并且管理储能模块13的电能的储存和释放；
[0049]主控柜123和测控柜124，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行；其中，主控柜123与微电网控制柜122电连接，测控柜124与主控柜123电连接；
[0050]微电网管理模块121，分别与微电网控制柜122、主控柜123和测控柜124电连接，集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理。
[0051]根据本发明一个实施例，主控柜(即微电网主控柜)包括:
[0052]微电网集中控制器；
[0053]通信管理机；和
[0054]交换机。
[0055]其中，通信管理机采集各单元模块信息，如PCS、BMS (蓄电池的电池管理系统)、逆变器、风机控制器、风机变流器、表计、保护、断路器等信息，通过交换机送至微电网集中控制器，通过微电网集中控制器进行监视及调控。
[0056]其中，微电网集中控制器是微电网主控柜中的重要装置，是一款嵌入式微电网主机兼操作员站，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行，同时可作为数据库服务器，是微电网控制子系统的核心部件。
[0057]根据本发明一个实施例，测控柜(即微电网测控柜)包括:
[0058]微电网并离网控制器；和
[0059]负荷控制器。
[0060]其中，微电网并离网控制器可对微电网公共连接点进行监视，通过孤岛检测实现离网自动断开PCC点断路器，实现微电网与大电网的隔离，当大电网恢复供电时能自动并网。同时本装置配备保护功能实现微电网内部故障以及外部故障时的自动隔离，可作为整个微电网的系统级保护。
[0061]其中，负荷控制器具有离网联切、低频、低压、过频、过压控制功能，主要用于并网转离网时快速切除微电网多余的负荷或发电设备，快速实现并转离的发用电平衡，在离网期间具有低频、低压减载，过频切机，过频或过压解列，通过判断电压、频率等运行参数实现微电网能量平衡。
[0062]根据本发明一个实施例，在主控柜和测控柜中，微电网集中控制器、微电网并离网控制器在微电网的各种运行方式及微电网进行并转离或离转并时起着重要作用，下面进行具体说明。
[0063]1、微电网并网运行期间的控制策略[0064]并网运行期间，微电网自身分布式电源发电只占用电的一部分，针对这种情况，集中控制器在并网运行时，实时计算系统功率差额，并规划如果发生离网，各分布式电源的出力计划和各种负荷的投切计划，微电网并离网控制器一旦检测到微电网离网，则微电网控制管理系统立即执行已定控制计划，实现微电网并离网的过渡。
[0065]2、微电网离网运行期间的控制策略
[0066]离网运行期间，微电网并离网控制器时刻检查微电网频率，如果频率上升，则恢复部分已切除的负荷，如果所有的负荷均投入频率依旧过高，则采用切除分布式电源的措施或调整分布式电源出力。如果频率下降到允许的最低限值，则通过负荷控制器继续切除剩余部分负荷，保证在离网期间最重要负荷供电的可靠性和供电质量。
[0067]在切除负荷时按负荷重要程度，先切除非重要的负荷再切重要负荷，对分布式电源出力的调整，原则是优先保证可再生能源的最大出力发电，达到微电网离网后的供需平衡目标。
[0068]离网运行期间，微网集中控制器检测到系统电源恢复后，微电网并离网控制器检测出满足同期条件时下发并网指令合PCC点电子开关，微电网重新并网运行。
[0069]根据本发明一个实施例，微电网自身分布式电源发电只占用电的一部分，其他还是要靠市电接入来提供电力。如果市电出现故障或其他原因断开(停电)，这个时候就是离网，这时就要有柴油发电机启动发电来保证一些设备的正常运行。例如，微电网在离网运行期间柴油发电机启动处于电压源V/F工作模式，为交流母线提供电源支撑。
[0070]根据本发明一个实施例，微电网控制柜包括:计量表计和控制开关。
[0071]微电网控制柜主要是完成发电侧光伏发电和风力发电的电能汇集，并且通过微电网控制子系统中主控柜的通信管理机采集PCS、BMS信息，经过交换机送至微电网集中控制器，通过微电网集中控制器完成PCS对电池充放电管理即电能的储存和释放。
[0072]新能源循环利用系统在配备储能装置后，新能源出力与储能装置的协调运行，能够平滑微电网系统的出力曲线，提高新能源电能质量；同时新能源循环利用系统由并网转为离网运行，储能系统作为UPS后备电源为整个微电网系统不间断供电。
[0073]根据本发明一个实施例，为了实现微电网安全稳定运行，需要制定正确的微电网控制及能量管理策略，说明如下:
[0074]1、分布式电源控制
[0075]分布式电源控制采用P/Q控制模式或最大功率跟踪控制模式，在电网正常运行时实现可再生能源的最大化发电，实现分布式电源发电的可调性。本项目分布式电源控制包括光伏逆变器、风机变流器。
[0076]2、储能控制
[0077]储能控制器PCS能够在并网运行时处于P/Q控制模式，由微电网管理单元通过微电网集中控制器调度其充放电状态，在离网后自动切换为V/F控制模式，维持微电网离网期间的电压和频率，储能控制由储能PCS实现。
[0078]3、微电网实时监控
[0079]新能源循环利用系统通过低压测控单元、分布式电源逆变器、并离网控制器等实时采集模拟量、开关量等信息量，完成整个微电网运行工况的监视。
[0080]4、电压及无功调节[0081]当供电电压偏离允许范围造成较严重的电能质量问题时，电压无功控制功能通过调节各分布式电源、无功补偿器等设备的无功输出，保证电压在合格范围内，并实现无功功率的就地平衡。
[0082]多节垂肓轴风机
[0083]进一步的，发明人经研究发现，在高速公路上，虽然自然地势开阔、自然风力较强，但是现有技术并未充分利用高速公路上高速行驶的来往车辆带动的风能，降低了风能的利用率，同时自然风力的大小不同，很容易导致机组处于不满负荷运行状态，而分散式的供电容易造成蓄电池电能溢出，不利于风能最大化利用。
[0084]由于现有技术中未考虑到公路系统中车辆行驶带动的风能，造成了风能利用率较低，发明人提出:
[0085]将垂直轴风机进行多节整合，布置于高速公路中间的隔离带中，充分利用来往高速行驶车辆带动的风力，由于高速公路上隔离带两侧车辆行驶的方向正好相反，可以最大限度的对垂直轴风机提供风能，在加上自然风的推动将能大大增加风力发电机满负荷运行时间，提高风能利用率，增加机组利用效率。
[0086]根据驱动垂直轴风力发电机转动的气动力的不同，有两种类别?.萨瓦纽斯(Savonius)型垂直轴风力发电机(也称为S型风力机)和直叶片H型垂直轴风力发电机。
[0087]萨瓦纽斯型垂直轴风力发电机，又称S型风力机。S型风力机主要是利用空气产生的阻力，推动S型叶片旋转，从而带动稀土永磁发电机发电产生电能。
[0088]如图4-5所示，萨瓦纽斯型垂直轴风力发电机通常包括两枚轴线错开的半圆柱形叶片、刹车单元、稀土永磁发电机。也有用3枚以上的这种风力机往往上下重叠多层，以提高功率并且避开启动死区。其优点是启动转矩大，弱风下容易启动。
[0089]H型垂直轴风力发电机属于升力型风力发电机，采用空气动力学原理，利用空气产生的升力做功，
[0090]H型垂直轴风力发电机包括叶片、刹车单元、稀土永磁发电机。主要是用垂直直线3-5个叶片，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电。例如，如图6所示，H型垂直轴风力发电机包括3个叶片011以及转轴012。
[0091]如图7所示，叶片采用飞机翼形形状，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩，推动叶轮旋转。在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率。
[0092]根据本发明一个实施例，为了提高绿色能源公路中风能的利用率，采用垂直轴风机作为风力发电设备，通过在公路隔离带合理设置垂直轴风机的安装位置和高度，通过多节垂直轴风机组合，充分利用公路上来往大小各种车辆带动的风力进行发电，同时通过微电网控制子系统对所有垂直轴风机进行集中电能管理，合理安排发电侧供电能力和用户侧需求，最大化提升电能利用效率。
[0093]如图8所示，垂直轴风力发电机的三个叶片同轴转动，项层叶片主要采集自然风，中间叶片采集大货车行驶过程中带动的风力，底层叶片同时采集小汽车和大货车行驶过程中带动的风力，三组叶片同时作用提高发电机转速，增加发电量。
[0094] 应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
【权利要求】
1.一种微电网控制系统，包括: 微电网控制柜，分别与发电模块和储能模块电连接，用于接收并汇集一个或多个发电模块的电能，并且管理储能模块的电能的储存和释放； 主控柜和测控柜，用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行，其中，主控柜与微电网控制柜电连接，测控柜与主控柜电连接； 微电网管理模块，分别与微电网控制柜、主控柜和测控柜电连接，集中对微电网控制柜、主控柜和测控柜进行控制和管理，负责发电模块、储能模块和外网之间的协调工作。
2.根据权利要求1所述的微电网控制系统，其中，微电网管理模块适于: 通过用户侧负荷需求分析、储能模块供电能力和发电侧供电能力的量测、外部电网电力需求预测，通过并网和离网运行的能量管理策略，统一调度微电网和外网电力传输，保证微电网在离网和并网情况下能够自动切换。
3.根据权利要求1所述的微电网控制系统，其中，主控柜包括: 微电网集中控制器； 通信管理机；和 交换机； 其中，通信管理机采 集各单元模块信息，通过交换机送至微电网集中控制器； 其中，微电网集中控制器用于全面监视整个微电网一次设备的运行情况，实时分析微电网的运行情况并获得整个微电网优化和调整策略并快速自动执行。
4.根据权利要求3所述的微电网控制系统，其中，测控柜包括: 微电网并离网控制器；和 负荷控制器； 其中，微电网并离网控制器可对微电网公共连接点进行监视，通过孤岛检测实现离网自动断开PCC点断路器，实现微电网与大电网的隔离，当大电网恢复供电时能自动并网；其中，负荷控制器用于并网转离网时快速切除微电网多余的负荷或发电设备，快速实现并转离的发用电平衡。
5.根据权利要求4所述的微电网控制系统，其中，微电网集中控制器、微电网并离网控制器在微电网并网运行期间的控制策略包括: 并网运行期间，微电网自身分布式电源发电只占用电的一部分，集中控制器在并网运行时，实时计算系统功率差额，并规划如果发生离网，各分布式电源的出力计划和各种负荷的投切计划，微电网并离网控制器一旦检测到微电网离网，则微电网控制管理系统立即执行已定控制计划，实现微电网并离网的过渡。
6.根据权利要求4所述的微电网控制系统，其中，微电网集中控制器、微电网并离网控制器在微电网离网运行期间的控制策略包括: 离网运行期间，微电网并离网控制器时刻检查微电网频率，如果频率上升，则恢复部分已切除的负荷，如果所有的负荷均投入频率依旧过高，则采用切除分布式电源的措施或调整分布式电源出力；如果频率下降到允许的最低限值，则通过负荷控制器继续切除剩余部分负荷，保证在离网期间最重要负荷供电的可靠性和供电质量。
7.根据权利要求6所述的微电网控制系统，其中，在切除负荷时按负荷重要程度，先切除非重要的负荷再切重要负荷。
8.一种新能源循环利用系统，包括: 一个或多个发电模块； 储能模块，用于存储发电模块产生的电能； 如权利要求1-7中任一项所述的微电网控制系统；和 用电模块，分别与测控柜和微电网管理模块电连接，包括负荷及外部电网。
9.根据权利要求8所述的新能源循环利用系统，其中，发电模块包括风力发电模块，风力发电模块包括布置于高速公路中间的多节垂直轴风力发电机，多节垂直轴风力发电机上部、中部、下部分别采集自然风、大型车辆和小型车辆的行驶过程中带动的风力。
10.根据权利要求9所述的新能源循环利用系统，其中，所述多节垂直轴风力发电机为:多组萨瓦纽斯型垂直轴风力发电机和/或多组直叶片H型垂直轴风力发电机。
【文档编号】H02J3/38GK103904684SQ201410123602
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】郭炬, 常建平, 吕文杰, 沈春雷, 徐臣, 徐杰彦, 王楠, 范滢 申请人:国网节能服务有限公司