一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统及控制方法与流程

本发明属于微电网技术领域，更具体地，涉及一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统及其控制方法。

背景技术：

随着工业化和城市化地快速推进，为满足城市人口的办公及居住需求，需要建设大量的高层建筑以维持社会稳定发展，高层建筑的运行需要大量的能源。而常规能源的逐渐枯竭以及日益严重的环境污染，可再生能源(风电、光伏)以及分布式发电技术亦得到了越来越多的重视和发展。将分布式发电供能系统以微网形式应用到高层建筑中与主电网并网运行，互为支撑，既能补充高层建筑部分能量的需求，又不会对环境造成污染。

传统的新能源微网结构包括风机、光伏阵列、储能装置以及负荷等。由于风能、太阳能等可再生能源发电系统易受自然条件影响，其电能输出具有波动性和间歇性，系统需要有足够的调节能力的储能装置以保障实时功率平衡，保障电网的安全运行。传统储能装置如蓄电池污染重，寿命短，成本高，不能大量存储电能；新型储能装置如氢系统、超级电容系统技术尚不成熟，造价高，目前还不能大规模开发利用。储能装置的不足使得分布式新能源微网只局限在理论研究，并没有实际推广利用。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统，通过提出一种利用高层建筑高程差进行储能的抽蓄储能方式，以解决传统的新能源微网中储能装置存在污染重，寿命短，成本高，不能大量存储电能的问题，从而在社区、厂区等负荷中心实现可再生能源的高效利用。

本发明提供了一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统，包括：风机组件、光伏阵列组件、抽蓄机组和微网中央处理器；风机组件、光伏阵列组件和抽蓄机组均连接在低压母线上，抽蓄机组包括上水库、下水库、引水管道、水泵水轮机和发电机；上水库设置在高层建筑的顶部，下水库设置在地面，水泵水轮机的一端通过引水管道连接至上水库，水泵水轮机的另一端连接下水库；发电机与水泵水轮机同轴连接；在抽蓄机组发电工况下，上水库将水放出，经引水管道流入水泵水轮机，带动转轮旋转，从而带动同轴连接的发电机发电产生电能，最后水流入下水库；在抽蓄机组抽水工况下，电动机消耗电能带动水泵水轮机反方向旋转，从下水库往上抽水，经过引水管道，将水储存在上水库；微网中央处理器与风机组件、光伏阵列组件和抽蓄机组均连接，用于根据可再生能源的发电量和负荷需求量，管理调度系统能量分配；实时监控系统内风机组件、光伏阵列组件和抽蓄机组状态，及时处理和报告各类故障；实现微网在并网、离网两种模式间的无缝切换。

更进一步地，风机组件和所述光伏阵列组件布置在高层建筑表面或者顶部。

更进一步地，风机组件包括风机和逆变器，所述逆变器的直流侧连接风机，所述逆变器的交流侧接入低压母线，所述逆变器设有与微网中央处理器连接的通信端口。

更进一步地，光伏阵列组件包括光伏阵列和逆变器，所述逆变器的直流侧连接光伏阵列，所述逆变器的交流侧接入低压母线，所述逆变器设有与微网中央处理器连接的通信端口。

本发明还提供了一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统的控制方法，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，包括下述步骤：

(1)当高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统与外部的主电网并网时，判断高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统中单位控制时间内的负荷需求量是否小于可再生能源发电量，若是，则由高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统给负荷提供全部电能，并将剩余的电能出售给主电网；若否，则转入步骤(2)；

(2)将高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统中负荷日平均功率曲线与可再生能源发电功率曲线相减后获得等效负荷功率曲线，根据等效负荷功率曲线获得所述等效负荷功率曲线中波峰的值和波谷的值；

(3)根据等效负荷功率曲线中波峰的值、波谷的值和上水库、下水库的库容大小获得削峰越界值和填谷越界值；

(4)判断所述等效负荷功率曲线对应的负荷功率是否大于所述削峰越界值，若是，则控制抽蓄机组进入发电状态，且越界部分功率由抽蓄机组发电补偿；若否，则抽蓄机组处于静止状态；

判断所述等效负荷功率曲线对应的负荷功率是否小于填谷越界值，若是，则控制抽蓄机组进入抽水状态，且低于越界部分功率由抽蓄机组抽水将电能转换为上水库水的势能，增大微网等效负荷；若否，抽蓄机组处于静止状态。

更进一步地，削峰越界值的设定原则为：削峰越界值与波峰的值所包含区域内需要补充的电能等于上水库流出一半库容所产生的电能；填谷越界值的设定原则：填谷越界值与波谷的值所包含区域内需要增加负荷的耗电量等于下水库抽一半库容的水到上水库所需要消耗的电能。

更进一步地，上水库库容V_up等于所述下水库库容V_down，且上水库库容为在抽蓄机组额定流量下可使机组运行2小时。

本发明还提供了一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统的控制方法，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，包括下述步骤：

(1)当高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统与外部的主电网离网时，微网中央处理器根据微网中单位控制时间内可再生能源发电量、负荷需求量、设备状态安排设备运行，建立微网电压和频率，维持微网潮流平衡。判断高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统中单位控制时间内的负荷需求量是否小于可再生能源发电量，若是，则由高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统给负荷提供全部能量需求，并且启动抽蓄机组抽水将多余的电能储存为上水库水的势能；若否，则转入步骤(2)；

(2)判断高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统中单位控制时间内负荷需求量减去微网可再生能源发电量后得到的等效负荷需求量是否小于抽蓄机组发电总量，若是，则投入抽蓄机组进行发电维持电网功率平衡；若否，则转入步骤(3)；

(3)即高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统单位控制时间内可再生能源和抽蓄机组发电总量不能满足负荷需求量时，则需要切除微网系统中相对重要等级较低的负荷以减小负荷需求量，例如关闭少量地下停车场照明设备。

更进一步地，所述可再生能源包括风机组件和光伏阵列组件产生的能量。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将风机、光伏阵列等可再生能源系统集成在高层建筑中，能补充高层建筑部分的能源需求，在能量节约方面有着巨大的潜力，有利于节省高层建筑日常电力成本，更有利于保护自然环境。抽蓄机组作为储能装置具有对电网负荷变化反应快速、调节灵活，调峰、填谷、调频、调相和事故备用的良好运行性能。依托城市高层建筑的高程差，在建筑物顶部布置上水库、底部布置下水库，将抽蓄机组作为储能设备与风机、光伏阵列等可再生能源系统联合运行，组成纯绿色、安全、可实际推广的智能微网。不仅能大量存储可再生能源，稳定地给负荷供电，提高微网系统的稳定性，且这类设备环保无排放、使用年限长。

附图说明

图1为高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统的结构布置图；

图2为根据本发明实施例提出的微网系统的结构原理框图；

图3为本发明实施例中日平均负荷曲线及预测可再生能源发电功率曲线；

图4为本发明实施例中等效负荷功率曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明提出了一种高层建筑(层高超过50米，能利用高程差增大抽蓄机组的容量)抽蓄储能风光智能微网，该微网系统由风机组件、光伏阵列组件、抽蓄机组和微网中央处理器组成。风机组件、光伏阵列组件和抽蓄机组连接在低压母线上，电压等级在220V～10KV(不含)之间；另外高压母线可视为主电网，能提供可靠的能源支持，电压等级在10KV～220KV之间；并网变压器、并网开关布置在微网和主电网之间的PCC处。微网中央处理器的作用体现在两方面，第一主要是根据可再生能源的发电量和负荷需求量，管理调度系统能量分配；第二则是实时监控系统状态，及时处理各类故障，实现微网在并网、离网两种模式间的无缝切换。

将风机、光伏阵列等可再生能源系统集成在高层建筑中，能补充高层建筑部分的能源需求，在能量节约方面有着巨大的潜力，有利于节省高层建筑日常电力成本，更有利于保护自然环境。

抽蓄机组作为储能装置具有对电网负荷变化反应快速、调节灵活，调峰、填谷、调频、调相和事故备用的良好运行性能。依托城市高层建筑的高程差，在建筑物顶部布置上水库、底部布置下水库，将抽蓄机组作为储能设备与风机、光伏阵列等可再生能源系统联合运行，组成纯绿色、安全、可实际推广的智能微网。不仅能大量存储可再生能源，稳定地给负荷供电，提高微网系统的稳定性，且这类设备环保无排放、使用年限长。

高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统的优化运行模式主要有两种：并网运行模式和离网运行模式。并网运行模式和离网运行模式的切换由微网中央处理器智能分析系统状态控制并网开关做出开闭动作。并网开关处于常闭状态，将高层建筑微网与主电网相连；当主电网发生故障时，并网开关迅速断开，使高层建筑微网脱离主电网，以免影响高层建筑微网正常运行，高层建筑微网运行在孤岛模式。

并网运行模式下，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，微网中央处理器根据微网中单位控制时间内可再生能源发电量、负荷需求量和设备状态安排设备具体运行方式。在保证上水库储水量最大原则前提下有如下操作方法：当微网中负荷需求量小于可再生能源发电量时，微网可再生能源发电量能提供全部需求且有多余的电力，此时主电网视微网为一个电源模型，微网可通过连接设备向主电网出售多余电力，既能获得额外收益，且不会发生弃风等浪费资源现象。

当微网中单位控制时间内负荷需求量大于等于可再生能源发电量时，主电网将微网看作一个可控的负荷模型。为缓解微网等效负荷波动过大对主电网造成冲击，利用抽蓄机组的优异削峰填谷性能降低微网负荷峰值的高度，填平负荷低谷。统计微网负荷日平均功率曲线，预测可再生能源发电功率曲线，获得等效负荷曲线，根据等效负荷曲线获得波峰及波谷对应的负荷功率大小，微网中央处理根据波峰、波谷的值和上水库、下水库库容大小设定削峰越界值和填谷越界值；根据系统等效负荷功率大小来控制抽蓄机组的运行，如果微网等效负荷功率超过削峰越界值，则控制抽蓄机组进入发电状态，越界部分功率由抽蓄机组发电补偿；如果微网等效负荷小于填谷越界值，则控制抽蓄机组进入抽水状态，低于越界部分功率由抽蓄抽水将电能转换为上水库水的势能，增大微网等效负荷；如果微网等效负荷既不大于削峰越界值，也不小于填谷越界值，则抽蓄机组处于静止状态。

当主电网发生故障时，微网中央处理器控制并网开关迅速断开，微网处于离网运行模式下，即孤岛运行模式，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，微网中央处理器根据微网中单位控制时间内可再生能源发电量、负荷需求量和设备状态安排设备具体运行方式，建立微网电压和频率，维持微网潮流平衡。当微网中单位控制时间内负荷需求量小于可再生能源发电量时，微网可再生能源发电量能提供全部能量需求，并且启动抽蓄机组水泵将多余的电能转化为上水库水的势能；当微网中单位控制时间内负荷需求量大于等于微网可再生能源发电量时，投入抽蓄机组进行发电维持微网功率平衡；最严重的微网能源事故为单位控制时间内可再生能源和抽蓄机组发电总量不能满足负荷需求量时，此时则需要切除微网系统中相对重要等级较低的负荷，例如关闭少量地下停车场照明设备。

微网负荷单元可以是办公设备、充电桩和照明系统中的至少一种。

本发明提出的一种高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统，将微网系统应用到高层建筑中，补充高层建筑部分的能源需求，符合绿色建筑理念。充分利用高层建筑自身的高程差将抽蓄机组作为储能设备，能大量存储可再生能源，稳定地给负荷供电，提高微网系统的稳定性，是可广泛推广的技术。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为根据本实施例提出的高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统的结构布置图，依托高层建筑的高程差，在建筑物顶部布置上水库、底部布置下水库，结合高层建筑顶部敷设的光伏阵列和楼栋间布置的风机，组成纯绿色的智能微网。如图1所示依托高层建筑高程差，将上水库布置在楼顶，增加上下水库水位差，提高抽蓄机组的发电功率；将风机布置在楼栋之间，利用高层建筑的形状有利于将风汇集在楼栋之间，提高风速，保证风机发电效率；光伏阵列系统则布置较为开阔的楼顶及建筑表面等位置。易知此图只具有展示作用，具体抽蓄机组的容量，风机、光伏阵列的功率、数量，高层建筑的结构信息等情况视具体实施例而定。

图2为根据本发明实施例提出的微网系统结构原理框图。办公高层建筑抽蓄储能风光智能微网系统包括风机组件、光伏阵列组件、抽蓄机组和微网中央处理器以及用于说明智能微网系统运行方法所需的负荷、主电网、连接设备和各类开关。其中风机201、光伏阵列202、抽蓄机组203、负荷204均连接在220V低压母线上(本文中的低压具体是指220V～10KV(不含)的电压)，负荷204又包括充电桩负荷204-1、办公设备204-2、照明系统204-3、重要等级较低的设备204-4。另外高压母线可视为主电网，能提供可靠的能源支持，并网变压器、并网开关布置在微网和主电网之间的公共连接点((Point of Common Coupling，PCC)处。微网中央处理器的作用体现在两方面，第一主要是根据风机201和光伏阵列202的发电量和负荷204需求量，管理调度系统能量分配；第二则是实时监控系统状态，及时处理各类故障，控制微网中的所有设备，实现微网在并网、离网两种模式间的无缝切换。风机201、光伏阵列202、抽蓄机组203及各类负荷204等均与母线有独立的控制开关，由微网中央处理器控制设备与低压母线的开闭。这里指明，本发明不限于此，低压母线电压等级应视具体情况而定，负荷单元可以为任何耗电设备。

风机201可以是额定功率为80kW的风电系统，风机利用风能发出直流电，逆变器把直流电变成标准的220V交流电，保证交流负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能，可改善系统的供电质量，开关K1控制风机与微网的连接，当风机发生故障时，能快速将风机从低压母线分离，避免微网发生更大的事故。

光伏阵列202可以是额定功率为150kW的光伏系统，光伏阵列利用太阳能发出直流电，逆变器把直流电变成标准的220V交流电，保证交流负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能，可改善系统的供电质量，开关K2控制光伏阵列与微网的连接，当光伏系统发生故障时，能快速将光伏阵列从低压母线分离，避免微网发生更大的事故。

本实施例中大厦层高60米，则抽蓄机组的毛水头H＝60m，过机额定流量Q为0.3m³/s，效率η定为90％，则抽蓄机组203的额定功率为P＝9.81*η*Q*H＝158.92kW，抽蓄机组作为储能装置具有对电网负荷变化反应快速、调节灵活，调峰、填谷、调频、调相和事故备用的良好运行性能。水泵状态下，抽蓄机组可以看作是额定功率为158.92kW的负载；水轮机状态下，抽蓄机组的额定发电功率为158.92kW。开关K3控制抽蓄机组与低压母线的连接，当抽蓄机组发生故障时，控制抽蓄机组从低压母线断开。

对于整个办公高层建筑系统，预估总负荷额定功率为485kW，其中充电桩204-1负荷功率为120kW，办公设备204-2负荷功率为150kW，照明系统204-3的负荷功率75kW，重要等级较低设备204-4的负荷功率为140kW，当微网内可再生能源系统不能提供足够电能时，需要外网提供支持。考虑微网负荷与可再生能源系统发电量都具有随机性，具体的日常运行状况较多，以图3日平均负荷功率及预测风机功率、光伏阵列功率为实施例，下面将本发明涉及的实施例具体操作方法做简要说明。

表1办公高层建筑系统功率相关数据

高层建筑微网系统的优化运行模式主要有两种：并网运行模式和离网运行模式。并网运行模式和离网运行模式的切换由微网中央处理器智能分析系统状态控制并网开关做出开闭动作。并网开关处于常闭状态，将高层建筑微网与主电网相连；当主电网发生故障时，并网开关迅速断开，使高层建筑微网脱离主电网，以免影响高层建筑微网正常运行，高层建筑微网运行在孤岛模式。

以图4等效负荷功率曲线为例进行实施例分析，等效负荷功率＝日平均负荷功率-(风机功率+光伏阵列功率)，等效负荷功率为负表示微网有多余电能用于抽蓄机组抽水或出售给主电网。

并网运行模式下，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，微网中央处理器根据微网中单位控制时间内可再生能源发电量、负荷需求量大小、设备状态安排设备具体运行方式。以保证上水库储水量最大原则前提下有如下操作方法：当微网中负荷需求量小于可再生能源发电量时，即图4中A区域，微网可再生能源发电量能提供全部负荷需求且有多余的电力，此时主电网视微网为一个电源模型，微网可通过连接设备向主电网出售多余电力，既能获得额外收益，且不会发生弃风等浪费资源现象。

当微网中单位控制时间内负荷需求量大于等于可再生能源发电量时，主电网将微网看作一个可控的负荷模型。为缓解微网等效负荷波动过大对主电网造成冲击，利用抽蓄机组的优异削峰填谷性能降低微网负荷峰值的高度，填平负荷低谷，即图4中C、D、E区域。根据等效负荷功率曲线获得波峰、波谷的数值和上水库库容、下水库库容，根据数值大小设定削峰越界值和填谷越界值；微网中央处理根据系统实际负荷功率大小来控制抽蓄机组的运行。如果微网实际等效负荷功率超过波峰越界值，即图4中C、D区域，则控制抽蓄机组进入发电状态，越界部分功率由抽蓄机组发电补偿；如果微网等效负荷功率小于填谷越界值，即图4中E区域，则控制抽蓄机组进入抽水状态，低于越界部分功率由抽蓄机组抽水将电能转换为上水库水的势能，增大微网的等效负荷。如果微网等效负荷既不大于削峰越界值，也不小于填谷越界值，则抽蓄机组处于静止状态。

当主电网发生故障时，微网处于离网运行模式下，即孤岛运行模式，以15分钟作为微网中央处理器控制能量调配的单位控制时间，微网中央处理器根据微网中单位控制时间内可再生能源发电量、负荷需求量和设备状态安排设备具体运行方式，建立微网电压和频率，维持微网潮流平衡。当微网中单位控制时间内负荷需求量小于可再生能源发电量，微网可再生能源发电量能提供全部需求且有多余的电力，则启动抽蓄机组水泵将多余的电能转化为上水库水的势能；当微网中负荷需求量大于等于微网可再生能源发电量时，即图4中B区域前半段，即7.5～9点时间段内，投入抽蓄机组发电维持微网功率平衡；最严重的微网能源事故为可再生能源和抽蓄机组发电总量不能满足负荷需求量，即图4中B区域后半段，即9～10点时间段内，此时则需要切除微网系统中相对重要等级较低的负荷，例如关闭少量地下停车场照明设备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。