专利名称：一种风光互补发电协调控制系统和方法
技术领域：
本发明属于电力自动化领域，具体涉及一种风光互补发电协调控制系统和方法。
背景技术：
由于我国的国民生活水平持续提高，手机的普及率越来越高，对于移动信号的覆盖面也要求越来越广，通信基站的建设从市区、乡村逐步向地处偏远的海岛、高山、沙漠覆盖，这些边远的通信基站由于受到地理环境的约束无法接入市电。利用风力发电技术和光伏发电技术构成的风光互补电站，为边远通信基站提供部分或全部电能，从而弥补由于市电无法接入而造成的电力供应不足。基站的通信设备大多数需要直流电源供电，而风光互补电站中，光伏太阳能发电发出的是直流电，可以直接或以串联的方式提供满足这些设备要求的直流电源。对于基站中其它需要交流供电的设备，则可通过风力发电、柴油发电发出的交流电，或者通过太阳能发电增加DC/AC逆变器来满足这些设备要求的交流电源。随着市场竞争的加剧，移动通信用户对网络质量的要求越来越高，由于停电而导致基站退服的现象也必须尽量避免。为保障边远基站的可靠供电，风光互补电站还需要配置较大容量的蓄电池。由于边远基站都是无人值守，且地处偏远，所以对于风光互补发电系统需要配置全自动的协调控制系统和完善的协调控制策略。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风光互补发电协调控制系统和方法，采用了分布式结构，系统主站和系统从站之间采用工业以太网进行连接，可以实现大量数据的快速传送；采用GPRS或CDMA无线通信方式与监控中心实现信息的交互，可以避免由于边远基站地处海岛、沙漠等地理环境限制而无法进行有线通信，或者由于长距离的通讯线连接可能导致的信号干扰等问题。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:提供一种风光互补发电协调控制系统，所述风光互补发电协调控制系统包括系统主站和系统从站，所述系统主站和系统从站通过工业以太网进行通信连接。所述系统主站包括主控制器和液晶显示器，所述主控制器采用PC机或嵌入式PC。所述主控制器采用工业以太网网卡与所述就地终端进行通信，并采用GPRS或CDMA与监控中心进行无线通信。所述系统从站包括就地终端，所述就地终端包括光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端；所述负载终端包括重要通信负载终端、次要通信负载终端和交流负载终端。所述重要通信负载终端包括收发信机、传输管理机、传输扩展设备和卫星设备；所述次要通信负载终端包括光端机、数据业务设备、天线和发射塔。 所述光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端均采用工业以太网芯片和应用层CPU芯片，所述工业以太网芯片与所述工业以太网进行数据交换，所述应用层CPU芯片进行AD采样、数据计算与处理、开关量输入信号处理和控制继电器输出处理。风光互补发电系统包括风光互补发电协调控制系统、光伏发电设备、风力发电机、柴油发电机和蓄电池。同时提供一种风光互补发电协调控制方法，所述方法包括以下步骤:步骤1:采集环境信息和动力信息:步骤2:计算光伏发电设备输出功率Ppv、风力发电机输出功率Pwt、柴油发电机输出功率Pde和负载容量Py并计算负载容量与电源总功率Ps的差值Pnrt，Pnrt=P^Ps，其中:Ps-Ppv+Pwt+Pde ；步骤3:判断Pnrt是否大于0，若是则执行步骤4，若否则执行步骤6 ；步骤4:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否大于等于蓄电池的荷电状态下限SOCmin，若是则执行步骤5，若否则减少负载并对蓄电池充电后，执行步骤8 ；步骤5:判断蓄电池能否完全供给Pnrt，若是则由蓄电池供给Pnrt后执行步骤8，若否则减少负载终端后执行步骤8 ;步骤6:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否小于等于蓄电池的荷电状态上限SOCmax,若是则执行步骤7，若否则增加负载或减少柴油发电机出力后执行步骤8 ；步骤7:对蓄电池充电，并判断是否能完全吸纳|Pnrt|，若是则IPnrtI全部用于对蓄电池充电后，执行步骤8;若否则先对蓄电池充电，再增加负载或减少柴油发电机出力后，执行步骤8 ；步骤8:计算下一时刻蓄电池的荷电状态S0Ct+1。所述步骤I中，通过环境监测终端采集环境信息，所述环境信息包括环境温度、太阳辐射度和风速，所述动力信息包括柴油发电机出力、负载电流和负载电压；通过柴油发电机采集柴油发电机出力，并通过负载终端采集负载电流和负载电压。所述步骤2中，根据所述环境温度和太阳辐射度计算光伏发电设备输出功率PPV，根据风速计算风力发电机输出功率Pwt，根据柴油发电机出力计算柴油发电机输出功率PDE，并根据负载电流和负载电压计算负载容量匕。与现有技术相比，本发明的有益效果在于:1.采用了分布式结构，主控制器和就地终端之间采用工业以太网进行连接，可以实现大量数据的快速传送；2.采用GPRS或CDMA无线通信方式与监控中心实现信息的交互，可以避免由于边远基站地处海岛、沙漠等地理环境限制而无法进行有线通信，或者由于长距离的通讯线连接可能导致的信号干扰等问题；3.围绕蓄电池的有效充放电和正常运行而开展，既保障了边远通信基站的可靠供电，又延长了蓄电池的使用寿命；4.管理员可以通过手 机短信或彩信的方式查看协调控制系统的实时运行状态。
图1是本发明实施例中风光互补发电协调控制系统结构示意图2是本发明实施例中风光互补发电系统结构示意图；图3是本发明实施例中风光互补发电协调控制方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1，提供一种风光互补发电协调控制系统，所述风光互补发电协调控制系统包括系统主站和系统从站，所述系统主站和系统从站通过工业以太网进行通信连接。所述系统主站包括主控制器和液晶显示器，所述主控制器采用PC机或嵌入式PC。所述主控制器采用工业以太网网卡(Network Interface Card, NIC)与所述就地终端进行通信，并采用GPRS或CDMA与监控中心进行无线通信。所述系统从站包括就地终端，所述就地终端包括光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端；所述负载终端包括重要通信负载终端、次要通信负载终端和交流负载终端。所述重要通信负载终端包括收发信机、传输管理机、传输扩展设备和卫星设备；所述次要通信负载终端包括光端机、数据业务设备、天线和发射塔。所述光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端均采用工业以太网芯片和应用层CPU芯片，所述工业以太网芯片与所述工业以太网进行数据交换，所述应用层CPU芯片进行AD采样、数据计算与处理、开关量输入信号处理和控制继电器输出处理。
太阳 光照夏季强、冬季弱，而风力夏季小、冬季大；天气好时太阳光照强而风力小，天气不好时太阳光照弱而风力大；白天太阳光照强风力小，而晚上风力大太阳光照没有，所以可利用风能太阳能两者的变化趋势基本相反的自然特性，扬长避短，相互配合，发挥出可再生资源的最大效用，这就是风光互补技术。—套独立运行的风光互补发电系统包括风光互补发电协调控制系统、光伏发电设备、风力发电机、柴油发电机和蓄电池。风光互补发电系统由能量产生、存储、消耗环节三部分组成。风力发电和太阳能发电部分属于能量产生环节，分别将具有不确定性的风能、太阳能转化为稳定的能源 ’为了最大限度地避免由于气候、环境等外部因素引起的能量供应与消耗之间的不平衡，采用在系统中接入蓄电池来承担能量的储存环节，从而实现能量供应和需求之间的调节和均衡；能量消耗环节是指各种用电负载，分为直流负载和交流负载两类。工作电压与直流母线电压匹配的直流负载可以直接接入系统，工作电压与直流母线电压不匹配的直流负载通过直流变换器后接入系统；交流负载连入电路时需要配备逆变器。另外，为了增强系统供电的不间断性和稳定性，可以考虑引入后备柴油发电机，后备柴油发电机的选配很大程度上还是根据当地的风力、日照资源条件确定的。风力发电机和柴油发电机发出的交流电，经AC/DC逆变器整流后变成直流电接入直流母线，光伏发电发出的直流电通过DC/DC逆变器转换为相应电压等级的直流电后也接入直流母线，在协调控制系统的控制下，直流母线通过DC/DC逆变器对蓄电池进行充电。协调控制系统的功能包括控制风力发电机、柴油发电机和太阳能光伏发电对蓄电池的充电管理；实现对蓄电池向负载的放电管理；光伏互补发电系统运行时的数据采集功能；以及与远方监控中心的通信功能。
如图3，风光互补发电系统作为边远通信基站的独立供电系统，需要提供不间断的电力能源，因此对于蓄电池的依赖很强，蓄电池是保证风光互补发电系统稳定和持续运行的关键部件。由于风光发电的随机性、波动性特点，如果不对蓄电池的充放电进行有效管理，可能导致蓄电池过充电或过放电等现象，这直接影响蓄电池的循环使用寿命，增加风光互补发电系统运行维护成本，降低系统运行可靠性。所以，保证蓄电池充放电过程的正常，即对蓄电池的充放电进行有效的控制，就显得尤为的关键；同时，蓄电池的初期投资在风光互补发电系统中也占很大的一部分，约15°/Γ20%，而蓄电池由于自身特点和充放电特性，是整个系统中最易损坏的部分。基于这些原因，就使风光互补发电系统的协调控制策略要围绕蓄电池的有效充放电和正常运行而开展。蓄电池的荷电状态SOC=蓄电池剩余的安时容量/额定安时容量
SOCt是当前蓄电池的荷电状态，S0Ct+1是下一时刻蓄电池的荷电状态，SOCmin是蓄电池的荷电状态下限，SOCmax是蓄电池的荷电状态上限，蓄电池必须时刻满足存储容量约束条件，即:SOCmin SOCt ( SOCmax当风光功率满足负载后还有剩余功率时，对蓄电池充电，而当风光功率不足时，首先由蓄电池放电供给负载，这样，在满足负载需求的情况下利用储能装置将多余的电能存储起来，而在风速较低或光照强度较弱时再通过储能装置放电供给负载，从而可提高可再生能源利用效率，同时，由于每次决策之前都对蓄电池荷电状态进行检测，防止对蓄电池过充电或过放电，实现了对蓄电池的有效管理。同时提供一种风光互补发电协调控制方法，所述方法包括以下步骤:步骤1:采集环境信息和动力信息:步骤2:计算光伏发电设备输出功率Ppv、风力发电机输出功率Pwt、柴油发电机输出功率Pde和负载容量Py并计算负载容量与电源总功率Ps的差值Pnrt，Pnrt=Pf Ps，其中:Ps-Ppv+Pwt+Pde ；根据科学出版社于2008年出版、由赵争鸣，刘建政，孙晓瑛和袁立强等主编的《太阳能光伏发电及其应用》和科学出版社于2004年出版、由太阳光电协会[日]主编的《太阳能光伏发电系统的设计与施工》计算光伏发电设备输出功率Ppv ;根据中国电力出版社于2003年出版、由王承煦和张源主编的《风力发电》计算风力发电机输出功率PWT。步骤3:判断Pnrt是否大于0，若是则执行步骤4，若否则执行步骤6 ；步骤4:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否大于等于蓄电池的荷电状态下限SOCmin，若是则执行步骤5，若否则减少负载并对蓄电池充电后，执行步骤8 ；步骤5:判断蓄电池能否完全供给Pnrt，若是则由蓄电池供给Pnrt后执行步骤8，若否则减少负载终端后执行步骤8 ;步骤6:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否小于等于蓄电池的荷电状态上限SOCmax,若是则执行步骤7，若否则增加负载或减少柴油发电机出力后执行步骤8 ；步骤7:对蓄电池充电，并判断是否能完全吸纳|Pnrt|，若是则|Pnrt|全部用于对蓄电池充电后，执行步骤8;若否则先对蓄电池充电，再增加负载或减少柴油发电机出力后，执行步骤8 ；
步骤8:计算下一时刻蓄电池的荷电状态S0Ct+1。所述步骤I中，通过环境监测终端采集环境信息，所述环境信息包括环境温度、太阳辐射度和风速，所述动力信息包括柴油发电机出力、负载电流和负载电压；通过柴油发电机采集柴油发电机出力，并通过负载终端采集负载电流和负载电压。所述步骤2中，根据所述环境温度和太阳辐射度计算光伏发电设备输出功率PPV，根据风速计算风力发电机输出功率Pwt，根据柴油发电机出力计算柴油发电机输出功率PDE，并根据负载电流和负载电压计算负载容量匕。该方法围绕蓄电池的有效充放电和正常运行而开展，当风光功率满足负载后还有剩余功率时，对蓄电池充电，而当风光功率不足时，首先由蓄电池放电供给负载，这样，在满足负载需求的情况下利用储能装置将多余的电能存储起来，而在风速较低或光照强度较弱时再通过储能装置放电供给负载。最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种风光互补发电协调控制系统,其特征在于:所述风光互补发电协调控制系统包括系统主站和系统从站，所述系统主站和系统从站通过工业以太网进行通信连接。
2.根据权利要求1所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:所述系统主站包括主控制器和液晶显示器，所述主控制器采用PC机或嵌入式PC。
3.根据权利要求2所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:所述主控制器采用工业以太网网卡与所述就地终端进行通信，并采用GPRS或CDMA与监控中心进行无线通 目。
4.根据权利要求1所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:所述系统从站包括就地终端，所述就地终端包括光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端；所述负载终端包括重要通信负载终端、次要通信负载终端和交流负载终端。
5.根据权利要求4所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:所述重要通信负载终端包括收发信机、传输管理机、传输扩展设备和卫星设备；所述次要通信负载终端包括光端机、数据业务设备、天线和发射塔。
6.根据权利要求4所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:所述光伏发电终端、风力发电终端、柴油发电终端、蓄电池终端、环境监测终端和负载终端均采用工业以太网芯片和应用层CPU芯片，所述工业以太网芯片与所述工业以太网进行数据交换，所述应用层CPU芯片进行AD采样、数据计算与处理、开关量输入信号处理和控制继电器输出处理。
7.根据权利要求1所述的风光互补发电协调控制系统，其特征在于:风光互补发电系统包括风光互补发电协调控制系统、光伏发电设备、风力发电机、柴油发电机和蓄电池。
8.一种风光互补发电协调控制方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:采集环境信息和动力 信息: 步骤2:计算光伏发电设备输出功率Ppv、风力发电机输出功率Pwt、柴油发电机输出功率Pde和负载容量Py并计算负载容量与电源总功率Ps的差值Pnrt，Pnrt=P^Ps，其中:Ps-Ppv+Pwt+Pde ； 步骤3:判断Pnrt是否大于O，若是则执行步骤4，若否则执行步骤6 ； 步骤4:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否大于等于蓄电池的荷电状态下限SOCmin,若是则执行步骤5，若否则减少负载并对蓄电池充电后，执行步骤8 ; 步骤5:判断蓄电池能否完全供给Pnrt，若是则由蓄电池供给Pnrt后执行步骤8，若否则减少负载终端后执打步骤8 ； 步骤6:判断当前蓄电池的荷电状态SOCt是否小于等于蓄电池的荷电状态上限SOCniax,若是则执行步骤7，若否则增加负载或减少柴油发电机出力后执行步骤8 ； 步骤7:对蓄电池充电，并判断是否能完全吸纳IP1J,若是则IPnrtI全部用于对蓄电池充电后，执行步骤8 ;若否则先对蓄电池充电，再增加负载或减少柴油发电机出力后，执行步骤8 ; 步骤8:计算下一时刻蓄电池的荷电状态S0Ct+1。
9.根据权利要求8所述的风光互补发电协调控制方法，其特征在于:所述步骤I中，通过环境监测终端采集环境信息，所述环境信息包括环境温度、太阳辐射度和风速，所述动力信息包括柴油发电机出力、负载电流和负载电压；通过柴油发电机采集柴油发电机出力，并通过负载终端采集负载电流和负载电压。
10.根据权利要求8所述的风光互补发电协调控制方法，其特征在于:所述步骤2中，根据所述环境温度和太阳辐射度计算光伏发电设备输出功率Ppv，根据风速计算风力发电机输出功率Pwt，根据柴油发电机出力计算柴油发电机输出功率Pde，并根据负载电流和负载电压计算负载容量PL。
全文摘要
本发明提供一种风光互补发电协调控制系统和方法，所述风光互补发电协调控制系统包括系统主站和系统从站，所述系统主站和系统从站通过工业以太网进行通信连接。本发明采用了分布式结构，系统主站和系统从站之间采用工业以太网进行连接，可以实现大量数据的快速传送；采用GPRS或CDMA无线通信方式与监控中心实现信息的交互，可以避免由于边远基站地处海岛、沙漠等地理环境限制而无法进行有线通信，或者由于长距离的通讯线连接可能导致的信号干扰等问题，且围绕蓄电池的有效充放电和正常运行而开展，既保障了边远通信基站的可靠供电，又延长了蓄电池的使用寿命。
文档编号H02J3/46GK103117564SQ201310029530
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者李哲, 徐石明, 侯佳佳, 李文威, 刘澄 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司