一种利用潮流能发电的复合电网系统及其电能分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用潮流能发电的复合电网系统，包括由间歇性能源发电系统、储能系统、本地负荷组成的微电网子系统，还包括并入所述微电网子系统的潮流能发电系统、外部电网系统。本发明提供了上述复合电网系统在多种运行状态下的电能分配方法。本发明通过多能互补的电能分配方法，既能保证供电能力较弱的海岛或滨海地区的用电需要，而且还可以在能源富余时对外部电网进行补给，取得一定的经济效益，对发展滨海及海岛经济具有重要意义。本发明中潮流能发电设备依附于已有大桥桥墩进行安装并可以在设备故障时移出水面以上，可以省去或大幅度减少机组基础的成本并利于设备的维护和维修。
【专利说明】-种利用潮流能发电的复合电网系统及其电能分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及潮流能发电【技术领域】，特别是涉及一种利用潮流能发电的复合电网系 统及其电能分配方法。
【背景技术】
[0002] 潮流能发电是利用潮流的动能发电的技术，一般无需筑坝，具有对环境影响小等 优点，近年来受到广泛的关注，潮流能发电技术发展很快。
[0003] 目前对边远地区及孤岛条件下供电供能的系统大多为多能互补型的微电网系统， 例如发明申请（申请号：201310264451. 1，
【公开日】为2013.9. 18)中公开了一种多能互补独 立发电系统，包括太阳能发电单元、风能发电单元、波浪能发电单元、生物质能发电单元、柴 油发电机、电力控制单元、海水淡化设备和监控单元。此发明仅组合了可能进行发电的系统 设备，并未对相关组合的多种工况进行说明以及未建立与外部电网的关联和反馈。并且此 发明中波浪能发电装置采用浮力摆板形式，摆板底端铰接在海底位置，安装成本高，且不利 于维护。2012年哈尔滨工程大学硕士学位论文《典型海岛多能互补发电站负载分配技术的 研究》（作者：赵阳）中公开了海岛多能互补发电站负载分配技术，仅对单一的微电网系统 多资源工作模式及转换进行了描述与说明，同样对多种极限状态下与外部电网的关联和反 馈未涉及。
[0004] 由此可见，上述现有的利用潮流能的多能互补独立发电系统，在结构、方法与使用 上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种安装成本低、利于 维修的且与外部电网进行供需配合的新的利用潮流能发电的复合电网系统，成为当前业 界极需改进的目标。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种利用潮流能发电的复合电网系统，使其能够 保证微电网子系统供电不足时的电力需求，从而克服现有的独立发电系统的不足。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种利用潮流能发电的复合电网系统，包括由 间歇性能源发电系统、储能系统、本地负荷组成的微电网子系统，还包括并入所述微电网子 系统的潮流能发电系统、外部电网系统。
[0007] 进一步改进，所述潮流能发电系统包括潮流能发电机组，所述潮流能发电机组依 附于大桥桥墩安装。
[0008] 进一步改进，所述潮流能发电机组通过主机架及与主机架固定连接的发电机组悬 臂固定安装于大桥桥墩周围，所述主机架安装于固定在大桥桥墩上的机组支架上，所述主 机架位于水面以下，并能在大桥桥墩上垂直移动。
[0009] 进一步改进，所述主机架和机组支架之间设有锁定装置和减震装置。
[0010] 进一步改进，所述主机架围绕大桥桥墩设置，与大桥桥墩的外表面相配合，所述主 机架为分体结构，所述分体结构之间可拆卸连接。
[0011] 进一步改进，所述间歇性能源发电系统包括风力发电系统和/或光伏发电系统。
[0012] 进一步改进，所述复合电网系统还包括并入复合电网的生物质发电系统、小水电 系统、柴油机发电系统中的一个或多个。
[0013] 此外，本发明还要解决的技术问题是提供一种多能互补的复合电网系统的电能分 配方法，使其能够保证本地负荷的用电需求，从而克服现有的独立发电系统的不足。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明提供了上述复合电网系统的电能分配方法，包括如 下几种状态：
[0015] 状态1 :当前状态下，潮流能发电系统输出的功率Ps为0,间歇性能源发电系统输 出功率pw为〇,储能系统的充电功率P B。和放电功率PBF均不为〇,即此状态下储能系统的功 率不饱和但与所述复合电网系统的直流母线为断开状态，本地负荷1\为〇,外部电网反馈给 所述复合电网系统的功率P?为0,此时整个复合电网系统为静止状态；
[0016] 状态2 :当前状态下，潮流能发电系统输出的功率PsS〇,间歇性能源发电系统输 出功率pw为〇,本地负荷不为〇,储能系统的放电功率P BF不为〇,且PBF大于时，储能 系统单独给本地负载供电，若PBF达到最大放电状态时，本地负荷仍需持续供电，此时外 部电网反馈给所述复合电网系统的功率P?不为0,即由外部电网给本地负载供电；
[0017] 状态3 :当前状态下，潮流能发电系统和/或间歇性能源发电系统的输出功率记为 ps+pw不为〇,本地负荷为〇或小于ps+pw，储能系统可接受充电功率P B。不为〇,此时储能 系统接受充电直至充电完成即PB。= 0,若此时Ps+Pw仍大于，则所述复合电网系统供给外 部电网的功率Pe:[为P s+Pw - ;
[0018] 状态4:当前状态下，潮流能发电系统和/或间歇性能源发电系统的输出功率记为 ps+pw不为〇,本地负荷大于ps+pw，储能系统可接受放电功率P BF不为〇,此时储能系统和 发电系统同时供给本地负载，直至储能系统可接受放电功率PBF为0时，若此时本地负荷 仍大于P s+Pw，此时发电系统和外部电网同时供给本地负载，外部电网反馈给所述复合电网 系统的功率为- Ps - Pw;
[0019] 状态5 :当前状态下，若水流速和/或风速超出可发电系统中发电设备的发电安全 范围，则超出发电安全范围的发电设备接入耗能负荷模式，将耗能负荷计入本地负荷1\，此 时根据情况分别参考上述状态1至4 ;
[0020] 所述状态1至5中复合电网系统的电能分配由设置在复合电网系统中的复合电网 控制单元集成控制。
[0021] 进一步改进，所述复合电网系统还包括并入复合电网的生物质发电系统、小水电 系统、柴油机发电系统中的一个或多个，所述生物质发电系统、小水电系统、柴油机发电系 统中的一个或多个发电系统的输出功率Ρ κ计入所述复合电网系统的状态1至5中，由所述 复合电网控制单元集成控制。
[0022] 进一步改进，所述储能系统的实际功率低于总功率的20%时，储能系统停止放电， 此时记P BF = 〇 ;当储能系统的实际功率高于总功率的80%时，储能系统停止充电，此时记 PBC = 0。
[0023] 采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：
[0024] (1)本发明采用潮流能发电的技术方案，辅助风力发电、太阳能发电、其它能源发 电系统、储能系统，与外部电网进行供需的协调配合，在供电能力较弱的海岛或滨海地区使 用，既能保证局部区域的用电需要，而且还可以在能源富余时对外部电网进行补给，取得一 定的经济效益，对发展滨海及海岛经济具有重要意义。
[0025] (2)本发明可以实施在潮流能资源比较丰富的海峡或河道区域，特别是具有依附 于已有大桥基础桩的潮流能发电基础结构，使潮流能发电系统的安装省去基础结构的费 用，减少成本开支，又在该基础结构上安装相应的提升结构，以保证机组在出现故障时，机 组可以通过提升设备升到水面以上，利于潮流能发电机组的维护和维修。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 图1是本发明利用潮流能发电的复合电网系统组成示意图；
[0028] 图2是本发明中潮流能发电设备的安装结构示意图；
[0029] 图3是图2中A的细节示意图。
【具体实施方式】
[0030] 根据附图1可见，本发明复合电网系统包括潮流能发电系统、间歇性能源发电系 统、其它能源发电系统、储能系统、本地负荷、外部电网系统以及复合电网控制单元。
[0031] 潮流能是本发明中应用的新型可再生能源，潮流能发电系统包括潮流能发电设备 和与其连接的电流及电压的转换设备，此转换设备与复合电网系统的直流母线连接，以保 证潮流能发电设备输送恒定的电能给直流母线，P s表示潮流能发电设备输出的功率。
[0032] 间歇性能源发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统等其他间歇性能源发电的 系统，但不包括潮流能发电系统，本发明以风力发电系统为代表进行表述。风力发电系统包 括风力发电设备和与其连接的电流及电压的转换设备，此转换设备与复合电网系统的直流 母线连接，以保证风力发电设备输送恒定的电能给直流母线，P w表示此子系统输出的功率。
[0033] 其它能源发电系统，例如生物质发电、小水电、柴油机发电等发电系统，保证无水、 无风条件下，系统的正常启动。匕表示其它能源发电系统输出的功率。
[0034] 储能系统主要用来储存潮流能发电系统、间歇性能源发电系统富余的电能，以及 在风、水资源不足时用来供给本地负荷的电能，储能系统包括储能设备和与其连接的电流 及电压的转换设备，此转换设备与复合电网系统的直流母线连接，以保证储能设备输送恒 定的电能给直流母线，以及保证储能系统在接受充电时得到恒定的电能。表示储能系统 可接受充电功率，P BF表示储能系统可接受放电功率。从储能系统的安全性及可靠性方面考 虑，当储能系统的实际功率低于总功率的20%时，系统停止放电，此时记P BF = 0 ;当储能系 统的实际功率高于总功率的80%时，系统停止充电，此时记PBe = 0 ;即可认为储能系统的工 作范围为总功率的20% -80%。
[0035] 本地负荷包括一般的生活用电负荷和工业用电负荷等，此系统还包括变压器等设 备，以保证本地负荷安全使用电能，用表示负荷总功率。
[0036] 上述潮流能发电系统、间歇性能源发电系统、其它能源发电系统、储能系统和本地 负荷组成微电网子系统。
[0037] 外部电网系统中的外部电网可以为国家电网，也可以为中国南方电网，此系统还 包括连接外部电网与微电网子系统中直流母线的电流及电压的转换设备，以保证微电网子 系统或外部电网系统的安全性，Pe：[表不微电网子系统供给外部电网的功率，Ρ(Μ表不外部电 网反馈给微电网子系统的功率。
[0038] 复合电网控制单元具有功率平衡控制、储能系统充放电控制、本地负荷控制、与外 部电网交互的控制以及超速保护、直流母线电压保护的系统稳定运行控制等功能。复合电 网控制单元通过对工作状态的分析，根据水流速或风速和本地负荷的变化，对复合电网中 的多种电能进行相关的集成控制管理。
[0039] 以下将本发明中可能出现的状态进行描述：
[0040] 状态1 :当前状态下，无水资源、无风资源（指能够产生电能的切入水流速或切入 风速与切出水流速或切出风速之间的资源，下同），潮流能发电系统输出的功率己为〇,风 力发电系统输出功率P w为0,储能系统的充电功率ΡΒ。和放电功率PBF均不为0,即此状态下 储能系统的功率不饱和但与直流母线为断开状态。本地负荷也为0,此时并没有外部电 网的功率需求P?，此时整个系统为静止状态；
[0041] 状态2 :当前状态下，无水资源、无风资源，潮流能发电系统输出的功率己为0,风 力发电系统输出功率Pw为0,此时本地负荷不为0,储能系统的放电功率P BF不为0,且PBF >匕，则储能系统单独给本地负载供电。若PBF达到最大放电状态时，而且本地负荷需要 持续供电，此时外部电网反馈给复合电网系统的功率P?不为0,即由外部电网给本地负载 供电；
[0042] 状态3 :当前状态下，有水资源和（或）风资源，潮流能发电系统和（或）风力发 电系统的输出功率记为Ps+P w，当前无本地负荷需求或本地负荷低于发电系统输出功 率即Ps+Pw > Pp储能系统可接受充电功率PB。不为0,此时储能系统接受充电直至充电完成 即PBC = 0,若此时依然Ps+Pw > Pp则多余的功率Ps+Pw - 输入到外部电网，记为PH ;
[0043] 状态4:当前状态下，有水资源和（或）风资源，潮流能发电系统和（或）风力发 电系统的输出功率记为P s+Pw，当前本地负荷需求大于发电系统输出功率即Ps+Pw < Py储 能系统可接受放电功率PBF不为0,而且储能系统可接受放电功率和发电系统的输出功率短 时间可以满足本地负荷，直至储能系统可接受放电功率P BF为0,若此时依然Ps+Pw < Py 则多余的功率需求一 Ps - Pw只能从外部电网获得，记为P? ;
[0044] 状态5 :当前状态下，有水资源和（或）风资源，但是水流速和（或）风速超出可 发电设备的发电安全范围，则超出可发电范围的发电设备接入耗能负荷模式，将耗能负荷 计入本地负荷1\，此时根据情况分别参考上述状态1至4 ;
[0045] 状态6 :可以将其他能源发电系统的输出功率匕计入上述复合电网系统的各种状 态，进行联合控制。
[0046] 本发明有效利用多种可再生能源，特别将潮流能发电系统加入复合电网系统形成 一种新式的多能互补型的复合电网系统，并且有效地优化了复合电网的能源配置结构，不 但可以满足本地负荷的同时，还可以将多余的电能输入到外部电网，具有明显的经济效益。
[0047] 本发明复合电网系统应建立在潮流能资源比较丰富的大陆或岛屿地区，最优建立 在已有大桥桥墩的大陆与岛屿、岛屿与岛屿之间，因为本发明中潮流能发电系统具有依附 于已有大桥桥墩的潮流能发电基础结构。参照附图2可见，该潮流能发电基础结构包括既 有的大桥桥墩1，在该大桥桥墩1上安装有潮流能发电机组支架2,机组支架2的安装根据 实际工况要求进行牢固安装，机组支架2的固定位置为海（河）平面以下最佳发电位置。
[0048] 本发明中的潮流能发电系统还包括主机架3,潮流能发电机组4,发电机组悬臂5， 提升机构6和维护工作平台7。发电机组悬臂5与主机架3固定安装，潮流能发电机组4安 装于发电机组悬臂5上，主机架3安装于机组支架2上。为了主机架3的稳固和便于安装， 主机架3围绕大桥桥墩1设置，与大桥桥墩1的外表面相配合。主机架3为分体结构，各分 体结构之间可以采用螺栓或其他可拆卸的结构连接。为了利于潮流能发电机组在遇到故障 时的检修，提升机构6可以采用齿轮齿条结构将机组提升至海（河）平面以上，通过维护工 作平台7进行维护和维修。作为提升机构6的一实施例，提升机构6包括安装在主机架3 上的齿轮、连接该齿轮与提升机构上部支架的齿条以及促使齿轮齿条作相对运动的动力设 备。
[0049] 参照附图3可见，在潮流能发电机组支架2和主机架3之间设有锁定装置201和 减震装置202。锁定装置201的作用是潮流能发电机组运行时保证主机架3的稳固。减震 装置202的作用：一是减轻潮流能发电机组下潜时对大桥桥墩的冲击，二是减轻潮流能发 电机组运行时的振动。
[0050] 本发明依附于既有大桥桥墩的潮流能安装结构型式，在保证安全的基础上省去基 础结构的费用，减少成本开支，并由于具有提升机构利于潮流能发电机组的维护和维修。
[0051] 本发明将潮流能发电技术接入局部微电网系统，充分利用滨海或海岛周边的可再 生能源发电，可以降低环境的污染及破坏，保护滨海或海岛的环境；本发明采用多能互补的 方案，不仅保证滨海或海岛等供电能力较弱区域的用电需求；并通过接入大电网，可以保证 在可再生能源不足时的用电需求，还可以将可再生能源富余时的电能补给外部电网，避免 可再生能源富余时不必要的浪费，产生一定的经济效益，对发展滨海及海岛经济具有重要 意义。
[0052] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发 明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种利用潮流能发电的复合电网系统，包括由间歇性能源发电系统、储能系统、本地 负荷组成的微电网子系统，其特征在于，还包括并入所述微电网子系统的潮流能发电系统、 外部电网系统。
2. 根据权利要求1所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述潮流能 发电系统包括潮流能发电机组，所述潮流能发电机组依附于大桥桥墩安装。
3. 根据权利要求2所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述潮流能 发电机组通过主机架及与主机架固定连接的发电机组悬臂固定安装于大桥桥墩周围，所述 主机架安装于固定在大桥桥墩上的机组支架上，所述主机架位于水面以下，并能在大桥桥 墩上垂直移动。
4. 根据权利要求3所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述主机架 和机组支架之间设有锁定装置和减震装置。
5. 根据权利要求3所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述主机架 围绕大桥桥墩设置，与大桥桥墩的外表面相配合，所述主机架为分体结构，所述分体结构之 间可拆卸连接。
6. 根据权利要求1所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述间歇性 能源发电系统包括风力发电系统和/或光伏发电系统。
7. 根据权利要求1所述的利用潮流能发电的复合电网系统，其特征在于，所述复合电 网系统还包括并入复合电网的生物质发电系统、小水电系统、柴油机发电系统中的一个或 多个。
8. -种根据权利要求1至6任一项所述的复合电网系统的电能分配方法，其特征在于， 包括如下几种状态： 状态1 :当前状态下，潮流能发电系统输出的功率Ps为〇,间歇性能源发电系统输出功 率Pw为〇,储能系统的充电功率PB。和放电功率PBF均不为〇,即此状态下储能系统的功率不 饱和但与所述复合电网系统的直流母线为断开状态，本地负荷1\为〇,外部电网反馈给所述 复合电网系统的功率P TO为0,此时整个复合电网系统为静止状态； 状态2 :当前状态下，潮流能发电系统输出的功率Ps为0,间歇性能源发电系统输出功 率PWS 0,本地负荷不为0,储能系统的放电功率PBF不为0,且PBF大于1\时，储能系统 单独给本地负载供电，若P BF达到最大放电状态时，本地负荷仍需持续供电，此时外部电 网反馈给所述复合电网系统的功率P?不为〇,即由外部电网给本地负载供电； 状态3 :当前状态下，潮流能发电系统和/或间歇性能源发电系统的输出功率记为Ps+Pw 不为0,本地负荷为0或小于Ps+Pw，储能系统可接受充电功率PB。不为0,此时储能系统接 受充电直至充电完成即P BC = 〇,若此时Ps+Pw仍大于，则所述复合电网系统供给外部电网 的功率pCI为p s+pw - ; 状态4:当前状态下，潮流能发电系统和/或间歇性能源发电系统的输出功率记为Ps+Pw 不为0,本地负荷大于Ps+Pw，储能系统可接受放电功率PBF不为0,此时储能系统和发电 系统同时供给本地负载，直至储能系统可接受放电功率P BF为〇时，若此时本地负荷仍大 于己+Pw，此时发电系统和外部电网同时供给本地负载，外部电网反馈给所述复合电网系统 的功率P CQ为Pt - ps - pw; 状态5 :当前状态下，若水流速和/或风速超出可发电系统中发电设备的发电安全范 围，则超出发电安全范围的发电设备接入耗能负荷模式，将耗能负荷计入本地负荷1\，此时 根据情况分别参考上述状态1至4 ; 所述状态1至5中复合电网系统的电能分配由设置在复合电网系统中的复合电网控制 单元集成控制。
9. 根据权利要求8所述的复合电网系统的电能分配方法，其特征在于，所述复合电网 系统还包括并入复合电网的生物质发电系统、小水电系统、柴油机发电系统中的一个或多 个，所述生物质发电系统、小水电系统、柴油机发电系统中的一个或多个发电系统的输出功 率匕计入所述复合电网系统的状态1至5中，由所述复合电网控制单元集成控制。
10. 根据权利要求8所述的复合电网系统的电能分配方法，其特征在于，所述储能系统 的实际功率低于总功率的20%时，储能系统停止放电，此时记P BF = 0 ;当储能系统的实际功 率高于总功率的80%时，储能系统停止充电，此时记PB。= 0。
【文档编号】H02J3/38GK104092246SQ201410361514
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】张莹博, 许伟, 杨建锋, 李明辉 申请人:国电联合动力技术有限公司