一種智能微電網系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種智能微電網系統，包括就地控制層、網絡通信層、主站層和軟件層，就地控制層通過通信網絡層與主站層通信連接，主站層通過信息交互總線與軟件層通信連接，本發明集成光伏發電、風力發電、多種類型和容量的儲能系統及現代電力電子、通信、控制技術，在實現高可靠性供電的同時，實現可再生能源的優化配置，實現對微網內負荷的高可靠性供電；正確反映微網和外部電網之間的相互作用、相互影響的關系，充分展現分布式能源對于提高供電可靠性的作用；實現光伏、風電、儲能系統及微網系統的運行數據采集和存儲，為微網關鍵技術的研究積累運行數據。解決了現有微電網系統能源利用率低、環境效益差、電能質量及供電可靠性差的問題。
【專利說明】—種智能微電網系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力、電網【技術領域】，具體涉及一種智能微電網系統。
【背景技術】
[0002]在時代高速發展的今天，電力需求迅速增長，負荷加大，電力部門大多把投資集中在火電、水電以及核電等大型及中國電源和超高壓遠距離輸電網的建設上，但是，隨著電網規模的不斷擴大，超大規模電力系統的弊端也日益凸現，成本高，運行難度大，難以適應用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求。以能源多元化、清潔化為方向，以優化能源結構、推進能源戰略轉型為目標，以清潔能源和智能電網為特征的新一輪能源變革正在全球范圍推進。面對新形勢，國家電網公司提出加快建設特高壓電網為骨干網架，各級電網協調發展，以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網，積極促進清潔能源發展，為實現社會、經濟又好又快地發展提供強大支撐。
[0003]分布式發電具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安裝地點靈活等多方面優點，有效解決了大型集中電網的許多潛在問題。分布式發電也稱分散式發電或分布式供能，一般指將相對小型的發電裝置(一般50MW以下)分散布置在用戶(負荷)現場或用戶附近的發電(供能)方式。分布式電源位置靈活、分散的特點極好地適應了分散電力需求和資源分布，延緩了輸、配電網升級換代所需的巨額投資，同時，它與大電網互為備用電使供電可靠性得以改善。
[0004]雖然分布式電源優點突出，但其本身還存在很多問題，例如:分布式電源單機接入成本高、控制困難等。分布式電源接入配電系統以后，使配電網從原來單一受電結構變為多電源結構，給電力系統的電壓波動、諧波、繼電保護等帶來很大影響。另外，分布式電源相對于大電網來說是一個不可控源，因此大系統往往采取限制、隔離的方式來處置分布式電源，以期減小其對大電網的沖擊。
[0005]結合我國電網的實際狀況，微電網可以定義為:能量來源主要為可再生能源；發電系統類型可以為微型燃氣輪機、內燃機、燃料電池、太陽能電池、風力發電系統、生物質能等分布式電源；系統容量為20KW?10麗；網內的用戶配電電壓等級為380V，或者包括
10.5KV ;如與外部電網進行能量交換，電壓等級由微電網的具體應用情況而定。微電網系統將負荷和分布式電源看作一個整體，在外網故障的時候轉到孤島運行模式，提高供電可靠性，尤其在電網發生嚴重故障時，可向重要負荷獨立供電。分布式發電與微電網的結合應該達到經濟、環保、安全可靠、低成本等要求。
[0006]但是，目前我國對微電網的研究還處于起步階段，還沒有實現分布式電源優化控制、能量經濟調度、可再生能源出力預測等，嚴重削弱了微電網系統帶來的經濟效益和環境效益，而且能源利用效率不高，電能質量及供電可靠性差。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種智能微電網系統，該微網系統可以提高能源利用效率，減輕能源動力系統對環境的影響，有助于推動分布式電源上網，降低大電網的負擔，改善電能質量及供電可靠性，并促進社會向綠色、環保、節能方向發展，用以解決現有微電網系統能源利用率低、環境效益差、電能質量及供電可靠性差的問題。
[0008]為實現上述目的，本發明的方案是:一種智能微電網系統，包括就地控制層、網絡通信層、主站層和軟件層，所述就地控制層包括儲能系統，所述儲能系統通信連接有儲能控制器，所述網絡通信層包括專用的通信網絡，所述主站層包括數據中心、通信服務器和中央運行管理主站，所述通信服務器分別與數據中心和中央運行管理主站通信連接，所述儲能控制器通過專用的通信網絡與通信服務器通信連接，用于將采集到的儲能系統的數據信息發送到通信服務器，數據中心、通信服務器和中央運行管理主站通過信息交互總線與軟件層通信連接，用于將接收到的儲能系統的實時數據信息發送到軟件層，
[0009]所述就地控制層還包括分布式電源和負荷，所述分布式電源包括風力發電系統和光伏發電系統，所述風力發電系統和光伏發電系統均連接有DG控制器，所述負荷連接有負荷監控終端；所述軟件層包括協調運行管理系統、電能質量監控系統、能量管理系統和設備狀態監測系統；所述DG控制器和負荷監控終端均通過無線通信網絡與主站層通信連接，用于將采集到的分布式電源和負荷的實時數據信息發送到主站層，軟件層通過信息交互總線接收主站層發來的實時數據，實現電能的協調運行管理、電能的質量監控、能量管理和就地控制層的狀態監測。
[0010]所述儲能系統主要由儲能電池組、電池管理系統、隔離變壓器、儲能雙向變流裝置、儲能監控系統組成，所述電池管理系統與所述儲能電池組連接，所述儲能雙向變流裝置的交流側通過所述隔離變壓器接入微電網，所述雙向變流裝置的直流側連接儲能電池組，所述儲能監控系統通過所述儲能控制器與儲能雙向變流裝置通訊連接。
[0011]所述光伏發電系統包括光伏組件、光伏逆變器、直流匯流箱、交流配電柜和光伏監控系統，所述光伏逆變器的直流側通過直流匯流箱連接光伏組件，所述光伏逆變器的交流側通過交流配電柜接入電網，所述光伏監控系統與光伏逆變器通信連接。
[0012]所述風力發電系統包括風力發電機、風機逆變器和風機控制器，所述風機逆變器的直流側通過風機控制器連接風力發電機，風機逆變器的交流側通過隔離變壓器連接微網交流母線。
[0013]所述負荷包括交流負荷和直流負荷，所述交流負荷包括:信息機房UPS用電、電動汽車充換電站以及電燈和空調負荷；所述直流負荷為20kW的直流電器，直流電壓為220V。
[0014]所述雙向儲能變流裝置包括第一雙向儲能變流裝置和第二雙向儲能變流裝置，所述的第一雙向儲能變流裝置包括AC/DC功率模塊和DC/DC功率模塊，所述AC/DC功率模塊的交流側通過隔離變壓器連接微電網，所述AC/DC功率模塊的直流側連接DC/DC功率模塊的一側，所述DC/DC功率模塊的另一側通過直流母線連接儲能電池組；所述的第二雙向儲能變流裝置由一個AC/DC功率變換模塊組成，直流側連接電池組，交流側通過隔離變壓器連接微電網。
[0015]所述儲能電池組包括鉛酸電池和超級電容，鋰電池組、鎳氫電池組和鈉鹽電池組。
[0016]所述風力發電機為垂直軸風力發電機。
[0017]所述通信網絡為以太網。
[0018]所述第一雙向儲能變流器的容量為250KW，所述第二雙向儲能變流器的容量為200KW。
[0019]本發明達到的有益效果:本發明通過整合多種分布式發電，協調微網與外部電網之間的關系，在一個局部區域內直接將分布式發電、電力網絡和用戶負荷聯系在一起，可以方便地進行結構調整和配置以及利用能源轉換技術，提高能源利用效率，減輕能源動力系統對環境的影響，推動分布式電源上網，降低大電網的負擔，改善電能質量及供電可靠性，并促進社會向綠色、環保、節能方向發展。
[0020]本發明集成光伏發電、風力發電、多種類型和容量的儲能系統及現代電力電子、通信、控制技術，建立一個智能化微網系統，在實現高可靠性供電的同時，實現可再生能源的優化配置，實現對微網內負荷的高可靠性供電；可以正確反映微網和外部電網之間的相互作用、相互影響的關系，充分展現分布式能源對于提高供電可靠性的作用；實現光伏、風電、儲能系統及微網系統的運行數據采集和存儲，為微網關鍵技術的研究積累運行數據。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發明智能微電網的結構示意圖；
[0022]圖2是本發明就地控制層的結構示意圖；
[0023]圖3是本發明儲能系統的結構原理圖；
[0024]圖4是本發明光伏發電系統的結構原理圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
[0026]如圖1，本發明的智能微電網系統包括就地控制層、網絡通信層、主站層和軟件層，所述就地控制層包括儲能系統，所述儲能系統通信連接有儲能控制器，所述網絡通信層包括專用的通信網絡，所述主站層包括數據中心、通信服務器和中央運行管理主站，所述通信服務器分別與數據中心和中央運行管理主站通信連接，所述儲能控制器通過專用的通信網絡與通信服務器通信連接，用于將采集到的儲能系統的數據信息發送到通信服務器，數據中心、通信服務器和中央運行管理主站通過信息交互總線與軟件層通信連接，用于將接收到的儲能系統的實時數據信息發送到軟件層，
[0027]所述就地控制層還包括分布式電源和負荷，所述分布式電源包括風力發電系統和光伏發電系統，所述風力發電系統和光伏發電系統均連接有DG控制器，所述負荷連接有負荷監控終端；所述軟件層包括協調運行管理系統、電能質量監控系統、能量管理系統和設備狀態監測系統；所述DG控制器和負荷監控終端均通過無線通信網絡與主站層通信連接，用于將采集到的分布式電源和負荷的實時數據信息發送到主站層，軟件層通過信息交互總線接收主站層發來的實時數據，實現電能的協調運行管理、電能的質量監控、能量管理和設備的狀態監測。
[0028]如圖2，本實施例40kWp光伏發電系統和4kW風力發電系統接入微網交流母線，接收微網的總體控制，儲能系統中的磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、鈉鹽電池及飛輪儲能回路為已有設備，通過接在交流母線上的電能質量調節裝置(APF，150kVA, I臺)，實時檢測微網交流母線的諧波電流，采用先進的控制技術，將與負載諧波電流波形相同、方向相反的電流注入微網系統中，實現諧波補償的功能，進一步提高微網的供電電能質量。微網負荷包括交流負荷及直流負荷，直流負荷連接的DC/DC裝置為微網的直流負荷提供電源，為提高直流負荷供電的可靠性，該DC/DC回路的輸入側分別接在PCS的公共直流母線上及一組鉛酸電池的直流母線上。
[0029]如圖3，儲能系統主要由儲能電池組、電池管理系統BMS、隔離變壓器、儲能雙向變流裝置PCS、儲能監控系統組成。電池管理系統與儲能電池組連接，儲能雙向變流裝置的交流側通過隔離變壓器接入微電網，雙向變流裝置的直流側連接儲能電池組，儲能監控系統通過儲能控制器與儲能雙向變流裝置通訊連接。儲能電池組包括鉛酸電池和超級電容，已有鋰電池組、鎳氫電池組、預留鋰電池組、鈉鹽電池組。
[0030]本實施例的PCS裝置共有兩套，一套容量為250kW，采用一體化模塊設計，實現梯次利用鋰電池的靈活接入，并考慮后期鋰電池和光伏更新及擴容，為其預留相應的接入設備；另一套容量為200kW，方便快捷的實現微網系統的并離網無縫切換。
[0031]PCS250kff內部采用模塊化設計方案，采用兩級變換拓撲，包括前級AC/DC功率模塊和后級DC/DC功率模塊，AC/DC功率模塊的交流側通過隔離變壓器接入微網400V母線，AC/DC功率模塊的直流側通過DC/DC功率模塊連接電池組，無論接入何種電池組，交流側AC/DC50kff模塊均通過隔離變壓器接入電網，故直流側電池可以靈活設置，可以根據容量分別獨立成組。由于DC/DC模塊采用非隔離DC/DC技術，為了避免模塊之間不均流及環流，模塊之間需增加均流處理技術。PCS200kW采用一級變換拓撲，結構為整機AC/DC變換。
[0032]PCS裝置實現電池組與電網間能量雙向交換，可工作在電池組充電模式和電池組能量回饋電網模式。網側AC/DC功率模塊采用全控三相高頻SPWM整流(逆變)模塊接入電網，該模塊可四象限運行，既可以從電網吸收有功，也可將電池能量回饋到電網。
[0033]如圖4，光伏發電系統包括光伏組件、光伏逆變器、直流匯流箱、交流配電柜和光伏監控系統，光伏逆變器的直流側通過直流匯流箱連接光伏組件，光伏逆變器的交流側通過交流配電柜接入電網，光伏監控系統與光伏逆變器通信連接。
[0034]光伏組件采用太陽光伏電池組件；光伏逆變器為三相集中型并網光伏逆變器，并與太陽能光伏電池組件容量匹配，光伏逆變器的結構為壁掛式，采用MPPT功率跟蹤方式，保證轉換效率始終工作在最佳狀態，MPPT精度不小于99% ;直流匯流箱實現光伏組件和光伏逆變器間的電氣連接，主要包含直流斷路器、直流保護、防雷設備等；交流配電柜實現光伏逆變器和內部電源網絡之間的電氣連接，主要包括網側交流斷路器、防雷器、發電計量表及并網接口等，具備交流保護、匯流、電網接入、電網檢測等功能；光伏監控系統的通信方式采用光纖通信方式，具有RS232/485、以太網標準通訊接口，通信協議公開，能將相關信息送至上層微網監控系統，進行集中監控并實現故障自動記錄、用電評價指標的記錄計算，光伏監控系統具有數據存儲查詢功能，可以方便的歸檔查詢。
[0035]風力發電系統包括風力發電機、風機逆變器和風機控制器，風機逆變器的直流側通過風機控制器連接風力發電機，風機逆變器的交流側通過隔離變壓器連接微網交流母線。
[0036]風機控制器能夠智能判斷風機轉速過快、輸出電壓過高、輸出電流過大等異常情況，并通過泄荷、極限短路等措施確保風機正常運行。將風力發電機組的交流輸出轉換為直流電；智能檢測風力發電機組的運行狀態，在風機轉速過快、輸出電壓過高或輸出電流過大時，采用主動泄荷或者極限短路的方式，使風機工作在正常特性范圍內。[0037]風機逆變器專為風力發電系統設計，將直流電變換成交流電后接入微網交流母線。逆變電源采用升壓隔離變壓器，不僅安全可靠，還可多臺并聯運行。具有電網過、欠壓，電網過、欠頻，輸出電流過載等多項保護功能。并同時具有主動式和被動式孤島運行檢出功能。配有RS485通訊接口，可進行遠程數據采集和通訊。
[0038]負荷包括交流負荷和直流負荷，所述交流負荷包括:信息機房UPS用電、電動汽車充換電站以及電燈和空調負荷；所述直流負荷為20kW的直流電器，直流電壓為220V。
[0039]微網負荷包括交流負荷及直流負荷，按重要程度分為4路，在微網進行并離網切換及離網運行期間，微網要保證重要負荷的不間斷供電。負荷控制器根據微網交流母線的頻率及電壓值決定非重要負荷的切除及分布式電源的投退，以實現微網的穩定運行。
[0040]本實施例的網絡通信層采用的以太網，就地控制層的儲能系統、風力發電系統、光伏發電系統和負荷電路均通過以太網與主站層實現信息的傳遞，主站層將接收到的實時數據信息發送到軟件層，軟件層的微網能量管理系統根據接收到的實時數據信息，通過執行優化算法，決定如何優化調度微網設備運行，例如決定儲能裝置何時充電、何時放電等。電能質量調節裝置可以通過補償負荷電流中各主要諧波，使得微網清潔高效，滿足國標對微網諧波的要求；電能質量調節裝置可以根據不同的現場要求靈活設定不同的控制方式，最終達到不同的補償效果，例如三相負荷平衡、功率因數校正、諧波抑制等；電能質量調節裝置帶有存儲器，可以保存電網的主要參數，并通過自身的通信接口傳送給電力用戶，方便統計和管理。協調運行管理系統可以協調控制微網中的多種分布式發電設備和儲能裝置，滿足各種用電負荷的需求，對微網中的各種分布式發電系統以及各種儲能系統的運行狀態和參數進行監測，協調設備運行，保持微網安全、穩定運行，而且對各種用電負荷數據進行監測，根據歷史數據進行負荷預測，協調發電、儲能裝置，滿足用電負荷要求。
[0041]本發明集成光伏發電、風力發電、多種類型和容量的儲能系統及現代電力電子、通信、控制技術，建立一個智能化微網系統，在實現高可靠性供電的同時，實現可再生能源的優化配置，實現對微網內負荷的高可靠性供電。
【權利要求】
1.一種智能微電網系統，包括就地控制層、網絡通信層、主站層和軟件層，所述就地控制層包括儲能系統，所述儲能系統通信連接有儲能控制器，所述網絡通信層包括專用的通信網絡，所述主站層包括數據中心、通信服務器和中央運行管理主站，所述通信服務器分別與數據中心和中央運行管理主站通信連接，所述儲能控制器通過專用的通信網絡與通信服務器通信連接，用于將采集到的儲能系統的數據信息發送到通信服務器，數據中心、通信服務器和中央運行管理主站通過信息交互總線與軟件層通信連接，用于將接收到的儲能系統的實時數據信息發送到軟件層，其特征在于: 所述就地控制層還包括分布式電源和負荷，所述分布式電源包括風力發電系統和光伏發電系統，所述風力發電系統和光伏發電系統均連接有DG控制器，所述負荷連接有負荷監控終端；所述軟件層包括協調運行管理系統、電能質量監控系統、能量管理系統和設備狀態監測系統；所述DG控制器和負荷監控終端均通過無線通信網絡與主站層通信連接，用于將采集到的分布式電源和負荷的實時數據信息發送到主站層，軟件層通過信息交互總線接收主站層發來的實時數據，實現電能的協調運行管理、電能的質量監控、能量管理和設備的狀態監測。
2.根據權利要求1所述的智能微電網系統，其特征是所述儲能系統由儲能電池組、電池管理系統、隔離變壓器、儲能雙向變流裝置、儲能監控系統組成，所述電池管理系統與所述儲能電池組連接，所述儲能雙向變流裝置的交流側通過所述隔離變壓器接入微電網，所述雙向變流裝置的直流側連接儲能電池組，所述儲能監控系統通過所述儲能控制器與儲能雙向變流裝置通訊連接。
3.根據權利要求1所述的智能微電網系統，其特征是所述光伏發電系統包括光伏組件、光伏逆變器、直流匯流箱、交流配電柜和光伏監控系統，所述光伏逆變器的直流側通過直流匯流箱連接光伏組件，所述光伏逆變器的交流側通過交流配電柜接入電網，所述光伏監控系統與光伏逆變器通信連接。
4.根據權利要求1所述的 智能微電網系統，其特征是所述風力發電系統包括風力發電機、風機逆變器和風機控制器，所述風機逆變器的直流側通過風機控制器連接風力發電機，風機逆變器的交流側通過隔離變壓器連接微網交流母線。
5.根據權利要求1所述的智能微電網系統，其特征是所述負荷包括交流負荷和直流負荷，所述交流負荷包括:信息機房UPS用電、電動汽車充換電站以及電燈和空調負荷；所述直流負荷為20kw的直流電器，直流電壓為220V。
6.根據權利要求2所述的智能微電網系統，其特征是所述雙向儲能變流裝置包括第一雙向儲能變流裝置和第二雙向儲能變流裝置，所述的第一雙向儲能變流裝置包括AC/DC功率模塊和DC/DC功率模塊，所述AC/DC功率模塊的交流側通過隔離變壓器連接微電網，所述AC/DC功率模塊的直流側連接DC/DC功率模塊的一側，所述DC/DC功率模塊的另一側通過直流母線連接儲能電池組；所述的第二雙向儲能變流裝置由一個AC/DC功率變換模塊組成，直流側連接電池組，交流側通過隔離變壓器連接微電網。
7.根據權利要求2所述的智能微電網系統，其特征是所述儲能電池組包括鉛酸電池和超級電容，鋰電池組、鎳氫電池組和鈉鹽電池組。
8.根據權利要求4所述的智能微電網系統，其特征是所述風力發電機為垂直軸風力發電機。
9.根據權利要求1所述的智能微電網系統，其特征是所述通信網絡為以太網。
10.根據權利要求6所述的智能微電網系統，其特征是所述第一雙向儲能變流器的容量為250KW，所述第 二雙向儲能變流器的容量為200KW。
【文檔編號】H02J3/38GK103595138SQ201310596156
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】柳勁松, 時珊珊, 張宇, 劉雋, 雷珽, 方陳, 劉舒 申請人:國網上海市電力公司, 華東電力試驗研究院有限公司