發明專利｜微電網控制裝置及電力系統

2017-11-06 14:42:46 北極星輸配電網整理　點擊量：評論 (0)

摘要：本發明實施例提供了一種微電網控制裝置及電力系統，包括風力發電單元、風電充電控制器、光伏發電單元、光伏充電控制器、儲能單元、控制單元以及執行單元。風電充電控制器分別與風力發電單元和儲能單元連接

除了美國、日本、歐洲、中國，印度、加拿大、澳大利亞等國也都在進行微電網的研究，并且由于國情不同，對微電網家定義、研究應用的側重點也不同。但微電網作為未來電網發展的重要組成部分，代表著電力行業服務意識、能源利用意識、環保意識的一種提高與改變。微電網將是未來電網實現高效、環保、優質供電的一個重要手段，是對大電網的有益補充。

請參閱圖1，為本發明較佳實施例提供的一種微電網控制裝置100的示意性結構框圖。如圖1所示，所述微電網控制裝置100包括風力發電單元110、風電充電控制器120、光伏發電單元130、光伏充電控制器140、儲能單元150、控制單元160以及執行單元170。其中，所述風電充電控制器120分別與所述風力發電單元110和所述儲能單元150連接，所述光伏充電控制器140分別與所述光伏發電單元130和所述儲能單元150連接，所述控制單元160分別與所述儲能單元150和所述執行單元170連接。

所述風力發電單元110用于產生風電能源，并將產生的風電能源通過所述風電充電控制器120輸送至所述儲能單元150。

所述光伏發電單元130用于產生光電能源，并將產生的光電能源通過所述光伏充電控制器140輸送至所述儲能單元150。

所述控制單元160用于檢測所述儲能單元150的電壓值，并將檢測得到的電壓值與額定電壓值進行比較，以計算出所述儲能單元150的電量值。再將計算出的電量值與預設電量下限值進行比較，若計算出的電量值低于所述預設電量下限值，則控制所述執行單元170斷開所述儲能單元150與負載之間的連接且控制所述執行單元170連通市網系統與負載之間的連接，以進入并網模式。若計算出的電量值高于所述預設電量下限值，則控制所述執行單元170斷開市網系統與負載之間的連接且控制所述執行單元170連通所述儲能單元150與負載之間的連接，以進入孤網模式。

可選地，在本實施例中，所述控制單元160為可編程邏輯控制器(PLC)，所述控制單元160包括PLC基礎模塊，其型號為FX1N-40MT，以及PLC功能模塊，包括模擬量輸出模塊FX2N-2DA以及模擬量輸入模塊FX2N-4AD。所述執行單元170為斷路器，其型號為DZ47-60。所述斷路器的數量為3個，分別連接于所述風力發電單元110與外部負載之間，所述光伏發電單元130與外部負載之間，以及市網系統與外部負載之間。所述儲能單元150包括風能蓄電池和光能蓄電池。所述風能蓄電池分別與所述風電充電控制器120和PLC連接，所述光能蓄電池分別與所述光伏充電控制器140和PLC連接。

可選地，在本實施例中，所述微電網控制裝置100還包括觸控單元180，所述觸控單元180與所述控制單元160連接。用戶可以通過所述觸控單元180輸入相應的控制參數，所述觸控單元180接收之后將其發送至所述控制單元160。并且，所述觸控單元180還可接收所述控制單元160的一些處理結果，并進行顯示。在本實施例中，所述觸控單元180可以為觸控顯示屏，在觸控顯示屏上有進行參數輸入的相應輸入區域，以及進行顯示的顯示區域。

請參閱圖2，可選地，在本實施例中，所述風力發電單元110包括異步電機111、變頻器112以及風力發電機113。所述異步電機111分別與所述風力發電機113和所述控制單元160連接，所述變頻器112分別與所述異步電機111和所述控制單元160連接。其中，所述異步電機111的型號為TCO-12KW-1/6HP，所述變頻器112的型號為FR-E740-0.4K-CHT，所述風力發電機113的型號為NE-100。

其中，所述異步電機111采用立式結構，所述異步電機111通過鋁型材與拐角相結合并利用螺絲固定懸掛與所述風力發電機113上方。鋁型材的下端通過拐角并利用螺絲固定在操作臺上。所述風力發電機113采用垂直軸，所述異步電機111和所述風力發電機113通過聯軸器傳動，從而使所述異步電機111帶動所述風力發電機113轉動，以利用所述異步電機111模擬風速。

在實施時，用戶可以通過所述觸控單元180對所述風力發電機113的最高轉速和變速周期進行設置，所述觸控單元180將接收到的最高轉速和變速周期發送至所述PLC基礎模塊FX1N-40MT中。PLC基礎模塊FX1N-40MT根據接收到的最高轉速和變速周期并利用公式(1)計算得出風力發電機113的頻率上限值。并利用所述變頻器112通過所述控制單元160改變所述異步電機111的轉速，進而帶動所述風力發電機113轉動。

其中，n為轉速，f為頻率，p為電機磁極對數。

此外，所述PLC基礎模塊FX1N-40MT根據接收到的變速周期以控制所述異步電機111的變速時間，并通過PLC的模擬量輸出模塊FX2N-2DA將PLC的電壓信號進行轉換并輸出至所述變頻器112，利用所述變頻器112控制所述異步電機111的頻率從而改變轉速，進而改變所述風力發電機113的轉速。

可選地，在本實施中，所述風力發電單元110還包括由互感器和整流電路組成的自制元件114。所述自制元件114分別與所述風力發電機113和PLC連接。其中，互感器可按比例縮小風力發電機113的原電壓數值，將電壓值降低至PLC可讀取的范圍內。PLC通過所述自制元件114讀取到風力發電機113兩端的電壓值和電流值，并根據采集到的電壓值和電流值以及公式(2)和公式(3)計算出風力發電單元110的瞬時電壓以及瞬時電流。

其中，U為瞬時電壓，x為PLC采集到的電壓數值，I為瞬時電流，y為PLC采集到的電流數值。

并且，PLC根據計算得到的瞬時電壓U和瞬時電流I，利用公式(4)計算得出風力發電單元110的瞬時輸出功率。并將其計算出的瞬時功率實時發送至所述觸控單元180，以使所述觸控單元180進行實時顯示。所述瞬時輸出功率P在所述觸控單元180上以曲線形式呈現。本實施例中，在具體實施時，得到的風力發電單元110的輸出電壓U和輸出功率I的變化曲線如圖3和圖4所示。并且所述風力發電單元110將產生的電能通過所述風電充電控制器120輸送至所述風能蓄電池進行電能存儲?？蛇x地，在本實施例中，所述風電充電控制器120的型號為FW03-12，所述風能蓄電池的型號為OT7-12。

P=UI (4)

其中，P為瞬時輸出功率。

請參閱圖5，可選地，在本實施例中，所述光伏發電單元130包括步進電機131、步進控制器132、導軌、皮帶、射燈以及限位開關133。本實施例中，利用射燈的照射來模擬太陽光照射。其中，所述皮帶設置在所述導軌上，并且所述皮帶與所述步進電機131連接。所述導致利用拐角固定在所述鋁型材上，鋁型材的另一端用拐角螺絲固定在操作臺上。所述射燈設置在所述皮帶上。本實施例中，所述限位開關133包括兩個，兩個所述限位開關133分別設置在所述導軌的兩端，并且與PLC連接。所述步進電機131分別與PLC和步進控制器132連接，在具體實施時，PLC通過控制所述步進電機131的轉速使其在一分鐘內保持不低于往復一次的

速度。所述射燈隨著所述皮帶在所述步進電機131的帶動下而作往復運動。

當所述射燈接觸到任意一端的限位開關133時，所述限位開關133發送相應的觸發信息至PLC，PLC在接收到觸發信息后則控制所述步進電機131進行反轉，從而帶動所述皮帶和所述射燈往反方向移動。

在本實施例中，所述步進電機131的型號采用42HP3412A4，所述限位開關133的型號采用XV-156-1C25，所述步進控制器132的型號為M542。

本實施例中，所述光伏發電單元130還包括太陽能電池板134、光敏電阻135、伺服放大器136以及伺服電機137。所述光敏電阻135設置在所述太陽能電池板134的邊緣，并且在所述光敏電阻135的兩端加入一標準電壓。所述光敏電阻135與PLC連接，所述射燈的光照可照射在所述光敏電阻135和所述太陽能電池板134上。在所述射燈的移動過程中，照射到所述光敏電阻135上的光照也會發生變化，從而引起所述光敏電阻135的阻值發生變化，進而所述光敏電阻135兩端的電壓值也會隨之發生變化。PLC中的模擬量輸出模塊FX2N-2DA將所述光敏電阻135兩端的電壓值采集至PLC中，PLC計算出所述光敏電阻135兩端電壓值的差值，從而判斷得到當前所述射燈的位置。

所述伺服放大器136分別與PLC以及伺服電機137連接。PLC中的模擬量輸出模塊FX2N-2DA根據分析到的所述射燈當前的位置，并通過所述伺服放大器136驅動所述伺服電機137以調整所述太陽能電池板134的位置，從而實現太陽能電池板134與所述射燈(模擬太陽)的聯動，以模擬出實際太陽位置變化時太陽能電池板134的追蹤功能。在本實施例中，所述射燈與所述太陽能電池板134之間的距離設置為700mm左右。

其中，所述伺服電機137固定于金屬板中，太陽能電池板134的后方焊接有一垂直轉軸連接渦輪，伺服電機137與所述連接渦輪連接。所述太陽能電池板134和所述伺服電機137通過渦輪蝸桿結構相連接，以保證通過所述伺服電機137以精確地控制所述太陽能電池板134的位置。

可選地，所述太陽能電池板134兩端的電壓值和電流值可通過采集裝置采集至所述控制單元160，PLC根據采集到的電壓值和電流值并利用公式(2)至公式(4)計算得到所述光伏發電單元130的瞬時電壓、瞬時電流和瞬時輸出功率，并利用模擬量輸出模塊FX2N-2DA輸出至所述觸控單元180進行實時顯示。本實施例中，在具體實施時，得到的光伏發電單元130的輸出電壓和輸出功率的變化曲線如圖6和圖7所示。此外，所述光伏發電單元130產生的電能通過所述光伏充電控制器140輸送至所述光能蓄電池進行電能存儲。在本實施例中，所述光伏充電控制器140的型號為SCL-10A，所述光能蓄電池的型號為OT7-12。

可選地，在本實施例中，所述微電網控制裝置100還包括逆變器、變壓器以及繼電器。所述繼電器為多個，多個所述繼電器分別與所述風力發電單元110的輸出端、所述光伏發電單元130的輸出端以及所述市網系統的輸出端連接，所述多個繼電器的另一端分別與所述逆變器連接，所述逆變器與所述變壓器連接，所述變壓器與外部負載連接。本實施例中，所述逆變器的型號為1200W，所述變壓器的型號為HS-35-24，所述繼電器的型號為DRM270024LT。本發明實施例提供的所述微電網控制裝置100的電氣原理圖如圖8所示。

在本實施例中，在所述風力發電單元110和所述光伏發電單元130產生的電量不足以供給負載消耗時，需要接入市網系統給負載供電。此時PLC中的模擬量輸入模塊FX2N-4AD采集風能蓄電池以及光能蓄電池中的電壓值，并將采集到的電壓值與額定電壓值進行比較，以計算出風能蓄電池和光能蓄電池中的電量。并且將計算出的電量與用戶通過觸控單元180設置的蓄電池下限電量進行比較以判斷是否需要接入市網系統。若需要接入市網系統PLC則控制與所述風力發電單元110和所述光伏發電單元130連接的繼電器斷開與所述逆變器之間的連接，并控制與所述市網系統連接的繼電器接通與所述逆變器之間的連接，以通過所述市網系統給負載供電。

當所述風力發電單元110和/或所述光伏發電單元130經過一段時間發電后，其補充的電能能夠供給負載消耗時，則PLC控制與市網系統連接的繼電器斷開與逆變器之間的連接，并接入所述風力發電單元110和/或光伏發電單元130，此時微電網進入孤島模式。

本發明另一較佳實施例還提供一種電力系統，該電力系統包括市網系統以及上述的微電網控制裝置100，所述市網系統通過繼電器接入所述微電網控制裝置100。

本發明實施例建立的微電網控制模型所用導線、設備(含部分自制設備)、連接工藝、布局均符合國家標準要求。整體模型均由PLC控制，能夠較好的實現實際微電網的模擬功能，實現通過PLC控制微電網運行狀態的切換，即孤島運行狀態與市電運行間的切換。孤島運行時風力發電單元110考慮到實際發電功率采用異步電機111模擬自然風，可較好地完成風力發電的模擬并輸出電能供給負載。光伏發電單元130采用蝸輪蝸桿連接機械部分，光敏電阻135追蹤程序部分兩者結合可完全實現并較好地模擬實際光伏發電系統。兩組發電單元經過多方面考慮、多次調試，最終結果報錯幾率大大降低，且參數均由可由觸控屏進行顯示。

此外，并網運行與孤島運行切換平穩，有效地保護了用電器延長負載的使用壽命，考慮到多方面因素，本實施例中采用自制元件114讀取參數，系統運行平穩、可靠。本實施例提出的微電網控制裝置100根據實際的微電網系統進行簡化后搭建，對發電部分、市電部分等實際問題進行了較為全面的模擬，系統的正常運行表明本實施例搭建的微電網具有實際的投資價值及理論參考價值，可進一步升級改進使微電網在實際生產過程中應用。

綜上所述，本發明實施例提供的微電網控制裝置100及電力系統，通過檢測風力發電單元110以及光伏發電單元130產生電量的狀態，以及時調節運行模式，從而維持功率平衡，避免風力發電單元110以及光伏發電單元130的異常對電網產生的不良影響。并且，通過設置儲能單元150，可在微電網進行孤島運行時，抑制功率波動，保持供電功率的穩定性，提高了微電網的電能質量。

需要說明的是，在本文中，術語“ 包括”、“ 包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“ 包括一個… … ”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

原標題:微電網控制裝置及電力系統