發(fā)明專利｜微電網(wǎng)控制裝置及電力系統(tǒng)

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

摘要：本發(fā)明實施例提供了一種微電網(wǎng)控制裝置及電力系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電單元、風(fēng)電充電控制器、光伏發(fā)電單元、光伏充電控制器、儲能單元、控制單元以及執(zhí)行單元。風(fēng)電充電控制器分別與風(fēng)力發(fā)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(jìn)行微電網(wǎng)的研究，并且由于國情不同，對微電網(wǎng)家定義、研究應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也不同。但微電網(wǎng)作為未來電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，代表著電力行業(yè)服務(wù)意識、能源利用意識、環(huán)保意識的一種提高與改變。微電網(wǎng)將是未來電網(wǎng)實現(xiàn)高效、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)供電的一個重要手段，是對大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充。

請參閱圖1，為本發(fā)明較佳實施例提供的一種微電網(wǎng)控制裝置100的示意性結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，所述微電網(wǎng)控制裝置100包括風(fēng)力發(fā)電單元110、風(fēng)電充電控制器120、光伏發(fā)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(zhí)行單元170。其中，所述風(fēng)電充電控制器120分別與所述風(fēng)力發(fā)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(fā)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(zhí)行單元170連接。

所述風(fēng)力發(fā)電單元110用于產(chǎn)生風(fēng)電能源，并將產(chǎn)生的風(fēng)電能源通過所述風(fēng)電充電控制器120輸送至所述儲能單元150。

所述光伏發(fā)電單元130用于產(chǎn)生光電能源，并將產(chǎn)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(jìn)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(yù)設(shè)電量下限值進(jìn)行比較，若計算出的電量值低于所述預(yù)設(shè)電量下限值，則控制所述執(zhí)行單元170斷開所述儲能單元150與負(fù)載之間的連接且控制所述執(zhí)行單元170連通市網(wǎng)系統(tǒng)與負(fù)載之間的連接，以進(jìn)入并網(wǎng)模式。若計算出的電量值高于所述預(yù)設(shè)電量下限值，則控制所述執(zhí)行單元170斷開市網(wǎng)系統(tǒng)與負(fù)載之間的連接且控制所述執(zhí)行單元170連通所述儲能單元150與負(fù)載之間的連接，以進(jìn)入孤網(wǎng)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(chǔ)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(zhí)行單元170為斷路器，其型號為DZ47-60。所述斷路器的數(shù)量為3個，分別連接于所述風(fēng)力發(fā)電單元110與外部負(fù)載之間，所述光伏發(fā)電單元130與外部負(fù)載之間，以及市網(wǎng)系統(tǒng)與外部負(fù)載之間。所述儲能單元150包括風(fēng)能蓄電池和光能蓄電池。所述風(fēng)能蓄電池分別與所述風(fēng)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(wǎng)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(yīng)的控制參數(shù)，所述觸控單元180接收之后將其發(fā)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(jié)果，并進(jìn)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(jìn)行參數(shù)輸入的相應(yīng)輸入?yún)^(qū)域，以及進(jìn)行顯示的顯示區(qū)域。

請參閱圖2，可選地，在本實施例中，所述風(fēng)力發(fā)電單元110包括異步電機(jī)111、變頻器112以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)113。所述異步電機(jī)111分別與所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)111和所述控制單元160連接。其中，所述異步電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)113的型號為NE-100。

其中，所述異步電機(jī)111采用立式結(jié)構(gòu)，所述異步電機(jī)111通過鋁型材與拐角相結(jié)合并利用螺絲固定懸掛與所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)113采用垂直軸，所述異步電機(jī)111和所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)113通過聯(lián)軸器傳動，從而使所述異步電機(jī)111帶動所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)113轉(zhuǎn)動，以利用所述異步電機(jī)111模擬風(fēng)速。

在實施時，用戶可以通過所述觸控單元180對所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)113的最高轉(zhuǎn)速和變速周期進(jìn)行設(shè)置，所述觸控單元180將接收到的最高轉(zhuǎn)速和變速周期發(fā)送至所述PLC基礎(chǔ)模塊FX1N-40MT中。PLC基礎(chǔ)模塊FX1N-40MT根據(jù)接收到的最高轉(zhuǎn)速和變速周期并利用公式(1)計算得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)111的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)113轉(zhuǎn)動。

其中，n為轉(zhuǎn)速，f為頻率，p為電機(jī)磁極對數(shù)。

此外，所述PLC基礎(chǔ)模塊FX1N-40MT根據(jù)接收到的變速周期以控制所述異步電機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)111的頻率從而改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)113的轉(zhuǎn)速。

可選地，在本實施中，所述風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機(jī)113和PLC連接。其中，互感器可按比例縮小風(fēng)力發(fā)電機(jī)113的原電壓數(shù)值，將電壓值降低至PLC可讀取的范圍內(nèi)。PLC通過所述自制元件114讀取到風(fēng)力發(fā)電機(jī)113兩端的電壓值和電流值，并根據(jù)采集到的電壓值和電流值以及公式(2)和公式(3)計算出風(fēng)力發(fā)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(shù)值，I為瞬時電流，y為PLC采集到的電流數(shù)值。

并且，PLC根據(jù)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(fēng)力發(fā)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(fā)送至所述觸控單元180，以使所述觸控單元180進(jìn)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(xiàn)。本實施例中，在具體實施時，得到的風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電單元110將產(chǎn)生的電能通過所述風(fēng)電充電控制器120輸送至所述風(fēng)能蓄電池進(jìn)行電能存儲。可選地，在本實施例中，所述風(fēng)電充電控制器120的型號為FW03-12，所述風(fēng)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(fā)電單元130包括步進(jìn)電機(jī)131、步進(jìn)控制器132、導(dǎo)軌、皮帶、射燈以及限位開關(guān)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(shè)置在所述導(dǎo)軌上，并且所述皮帶與所述步進(jìn)電機(jī)131連接。所述導(dǎo)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(shè)置在所述皮帶上。本實施例中，所述限位開關(guān)133包括兩個，兩個所述限位開關(guān)133分別設(shè)置在所述導(dǎo)軌的兩端，并且與PLC連接。所述步進(jìn)電機(jī)131分別與PLC和步進(jìn)控制器132連接，在具體實施時，PLC通過控制所述步進(jìn)電機(jī)131的轉(zhuǎn)速使其在一分鐘內(nèi)保持不低于往復(fù)一次的

速度。所述射燈隨著所述皮帶在所述步進(jìn)電機(jī)131的帶動下而作往復(fù)運(yùn)動。

當(dāng)所述射燈接觸到任意一端的限位開關(guān)133時，所述限位開關(guān)133發(fā)送相應(yīng)的觸發(fā)信息至PLC，PLC在接收到觸發(fā)信息后則控制所述步進(jìn)電機(jī)131進(jìn)行反轉(zhuǎn)，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(jìn)電機(jī)131的型號采用42HP3412A4，所述限位開關(guān)133的型號采用XV-156-1C25，所述步進(jìn)控制器132的型號為M542。

本實施例中，所述光伏發(fā)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(jī)137。所述光敏電阻135設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(fā)生變化，從而引起所述光敏電阻135的阻值發(fā)生變化，進(jìn)而所述光敏電阻135兩端的電壓值也會隨之發(fā)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(dāng)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(jī)137連接。PLC中的模擬量輸出模塊FX2N-2DA根據(jù)分析到的所述射燈當(dāng)前的位置，并通過所述伺服放大器136驅(qū)動所述伺服電機(jī)137以調(diào)整所述太陽能電池板134的位置，從而實現(xiàn)太陽能電池板134與所述射燈(模擬太陽)的聯(lián)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(shè)置為700mm左右。

其中，所述伺服電機(jī)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(zhuǎn)軸連接渦輪，伺服電機(jī)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(jī)137通過渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)相連接，以保證通過所述伺服電機(jī)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(jù)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(fā)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(jìn)行實時顯示。本實施例中，在具體實施時，得到的光伏發(fā)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(fā)電單元130產(chǎn)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(jìn)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(wǎng)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(fēng)力發(fā)電單元110的輸出端、所述光伏發(fā)電單元130的輸出端以及所述市網(wǎng)系統(tǒng)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(fù)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(fā)明實施例提供的所述微電網(wǎng)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(fēng)力發(fā)電單元110和所述光伏發(fā)電單元130產(chǎn)生的電量不足以供給負(fù)載消耗時，需要接入市網(wǎng)系統(tǒng)給負(fù)載供電。此時PLC中的模擬量輸入模塊FX2N-4AD采集風(fēng)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(jìn)行比較，以計算出風(fēng)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(shè)置的蓄電池下限電量進(jìn)行比較以判斷是否需要接入市網(wǎng)系統(tǒng)。若需要接入市網(wǎng)系統(tǒng)PLC則控制與所述風(fēng)力發(fā)電單元110和所述光伏發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)給負(fù)載供電。

當(dāng)所述風(fēng)力發(fā)電單元110和/或所述光伏發(fā)電單元130經(jīng)過一段時間發(fā)電后，其補(bǔ)充的電能能夠供給負(fù)載消耗時，則PLC控制與市網(wǎng)系統(tǒng)連接的繼電器斷開與逆變器之間的連接，并接入所述風(fēng)力發(fā)電單元110和/或光伏發(fā)電單元130，此時微電網(wǎng)進(jìn)入孤島模式。

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

本發(fā)明實施例建立的微電網(wǎng)控制模型所用導(dǎo)線、設(shè)備(含部分自制設(shè)備)、連接工藝、布局均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。整體模型均由PLC控制，能夠較好的實現(xiàn)實際微電網(wǎng)的模擬功能，實現(xiàn)通過PLC控制微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的切換，即孤島運(yùn)行狀態(tài)與市電運(yùn)行間的切換。孤島運(yùn)行時風(fēng)力發(fā)電單元110考慮到實際發(fā)電功率采用異步電機(jī)111模擬自然風(fēng)，可較好地完成風(fēng)力發(fā)電的模擬并輸出電能供給負(fù)載。光伏發(fā)電單元130采用蝸輪蝸桿連接機(jī)械部分，光敏電阻135追蹤程序部分兩者結(jié)合可完全實現(xiàn)并較好地模擬實際光伏發(fā)電系統(tǒng)。兩組發(fā)電單元經(jīng)過多方面考慮、多次調(diào)試，最終結(jié)果報錯幾率大大降低，且參數(shù)均由可由觸控屏進(jìn)行顯示。

此外，并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行切換平穩(wěn)，有效地保護(hù)了用電器延長負(fù)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(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。本實施例提出的微電網(wǎng)控制裝置100根據(jù)實際的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行簡化后搭建，對發(fā)電部分、市電部分等實際問題進(jìn)行了較為全面的模擬，系統(tǒng)的正常運(yùn)行表明本實施例搭建的微電網(wǎng)具有實際的投資價值及理論參考價值，可進(jìn)一步升級改進(jìn)使微電網(wǎng)在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)用。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的微電網(wǎng)控制裝置100及電力系統(tǒng)，通過檢測風(fēng)力發(fā)電單元110以及光伏發(fā)電單元130產(chǎn)生電量的狀態(tài)，以及時調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，從而維持功率平衡，避免風(fēng)力發(fā)電單元110以及光伏發(fā)電單元130的異常對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。并且，通過設(shè)置儲能單元150，可在微電網(wǎng)進(jìn)行孤島運(yùn)行時，抑制功率波動，保持供電功率的穩(wěn)定性，提高了微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

需要說明的是，在本文中，術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。應(yīng)注意到：相似的標(biāo)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(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

原標(biāo)題:微電網(wǎng)控制裝置及電力系統(tǒng)

責(zé)任編輯：lixin

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