CN117458556A - 新能源微网电站运行系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源微网电站运行系统及方法，该运行系统包括发电模块、储能模块以及控制模块；通过将光伏、风力等新能源发电、电化学储能系统与传统柴油发电机组进行系统集成，组成混合型微网电站；然后搭载运行策略，控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电，实现微网电站智能功率分配，通过最大限度利用光伏等新能源，降低柴油发电机组传统能源的使用，既能保证电力系统的可靠性，还能够产生较高的经济效益，减少环境污染。

Description

新能源微网电站运行系统及方法

技术领域

本发明涉及一种新能源微网电站，尤其涉及一种新能源微网电站运行系统及方法。

背景技术

太阳能、风力发电等可再生能源占比逐渐提高，分布式电源具有投资小、环保及灵活性高等优点，发展规模迅速扩大。但分布式电源的随机性和波动性具有不可控性，且大规模应用及接入也给传统电网带来巨大的挑战及冲击。

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负载、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网实现了分布式电源的灵活、数量大、多样性的并网问题。实现对负载多种能源形式的可靠供给，是主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

针对海岛或市电成本不稳定、成本高的地区，这些地区传统发电主要依靠柴油发电机组发电，消耗化石能源，不仅发电成本高，也对当地环境造成污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种新能源微网电站运行系统及方法，以解决目前海岛或市电成本不稳定、成本高的地区，发电成本高且环境污染的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种新能源微网电站运行系统，包括发电模块、储能模块以及控制模块；发电模块包括用于提供电力能源的柴油发电系统和光伏发电系统；储能模块分别与市电、柴油发电系统、光伏发电系统和用电负载电连接，用于将市电、柴油发电系统、光伏发电系统提供的电力能源转换为直流电进行储存以及用于根据控制指令将直流电转换为交流电为用电负载供电；控制模块包括柴发与市电切换控制系统以及EMS能源管理系统；柴发与市电切换控制系统分别与市电和柴油发电系统的电能输出端电连接，用于控制切换市电供电和柴油发电系统供电；EMS能源管理系统分别与柴发与市电切换控制系统、柴油发电系统、光伏发电系统和储能模块信号连接，用于根据运行策略控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电。

该新能源微网电站运行系统将发电模块、储能模块和控制模块进行系统集成；EMS能量管理系统作为最上层控制系统，对整个微电网系统起控制作用，分别独立与柴发控制系统、柴发与市电切换控制系统、光伏逆变器、混合逆变器进行通讯。根据系统用电负载情况、光伏发电功率、储能电池状态等因素，对柴油发电机组、光伏组件、储能电池进行运行及输出功率控制。本申请的EMS能量管理系统根据搭载的运行策略控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电，实现微网电站智能功率分配，通过最大限度利用光伏等新能源，降低柴油发电机组传统能源的使用，从而产生较高的经济效益，减少环境污染。

进一步地，柴油发电系统包括柴油发电机组和柴发控制系统；柴油发电机组的电能输出端与柴发与市电切换控制系统的输入端电连接，柴发控制系统分别与柴油发电机组的信号输入端和EMS能源管理系统的信号输出端连接。柴油发电系统作为后备电源，在光伏组件等无法正常工作输出电能时，作为微电网电站系统最后一道电力保障设备，提供电力能源，其配置容量需满足用电负载容量，输出交流电力。

进一步地，发电模块还包括风力发电系统，风力发电系统包括风力发电机组以及用于将风力发电机组的输出电能转换为12V直流电为柴油发电机组的启动蓄电池进行充电的风电控制器。通过将微网电站的风力发电系统的输出电能为启动蓄电池充电，并将其电能作为耗电不高的柴油发电系统和控制模块的电力能源，使微网电站的发电模块输出电能能够被更合理地分配和利用，从而实现新能源的最大化利用。

进一步地，光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器。本申请中，光伏发电系统为优先供电主体，只有当光伏发电系统的输出功率无法满足使用需求时，再用市电、储能系统和柴油发电系统进行供电，通过最大限度利用光伏新能源，从而实现减少污染，节约资源。

进一步地，储能模块包括储能电池、混合逆变器和防逆流模块；发电模块产生的电能经防逆流模块后由混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电后经过防逆流模块向用电负载供电。混合逆变器主要实现直流与交流电相互逆变转化。防逆流模块主要用于使储能电池的电能仅供给就地负载使用，防止多余的电送入电网，而引起影响电池的使用寿命和性能、电网设备损坏、电网电压波动及电网频率不稳定等问题。

进一步地，光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器；储能模块包括储能电池以及分别与储能电池和发电模块电连接的混合逆变器；发电模块产生的电能经混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电向用电负载供电；光伏逆变器与混合逆变器分别通过转换开关与光伏组件连接；转换开关与EMS能源管理系统信号连接，当该微网电站有市电接入时，转换开关切换到光伏逆变器；当无市电接入时，转换开关切换到混合逆变器。通过设置转换开关，在无市电接入时，将光伏输出直接接入混合逆变器，可减少能量转换损耗，提高能源利用率。

通常上述柴油发电机组、储能电池和光伏功率配置情况为：柴油发电机组功率按系统最大负载配置，光伏配置功率小于等于柴油发电机组功率，储能电池根据重要负载功率情况进行配置，从经济上考虑一般配置柴油发电机组功率的20％即可。

此外，本发明还了一种新能源微网电站运行系统的运行方法，包括按照优先顺序依次为光伏发电系统、市电、储能电池及柴油发电系统的运行策略对用电负载(其中，用电负载包括重要负载和一般负载，重要负载和一般负载的划分可根据使用者需要自行设定)进行供电。在有光伏发电的情况下，微网电站系统用电负载主要由光伏组件发电进行供电，当光伏发电系统的输出功率无法满足使用需求时，有市电情况下优先用市电进行补充；当无市电时，由储能系统进行放电补充，当储能电池放电至最低限值且无市电、光伏发电等电力输入时，将启动柴油发电机组为整个系统进行供电，在保证系统用电时，同时为储能电池进行充电，使储能电池维持满电量状态。

进一步地，运行策略具体包括：

有市电状态下：通过EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统切换为市电状态，储能系统运行在自发自用模式；此时，若光伏组件的输出功率充足，则通过EMS能量管理系统控制转换开关切换到光伏逆变器，系统优先由光伏发电系统供电；若光伏组件的输出功率不足，则通过EMS能量管理系统控制转换开关切换到混合逆变器，通过储能电池供电；若光伏组件的输出功率和储能电池的供电能力均不足，则通过市电供电。

进一步地，运行策略具体包括：

当市电突然断开时：通过EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统保持市电状态，储能模块运行在电池优先模式，储能电池放电，为系统重要负载供电，保持重要负载电力不间断，停止向一般负载供电；同时通过EMS能量管理系统控制转换开关切换到混合逆变器，光伏组件的直流电接入到混合逆变器中进行直流耦合，经逆变后输出交流电；当光伏组件的输出功率大于用电负载的用电功率时，多余电力为储能电池充电，储能电池充满后，混合逆变器限制光伏输出；当光伏组件的输出功率小于用电负载的用电功率时，由光伏组件和储能电池共同供电直至市电恢复或储能电池电量低于限值。

进一步地，运行策略具体包括：

当持续无市电时且储能电池电量低于限值时：通过EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统切换为柴油发电状态；利用EMS能量管理系统启动柴油发电系统，待负载稳定运行后，储能模块重新上线，柴油发电系统为储能电池进行充电；转换开关切换至光伏逆变器，光伏组件以柴油发电系统提供的电压源进行最大功率输出提供电能，柴油发电系统输出功率随着光伏组件输出功率增加而逐步降低至最低运行功率(如设定为柴油发电系统额定功率的10％)，直至用电负载用电变成主要由光伏组件发电承担；当储能电池电量达到充电上限值时，若市电未恢复，EMS能量管理系统将根据用电负载情况进行柴油发电关停和光伏逆变器的切换；如：当用电负载小于设定值(设定的混合逆变器输出功率限值)时，将关停柴油发电机组，由储能模块进行供电；当用电负载大于设定值(混合逆变器输出功率限值)时，根据光伏组件输出功率情况，维持柴油发电系统在最低运行功率上运行。直至市电恢复后，系统回归到有市电状态。

本发明的有益效果为：将光伏、风力等新能源发电、电化学储能系统与传统柴油发电机组进行系统集成，组成混合型微网电站；然后搭载运行策略，实现微网电站智能功率分配，通过最大限度利用光伏等新能源，降低柴油发电机组传统能源的使用，既能保证电力系统的可靠性，还能够产生较高的经济效益，减少环境污染。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的运行系统原理图。

具体实施方式

如图1所示的新能源微网电站运行系统，包括发电模块、储能模块以及控制模块；发电模块包括用于提供电力能源的柴油发电系统和光伏发电系统；储能模块分别与市电、柴油发电系统、光伏发电系统和用电负载电连接，用于将市电、柴油发电系统、光伏发电系统提供的电力能源转换为直流电进行储存以及用于根据控制指令将直流电转换为交流电为用电负载供电；控制模块包括柴发与市电切换控制系统以及EMS能源管理系统；柴发与市电切换控制系统分别与市电和柴油发电系统的电能输出端电连接，用于控制切换市电供电和柴油发电系统供电；EMS能源管理系统分别与柴发与市电切换控制系统、柴油发电系统、光伏发电系统和储能模块信号连接，用于根据运行策略控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电。

该新能源微网电站运行系统将发电模块、储能模块和控制模块进行系统集成；EMS能量管理系统作为最上层控制系统，对整个微电网系统起控制作用，分别独立与柴发控制系统、柴发与市电切换控制系统、光伏逆变器、混合逆变器进行通讯。根据系统用电负载情况、光伏发电功率、储能电池状态等因素，对柴油发电机组、光伏组件、储能电池进行运行及输出功率控制。本申请的EMS能量管理系统根据搭载的运行策略控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电，实现微网电站智能功率分配，通过最大限度利用光伏等新能源，降低柴油发电机组传统能源的使用，从而产生较高的经济效益，减少环境污染。

根据本申请一个实施例，柴油发电系统包括柴油发电机组和柴发控制系统；柴油发电机组的电能输出端与柴发与市电切换控制系统的输入端电连接，柴发控制系统分别与柴油发电机组的信号输入端和EMS能源管理系统的信号输出端连接。柴油发电系统作为后备电源，在光伏组件等无法正常工作输出电能时，作为微电网电站系统最后一道电力保障设备，提供电力能源，其配置容量需满足用电负载容量，输出交流电力。

根据本申请一个实施例，发电模块还包括风力发电系统，风力发电系统包括风力发电机组以及用于将风力发电机组的输出电能转换为12V直流电为柴油发电机组的启动蓄电池进行充电的风电控制器。通过将微网电站的风力发电系统的输出电能为启动蓄电池充电，并将其电能作为耗电不高的柴油发电系统和控制模块的电力能源，使微网电站的发电模块输出电能能够被更合理地分配和利用，从而实现新能源的最大化利用。

根据本申请一个实施例，光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器。本申请中，光伏发电系统为优先供电主体，只有当光伏发电系统的输出功率无法满足使用需求时，再用市电、储能系统和柴油发电系统进行供电，通过最大限度利用光伏新能源，从而实现减少污染，节约资源。

根据本申请一个实施例，储能模块包括储能电池、混合逆变器和防逆流模块；发电模块产生的电能经防逆流模块后由混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电后经过防逆流模块向用电负载供电。混合逆变器主要实现直流与交流电相互逆变转化。防逆流模块主要用于使储能电池的电能仅供给就地负载使用，防止多余的电送入电网，而引起影响电池的使用寿命和性能、电网设备损坏、电网电压波动、电网频率不稳定等问题。

根据本申请一个实施例，光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器；储能模块包括储能电池以及分别与储能电池和发电模块电连接的混合逆变器；发电模块产生的电能经混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电向用电负载供电；光伏逆变器与混合逆变器分别通过转换开关与光伏组件连接；转换开关与EMS能源管理系统信号连接，当该微网电站有市电接入时，转换开关切换到光伏逆变器；当无市电接入时，转换开关切换到混合逆变器。通过设置转换开关，在无市电接入时，将光伏输出直接接入混合逆变器，可减少能量转换损耗，提高能源利用率。

通常上述柴油发电机组、储能电池和光伏功率配置情况为：柴油发电机组功率按系统最大负载配置，光伏配置功率小于等于柴油发电机组功率，储能电池根据重要负载功率情况进行配置，从经济上考虑一般配置柴油发电机组功率的20％即可。

此外，本发明还了一种新能源微网电站运行系统的运行方法，包括按照优先顺序依次为光伏发电系统、市电、储能电池及柴油发电系统的运行策略对用电负载(其中，用电负载包括重要负载和一般负载，重要负载和一般负载的划分可根据使用者需要自行设定)进行供电。在有光伏发电的情况下，微网电站系统用电负载主要由光伏组件发电进行供电，当光伏发电系统的输出功率无法满足使用需求时，有市电情况下优先用市电进行补充；当无市电时，由储能系统进行放电补充，当储能电池放电至最低限值且无市电、光伏发电等电力输入时，将启动柴油发电机组为整个系统进行供电，在保证系统用电时，同时为储能电池进行充电，使储能电池维持满电量状态。

根据本申请一个实施例，运行策略具体包括：

有市电状态下：通过EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统切换为市电状态，储能系统运行在自发自用模式；此时，若光伏组件的输出功率充足，则通过EMS能量管理系统控制转换开关切换到光伏逆变器，系统优先由光伏发电系统供电；若光伏组件的输出功率不足，则通过EMS能量管理系统控制转换开关切换到混合逆变器，通过储能电池供电；若光伏组件的输出功率和储能电池的供电能力均不足，则通过市电供电。

根据本申请一个实施例，运行策略具体包括：

当市电突然断开时：通过EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统保持市电状态，储能模块运行在电池优先模式，储能电池放电，为系统重要负载供电，保持重要负载电力不间断，停止向一般负载供电；同时EMS能量管理系统控制转换开关切换到混合逆变器，光伏组件的直流电接入到混合逆变器中进行直流耦合，经逆变后输出交流电；当光伏组件的输出功率大于用电负载的用电功率时，多余电力为储能电池充电，储能电池充满后，混合逆变器限制光伏输出；当光伏组件的输出功率小于用电负载的用电功率时，由光伏组件和储能电池共同供电直至市电恢复或储能电池电量低于限值。

根据本申请一个实施例，运行策略具体包括：

当持续无市电时且储能电池电量低于限值时：EMS能量管理系统控制柴发与市电切换控制系统切换为柴油发电状态；利用EMS能量管理系统启动柴油发电系统，待负载稳定运行后，储能模块重新上线，柴油发电系统为储能电池进行充电；转换开关切换至光伏逆变器，光伏组件以柴油发电系统提供的电压源进行最大功率输出提供电能，柴油发电系统输出功率随着光伏组件输出功率增加而逐步降低至最低运行功率(如设定为柴油发电系统额定功率的10％)，直至用电负载用电变成主要由光伏组件发电承担；当储能电池电量达到充电上限值时，若市电未恢复，EMS能量管理系统将根据用电负载情况进行柴油发电关停和光伏逆变器的切换；如：当用电负载小于设定值(设定的混合逆变器输出功率限值)时，将关停柴油发电机组，由储能模块进行供电；当用电负载大于设定值(混合逆变器输出功率限值)时，根据光伏组件输出功率情况，维持柴油发电系统在最低运行功率上运行。直至市电恢复后，系统回归到有市电状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种新能源微网电站运行系统，其特征在于，包括发电模块、储能模块以及控制模块；

所述发电模块包括用于提供电力能源的柴油发电系统和光伏发电系统；

所述储能模块分别与市电、柴油发电系统、光伏发电系统和用电负载电连接，用于将所述市电、柴油发电系统、光伏发电系统提供的电力能源转换为直流电进行储存以及用于根据控制指令将直流电转换为交流电为用电负载供电；

所述控制模块包括柴发与市电切换控制系统以及EMS能源管理系统；所述柴发与市电切换控制系统分别与市电和柴油发电系统的电能输出端电连接，用于控制切换市电供电和柴油发电系统供电；所述EMS能源管理系统分别与柴发与市电切换控制系统、柴油发电系统、光伏发电系统和储能模块信号连接，用于根据运行策略控制光伏发电系统、市电、储能模块、柴油发电系统按照优先顺序进行供电。

2.根据权利要求1所述的新能源微网电站运行系统，其特征在于，所述柴油发电系统包括柴油发电机组和柴发控制系统；所述柴油发电机组的电能输出端与柴发与市电切换控制系统的输入端电连接，所述柴发控制系统分别与柴油发电机组的信号输入端和EMS能源管理系统的信号输出端连接。

3.根据权利要求2所述的新能源微网电站运行系统，其特征在于，所述发电模块还包括风力发电系统，所述风力发电系统包括风力发电机组以及用于将风力发电机组的输出电能转换为直流电为柴油发电机组的启动蓄电池进行充电的风电控制器。

4.根据权利要求1所述的新能源微网电站运行系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器；所述光伏逆变器与EMS能源管理系统信号连接，。

5.根据权利要求1所述的新能源微网电站运行系统，其特征在于，所述储能模块包括储能电池、混合逆变器和防逆流模块；所述发电模块产生的电能经防逆流模块后由混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电后经过防逆流模块向用电负载供电，所述混合逆变器与EMS能源管理系统信号连接。

6.根据权利要求1所述的新能源微网电站运行系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括光伏组件以及用于将光伏组件输出电能转换为交流电后为用电负载供电或给储能模块充电的光伏逆变器；所述储能模块包括储能电池以及分别与所述储能电池和发电模块电连接的混合逆变器；所述发电模块产生的电能经混合逆变器转换为直流电给储能电池充电，储能电池的电能经混合逆变器转换为交流电向用电负载供电；所述光伏逆变器与混合逆变器分别通过转换开关与光伏组件连接；所述转换开关与EMS能源管理系统信号连接，当该微网电站有市电接入时，转换开关切换到光伏逆变器；当无市电接入时，转换开关切换到混合逆变器。

7.一种权利要求1-6任一所述新能源微网电站运行系统的运行方法，其特征在于，包括按照优先顺序依次为光伏发电系统、市电、储能电池及柴油发电系统的运行策略对用电负载进行供电。

8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述运行策略具体包括：

有市电状态下：使柴发与市电切换控制系统切换为市电状态，储能系统运行在自发自用模式；此时，若光伏组件的输出功率充足，则使转换开关切换到光伏逆变器，系统优先由光伏发电系统供电；若光伏组件的输出功率不足，则使转换开关切换到混合逆变器，通过储能电池供电；若光伏组件的输出功率和储能电池的供电能力均不足，则通过市电供电。

9.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述用电负载包括重要负载和一般负载，所述运行策略具体包括：

当市电突然断开时：使柴发与市电切换控制系统切换为市电状态，储能模块运行在电池优先模式，储能电池放电，为系统重要负载供电，保持重要负载电力不间断；同时使转换开关切换到混合逆变器，光伏组件的直流电接入到混合逆变器中进行直流耦合，经逆变后输出交流电；当光伏组件的输出功率大于用电负载的用电功率时，多余电力为储能电池充电，储能电池充满后，混合逆变器限制光伏输出；当光伏组件的输出功率小于用电负载的用电功率时，由光伏组件和储能电池共同供电直至市电恢复或储能电池电量低于限值。

10.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述运行策略具体包括：

当持续无市电时且储能电池电量低于限值时：使柴发与市电切换控制系统切换为柴油发电状态；利用EMS能量管理系统启动柴油发电系统，待负载稳定运行后，储能模块重新上线，柴油发电系统为储能电池进行充电；转换开关切换至光伏逆变器，光伏组件以柴油发电系统提供的电压源进行最大功率输出提供电能，柴油发电系统输出功率随着光伏输出功率增加而逐步降低至最低运行功率，直至用电负载主要由光伏发电承担；当储能电池电量达到充电上限值时，若市电未恢复，EMS能量管理系统将根据用电负载情况进行柴油发电关停和光伏逆变器的切换；直至市电恢复后，系统回归到有市电状态。