一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法
【专利摘要】一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，该装置包括发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元；发电单元包括风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A／D转换器、RAM和微处理器；并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机。使用本发明的装置大大地提高了分布式新能源发电与并网的可靠性，有效地减小了独立的风能发电和独立的太阳能发电的电压波动较大的不足，同时也提高了配电网的安全性。
【专利说明】—种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源发电与电气【技术领域】，涉及一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着中国经济和科学技术的快速发展，我国的新能源发电呈现出快速发展态势，尤其是风力和太阳能发电技术日趋受到重视。在我国的新能源并网装机总容量中，风电并网容量位居榜首。然而，单一的风能或单一的太阳能在无风和阴雨天以及恶劣的气候条件下均无法保证电能的连续供应，因而单一风能发电或单一的太阳能发电具有间歇性、随机性、可调度性差的特点。在电网接纳能力不能自行调理的情况下，大规模新能源发电并网会造成配电网中电能质量的下降，影响用电设备以及威胁用户的生命安全，因此为了保证配电网的稳定性，需保证新能源发电的稳定性以及接入电网的可靠性。目前研究的风光互补技术，虽然能一定程度上减少风能和太阳能发电的输出电压的波动，但需要储能蓄电池不断地充放电来维持，而蓄电池的长期不断充放电将减少蓄电池使用寿命，进而将给系统稳定性带来一定的风险。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置及方法。
[0004]本发明的技术方案:
[0005]一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，包括:
[0006]发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单兀；
[0007]发电单元包括:风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端均连接直流汇流单元的输入端，直流汇流单元的输出端连接逆变器的输入端；
[0008]发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A / D转换器、RAM和微处理器；传感器模块的输入端分别连接风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端；传感器模块有4组，且每组传感器模块包括温度传感器、风速传感器、气压传感器和光强传感器，各传感器模块分别与其对应的各发电单元置于同一环境，各传感器的输出端连接数据采样模块的输入端；电压互感器的输入端和电流互感器的输入端均连接直流汇流单元的输出端，电压互感器的输出端及电流互感器的输出端均连接数据采样模块的输入端；数据采样模块包括多路开关、采样保持电路和可编程增益控制放大器，多路开关的输入端作为数据米样模块的输入端分别连接各传感器的输出端、电压互感器的输出端和电流互感器的输出端，多路开关的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接可编程增益控制放大器的输入端，可编程增益控制放大器的输出端作为数据采样模块的输出端连接A / D转换器的输入端；A / D转换器的输出端分别连接RAM的输入端和微处理器的输入端，微处理器的输出端分别连接多路开关的地址选择端、采样保持电路的控制端、可编程增益控制放大器的控制端、A / D转换器的控制端、RAM的控制端、燃料电池发电单元的输入端及燃气轮机发电单元的输入端；
[0009]逆变器的输出端连接线路滤波器的输入端；线路滤波器的输出端连接断路器的输入端；断路器的输出端接入电网；
[0010]并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机；信号采集模块的输入端分别连接逆变器的输出端及电网的输入端，信号采集模块的输出端连接信号调制模块的输入端；信号调制模块的输出端连接DSP处理单元的输入端；DSP处理単元的输出端分别连接断路器的控制端、逆变器的输入端及上位机的输入端。
[0011]风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元均独立发电，风能发电单元及太阳能发电单元为主发电单元，燃气轮机发电单元及燃料电池发电単元为补偿发电单元。
[0012]发电端反馈式控制单元实时检测直流汇流单元的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率，根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，实时调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，以补偿实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差。
[0013]并网端断路控制单元实时采集逆变器与并网点间的电压信号和电流信号，根据并网条件及并网稳定性系数判断是否并网并根据判断结果控制断路器的通断。
[0014]信号采集模块包括多个交流电压互感器和多个交流电流互感器。
[0015]采用分布式混合新能源的发电与并网控制装置来控制分布式混合新能源发电与并网的方法，包括如下步骤:
[0016]步骤1:发电单元开始发电，通过逆变器、线路滤波器及断路器输送到电网；
[0017]步骤2:发电端反馈式控制単元实时采集和处理发电单元的环境參数及发电单元输出的电压、输出的电流和输出的功率；
[0018]步骤2-1:传感器模块实时采集发电单元的环境參数，包括:光强、风速、气压和温度，并将采集到的环境參数传送给数据采样模块；同吋，电压互感器采集发电单元输出的电压信号并传送给数据采样模块，电流互感器采集发电单元输出的电流信号并传送给数据采样模块；
[0019]步骤2-2:数据采样模块对从传感器模块接收的环境參数数据、电压信号和电流信号进行保持和放大处理，并将处理后的数据发送给A/D转换器；
[0020]步骤2-3:A/D转换器对从数据采样模块接收的处理后的环境參数数据、电压信号和电流信号进行A/D转换，并将转换后的数字量发送给微处理器；
[0021]步骤3:微处理器计算发电单元的实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，并根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；
[0022]步骤3-1:微处理器计算直流汇流单元的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；
[0023]步骤3-2:微处理器根据实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，产生调整燃气轮机的气体体积流速的调整信号、燃料电池的燃料电池组数的调整信号及每组燃料电池数的调整信号，并将调整信号传送至燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；
[0024]步骤3-3:燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根据调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数；即通过燃料电池的输出电压、输出电流、输出功率和燃气轮机的输出电压、输出电流、输出功率对风能和太阳能的输出电压、输出电流、输出功率进行补偿，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值；
[0025]步骤4:根据采集到的发电单元的多组环境参数值及额定值，采用BP神经网络预测下一时刻的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，微处理器根据这些差值产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速和燃料电池发电单元的燃料电池组数及每组燃料电池数对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿；
[0026]步骤4-1:根据采集到的多组光强、风速、气压、温度的参数值及额定电压值、额定电流值、额定功率值，采用BP神经网络预测下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值；
[0027]步骤4-2:根据BP神经网络预测出的下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值，微处理器产生调整信号，并将该调整信号发送给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元；
[0028]步骤4-3:燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根据调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数，以调整燃气轮机发电单元的输出电压、输出电流、输出功率和燃料电池发电单兀的输出电压、输出电流、输出功率，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，得到补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率；
[0029]步骤5:补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经逆变器输出至线路滤波器且进行滤波，滤波后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经断路器传输至电网；
[0030]步骤6:并网端断路控制单元实时采集和处理逆变器输出端的电压信号和电流信号、并网点的电压信号和电流信号；
[0031]步骤6-1:信号采集模块采集逆变器输出的3相电压信号、逆变器输出的3相电流信号、并网点的3相电压信号和并网点的3相电流信号，并将这些信号传送给信号调制模块；
[0032]步骤6-2:信号调制模块对从信号采集模块接收的电压信号和电流信号进行滤波处理，并将处理后的电压信号和电流信号传送给DSP处理单元；
[0033]步骤7 =DSP处理单元根据从信号调制模块接收的电压信号和电流信号计算电压偏差，三相不平衡度和频率偏差；
[0034]步骤8:根据并网条件判断是否可以并网:是，DSP处理单元产生控制信号控制断路器合闸进行并网，并执行步骤10，否，则执行步骤9 ;
[0035]步骤9 =DSP处理单元产生PWM波，对逆变器输出电压及输出频率进行调节以满足并网条件，执行步骤6;
[0036]步骤10 =DSP处理单元将计算出的电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值及当前并网状态传送给上位机，由上位机实时显示电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值和当前并网状态；
[0037]步骤11:根据逆变器输出端至断路器输出端间传输线路的传输电压、传输电流、传输功率、传输频率，进行并网稳定性评估，所述并网稳定性的评估方法具体如下:
[0038]步骤11-1:计算从逆变器输出端到断路器输出端的传输线路上的传输电压平均值、传输电流平均值、传输功率平均值、传输频率偏差；
[0039]步骤11_2:计算电压方差、电流方差、功率方差；
[0040]步骤11-3:计算稳定性系数S(u, i, p, f):
【权利要求】
1.一种分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于:包括: 发电单元、发电端反馈式控制单元、逆变器、线路滤波器、断路器和并网端断路控制单元; 所述发电单元包括:风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元、燃气轮机发电单元和直流汇流单元；风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端均连接直流汇流单元的输入端，直流汇流单元的输出端连接逆变器的输入端； 所述发电端反馈式控制单元包括传感器模块、电压互感器、电流互感器、数据采样模块、A / D转换器、RAM和微处理器；传感器模块的输入端分别连接风能发电单元的输出端、太阳能发电单元的输出端、燃料电池发电单元的输出端和燃气轮机发电单元的输出端；传感器模块有4组，且每组传感器模块包括温度传感器、风速传感器、气压传感器和光强传感器，各传感器模块分别与其对应的各发电单元置于同一环境，各传感器的输出端连接数据采样模块的输入端；电压互感器的输入端和电流互感器的输入端均连接直流汇流单元的输出端，电压互感器的输出端及电流互感器的输出端均连接数据采样模块的输入端；数据采样模块包括多路开关、采样保持电路和可编程增益控制放大器，多路开关的输入端作为数据米样模块的输入端分别连接各传感器的输出端、电压互感器的输出端和电流互感器的输出端，多路开关的输出端连接采样保持电路的输入端，采样保持电路的输出端连接可编程增益控制放大器的输入端，可编程增益控制放大器的输出端作为数据采样模块的输出端连接A / D转换器的输入端；A / D转换器的输出端分别连接RAM的输入端和微处理器的输入端，微处理器的输出端分别连接多路开关的地址选择端、采样保持电路的控制端、可编程增益控制放大器的控制端、A / D转换器的控制端、RAM的控制端、燃料电池发电单元的输入端及燃气轮机发电单元的输入端； 所述逆变器的输出端连接线路滤波器的输入端；线路滤波器的输出端连接断路器的输入端；断路器的输出端接入电网 ； 所述并网端断路控制单元包括信号采集模块、信号调制模块、DSP处理单元和上位机；信号采集模块的输入端分别连接逆变器的输出端及电网的输入端，信号采集模块的输出端连接信号调制模块的输入端；信号调制模块的输出端连接DSP处理单元的输入端；DSP处理单元的输出端分别连接断路器的控制端、逆变器的输入端及上位机的输入端。
2.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于:所述风能发电单元、太阳能发电单元、燃料电池发电单元及燃气轮机发电单元均独立发电，风能发电单元及太阳能发电单元为主发电单元，燃气轮机发电单元及燃料电池发电单元为补偿发电单元。
3.根据权利要求1所述的分布式混合新能源发电与并网控制装置，其特征在于:所述发电端反馈式控制单元实时检测直流汇流单元的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率，根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，实时调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，以补偿实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差。
4.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于:所述并网端断路控制单元实时采集逆变器与并网点间的电压信号和电流信号，根据并网条件及并网稳定性系数判断是否并网并根据判断结果控制断路器的通断。
5.根据权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置，其特征在于:所述信号采集模块包括多个交流电压互感器和多个交流电流互感器。
6.采用权利要求1所述的分布式混合新能源的发电与并网控制装置来控制分布式混合新能源发电与并网的方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:发电单元开始发电，通过逆变器、线路滤波器及断路器输送到电网； 步骤2:发电端反馈式控制単元实时采集和处理发电单元的环境參数及发电单元输出的电压、输出的电流和输出的功率； 步骤2-1:传感器模块实时采集发电单元的环境參数，包括:光强、风速、气压和温度，并将采集到的环境參数传送给数据采样模块；同吋，电压互感器采集发电单元输出的电压信号并传送给数据采样模块，电流互感器采集发电单元输出的电流信号并传送给数据采样模块； 步骤2-2:数据采样模块对从传感器模块接收的环境參数数据、电压信号和电流信号进行保持和放大处理，并将处理后的数据发送给A / D转换器； 步骤2-3:A / D转换器对从数据采样模块接收的处理后的环境參数数据、电压信号和电流信号进行A / D转换，并将转换后的数字量发送给微处理器； 步骤3:微处理器计算发电单元的实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差，并根据实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速、燃料电池发电单元的燃料电池组数和每组燃料电池数，对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿； 步骤3-1:微处理器计算直流汇流单元的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值； 步骤3-2:微处理器根据实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，产生调整燃气轮机的气体体积流速的调整信号、燃料电池的燃料电池组数的调整信号及每组燃料电池数的调整信号，并将调整信号传送至燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元； 步骤3-3:燃气轮机发电单元根掘调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根掘调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数；即通过燃料电池的输出电压、输出电流、输出功率和燃气轮机的输出电压、输出电流、输出功率对风能和太阳能的输出电压、输出电流、输出功率进行补偿，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值； 步骤4:根掘采集到的发电单元的多组环境參数值及额定值，采用BP神经网络预测下一时刻的实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，微处理器根掘这些差值产生调整信号来调整燃气轮机发电单元的气体体积流速和燃料电池发电单元的燃料电池组数及每组燃料电池数对实际输出电压与额定电压之差、实际输出电流与额定电流之差和实际输出功率与额定功率之差进行补偿； 步骤4-1:根据采集到的多组光强、风速、气压、温度的參数值及额定电压值、额定电流值、额定功率值，采用BP神经网络预测下一时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值； 步骤4-2:根据BP神经网络预测出的下ー时刻的输出电压与额定电压的差值、输出电流与额定电流的差值及输出功率与额定功率的差值，微处理器产生调整信号，并将该调整信号发送给燃气轮机发电单元和燃料电池发电单元； 步骤4-3:燃气轮机发电单元根据调整信号调整气体体积流速，同时燃料电池发电单元根掘调整信号调整燃料电池组数及每组燃料电池数，以调整燃气轮机发电单元的输出电压、输出电流、输出功率和燃料电池发电单元的输出电压、输出电流、输出功率，从而降低实际输出电压与额定输出电压的差值、实际输出电流与额定输出电流的差值、实际输出功率与额定输出功率的差值，得到补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率； 步骤5:补偿后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经逆变器输出至线路滤波器且进行滤波，滤波后的实际输出电压、实际输出电流和实际输出功率经断路器传输至电网； 步骤6:并网端断路控制单元实时采集和处理逆变器输出端的电压信号和电流信号、并网点的电压信号和电流信号； 步骤6-1:信号采集模块采集逆变器输出的3相电压信号、逆变器输出的3相电流信号、并网点的3相电压信号和并网点的3相电流信号，并将这些信号传送给信号调制模块；步骤6-2:信号调制模块对从信号采集模块接收的电压信号和电流信号进行滤波处理，并将处理后的电压信号和电流信号传送给DSP处理单元； 步骤7 =DSP处理单元根据.从信号调制模块接收的电压信号和电流信号计算电压偏差，三相不平衡度和频率偏差； 步骤8:根据并网条件判断是否可以并网:是，DSP处理单元产生控制信号控制断路器合闸进行并网，并执行步骤10，否，则执行步骤9 ; 步骤9 =DSP处理单元产生PWM波，对逆变器输出电压及输出频率进行调节以满足并网条件，执行步骤6; 步骤10 =DSP处理单元将计算出的电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值及当前并网状态传送给上位机，由上位机实时显示电压偏差值、三相不平衡度值、频率偏差值和当前并网状态； 步骤11:根掘逆变器输出端至断路器输出端间传输线路的传输电压、传输电流、传输功率、传输频率，进行并网稳定性评估，所述并网稳定性的评估方法具体如下: 步骤11-1:计算从逆变器输出端到断路器输出端的传输线路上的传输电压平均值、传输电流平均值、传输功率平均值、传输频率偏差； 步骤11-2:计算电压方差、电流方差、功率方差； 步骤11-3:计算稳定性系数S(u, i, p, f,):
【文档编号】H02J3/38GK103427441SQ201310399030
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】孙秋野, 张化光, 洪欢, 郭思源, 程启富, 马大中, 黄博南, 罗艳红, 滕菲 申请人:东北大学