一种离网风光储智能供电系统的制作方法

1.本发明涉及电力供电系统技术领域，尤其是涉及一种离网风光储智能供电系统。


背景技术：

2.目前，无电与缺电地区的电力供应通常采用就地发电系统，如柴油发电机组、小型水利发电机、光伏发电系统、风力发电机等。柴油发电机组依靠消耗柴油驱动发电机进行发电，即发即用与便于搬运转移是其较为明显的特点。水利、光能与风力等发电系统充分利用地理环境与可再生能源等资源进行发电，无需持续燃料消耗与环境友好是其特点。这些就地发电系统通常就近安装在用电负载周边位置，无需投入高昂费用建设大功率火力发电厂与输配电设施，对于无电与缺电地区的电力供应提供较为有效的应对方案。
3.现有技术的缺点如下：
4.(1)柴油发电系统伴随以下的不足问题：发电系统需要持续性的燃料消耗，相关的燃料成本、储存和运输费用、人力费用、燃料危险性等问题难以避免；发电过程中伴随环境污染和噪声，影响自然环境和人员健康，不符合绿色能源的发展思路；负载持续用电需求对柴油发电机组长时间运行的稳定性提出严苛要求。
5.(2)可再生能源发电系统，受地理环境和气候环境的影响明显。水利发电受限于水脉地形，缺水和水位落差不足的地区难以发挥能效；光伏发电仅限于白天使用，夜间无法对负载供电；风力发电受地势影响明显，弱风地域不能进行有效发电功能。
6.以上几类发电系统，除了各自伴随的相应问题以外，另一个共同的缺点是发电系统的智能化运行水平低。由于缺少对应的智能化控制系统，对电源端的发电状态和负载端的用电情况缺少记录和管理，无法行成有效的监控管理能力，导致人工运维成本高、系统运行状态的实时监管机制缺失，不利于发电和供电系统的长期稳定性。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种离网风光储智能供电系统，以解决现有技术中存在的技术问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
10.本发明提供一种离网风光储智能供电系统，其包括：一体化柜体；所述一体化柜体集成安装有混合变流器单元(pcs)、交直流配电单元(pdu)、能量管理单元(emu)、锂离子电池储能单元和电池管理单元。
11.作为一种进一步的技术方案，所述混合变流器单元用于对光伏系统、风力系统、锂离子电池储能单元相关的直流/直流、直流/交流电力变换。
12.作为一种进一步的技术方案，所述交直流配电单元用于对光伏系统、风力系统的电源输入、锂离子电池储能单元的输入与输出、负载用电能量输出、系统内部用电分配。
13.作为一种进一步的技术方案，所述能量管理单元用于采集分析光伏系统、风力系统的电流和电压信号，锂电池储能单元的状态参数，用电负荷端的用电状态参数，通过内置逻辑运行进行系统的实时反馈控制。
14.作为一种进一步的技术方案，所述锂离子电池储能单元采用三元型锂离子电芯。
15.作为一种进一步的技术方案，所述电池管理单元实现电池系统的电芯级别、模组级别和电池架级别的全面监控管理。
16.作为一种进一步的技术方案，所述一体化柜体安装有温控装置、hmi人机交互界面、紧急关停机构、闭锁保护机构。
17.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
18.本发明提供的一种离网风光储智能供电系统，针对解决无电与缺电地区的电力供应问题，采用光伏与风力这两种新能源发电机构与锂离子电池储能模块，在智能化ems能量管理系统的控制下实现日夜时段全覆盖的自动化电力供应能力。相比于已有传统光伏供电或风力供电系统，本系统采用深度充放电、长循环寿命的锂离子电池替代传统铅酸电池进行电力存储，并引入智能化ems能量管理系统对发电电源状况和用电负载状况进行实时管控与分析，做出对应的合理管理控制策略，形成完整系统的自动运行效果。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的离网风光储智能供电系统的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的风光柴互补发电系统结构的结构图；
22.图3为本发明实施例提供的风光柴互补发电系统结构的流程图；
23.图4为本发明实施例提供的风光柴互补供电系统的控制策略示意图。
24.图标：1
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混合变流器单元；2
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交直流配电单元；3
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锂离子电池储能单元； 4
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一体化柜体；5
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能量管理单元；6
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电池管理单元；7
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通讯线缆；8
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动力线缆。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
29.结合图1所示，本实施例提供一种离网风光储智能供电系统，其包括：一体化柜体4；所述一体化柜体4集成安装有混合变流器单元1(pcs)、交直流配电单元2(pdu)、能量管理单元5(emu)、锂离子电池储能单元 3和电池管理单元6。
30.本实施例中，优选地，所述混合变流器单元1用于对光伏系统、风力系统、锂离子电池储能单元3相关的直流/直流、直流/交流电力变换。
31.具体而言，根据用电需求类型提供高频与工频等类型系统设计，实现光伏、风力变流、锂电池变流相关的直流/直流、直流/交流电力变换。高精度光伏mppt控制，最大化利用太阳能，提高光伏发电量。高防护等级，适用于高海拔、高温、高寒等恶劣环境，保障系统长期连续可靠运行。具有能量管理功能，可以实现无人、无ems自主运行。配置灵活，光伏/风力充电方式可选且充电时间段可设置。
32.本实施例中，优选地，所述交直流配电单元2用于对光伏系统、风力系统的电源输入、锂离子电池储能单元3的输入与输出、负载用电能量输出、系统内部用电分配。
33.具体而言，交直流配电单元2采用模块化设计，在单一独立箱体内即可实现对光伏和风力的电源输入、储能电池系统的输入与输出、负载用电能量输出、系统内部用电分配等环节相关的电力分配与保障。内置系统状态监测单元，监控系统电力配电状态并进行对应故障的处理，及时实现保护动作的同时上报ems能量管理系统进行记录和发送指令落实宏观系统的对应措施。
34.本实施例中，优选地，所述能量管理单元5用于采集分析光伏系统、风力系统的电流和电压信号，锂电池储能单元的状态参数，用电负荷端的用电状态参数，通过内置逻辑运行进行系统的实时反馈控制。
35.具体而言，emu作为系统中的ems能量管理系统，是一套基于保护电路、通讯电路等电力电子硬件模块实现的逻辑控制软件。ems采集分析光伏系统、风力系统的电流和电压等信号，锂电池储能模块的从系统到模组和电芯级别的状态参数，用电负荷端的用电状态参数，通过内置逻辑运行进行系统的实时反馈控制，确保整个分布式电力系统运行的高效和安全。同时，通过通讯传输功能，将系统状态传递给远程控制端，形成分布式电力系统的远程监管和控制功能。支持wi
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fi与gprs无线监控方式，增强ems能量控制系统的远程控制效果。
36.本实施例中，优选地，所述锂离子电池储能单元3采用三元型锂离子电芯。
37.具体而言，所述锂离子电池储能单元3设计采用储能专用的订制型三元锂离子电芯，电芯额定电压3.7v，具有以下显著优势：高能量密度与功率密度、深度充放电性能、高充放电倍率、宽范围高低温适应性和长循环寿命等优点。相比常规的储能型锂电池系统，本实施例中的锂电池系统在相同的体积与重量配置下，可以增加逾15％电量、5
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10倍输出功率，同时满足
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50～+60摄氏度的极宽环境温度应用，实现超过3000次的满充满放循环次数。
38.单个电池模组通过电芯串并连接，植入bms电池管理系统进行电芯电压采集、电芯
温度采集和电芯均衡等功能操作，高效安全地保障整个模组正常工作。本实施例中的bms电池管理系统采用主动均衡架构，突破了常规被动均衡架构的模式，可以在实现电池均衡的同时避免传统均衡方案中的电量消耗，最大程度保留电量，有效地供给负载使用。电池模组具备模块化匹配组合能力，可根据不同应用场景对电量、功率的要求，通过电池模组之间的串联和并联组成完整的储能电池架。电池架接入电池管理单元6 的进线口，控制整套电池系统的工作状态，实时测量电池架的电压、电流，同时计算电池系统的剩余电量、健康参数等多项核心参数。
39.本实施例中，优选地，作为一种进一步的技术方案，所述电池管理单元6实现电池系统的电芯级别、模组级别和电池架级别的全面监控管理。
40.具体而言，电池管理单元6实现电池系统的电芯级别、模组级别和电池架级别的全面监控管理。三级保护架构确保电池系统的稳定可靠运行，风光储型定制储能系统电池管理单元6具备对电池系统的实时监控、状态分析和报警反馈等多项管理功能，超低待机功耗可提升电池系统的电能储备性能。
41.本实施例中，优选地，作为一种进一步的技术方案，所述一体化柜体4 安装有温控装置、hmi人机交互界面、紧急关停机构、闭锁保护机构。
42.具体而言，一体化柜体4集成安装了包括混合变流器单元1、交直流配电单元2、能量管理单元5、锂离子电池储能单元3、电池管理单元6等全部主要核心功能单元，并在柜体设计安装温控装置、hmi人机交互界面、紧急关停机构、闭锁保护机构等设备。柜体内根据各单元尺寸与结构设计独立对应仓位，同时考虑动力线缆8、通讯线缆7、气流风道等布局合理性。各单元模块设计可实时安装拆卸，便于柜体安装移动和后期运维工作。
43.本实施例提供的一种离网风光储智能供电系统，针对解决无电与缺电地区的电力供应问题，采用光伏与风力这两种新能源发电机构与锂离子电池储能模块，在智能化ems能量管理系统的控制下实现日夜时段全覆盖的自动化电力供应能力。相比于已有传统光伏供电或风力供电系统，本系统采用深度充放电、长循环寿命的锂离子电池替代传统铅酸电池进行电力存储，并引入智能化ems能量管理系统对发电电源状况和用电负载状况进行实时管控与分析，做出对应的合理管理控制策略，形成完整系统的自动运行效果。
44.本实施例的工作原理：该系统采用交流微电网架构，变流器、负载、分布式新能源系统等单元同期接入。通过ems能量管理系统控制完整系统的运行，根据具体应用场合，实时自动判断选用相应的控制策略，保障负载安全供电。
45.光伏和风力发电系统作为发电单元，产生电能并向内部系统输入电能；
46.锂离子电池储能单元作为电能储存单元，具备双向功率流向功能，接收光伏和风力发电系统的功率输入，并向负载输出功率；
47.混合变流器将光伏与风力发电系统的实时发电功率供给负载使用，多余功率向储能系统充电。当光伏和风力发电系统的输出功率小于负载功率时，比如夜间、阴雨弱光、弱风等情况下，储能提供缺额功率补充给负载；
48.ems能量管理系统作为整个系统的逻辑运行控制单元，控制发电单元、用电负荷、储能系统等各单元设备的正常运行。
49.通讯系统形成各单元信息流的内部传输交流，以及系统与外部远程控制单元之间的通讯控制功能。
50.本实施例中，风光柴互补发电系统构成及原理：
51.该风光柴互补发电系统是在传统的柴油发电机组、光伏和风力发电系统的基础上，增加锂离子电池储能系统、智能化能量管理系统。该方案在充分发挥柴油发电机组及光伏、风力这两项主要可再生能源发电效能的同时，通过具备深度充放电能力和数千次循环寿命的锂离子电池系统进行电力充分存储和释放，有效应对不同时段的用电需求。能量管理系统实时监测、控制电源端和负载端，充分提高系统的供电可靠性和智能化自动运行程度，行成区域微电网供电体系。
52.风光柴互补供电系统结构如图2所示：直流母线侧包括所有的直流电源(光伏电池组)、蓄电池组和负载；其交流母线侧包括所有交流电源(风机、柴油发电机组)以及负载。直流母线与交流母线之间则是通过双向变换器连接在一起的。根据系统的太阳能、风能和蓄电池组储能情况，双向变换器可以把直流母线侧的电能逆变到交流母线侧，或将交流母线侧多余的电能整流到直流母线。这一过程由智能化能量管理系统进行实时的控制完成。整个系统的最终目的是要保持电压的频率和幅值稳定性。
53.结合图3所示，为风光柴互补系统设计流程，风光柴互补系统的设计是从项目实际负荷需求出发，充分考虑当地风光资源条件及安装条件。并充分考虑系统方案的可扩展性和便于实施，主要包括：
54.深入分析光伏阵列工作原理、风力发电机工作特性和蓄电池有关特性；
55.通过参数测试建立系统中重要装置的数学模型，结合工程负荷需求进行容量配置计算。
56.采用对比分析的研究方法，对风光柴互补发电系统与独立的市电供电系统在造价、节能、安全等方面进行对比分析。
57.设计关键步骤为：对风能和太阳能两种发电系统的能量输出进行控制，使其能够向负载输出最大功率，采用最大功率点跟踪控制；根据系统控制策略，进行软件编程和模型仿真研究。在理论研究与工程实际相结合的基础上，确定风光柴发电系统构成方案。
58.结合图4所示，为风光柴互补供电系统的控制策略，通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置；通过多目标优化算法，对应不同功率需求及不同的气象环境，可对风光柴互补发电系统容量配置进行优化设计，以减少风光柴互补发电系统的成本投入，提高其对风光资源的利用程度；通过合理地设计与匹配，可以获得较好的经济效益，同时也顾及到了节能环保。
59.风光互补的独立发电系统的优化匹配设计方法为自动寻优法，其具体的优化设计原则是：在满足用户用电的可靠性前提下：
60.第一步，考虑风力发电机组给用户供电(风力发电机组的供电份额为 100％而太阳能发电为零)，计算出此时所需的风力发电机功率以及系统初步的投资情况；
61.第二步，逐渐降低风力发电机组的供电比例(每次降低总量1％的幅度)，同时也相应的增加太阳能光伏组的供电比例(每次增加总量1％的幅度)，经过计算可以得出此时的系统部件匹配的设计结果与系统的初步投资，然后将这次的系统初投资数目与上次的进行比较，保留小的舍弃大的；
62.循环重复上述的第二步，一直到由程序筛选出最小的系统初投资额的系统部件的优化匹配组合。经上述步骤得出的结果既能满足用户用电可靠性，又能使系统的初投资达
到最小。
63.综上，本发明变流器、储能电池和能量控制系统的一体化设计与安装，集成化程度高；智能型ems能量管理系统与bms电池管理系统的拓扑结构与运行逻辑；各单元的模块化设计形式，根据应用场景需求变化进行灵活搭配，满足各类需求；同一型电池模组设计情况下，电量可变，功率可变；风光储离网供电功能，应用性强，适应场景宽。
64.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
65.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。