发明专利｜微电网控制装置及电力系统

除了美国、日本、欧洲、中国，印度、加拿大、澳大利亚等国也都在进行微电网的研究，并且由于国情不同，对微电网家定义、研究应用的侧重点也不同。但微电网作为未来电网发展的重要组成部分，代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网将是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是对大电网的有益补充。

请参阅图1，为本发明较佳实施例提供的一种微电网控制装置100的示意性结构框图。如图1所示，所述微电网控制装置100包括风力发电单元110、风电充电控制器120、光伏发电单元130、光伏充电控制器140、储能单元150、控制单元160以及执行单元170。其中，所述风电充电控制器120分别与所述风力发电单元110和所述储能单元150连接，所述光伏充电控制器140分别与所述光伏发电单元130和所述储能单元150连接，所述控制单元160分别与所述储能单元150和所述执行单元170连接。

所述风力发电单元110用于产生风电能源，并将产生的风电能源通过所述风电充电控制器120输送至所述储能单元150。

所述光伏发电单元130用于产生光电能源，并将产生的光电能源通过所述光伏充电控制器140输送至所述储能单元150。

所述控制单元160用于检测所述储能单元150的电压值，并将检测得到的电压值与额定电压值进行比较，以计算出所述储能单元150的电量值。再将计算出的电量值与预设电量下限值进行比较，若计算出的电量值低于所述预设电量下限值，则控制所述执行单元170断开所述储能单元150与负载之间的连接且控制所述执行单元170连通市网系统与负载之间的连接，以进入并网模式。若计算出的电量值高于所述预设电量下限值，则控制所述执行单元170断开市网系统与负载之间的连接且控制所述执行单元170连通所述储能单元150与负载之间的连接，以进入孤网模式。

可选地，在本实施例中，所述控制单元160为可编程逻辑控制器(PLC)，所述控制单元160包括PLC基础模块，其型号为FX1N-40MT，以及PLC功能模块，包括模拟量输出模块FX2N-2DA以及模拟量输入模块FX2N-4AD。所述执行单元170为断路器，其型号为DZ47-60。所述断路器的数量为3个，分别连接于所述风力发电单元110与外部负载之间，所述光伏发电单元130与外部负载之间，以及市网系统与外部负载之间。所述储能单元150包括风能蓄电池和光能蓄电池。所述风能蓄电池分别与所述风电充电控制器120和PLC连接，所述光能蓄电池分别与所述光伏充电控制器140和PLC连接。

可选地，在本实施例中，所述微电网控制装置100还包括触控单元180，所述触控单元180与所述控制单元160连接。用户可以通过所述触控单元180输入相应的控制参数，所述触控单元180接收之后将其发送至所述控制单元160。并且，所述触控单元180还可接收所述控制单元160的一些处理结果，并进行显示。在本实施例中，所述触控单元180可以为触控显示屏，在触控显示屏上有进行参数输入的相应输入区域，以及进行显示的显示区域。

请参阅图2，可选地，在本实施例中，所述风力发电单元110包括异步电机111、变频器112以及风力发电机113。所述异步电机111分别与所述风力发电机113和所述控制单元160连接，所述变频器112分别与所述异步电机111和所述控制单元160连接。其中，所述异步电机111的型号为TCO-12KW-1/6HP，所述变频器112的型号为FR-E740-0.4K-CHT，所述风力发电机113的型号为NE-100。

其中，所述异步电机111采用立式结构，所述异步电机111通过铝型材与拐角相结合并利用螺丝固定悬挂与所述风力发电机113上方。铝型材的下端通过拐角并利用螺丝固定在操作台上。所述风力发电机113采用垂直轴，所述异步电机111和所述风力发电机113通过联轴器传动，从而使所述异步电机111带动所述风力发电机113转动，以利用所述异步电机111模拟风速。

在实施时，用户可以通过所述触控单元180对所述风力发电机113的最高转速和变速周期进行设置，所述触控单元180将接收到的最高转速和变速周期发送至所述PLC基础模块FX1N-40MT中。PLC基础模块FX1N-40MT根据接收到的最高转速和变速周期并利用公式(1)计算得出风力发电机113的频率上限值。并利用所述变频器112通过所述控制单元160改变所述异步电机111的转速，进而带动所述风力发电机113转动。

其中，n为转速，f为频率，p为电机磁极对数。

此外，所述PLC基础模块FX1N-40MT根据接收到的变速周期以控制所述异步电机111的变速时间，并通过PLC的模拟量输出模块FX2N-2DA将PLC的电压信号进行转换并输出至所述变频器112，利用所述变频器112控制所述异步电机111的频率从而改变转速，进而改变所述风力发电机113的转速。

可选地，在本实施中，所述风力发电单元110还包括由互感器和整流电路组成的自制元件114。所述自制元件114分别与所述风力发电机113和PLC连接。其中，互感器可按比例缩小风力发电机113的原电压数值，将电压值降低至PLC可读取的范围内。PLC通过所述自制元件114读取到风力发电机113两端的电压值和电流值，并根据采集到的电压值和电流值以及公式(2)和公式(3)计算出风力发电单元110的瞬时电压以及瞬时电流。

其中，U为瞬时电压，x为PLC采集到的电压数值，I为瞬时电流，y为PLC采集到的电流数值。

并且，PLC根据计算得到的瞬时电压U和瞬时电流I，利用公式(4)计算得出风力发电单元110的瞬时输出功率。并将其计算出的瞬时功率实时发送至所述触控单元180，以使所述触控单元180进行实时显示。所述瞬时输出功率P在所述触控单元180上以曲线形式呈现。本实施例中，在具体实施时，得到的风力发电单元110的输出电压U和输出功率I的变化曲线如图3和图4所示。并且所述风力发电单元110将产生的电能通过所述风电充电控制器120输送至所述风能蓄电池进行电能存储。可选地，在本实施例中，所述风电充电控制器120的型号为FW03-12，所述风能蓄电池的型号为OT7-12。

P=UI (4)

其中，P为瞬时输出功率。

请参阅图5，可选地，在本实施例中，所述光伏发电单元130包括步进电机131、步进控制器132、导轨、皮带、射灯以及限位开关133。本实施例中，利用射灯的照射来模拟太阳光照射。其中，所述皮带设置在所述导轨上，并且所述皮带与所述步进电机131连接。所述导致利用拐角固定在所述铝型材上，铝型材的另一端用拐角螺丝固定在操作台上。所述射灯设置在所述皮带上。本实施例中，所述限位开关133包括两个，两个所述限位开关133分别设置在所述导轨的两端，并且与PLC连接。所述步进电机131分别与PLC和步进控制器132连接，在具体实施时，PLC通过控制所述步进电机131的转速使其在一分钟内保持不低于往复一次的

速度。所述射灯随着所述皮带在所述步进电机131的带动下而作往复运动。

当所述射灯接触到任意一端的限位开关133时，所述限位开关133发送相应的触发信息至PLC，PLC在接收到触发信息后则控制所述步进电机131进行反转，从而带动所述皮带和所述射灯往反方向移动。

在本实施例中，所述步进电机131的型号采用42HP3412A4，所述限位开关133的型号采用XV-156-1C25，所述步进控制器132的型号为M542。

本实施例中，所述光伏发电单元130还包括太阳能电池板134、光敏电阻135、伺服放大器136以及伺服电机137。所述光敏电阻135设置在所述太阳能电池板134的边缘，并且在所述光敏电阻135的两端加入一标准电压。所述光敏电阻135与PLC连接，所述射灯的光照可照射在所述光敏电阻135和所述太阳能电池板134上。在所述射灯的移动过程中，照射到所述光敏电阻135上的光照也会发生变化，从而引起所述光敏电阻135的阻值发生变化，进而所述光敏电阻135两端的电压值也会随之发生变化。PLC中的模拟量输出模块FX2N-2DA将所述光敏电阻135两端的电压值采集至PLC中，PLC计算出所述光敏电阻135两端电压值的差值，从而判断得到当前所述射灯的位置。

所述伺服放大器136分别与PLC以及伺服电机137连接。PLC中的模拟量输出模块FX2N-2DA根据分析到的所述射灯当前的位置，并通过所述伺服放大器136驱动所述伺服电机137以调整所述太阳能电池板134的位置，从而实现太阳能电池板134与所述射灯(模拟太阳)的联动，以模拟出实际太阳位置变化时太阳能电池板134的追踪功能。在本实施例中，所述射灯与所述太阳能电池板134之间的距离设置为700mm左右。

其中，所述伺服电机137固定于金属板中，太阳能电池板134的后方焊接有一垂直转轴连接涡轮，伺服电机137与所述连接涡轮连接。所述太阳能电池板134和所述伺服电机137通过涡轮蜗杆结构相连接，以保证通过所述伺服电机137以精确地控制所述太阳能电池板134的位置。

可选地，所述太阳能电池板134两端的电压值和电流值可通过采集装置采集至所述控制单元160，PLC根据采集到的电压值和电流值并利用公式(2)至公式(4)计算得到所述光伏发电单元130的瞬时电压、瞬时电流和瞬时输出功率，并利用模拟量输出模块FX2N-2DA输出至所述触控单元180进行实时显示。本实施例中，在具体实施时，得到的光伏发电单元130的输出电压和输出功率的变化曲线如图6和图7所示。此外，所述光伏发电单元130产生的电能通过所述光伏充电控制器140输送至所述光能蓄电池进行电能存储。在本实施例中，所述光伏充电控制器140的型号为SCL-10A，所述光能蓄电池的型号为OT7-12。

可选地，在本实施例中，所述微电网控制装置100还包括逆变器、变压器以及继电器。所述继电器为多个，多个所述继电器分别与所述风力发电单元110的输出端、所述光伏发电单元130的输出端以及所述市网系统的输出端连接，所述多个继电器的另一端分别与所述逆变器连接，所述逆变器与所述变压器连接，所述变压器与外部负载连接。本实施例中，所述逆变器的型号为1200W，所述变压器的型号为HS-35-24，所述继电器的型号为DRM270024LT。本发明实施例提供的所述微电网控制装置100的电气原理图如图8所示。

在本实施例中，在所述风力发电单元110和所述光伏发电单元130产生的电量不足以供给负载消耗时，需要接入市网系统给负载供电。此时PLC中的模拟量输入模块FX2N-4AD采集风能蓄电池以及光能蓄电池中的电压值，并将采集到的电压值与额定电压值进行比较，以计算出风能蓄电池和光能蓄电池中的电量。并且将计算出的电量与用户通过触控单元180设置的蓄电池下限电量进行比较以判断是否需要接入市网系统。若需要接入市网系统PLC则控制与所述风力发电单元110和所述光伏发电单元130连接的继电器断开与所述逆变器之间的连接，并控制与所述市网系统连接的继电器接通与所述逆变器之间的连接，以通过所述市网系统给负载供电。

当所述风力发电单元110和/或所述光伏发电单元130经过一段时间发电后，其补充的电能能够供给负载消耗时，则PLC控制与市网系统连接的继电器断开与逆变器之间的连接，并接入所述风力发电单元110和/或光伏发电单元130，此时微电网进入孤岛模式。

本发明另一较佳实施例还提供一种电力系统，该电力系统包括市网系统以及上述的微电网控制装置100，所述市网系统通过继电器接入所述微电网控制装置100。

本发明实施例建立的微电网控制模型所用导线、设备(含部分自制设备)、连接工艺、布局均符合国家标准要求。整体模型均由PLC控制，能够较好的实现实际微电网的模拟功能，实现通过PLC控制微电网运行状态的切换，即孤岛运行状态与市电运行间的切换。孤岛运行时风力发电单元110考虑到实际发电功率采用异步电机111模拟自然风，可较好地完成风力发电的模拟并输出电能供给负载。光伏发电单元130采用蜗轮蜗杆连接机械部分，光敏电阻135追踪程序部分两者结合可完全实现并较好地模拟实际光伏发电系统。两组发电单元经过多方面考虑、多次调试，最终结果报错几率大大降低，且参数均由可由触控屏进行显示。

此外，并网运行与孤岛运行切换平稳，有效地保护了用电器延长负载的使用寿命，考虑到多方面因素，本实施例中采用自制元件114读取参数，系统运行平稳、可靠。本实施例提出的微电网控制装置100根据实际的微电网系统进行简化后搭建，对发电部分、市电部分等实际问题进行了较为全面的模拟，系统的正常运行表明本实施例搭建的微电网具有实际的投资价值及理论参考价值，可进一步升级改进使微电网在实际生产过程中应用。

综上所述，本发明实施例提供的微电网控制装置100及电力系统，通过检测风力发电单元110以及光伏发电单元130产生电量的状态，以及时调节运行模式，从而维持功率平衡，避免风力发电单元110以及光伏发电单元130的异常对电网产生的不良影响。并且，通过设置储能单元150，可在微电网进行孤岛运行时，抑制功率波动，保持供电功率的稳定性，提高了微电网的电能质量。

需要说明的是，在本文中，术语“ 包括”、“ 包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“ 包括一个… … ”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。