发明专利｜波能集群发电直流微电网系统实验平台

摘要：本发明实施例提供了一种波能集群发电直流微电网系统，其中，该系统包括负载单元、母线和至少一个微电网节点系统，微电网节点系统包括第一微电网子节点系统、通讯单元和第二微电网子节点系统，负载单元和微电网节点系统连接于母线;第一微电网子节点系统从通讯单元获取第二微电网子节点系统的状态信息，第二微电网子节点系统从通讯单元获取第一微电网子节点系统的状态信息;第一微电网子节点系统和第二微电网子节点系统根据所述状态信息，差额分配其自身的输出功率，且输出功率之和与负载单元的功率匹配。本发明实施例，能够在一定程度上促进波能集群发电的研究和验证，进而一定程度上促进了波能集群发电。

申请人 深圳大学

发明人 张博 饶武峰

发明背景

随着人类社会的发展，对能源的需求也随之增长，传统非再生能源的储备量也逐渐减少，同时传统非再生能源的使用对环境也带来了很多的环境污染，海洋波浪能作为一种可再生能源具有功率密度高、无污染、可预测和资源丰富等特点，通过进一步利用和开发海浪能源，能源危机和环境污染问题可以得到缓解。

目前国内外对波能发电研究主要基于对单台发电机本体与其电能输出的仿真分析和算例优化，不能满足波能集群发电的发展趋势。

发明内容

本发明实施例提供一种波能集群发电直流微电网系统及实验平台，能够在一定程度上促进波能集群发电的研究和验证，进而一定程度上促进了波能集群发电。

本发明实施例的第一方面提供了一种波能集群发电直流微电网系统，其特征在于，所述系统包括负载单元、通讯单元、母线和至少一个微电网节点系统，所述微电网节点系统包括第一微电网子节点系统和第二微电网子节点系统，所述负载单元和所述微电网节点系统连接于所述母线;

所述第一微电网子节点系统从所述通讯单元获取所述第二微电网子节点系统的状态信息，所述第二微电网子节点系统从所述通讯单元获取所述第一微电网子节点系统的状态信息;

所述第一微电网子节点系统和所述第二微电网子节点系统根据所述状态信息，差额分配所述第一微电网系统节点内各子系统的输出功率，并保证子系统输出功率总和匹配所述负载单元的功率。

过本发明提供的波能集群发电直流微电网系统，在该直流微电网系统中具有多个微电网节点系统，多个微电网节点系统相对于目前国内外对波能发电主要基于对单台发电机本体与其电能输出的研究，引入了多微电网节点系统，能够在一定程度上促进了波能集群发电。同时，微电网子节点系统通过微电网系统中的通讯单元可以相互获取每个微电网子节点系统的状态信息，并由该状态信息差额分配系统中第一微电网系统节点内各子系统的输出的功率，通过上述方式，微电网系统实现了分布式控制方法，由于采用分布式控制方法来控制多个微电网子节点系统的协调运行，在某个微电网子节点系统出现故障时不能正常工作时，其他子节点系统能够及时调整自身系统输出功率，可以保证整体微电网系统的平稳运行以及功率的合理分配，从而在一定程度上提升了微电网系统的稳定性，对波能集群发电的控制方法进行了研究，也能够在一定程度上促进波能集群发电。

结合本发明实施例的第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一微电网子节点系统包括：波能发电机、控制单元、储能单元、AC/DC整流器、DC/DC变流器、电压电流采集调理电路和开关驱动电路，所述控制单元用于通过接收所述电压电流采集调理电路反馈的DC/DC变流器信息并控制所述开关驱动电路，所述DC/DC变流器与所述电压电流采集调理电路相连接，所述DC/DC变流器与所述开关驱动电路相连接，所述DC/DC变流器与所述储能单元相连接，所述开关驱动电路与所述控制单元相连接，所述电压电流采集调理电路与所述控制单元相连接，所述波能发电机通过AC/DC整流器与所述DC/DC变流器相连接。

上述微电网子节点系统通过控制单元对电压电流采集调理电路和开关驱动电路的调节，进而对系统的发电功率、储能功率和负载功率三者之间进行平衡，使得系统能够正常的运行，同时，控制单元对系统整体的控制也能在一定程度上延长储能系统的使用寿命和系统的电能质量。

结合本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述波能发电机包括直驱式波能发电机，所述直驱式波能发电机用于通过海浪上下的往复运动直接驱动浮子和动子运行，产生频率和幅值均随动子速度变化的三相交变电流。

直驱式波能发电机通过海浪上下的往复运动直接驱动浮子和动子运动，可将波能可以直接转换为电能，简化了对波浪能的提取过程，能在一定程度上提升了波能转换效率，进而也能在一定程度上提升了微电网系统的发电效率。

结合本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述控制单元包括半实物仿真平台和嵌入式控制器，所述半实物仿真平台用于将产生的控制信号通过外部硬件接口输出到所述嵌入式控制器，所述嵌入式控制器用于输出占空比可变的高频PWM控制信号。

结合本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式和第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述储能单元包括能量型储能器和功率型储能器，所述功率型储能器用于提供瞬时的大功率需求，所述能量型储能器用于提供持续的电流输入或输出。

通过使用能量型储能器和功率型储能器，能量型储能器能够提供持续的电流输入或输出，功率型储能器能够提供瞬时的大功率需求，同时使用能量型储能器和功率型储能器，两者可以互补使用，进而能够在一定程度上提升储能单元的稳定性，进而一定程度上提升了微电网系统的稳定性，同时互补使用也能一定程度上延长其各自的使用寿命。

结合本发明实施例第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述AC/DC整流器包括三相全桥不可控AC/DC整流器，所述三相全桥不可控AC/DC整流器用于将所述波能发电机输出的三相交变电流进行不可控整流后输出脉动直流电。

结合本发明实施例第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述DC/DC变流器包括第一子变流器、第二子变流器和第三子变流器，所述第一子变流器位于所述三相AC/DC整流器后端，用于将脉动直流电升压或降压;

所述第二子变流器位于所述储能单元之后，用于若所述母线电压高于预设值，所述第二子变流器工作于Buck模式，储能单元充电吸收功率，若所述母线电压低于预设值，所述第二子变流器工作于Boost模式，储能单元放电释放功率;

所述第三子变流器位于所述负载单元与所述母线之间，用于调节所述负载单元前端的电压，以接入各类对电压值要求不同的所述负载单元。

通过设置DC/DC变流器对储能单元的充放电进行管理，通过对母线电压的检测来改变工作模式来实现对充放电进行管理，在一定程度上提升了电网系统的智能化，在负载单元和母线之间设置DC/DC变流器调节负载单元的前端电压，使得系统能够搭载多个负载单元，一定程度上提升了系统的使用范围，进而在一定程度上提升了系统的实用性。

结合本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述电压电流采集调理电路用于采集所述DC/DC变流器输出端电压、所述DC/DC变流器中的电感的电流以及所述母线中的电压和电流，并将采集得到的信号发送到控制单元的外部硬件接口。[0022] 结合本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述开关驱动电路用于接收所述嵌入式控制器生成的PWM控制信号，并将所述控制信号转换为所述开关驱动电路的工作电压。

本发明实施例的二方面提供了一种波能集群发电直流微电网实验平台，所述平台包括第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式所提供的微电网系统，所述平台用于研究直驱波能发电机MPPT控制、母线电压控制策略、负载功率分配的协调控制、微电网系统能量管理策略研究、波能发电的功率波动平抑研究、分布式储能的荷电状态均衡控制、直流微电网群协调控制及优化研究或区域波能集群发电与同步供电研究。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

可以看出，通过本发明实施例，通过本发明提供的波能集群发电直流微电网系统，在该直流微电网系统中具有多个微电网节点系统，多个微电网节点系统能够相对于目前国内外对波能发电研究基于对单台发电机本体与其电能输出的研究引入了多微电网节点系统，能够在一定程度上促进了波能集群发电。同时，微电网子节点系统通过微电网系统中的通讯单元可以相互获取每个微电网子节点系统的状态信息，并由该状态信息差额分配微电网系统节点内各子系统的输出功率，并保证子系统输出功率总和匹配系统中负载单元的功率，通过上述方式，微电网系统实现了分布式控制方法，由于采用分布式控制方法来控制多个微电网子节点系统的协调运行，在某个微电网子节点系统出现故障时不能正常工作时，

可以保证整体微电网系统的平稳运行以及功率的合理分配，从而在一定程度上提升了微电网系统的稳定性，对波能集群发电的控制方法进行了研究，也能够在一定程度上促进波能集群发电。

发明专利要点简析：

1 .一种波能集群发电直流微电网系统，其特征在于，所述系统包括负载单元、母线和至少一个微电网节点系统，所述微电网节点系统包括第一微电网子节点系统、通讯单元和第二微电网子节点系统，所述负载单元和所述微电网节点系统连接于所述母线;

所述第一微电网子节点系统从所述通讯单元获取所述第二微电网子节点系统的状态信息，所述第二微电网子节点系统从所述通讯单元获取所述第一微电网子节点系统的状态信息;

所述第一微电网子节点系统和所述第二微电网子节点系统根据所述状态信息，差额分配第一微电网子节点系统的输出功率和所述第二微电网子节点系统的输出功率，且所述第一微电网子节点系统的输出功率和所述第二微电网子节点系统的输出功率之和与所述负载单元的功率匹配。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述第一微电网子节点系统包括：波能发电机、控制单元、储能单元、AC/DC整流器、DC/DC变流器、电压电流采集调理电路和开关驱动电路，所述控制单元用于通过接收所述电压电流采集调理电路反馈的DC/DC变流器信息并控制所述开关驱动电路，所述DC/DC变流器与所述电压电流采集调理电路相连接，所述DC/DC变流器与所述开关驱动电路相连接，所述DC/DC变流器与所述储能单元相连接，所述开关驱动电路与所述控制单元相连接，所述电压电流采集调理电路与所述控制单元相连接，所述波能发电机通过AC/DC整流器与所述DC/DC变流器相连接。

3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述波能发电机包括直驱式波能发电机，所述直驱式波能发电机用于通过海浪上下的往复运动直接驱动浮子和动子运行，产生频率和幅值均随动子速度变化的三相交变电流。

4.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述控制单元包括半实物仿真平台和嵌入式控制器，所述半实物仿真平台用于将产生的控制信号通过外部硬件接口输出到所述嵌入式控制器，所述嵌入式控制器用于输出占空比可变的高频PWM控制信号。

5.根据权利要求2或3所述系统，其特征在于，所述储能单元包括能量型储能器和功率型储能器，所述功率型储能器用于提供瞬时的大功率需求，所述能量型储能器用于提供持续的电流输入或输出。

6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述AC/DC整流器包括三相全桥不可控AC/DC整流器，所述三相全桥不可控AC/DC整流器用于将所述波能发电机输出的三相交变电流进行不可控整流后输出脉动直流电。

7 .根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述DC/DC变流器包括第一子变流器、第二子变流器和第三子变流器，所述第一子变流器位于所述三相AC/DC整流器后端，用于将脉动直流电升压或降压;

所述第二子变流器位于所述储能单元之后，用于若所述母线电压高于预设值，所述第二子变流器工作于Buck模式，储能单元充电吸收功率，若所述母线电压低于预设值，所述第二子变流器工作于Boost模式，储能单元放电释放功率;

所述第三子变流器位于所述负载单元与所述母线之间，用于调节所述负载单元前端的电压，以接入各类对电压值要求不同的所述负载单元。

8.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述电压电流采集调理电路用于采集所述DC/DC变流器输出端电压、所述DC/DC变流器中的电感的电流以及所述母线中的电压和电流，并将所述采集得到的信号发送到所述控制单元的外部硬件接口。

9.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述开关驱动电路用于接收所述嵌入式控制器生成的PWM控制信号，并将所述控制信号转换为所述开关驱动电路的工作电压。

10.一种波能集群发电直流微电网实验平台，其特征在于，所述平台包括权利要求1-9任一项所述系统，所述平台用于研究直驱波能发电机MPPT控制、母线电压控制策略、负载功率分配的协调控制、微电网系统能量管理策略研究、波能发电的功率波动平抑研究、分布式储能的荷电状态均衡控制、直流微电网群协调控制及优化研究或区域波能集群发电与同步供电研究。