一種利用潮流能發電的復合電網系統及其電能分配方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用潮流能發電的復合電網系統，包括由間歇性能源發電系統、儲能系統、本地負荷組成的微電網子系統，還包括并入所述微電網子系統的潮流能發電系統、外部電網系統。本發明提供了上述復合電網系統在多種運行狀態下的電能分配方法。本發明通過多能互補的電能分配方法，既能保證供電能力較弱的海島或濱海地區的用電需要，而且還可以在能源富余時對外部電網進行補給，取得一定的經濟效益，對發展濱海及海島經濟具有重要意義。本發明中潮流能發電設備依附于已有大橋橋墩進行安裝并可以在設備故障時移出水面以上，可以省去或大幅度減少機組基礎的成本并利于設備的維護和維修。
【專利說明】-種利用潮流能發電的復合電網系統及其電能分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及潮流能發電【技術領域】，特別是涉及一種利用潮流能發電的復合電網系 統及其電能分配方法。
【背景技術】
[0002] 潮流能發電是利用潮流的動能發電的技術，一般無需筑壩，具有對環境影響小等 優點，近年來受到廣泛的關注，潮流能發電技術發展很快。
[0003] 目前對邊遠地區及孤島條件下供電供能的系統大多為多能互補型的微電網系統， 例如發明申請（申請號：201310264451. 1，
【公開日】為2013.9. 18)中公開了一種多能互補獨 立發電系統，包括太陽能發電單元、風能發電單元、波浪能發電單元、生物質能發電單元、柴 油發電機、電力控制單元、海水淡化設備和監控單元。此發明僅組合了可能進行發電的系統 設備，并未對相關組合的多種工況進行說明以及未建立與外部電網的關聯和反饋。并且此 發明中波浪能發電裝置采用浮力擺板形式，擺板底端鉸接在海底位置，安裝成本高，且不利 于維護。2012年哈爾濱工程大學碩士學位論文《典型海島多能互補發電站負載分配技術的 研究》（作者：趙陽）中公開了海島多能互補發電站負載分配技術，僅對單一的微電網系統 多資源工作模式及轉換進行了描述與說明，同樣對多種極限狀態下與外部電網的關聯和反 饋未涉及。
[0004] 由此可見，上述現有的利用潮流能的多能互補獨立發電系統，在結構、方法與使用 上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。如何能創設一種安裝成本低、利于 維修的且與外部電網進行供需配合的新的利用潮流能發電的復合電網系統，成為當前業 界極需改進的目標。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種利用潮流能發電的復合電網系統，使其能夠 保證微電網子系統供電不足時的電力需求，從而克服現有的獨立發電系統的不足。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明提供一種利用潮流能發電的復合電網系統，包括由 間歇性能源發電系統、儲能系統、本地負荷組成的微電網子系統，還包括并入所述微電網子 系統的潮流能發電系統、外部電網系統。
[0007] 進一步改進，所述潮流能發電系統包括潮流能發電機組，所述潮流能發電機組依 附于大橋橋墩安裝。
[0008] 進一步改進，所述潮流能發電機組通過主機架及與主機架固定連接的發電機組懸 臂固定安裝于大橋橋墩周圍，所述主機架安裝于固定在大橋橋墩上的機組支架上，所述主 機架位于水面以下，并能在大橋橋墩上垂直移動。
[0009] 進一步改進，所述主機架和機組支架之間設有鎖定裝置和減震裝置。
[0010] 進一步改進，所述主機架圍繞大橋橋墩設置，與大橋橋墩的外表面相配合，所述主 機架為分體結構，所述分體結構之間可拆卸連接。
[0011] 進一步改進，所述間歇性能源發電系統包括風力發電系統和/或光伏發電系統。
[0012] 進一步改進，所述復合電網系統還包括并入復合電網的生物質發電系統、小水電 系統、柴油機發電系統中的一個或多個。
[0013] 此外，本發明還要解決的技術問題是提供一種多能互補的復合電網系統的電能分 配方法，使其能夠保證本地負荷的用電需求，從而克服現有的獨立發電系統的不足。
[0014] 為解決上述技術問題，本發明提供了上述復合電網系統的電能分配方法，包括如 下幾種狀態：
[0015] 狀態1 :當前狀態下，潮流能發電系統輸出的功率Ps為0,間歇性能源發電系統輸 出功率pw為〇,儲能系統的充電功率P B。和放電功率PBF均不為〇,即此狀態下儲能系統的功 率不飽和但與所述復合電網系統的直流母線為斷開狀態，本地負荷1\為〇,外部電網反饋給 所述復合電網系統的功率P?為0,此時整個復合電網系統為靜止狀態；
[0016] 狀態2 :當前狀態下，潮流能發電系統輸出的功率PsS〇,間歇性能源發電系統輸 出功率pw為〇,本地負荷不為〇,儲能系統的放電功率P BF不為〇,且PBF大于時，儲能 系統單獨給本地負載供電，若PBF達到最大放電狀態時，本地負荷仍需持續供電，此時外 部電網反饋給所述復合電網系統的功率P?不為0,即由外部電網給本地負載供電；
[0017] 狀態3 :當前狀態下，潮流能發電系統和/或間歇性能源發電系統的輸出功率記為 ps+pw不為〇,本地負荷為〇或小于ps+pw，儲能系統可接受充電功率P B。不為〇,此時儲能 系統接受充電直至充電完成即PB。= 0,若此時Ps+Pw仍大于，則所述復合電網系統供給外 部電網的功率Pe:[為P s+Pw - ;
[0018] 狀態4:當前狀態下，潮流能發電系統和/或間歇性能源發電系統的輸出功率記為 ps+pw不為〇,本地負荷大于ps+pw，儲能系統可接受放電功率P BF不為〇,此時儲能系統和 發電系統同時供給本地負載，直至儲能系統可接受放電功率PBF為0時，若此時本地負荷 仍大于P s+Pw，此時發電系統和外部電網同時供給本地負載，外部電網反饋給所述復合電網 系統的功率為- Ps - Pw;
[0019] 狀態5 :當前狀態下，若水流速和/或風速超出可發電系統中發電設備的發電安全 范圍，則超出發電安全范圍的發電設備接入耗能負荷模式，將耗能負荷計入本地負荷1\，此 時根據情況分別參考上述狀態1至4 ;
[0020] 所述狀態1至5中復合電網系統的電能分配由設置在復合電網系統中的復合電網 控制單元集成控制。
[0021] 進一步改進，所述復合電網系統還包括并入復合電網的生物質發電系統、小水電 系統、柴油機發電系統中的一個或多個，所述生物質發電系統、小水電系統、柴油機發電系 統中的一個或多個發電系統的輸出功率Ρ κ計入所述復合電網系統的狀態1至5中，由所述 復合電網控制單元集成控制。
[0022] 進一步改進，所述儲能系統的實際功率低于總功率的20%時，儲能系統停止放電， 此時記P BF = 〇 ;當儲能系統的實際功率高于總功率的80%時，儲能系統停止充電，此時記 PBC = 0。
[0023] 采用上述的技術方案，本發明至少具有以下優點：
[0024] (1)本發明采用潮流能發電的技術方案，輔助風力發電、太陽能發電、其它能源發 電系統、儲能系統，與外部電網進行供需的協調配合，在供電能力較弱的海島或濱海地區使 用，既能保證局部區域的用電需要，而且還可以在能源富余時對外部電網進行補給，取得一 定的經濟效益，對發展濱海及海島經濟具有重要意義。
[0025] (2)本發明可以實施在潮流能資源比較豐富的海峽或河道區域，特別是具有依附 于已有大橋基礎樁的潮流能發電基礎結構，使潮流能發電系統的安裝省去基礎結構的費 用，減少成本開支，又在該基礎結構上安裝相應的提升結構，以保證機組在出現故障時，機 組可以通過提升設備升到水面以上，利于潮流能發電機組的維護和維修。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，以下 結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0027] 圖1是本發明利用潮流能發電的復合電網系統組成示意圖；
[0028] 圖2是本發明中潮流能發電設備的安裝結構示意圖；
[0029] 圖3是圖2中A的細節示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 根據附圖1可見，本發明復合電網系統包括潮流能發電系統、間歇性能源發電系 統、其它能源發電系統、儲能系統、本地負荷、外部電網系統以及復合電網控制單元。
[0031] 潮流能是本發明中應用的新型可再生能源，潮流能發電系統包括潮流能發電設備 和與其連接的電流及電壓的轉換設備，此轉換設備與復合電網系統的直流母線連接，以保 證潮流能發電設備輸送恒定的電能給直流母線，P s表示潮流能發電設備輸出的功率。
[0032] 間歇性能源發電系統包括風力發電系統、光伏發電系統等其他間歇性能源發電的 系統，但不包括潮流能發電系統，本發明以風力發電系統為代表進行表述。風力發電系統包 括風力發電設備和與其連接的電流及電壓的轉換設備，此轉換設備與復合電網系統的直流 母線連接，以保證風力發電設備輸送恒定的電能給直流母線，P w表示此子系統輸出的功率。
[0033] 其它能源發電系統，例如生物質發電、小水電、柴油機發電等發電系統，保證無水、 無風條件下，系統的正常啟動。匕表示其它能源發電系統輸出的功率。
[0034] 儲能系統主要用來儲存潮流能發電系統、間歇性能源發電系統富余的電能，以及 在風、水資源不足時用來供給本地負荷的電能，儲能系統包括儲能設備和與其連接的電流 及電壓的轉換設備，此轉換設備與復合電網系統的直流母線連接，以保證儲能設備輸送恒 定的電能給直流母線，以及保證儲能系統在接受充電時得到恒定的電能。表示儲能系統 可接受充電功率，P BF表示儲能系統可接受放電功率。從儲能系統的安全性及可靠性方面考 慮，當儲能系統的實際功率低于總功率的20%時，系統停止放電，此時記P BF = 0 ;當儲能系 統的實際功率高于總功率的80%時，系統停止充電，此時記PBe = 0 ;即可認為儲能系統的工 作范圍為總功率的20% -80%。
[0035] 本地負荷包括一般的生活用電負荷和工業用電負荷等，此系統還包括變壓器等設 備，以保證本地負荷安全使用電能，用表示負荷總功率。
[0036] 上述潮流能發電系統、間歇性能源發電系統、其它能源發電系統、儲能系統和本地 負荷組成微電網子系統。
[0037] 外部電網系統中的外部電網可以為國家電網，也可以為中國南方電網，此系統還 包括連接外部電網與微電網子系統中直流母線的電流及電壓的轉換設備，以保證微電網子 系統或外部電網系統的安全性，Pe：[表不微電網子系統供給外部電網的功率，Ρ(Μ表不外部電 網反饋給微電網子系統的功率。
[0038] 復合電網控制單元具有功率平衡控制、儲能系統充放電控制、本地負荷控制、與外 部電網交互的控制以及超速保護、直流母線電壓保護的系統穩定運行控制等功能。復合電 網控制單元通過對工作狀態的分析，根據水流速或風速和本地負荷的變化，對復合電網中 的多種電能進行相關的集成控制管理。
[0039] 以下將本發明中可能出現的狀態進行描述：
[0040] 狀態1 :當前狀態下，無水資源、無風資源（指能夠產生電能的切入水流速或切入 風速與切出水流速或切出風速之間的資源，下同），潮流能發電系統輸出的功率己為〇,風 力發電系統輸出功率P w為0,儲能系統的充電功率ΡΒ。和放電功率PBF均不為0,即此狀態下 儲能系統的功率不飽和但與直流母線為斷開狀態。本地負荷也為0,此時并沒有外部電 網的功率需求P?，此時整個系統為靜止狀態；
[0041] 狀態2 :當前狀態下，無水資源、無風資源，潮流能發電系統輸出的功率己為0,風 力發電系統輸出功率Pw為0,此時本地負荷不為0,儲能系統的放電功率P BF不為0,且PBF >匕，則儲能系統單獨給本地負載供電。若PBF達到最大放電狀態時，而且本地負荷需要 持續供電，此時外部電網反饋給復合電網系統的功率P?不為0,即由外部電網給本地負載 供電；
[0042] 狀態3 :當前狀態下，有水資源和（或）風資源，潮流能發電系統和（或）風力發 電系統的輸出功率記為Ps+P w，當前無本地負荷需求或本地負荷低于發電系統輸出功 率即Ps+Pw > Pp儲能系統可接受充電功率PB。不為0,此時儲能系統接受充電直至充電完成 即PBC = 0,若此時依然Ps+Pw > Pp則多余的功率Ps+Pw - 輸入到外部電網，記為PH ;
[0043] 狀態4:當前狀態下，有水資源和（或）風資源，潮流能發電系統和（或）風力發 電系統的輸出功率記為P s+Pw，當前本地負荷需求大于發電系統輸出功率即Ps+Pw < Py儲 能系統可接受放電功率PBF不為0,而且儲能系統可接受放電功率和發電系統的輸出功率短 時間可以滿足本地負荷，直至儲能系統可接受放電功率P BF為0,若此時依然Ps+Pw < Py 則多余的功率需求一 Ps - Pw只能從外部電網獲得，記為P? ;
[0044] 狀態5 :當前狀態下，有水資源和（或）風資源，但是水流速和（或）風速超出可 發電設備的發電安全范圍，則超出可發電范圍的發電設備接入耗能負荷模式，將耗能負荷 計入本地負荷1\，此時根據情況分別參考上述狀態1至4 ;
[0045] 狀態6 :可以將其他能源發電系統的輸出功率匕計入上述復合電網系統的各種狀 態，進行聯合控制。
[0046] 本發明有效利用多種可再生能源，特別將潮流能發電系統加入復合電網系統形成 一種新式的多能互補型的復合電網系統，并且有效地優化了復合電網的能源配置結構，不 但可以滿足本地負荷的同時，還可以將多余的電能輸入到外部電網，具有明顯的經濟效益。
[0047] 本發明復合電網系統應建立在潮流能資源比較豐富的大陸或島嶼地區，最優建立 在已有大橋橋墩的大陸與島嶼、島嶼與島嶼之間，因為本發明中潮流能發電系統具有依附 于已有大橋橋墩的潮流能發電基礎結構。參照附圖2可見，該潮流能發電基礎結構包括既 有的大橋橋墩1，在該大橋橋墩1上安裝有潮流能發電機組支架2,機組支架2的安裝根據 實際工況要求進行牢固安裝，機組支架2的固定位置為海（河）平面以下最佳發電位置。
[0048] 本發明中的潮流能發電系統還包括主機架3,潮流能發電機組4,發電機組懸臂5， 提升機構6和維護工作平臺7。發電機組懸臂5與主機架3固定安裝，潮流能發電機組4安 裝于發電機組懸臂5上，主機架3安裝于機組支架2上。為了主機架3的穩固和便于安裝， 主機架3圍繞大橋橋墩1設置，與大橋橋墩1的外表面相配合。主機架3為分體結構，各分 體結構之間可以采用螺栓或其他可拆卸的結構連接。為了利于潮流能發電機組在遇到故障 時的檢修，提升機構6可以采用齒輪齒條結構將機組提升至海（河）平面以上，通過維護工 作平臺7進行維護和維修。作為提升機構6的一實施例，提升機構6包括安裝在主機架3 上的齒輪、連接該齒輪與提升機構上部支架的齒條以及促使齒輪齒條作相對運動的動力設 備。
[0049] 參照附圖3可見，在潮流能發電機組支架2和主機架3之間設有鎖定裝置201和 減震裝置202。鎖定裝置201的作用是潮流能發電機組運行時保證主機架3的穩固。減震 裝置202的作用：一是減輕潮流能發電機組下潛時對大橋橋墩的沖擊，二是減輕潮流能發 電機組運行時的振動。
[0050] 本發明依附于既有大橋橋墩的潮流能安裝結構型式，在保證安全的基礎上省去基 礎結構的費用，減少成本開支，并由于具有提升機構利于潮流能發電機組的維護和維修。
[0051] 本發明將潮流能發電技術接入局部微電網系統，充分利用濱海或海島周邊的可再 生能源發電，可以降低環境的污染及破壞，保護濱海或海島的環境；本發明采用多能互補的 方案，不僅保證濱海或海島等供電能力較弱區域的用電需求；并通過接入大電網，可以保證 在可再生能源不足時的用電需求，還可以將可再生能源富余時的電能補給外部電網，避免 可再生能源富余時不必要的浪費，產生一定的經濟效益，對發展濱海及海島經濟具有重要 意義。
[0052] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，本 領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發 明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種利用潮流能發電的復合電網系統，包括由間歇性能源發電系統、儲能系統、本地 負荷組成的微電網子系統，其特征在于，還包括并入所述微電網子系統的潮流能發電系統、 外部電網系統。
2. 根據權利要求1所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述潮流能 發電系統包括潮流能發電機組，所述潮流能發電機組依附于大橋橋墩安裝。
3. 根據權利要求2所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述潮流能 發電機組通過主機架及與主機架固定連接的發電機組懸臂固定安裝于大橋橋墩周圍，所述 主機架安裝于固定在大橋橋墩上的機組支架上，所述主機架位于水面以下，并能在大橋橋 墩上垂直移動。
4. 根據權利要求3所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述主機架 和機組支架之間設有鎖定裝置和減震裝置。
5. 根據權利要求3所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述主機架 圍繞大橋橋墩設置，與大橋橋墩的外表面相配合，所述主機架為分體結構，所述分體結構之 間可拆卸連接。
6. 根據權利要求1所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述間歇性 能源發電系統包括風力發電系統和/或光伏發電系統。
7. 根據權利要求1所述的利用潮流能發電的復合電網系統，其特征在于，所述復合電 網系統還包括并入復合電網的生物質發電系統、小水電系統、柴油機發電系統中的一個或 多個。
8. -種根據權利要求1至6任一項所述的復合電網系統的電能分配方法，其特征在于， 包括如下幾種狀態： 狀態1 :當前狀態下，潮流能發電系統輸出的功率Ps為〇,間歇性能源發電系統輸出功 率Pw為〇,儲能系統的充電功率PB。和放電功率PBF均不為〇,即此狀態下儲能系統的功率不 飽和但與所述復合電網系統的直流母線為斷開狀態，本地負荷1\為〇,外部電網反饋給所述 復合電網系統的功率P TO為0,此時整個復合電網系統為靜止狀態； 狀態2 :當前狀態下，潮流能發電系統輸出的功率Ps為0,間歇性能源發電系統輸出功 率PWS 0,本地負荷不為0,儲能系統的放電功率PBF不為0,且PBF大于1\時，儲能系統 單獨給本地負載供電，若P BF達到最大放電狀態時，本地負荷仍需持續供電，此時外部電 網反饋給所述復合電網系統的功率P?不為〇,即由外部電網給本地負載供電； 狀態3 :當前狀態下，潮流能發電系統和/或間歇性能源發電系統的輸出功率記為Ps+Pw 不為0,本地負荷為0或小于Ps+Pw，儲能系統可接受充電功率PB。不為0,此時儲能系統接 受充電直至充電完成即P BC = 〇,若此時Ps+Pw仍大于，則所述復合電網系統供給外部電網 的功率pCI為p s+pw - ; 狀態4:當前狀態下，潮流能發電系統和/或間歇性能源發電系統的輸出功率記為Ps+Pw 不為0,本地負荷大于Ps+Pw，儲能系統可接受放電功率PBF不為0,此時儲能系統和發電 系統同時供給本地負載，直至儲能系統可接受放電功率P BF為〇時，若此時本地負荷仍大 于己+Pw，此時發電系統和外部電網同時供給本地負載，外部電網反饋給所述復合電網系統 的功率P CQ為Pt - ps - pw; 狀態5 :當前狀態下，若水流速和/或風速超出可發電系統中發電設備的發電安全范 圍，則超出發電安全范圍的發電設備接入耗能負荷模式，將耗能負荷計入本地負荷1\，此時 根據情況分別參考上述狀態1至4 ; 所述狀態1至5中復合電網系統的電能分配由設置在復合電網系統中的復合電網控制 單元集成控制。
9. 根據權利要求8所述的復合電網系統的電能分配方法，其特征在于，所述復合電網 系統還包括并入復合電網的生物質發電系統、小水電系統、柴油機發電系統中的一個或多 個，所述生物質發電系統、小水電系統、柴油機發電系統中的一個或多個發電系統的輸出功 率匕計入所述復合電網系統的狀態1至5中，由所述復合電網控制單元集成控制。
10. 根據權利要求8所述的復合電網系統的電能分配方法，其特征在于，所述儲能系統 的實際功率低于總功率的20%時，儲能系統停止放電，此時記P BF = 0 ;當儲能系統的實際功 率高于總功率的80%時，儲能系統停止充電，此時記PB。= 0。
【文檔編號】H02J3/38GK104092246SQ201410361514
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】張瑩博, 許偉, 楊建鋒, 李明輝 申請人:國電聯合動力技術有限公司