本發(fā)明屬于微電網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)運行方法及微電網(wǎng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于微電網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展迅速，實現(xiàn)了更大范圍內(nèi)新能源發(fā)電資源的優(yōu)化利用，偏遠(yuǎn)山區(qū)海島與移動載具的電氣化，促進(jìn)了電力市場化的發(fā)展。微電網(wǎng)作為一個小范圍的電網(wǎng)，其發(fā)電與負(fù)荷均存在大波動與不確定性，特別在軍用領(lǐng)域，負(fù)荷波動更加不可能有效預(yù)測并且更加劇烈。其中沖擊性負(fù)荷以時間短幅度大的特點對電網(wǎng)有著諸多危害但同時也是一些微電網(wǎng)的重要組成部。沖擊性負(fù)荷的研究成果大致分為軍用與民用，軍用集中于電氣化武器，沖擊性負(fù)荷模型多為脈沖電容充放電，民用集中于鋼鐵廠的生產(chǎn)。沖擊性負(fù)荷的危害主要體現(xiàn)在：

(1)諧波污染；

(2)電壓波動和閃變；

(3)三相不平衡；

(4)系統(tǒng)頻率振蕩；

(5)有功功率大幅變化影響發(fā)電機(jī)組的安全運行。

對于沖擊性負(fù)荷危害的治理上，多數(shù)的文獻(xiàn)的應(yīng)對措施為濾波與使用svc裝置。對于有功功率波動儲能作為一種應(yīng)對效果顯著，可靠迅速并且經(jīng)濟(jì)。由于微電網(wǎng)其自身系統(tǒng)慣性系數(shù)小，阻尼不足，不具備大電網(wǎng)的抗擾動能力，所以在沖擊性負(fù)荷下更加需要儲能裝置來調(diào)節(jié)。

飛輪儲能作為一種依靠飛輪旋轉(zhuǎn)動能存儲能量的儲能設(shè)備，具有功率密度大與能量密度大的雙重優(yōu)勢，并且放電深度大，對環(huán)境無污染，缺點是基建費用高。而且現(xiàn)有文獻(xiàn)也論證了相對于其他儲能設(shè)備，飛輪儲能是電網(wǎng)調(diào)節(jié)的最佳選擇并且性價比最高，同時在應(yīng)對沖擊性負(fù)荷上也是以飛輪儲能效果最優(yōu)。

在應(yīng)對沖擊性負(fù)荷時，飛輪的傳統(tǒng)運行方式為間接性供電。通過飛輪儲能作為能量媒介，在沖擊性負(fù)荷發(fā)生時，沖擊性負(fù)荷需要的功率全部由飛輪儲能提供。沖擊性負(fù)荷停止后，電網(wǎng)給飛輪儲能充電，由此電網(wǎng)間接地給沖擊性負(fù)荷供給能量，沖擊性負(fù)荷與電網(wǎng)完全隔離沒有電氣連接。這樣電網(wǎng)發(fā)電機(jī)無法配合供能，同時頻繁地投切也會造成沖擊從而導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性下降。當(dāng)儲能與電網(wǎng)自身的發(fā)電機(jī)配合調(diào)節(jié)時，由于發(fā)電機(jī)可以提夠部分功率給沖擊性負(fù)荷，從而可以降低對儲能容量的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述傳統(tǒng)研究與應(yīng)用存在的問題，本發(fā)明目的在于提出一種有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)運行方法，其使電網(wǎng)發(fā)電機(jī)與飛輪一起協(xié)調(diào)運行，既可以防止沖擊又可以使整個供電過程更加經(jīng)濟(jì)。

本發(fā)明的一種有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)運行方法，所述有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)還配置有柴油發(fā)電機(jī)組，在帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)的運行過程中，柴油發(fā)電機(jī)組始終保持處于額定功率的工作狀態(tài)；

所述帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)的運行方法，包括：

在沖擊性負(fù)荷啟動時，柴油發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電，柴油發(fā)電機(jī)組配合飛輪一起給沖擊性負(fù)荷供電；

當(dāng)沖擊性負(fù)荷結(jié)束后，柴油發(fā)電機(jī)提供的功率自動地轉(zhuǎn)化為對飛輪進(jìn)行充電，這樣通過柴油發(fā)電機(jī)組與飛輪配合供電使柴油發(fā)電機(jī)組一直以額定功率供電的運行模式來減小對電網(wǎng)的沖擊性。

進(jìn)一步的，所述柴油發(fā)電機(jī)組還與功率控制器相連，所述功率控制器用于控制柴油發(fā)電機(jī)組所輸出的功率準(zhǔn)確地輸入至沖擊性負(fù)荷。

進(jìn)一步的，所述功率控制器使用cuk電路，cuk電路通過控制信號來控制開關(guān)占空比，以實現(xiàn)功率控制。

進(jìn)一步的，所述沖擊性負(fù)荷為周期性沖擊性負(fù)荷。這樣能夠更加準(zhǔn)確地控制柴油發(fā)電機(jī)組與飛輪配合的時間，最終達(dá)到避免對電網(wǎng)的沖擊性。

本發(fā)明的第二目的是提供一種微電網(wǎng)系統(tǒng)。

該微電網(wǎng)系統(tǒng)采用上述所述的微電網(wǎng)運行方法。

進(jìn)一步的，所述柴油發(fā)電機(jī)組還與功率控制器相連，所述功率控制器用于控制柴油發(fā)電機(jī)組所輸出的功率準(zhǔn)確地輸入至沖擊性負(fù)荷。

進(jìn)一步的，所述功率控制器使用cuk電路，cuk電路通過控制信號來控制開關(guān)占空比，以實現(xiàn)功率控制。

進(jìn)一步的，所述沖擊性負(fù)荷為周期性沖擊性負(fù)荷。這樣能夠更加準(zhǔn)確地控制柴油發(fā)電機(jī)組與飛輪配合的時間，最終達(dá)到避免對電網(wǎng)的沖擊性。

進(jìn)一步的，所述微電網(wǎng)系統(tǒng)為直流電網(wǎng)。

進(jìn)一步的，所述微電網(wǎng)系統(tǒng)包括兩條母線，兩條母線通過線路阻抗相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

在本發(fā)明的飛輪儲能與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)配合的優(yōu)化運行方式下，將原本在電網(wǎng)中發(fā)生的周期性大幅度的沖擊性負(fù)荷功率需求轉(zhuǎn)化為了小幅度持續(xù)性的功率需求，保證了沖擊性負(fù)荷的可靠供電的同時避免了其對電網(wǎng)的沖擊，相對于傳統(tǒng)的通過飛輪儲能作為能量媒介間接的供電方式更加穩(wěn)定可靠，同時節(jié)省發(fā)電機(jī)與飛輪儲能配置所需的容量與運行消耗的柴油，更加經(jīng)濟(jì)。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1是一種簡化的軍用微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是符合實際的簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；

圖3是對沖擊性負(fù)荷的供電運行示意圖；

圖4(a)是電磁彈射沖擊性負(fù)荷所獲得的功率；

圖4(b)是電磁彈射沖擊性負(fù)荷所獲得的飛輪轉(zhuǎn)速；

圖5柴油發(fā)電機(jī)給沖擊性負(fù)荷提供的功率；

圖6基礎(chǔ)負(fù)荷側(cè)的功率；

圖7柴油發(fā)電機(jī)給沖擊性負(fù)荷提供的功率；

圖8沖擊性負(fù)荷獲得的功率；

圖9基礎(chǔ)負(fù)荷側(cè)的功率。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明的一種有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)運行方法，所述有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)還配置有柴油發(fā)電機(jī)組，在帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)的運行過程中，柴油發(fā)電機(jī)組始終保持處于額定功率的工作狀態(tài)；

所述帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)的運行方法，包括：

在沖擊性負(fù)荷啟動時，柴油發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電，柴油發(fā)電機(jī)組配合飛輪一起給沖擊性負(fù)荷供電；

當(dāng)沖擊性負(fù)荷結(jié)束后，柴油發(fā)電機(jī)提供的功率自動地轉(zhuǎn)化為對飛輪進(jìn)行充電，這樣通過柴油發(fā)電機(jī)組與飛輪配合供電使柴油發(fā)電機(jī)組一直以額定功率供電的運行模式來減小對電網(wǎng)的沖擊性。

由于全電動力軍艦是典型的帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)，本發(fā)明以一種簡化的軍用微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，如圖1所示，微電網(wǎng)有2臺40mw的汽輪發(fā)電機(jī)，母線電壓20kv，雙母線，帶有最大峰值為250mw持續(xù)1.5s的電磁彈射系統(tǒng)作為短時間大幅度的沖擊負(fù)荷(發(fā)生周期約1分鐘)，2臺30mw的同步電動機(jī)為軍艦推進(jìn)系統(tǒng)，10mw的基礎(chǔ)負(fù)荷。整個電網(wǎng)系統(tǒng)為直流電網(wǎng)。

由于圖1是為了實物實驗仿真而簡化的電網(wǎng)，主要減少了模擬電磁彈射沖擊負(fù)荷的設(shè)備，而由實際的福特級航母微電網(wǎng)帶有4臺電磁彈射設(shè)備，同時依據(jù)圖1的電網(wǎng)的軸對稱性，可以只考慮一半的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以可以建立如圖2所示更符合實際的簡化電網(wǎng)。

以尼米茲航母為例，其帶有8臺核動力汽輪機(jī)與4臺柴油機(jī)組，總發(fā)電功率為72mw(其中核電占64mw)，同時福特航母總發(fā)電功率為172mw，由于電磁彈射的沖擊性負(fù)荷導(dǎo)致其總發(fā)電功率增加了100mw，可以這樣推測：尼米茲航母配置有4臺蒸汽彈射器，福特航母改用電磁彈射后一臺電磁彈射設(shè)備充電功率為25mw，而且需要快速啟動，總共需要100mw。

核電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率最大為5％pn/min(pn為核電機(jī)組額定功率)，不然有安全風(fēng)險，非緊急情況下調(diào)節(jié)速率為0.2％pn/min～0.3％pn/min，對于微網(wǎng)這個最大調(diào)節(jié)速率為4mw/min，但是一般只以0.24mw/min調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍在30％pn～100％pn。核電發(fā)電成本為222.4元/mwh，調(diào)節(jié)成本為71元/mwh，即0.02元/mj。且核電機(jī)組如果要參與調(diào)節(jié)就需要長期低功率運行，這即不經(jīng)濟(jì)也不安全。

柴油發(fā)電機(jī)啟動響應(yīng)時間一般小于10s，調(diào)頻成本由市場柴油價格與柴油機(jī)的效率決定，一般為1.5元/kwh，即0.42元/mj。柴油發(fā)電機(jī)的運行壽命一般為6000～10000小時，投資成本約為1500元/kw。

綜上，不可能通過增發(fā)核電機(jī)組來提供電磁彈射的功率，只有響應(yīng)時間短的柴油發(fā)電機(jī)能滿足需求。所以福特級航母增加的100mw發(fā)電量全部為柴油機(jī)組?？紤]到航母的日常運行，配置的核電機(jī)組的額定功率必然等于基礎(chǔ)負(fù)荷加上軍艦動力系統(tǒng)負(fù)荷額定功率的總功率。

此外，在應(yīng)對短時間突增突降的沖擊性負(fù)荷時，如果使用電網(wǎng)發(fā)電機(jī)直接供電，則會造成電網(wǎng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上下大幅震蕩，由此引發(fā)的電網(wǎng)波動會影響其他設(shè)備的正常運行。所以通過飛輪儲能作為能量媒介，在沖擊性負(fù)荷發(fā)生時，沖擊性負(fù)荷需要的功率全部由飛輪儲能提供，沖擊性負(fù)荷沒有發(fā)生時，電網(wǎng)給飛輪儲能供電，由此電網(wǎng)間接地給沖擊性負(fù)荷供給能量，沖擊性負(fù)荷與電網(wǎng)完全隔離沒有電氣連接。傳統(tǒng)針對軍用沖擊性負(fù)荷調(diào)節(jié)都是基于這種控制方式，對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的負(fù)荷轉(zhuǎn)化為了對儲能設(shè)備的充電。

下面針對柴油發(fā)電機(jī)油耗效率的數(shù)學(xué)分析

柴油發(fā)電機(jī)的運行油耗特性為二次曲線形式如公式(1)：

q＝a0+a1p+a2p²(1)

公式(1)中a0,a1,a2為常系數(shù)，p為柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率，q為柴油發(fā)電機(jī)的每小時耗油量。

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)以恒功率發(fā)電時，由公式(1)可知柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率η為：

公式(3)中e為柴油發(fā)電機(jī)一小時內(nèi)所發(fā)出的電能。

當(dāng)p≠0時，由基本不等式可知：

當(dāng)p＝(a0/a2)^0.5時，柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率達(dá)到最大，這個最佳效率功率值通常為柴油發(fā)電機(jī)的額定功率。所以優(yōu)化目的即為設(shè)計控制策略使得柴油發(fā)電機(jī)盡量保持中額定功率工作狀態(tài)，盡量避免不必要的啟動停機(jī)或者空載投切。

下面針對電磁彈射沖擊性負(fù)荷的優(yōu)化供電運行方式進(jìn)行分析：

在傳統(tǒng)供電中，是以飛輪儲能為能量媒介的間接供電方式。當(dāng)沖擊性負(fù)荷發(fā)生時如圖3的虛線所示，飛輪就要切斷與電網(wǎng)的連接并接入沖擊性負(fù)荷進(jìn)行供電，此時之前給飛輪充電的柴油發(fā)電機(jī)就會進(jìn)入空載狀態(tài)，在1.5s沖擊性負(fù)荷結(jié)束后又重新給飛輪進(jìn)行充電，如圖3中的點劃線所示。而且這樣頻繁的投切操作本身也會帶來沖擊。

當(dāng)沖擊性負(fù)荷發(fā)生時，如果不斷開電網(wǎng)的連接，讓電網(wǎng)中的柴油發(fā)電機(jī)配合飛輪一起給沖擊性負(fù)荷供電，既可以節(jié)約飛輪的配置容量，又可以使柴油機(jī)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電從而保持最高的發(fā)電效率，當(dāng)沖擊性負(fù)荷結(jié)束后，發(fā)電機(jī)提供的功率自動地轉(zhuǎn)化為對飛輪的充電，如圖3中的實線所示。當(dāng)沖擊性負(fù)荷的部分功率由電網(wǎng)柴油發(fā)電機(jī)提供時需要做好沖擊隔離措施，避免對電網(wǎng)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。圖2電網(wǎng)中功率控制器選擇適合的電力電子變壓電路就可以起到隔離沖擊的作用。

傳統(tǒng)航母蒸汽彈射器使用周期約為1分鐘。假設(shè)現(xiàn)在電磁彈射器以這個周期進(jìn)行運作，當(dāng)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)按照圖3的運行方式持續(xù)恒功率運行時，在周期1分鐘內(nèi)發(fā)出的電能便等于一次彈射所需的能量，所以一臺電磁彈射沖擊性負(fù)荷需要柴油發(fā)電機(jī)組安排部分柴油發(fā)電機(jī)以恒定3mw的功率發(fā)電(一臺2mw與一臺1mw的柴油發(fā)電機(jī))。

由于柴油發(fā)電機(jī)在沖擊性負(fù)荷發(fā)生時提供了部分的能量，沖擊性負(fù)荷側(cè)的飛輪儲能可以減少一定的能量配置。如果柴油發(fā)電機(jī)按3mw的功率對充電，則可以節(jié)約4.5mj的飛輪儲能的配置容量。按21.7mw的功率充電則可以節(jié)約32.61mj的飛輪儲能的配置容量。

與此同時柴油發(fā)電機(jī)組由于以額定功率恒功率運行，效率高，減小了柴油消耗。傳統(tǒng)運行方式中沖擊性負(fù)荷發(fā)生的1.5s內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組必須空載，則優(yōu)化后的運行方式相對于傳統(tǒng)的供電方式至少會減小1.5s的空載時間，參考現(xiàn)有文獻(xiàn)中的柴油發(fā)電機(jī)的具體數(shù)學(xué)模型，則在對每個沖擊性負(fù)荷每個周期內(nèi)供電可以至少節(jié)省燃油0.46l，即彈射一架飛機(jī)所耗費的燃油節(jié)省0.46l。

下面針對本發(fā)明的帶有沖擊性負(fù)荷與飛輪儲能的微電網(wǎng)進(jìn)行仿真實驗：

根據(jù)圖2的電網(wǎng)進(jìn)行simulink建模。由于直流電網(wǎng)的關(guān)系，發(fā)電機(jī)組使用直流電機(jī)建模，使用pid控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩從而控制電機(jī)的輸出功率。軍艦推進(jìn)系統(tǒng)與電磁彈射系統(tǒng)也均由直流電機(jī)搭建，在電路模擬中可以比傳統(tǒng)仿真用電阻建模更為精確。由于無刷直流電機(jī)的廣泛運用所以飛輪電機(jī)也由直流電機(jī)進(jìn)行搭建。功率控制器使用cuk電路，cuk電路可以通過控制信號控制開關(guān)占空比實現(xiàn)功率控制。

(1)針對電磁彈射沖擊性負(fù)荷的優(yōu)化供電運行方式

在柴油發(fā)電機(jī)與飛輪儲能配合供電時，當(dāng)沖擊性負(fù)荷啟動時，柴油發(fā)電機(jī)便可以接入電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電，由于功率控制電路的作用，柴油發(fā)電機(jī)所輸出的功率會比較準(zhǔn)確地輸入至沖擊性負(fù)荷。

在這種運行方式下，沖擊性負(fù)荷獲得的功率與飛輪轉(zhuǎn)速如圖4(a)和圖4(b)所示。柴油發(fā)電機(jī)在輔助性地對沖擊性負(fù)荷供電后會自動轉(zhuǎn)為對飛輪儲能的充電。

柴油發(fā)電機(jī)注入的功率與電網(wǎng)中基礎(chǔ)負(fù)荷的功率如圖5和圖6所示，由圖6可知在這種供電方式下，初始沖擊對電網(wǎng)擾動很小，產(chǎn)生的擾動能很快地恢復(fù)。

在后續(xù)沖擊性負(fù)荷發(fā)生時，柴油機(jī)已經(jīng)以額定功率穩(wěn)定地進(jìn)行發(fā)電，此時柴油發(fā)電機(jī)注入功率如圖7，沖擊性負(fù)荷如圖8，基礎(chǔ)負(fù)荷側(cè)的功率如圖9。

結(jié)合圖4(a)～圖9可知，在經(jīng)過由cuk電路搭建的功率控制器隔離之后，在柴油發(fā)電機(jī)與飛輪儲能配合供電時，沖擊性負(fù)荷不會對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯沖擊，產(chǎn)生沖擊的主要因素為柴油發(fā)電機(jī)的投切，所以相對于傳統(tǒng)需要不斷投切對沖擊性負(fù)荷進(jìn)行間接供電的運行模式，柴油發(fā)電機(jī)與飛輪儲能配合供電并使柴油發(fā)電機(jī)一直以額定功率供電的優(yōu)化運行模式對電網(wǎng)的沖擊更小。

除本發(fā)明中的微電網(wǎng)實例，這種優(yōu)化運行方式對所有的周期性沖擊性負(fù)荷的供電均有效。

本發(fā)明還提供一種微電網(wǎng)系統(tǒng)。該微電網(wǎng)系統(tǒng)采用上述所述的微電網(wǎng)運行方法。

其中，柴油發(fā)電機(jī)組還與功率控制器相連，所述功率控制器用于控制柴油發(fā)電機(jī)組所輸出的功率準(zhǔn)確地輸入至沖擊性負(fù)荷。

功率控制器使用cuk電路，cuk電路通過控制信號來控制開關(guān)占空比，以實現(xiàn)功率控制。

沖擊性負(fù)荷為周期性沖擊性負(fù)荷。這樣能夠更加準(zhǔn)確地控制柴油發(fā)電機(jī)組與飛輪配合的時間，最終達(dá)到避免對電網(wǎng)的沖擊性。

微電網(wǎng)系統(tǒng)為直流電網(wǎng)。

微電網(wǎng)系統(tǒng)包括兩條母線，兩條母線通過線路阻抗相連。

在本發(fā)明的飛輪儲能與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)配合的優(yōu)化運行方式下，將原本在電網(wǎng)中發(fā)生的周期性大幅度的沖擊性負(fù)荷功率需求轉(zhuǎn)化為了小幅度持續(xù)性的功率需求，保證了沖擊性負(fù)荷的可靠供電的同時避免了其對電網(wǎng)的沖擊，相對于傳統(tǒng)的通過飛輪儲能作為能量媒介間接的供電方式更加穩(wěn)定可靠，同時節(jié)省發(fā)電機(jī)與飛輪儲能配置所需的容量與運行消耗的柴油，更加經(jīng)濟(jì)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。