CN103219726A - 一种基于储能的微电网拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于储能的微电网拓扑结构，包括与主电网连接的交流母线；交流母线上接有多个发电单元和多个负载单元；发电单元包括分布式电源、微网变流器、能量存储器、并网变流器和单元控制器。本发明微电网拓扑结构将储能装置作为微电网能量转换的枢纽，将不同分布式电源所发电能先存入储能装置中，再通过储能装置集中向交流母线输出，减少了并入主电网的分布式电源的数量，并有效地消除了现有微网结构中分布式电源输出电压波动对主电网造成的冲击，提高了微电网系统的稳定性；同时本发明可以根据不同的负载功率要求智能调节各个微网发电单元的工作状态，控制电能的存储和输出，便于智能化管理，提高了微电网系统地可控性。

Description

一种基于储能的微电网拓扑结构
技术领域
本发明属于电力配电网技术领域，具体涉及一种基于储能的微电网拓扑结构。
背景技术
微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置组合而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，也可以独立地为当地负荷提供电力需求，有效的保障了负载的用电安全。
随着风电、太阳能、天然气等可再生能源发电技术的不断发展和超大规模电力系统弊端的日益凸现，微电网系统日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径。近几年，微电网得到了较快的发展，但同时也面临着很多问题。现有微电网拓扑结构大多如图1所示，微网中的分布式电源、储能装置和负载都直接与交流母线相连，并入主电网。在现有的微网结构中，分布式电源直接与主电网连接，因此，分布式电源输出电压的波动会直接冲击主电网，带来谐波或局部电流，使主电网输电质量下降，运行稳定性也下降。另外，从大规模电力系统的角度来分析，现有微电网拓扑结构中分布式电源是不可控的发电单元，主电网无法有效地控制它的开通与关断。大量的分布式电源直接与主电网相连会进一步增大主电网控制的难度，因此有必要减少与主电网相连的分布式电源的数量。
公开号为CN102638055A的中国专利提出一种小型微网系统模型设计，其模拟了多分布式电源并行运行组成微电网的实物模型，涉及微网的简单拓扑结构和相应的控制器，提供了模拟风力发电、太阳能发电、光伏发电等分布式发电方式中的任何两种方式并行运行的小型微网实验模型，且给出了两个独立分布式电源同时供电无通信的控制系统，为微网中分布式电源的控制做出了贡献；但是该技术仍采用现有的微网拓扑结构，分布式电源的波动仍会影响主电网的稳定运行，造成输电质量下降。
公开号为CN102074953A的中国专利提出一种供电与实验两用的微网系统结构，其在微网电源与常规负荷之间的母线上设有一常规模式开关，在微网电源与模拟负荷之间的母线上设有一实验模式开关，在与常规负荷相连接的母线上通过微网并网开关与外部电网相连接，通过常规模式开关和实验模式开关实现实验用微网系统与供电用微网系统的切换功能，满足了实验及供电两方面的需要；但是该结构中，分布式电源仍与主电网直接相连，仍然没能解决分布式电源输出电压波动影响主电网稳定和输电质量的问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于储能的微电网拓扑结构，通过使分布式电源与主电网隔离，有效减小扰动对微电网的影响，保证系统运行的稳定性。
一种基于储能的微电网拓扑结构，包括：与主电网连接的交流母线；所述的交流母线上接有多个发电单元和多个负载单元；
所述的发电单元包括：
分布式电源，用于将一次能源转换成初级交流电能；
微网变流器，用于将所述的初级交流电能转换为直流电能；
能量存储器，用于存储所述的直流电能；
并网变流器，用于将能量存储器存储的直流电能转换为并网交流电能，并将所述的并网交流电能注入交流母线；
单元控制器，用于为微网变流器和并网变流器提供PWM控制信号，并控制能量存储器充电或放电以及控制分布式电源的电能输出。
所述的负载单元包括负载和负载开关，所述的负载通过负载开关与交流母线连接。
优选的，所述的并网变流器通过并网开关与交流母线连接；可使微网处于并网运行、独立运行和从交流母线断开三种不同的工作状态。
优选地，还包括有微网控制器，所述的微网控制器用于监测发电单元或负载单元的运行状态，并根据运行状态控制并网开关或负载开关通断；可实现微网的智能化管理。
所述的主电网依次通过变压器和主开关与交流母线连接。
所述的分布式电源为风力发电机、燃气发电机、太阳能发电机、地热能发电机或潮汐能发电机等新能源发电设备。
所述的能量存储器采用蓄电池、超级电容或飞轮储能装置等储能设备。
所述的微网变流器或并网变流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率开关器件串联组成。
所述的单元控制器采用DSP。所述的微网控制器采用PLC。
本发明提出的微电网拓扑结构，对已有的微电网拓扑结构进行了修正，将储能装置作为能量转换的枢纽。在电能的产生和存储过程中，分布式电源发电系统利用不同类型的一次能源产生三相交流电能并输出，通过相应的微网变流器将分布式电源所发出的交流电转换为直流电能，充入储能装置中，在此过程中实现电能的产生与储存。在电能的输出过程中，储能装置输出直流电能，并网变流器将储能装置所发出的直流电能转变成三相交流电能，输出到交流母线，交流母线通过主开关和负载开关分别与主电网和负载相连。
微网控制器监测和控制各微网发电单元和负载单元的运行状态，根据主电网和负载的功率需求，控制各个微网发电单元并网开关的开通与关断。单元控制器负责监测和控制发电单元中分布式电源、储能装置和并网变流器的运行状态，根据储能装置和分布式电源的运行情况，控制电能的产生、存储和输出。通过主开关、负载开关和并网开关的配合，微电网可接入交流母线与主电网并网运行，共同向负载供电，处于并网输电状态；可从接入交流母线但与主电网断开，独立运行，单独向负载供电，处于独立输电状态；也可断开并网开关，不向交流母线输出电能。
本发明的有益技术效果为：
（1）本发明所述的基于储能装置的拓扑结构将储能装置作为微电网能量转换的枢纽，将不同分布式电源所发电能先存入储能装置中，再通过储能装置集中向交流母线输出，减少了并入主电网的分布式电源的数量，并有效地消除了现有微网结构中分布式电源输出电压波动对主电网造成的冲击。
（2）本发明所述的储能装置将分布式发电系统所发出的电能进行集中存储，可将分布式电源发出的某些达不到并网标准的电能先进行收集存储，满足并网条件时再输出，提高了能源利用的效率。
（3）本发明所述的微网控制器可以根据不同的负载功率要求智能调节各个微网发电单元的工作状态，控制电能的存储和输出，便于智能化管理，提高了微电网系统地可控性。
附图说明
图1为传统微电网拓扑结构的示意图。
图2为本发明微电网拓扑结构的示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
如图2所示，一种基于储能的微电网拓扑结构，包括：与主电网连接的交流母线、微网控制器以及接在交流母线上的多个发电单元和多个负载单元。
主电网依次通过变压器和主开关与交流母线连接，其通过电压器作电压等级变换后向交流母线输送电能。
发电单元包括分布式电源、微网变流器、能量存储器、并网变流器、单元控制器和并网开关；其中：
分布式电源用于将一次能源转换成初级交流电能；本实施方式中，分布式电源为风力发电机，其将风能转化为电能。
微网变流器与分布式电源相连，其用于将初级交流电能转换为直流电能；本实施方式中，微网变流器采用整流器，其结构采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率开关器件串联组成。
能量存储器与微网变流器相连，其用于存储微网变流器输出的直流电能；本实施方式中，能量存储器采用蓄电池。
并网变流器与能量存储器和并网开关相连，其用于将能量存储器存储的直流电能转换为并网交流电能并控制输出电流的波形与相位，进而通过并网开关将并网交流电能注入交流母线；本实施方式中，微网变流器采用逆变器，其结构采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个功率开关器件串联组成。
单元控制器与分布式电源、微网变流器、能量存储器和并网变流器相连，用于为微网变流器和并网变流器中的功率开关器件提供PWM控制信号，并控制能量存储器充电或放电以及控制分布式电源的电能输出；本实施方式中，单元控制器采用DSP。
负载单元包括负载和负载开关，负载通过负载开关与交流母线连接。
微网控制器与主开关、并网开关和负载开关相连，其监测发电单元或负载单元的运行状态，并根据运行状态控制主开关、并网开关或负载开关通断；本实施方式中，微网控制器采用PLC。
主开关、并网开关和负载开关均采用三相交流接触器。
本实施方式中，微网控制器监测和控制各微网发电单元和负载单元的运行状态，根据主电网和负载的功率需求，控制各个微网发电单元并网开关的开通与关断。单元控制器负责监测和控制发电单元中分布式电源、储能装置和并网变流器的运行状态，根据储能装置和分布式电源的运行情况，控制电能的产生、存储和输出。在电能的产生和存储过程中，分布式电源发电系统利用不同的一次能源产生并输出三相交流电螚，通过相应的微网变流器将分布式电源所发出的交流电能转换为直流电能，充入储能装置中，在此过程中实现电能的产生与储存。在电能的输出过程中，储能装置输出直流电能，并网变流器将储能装置所发出的直流电能转变成三相交流电能，输出到交流母线，交流母线通过主开关和负载开关分别与主电网和负载相连。
本实施方式通过主电网开关和并网开关的配合，每个微网发电单元可以有三种状态：并网输电、独立输电和从交流母线断开。当并网开关和主电网开关都闭合时，发电单元处于并网输电状态，此时，发电单元与主电网都连接到交流母线，向负载输送电能，此状态可以应用于主电网和发电单元均正常工作或主电网电力不足时。当并网开关闭合、主电网开关断开时，发电单元处于独立输电状态，此时，只有微网发电单元连接到交流母线，向负载输送电能，此状态可应用于主电网出现故障或停电时，由微电网来输出电能，保证负载的正常工作。当并网开关断开时，微网发电单元处于不输出电的状态，此时，微电网与交流母线断开，不向外输出电能，此状态可应用于微网发电单元发生故障或电力不足时，从交流母线断开，不影响主电网和负载的正常运行。

Claims (10)

1.一种基于储能的微电网拓扑结构，包括与主电网连接的交流母线；所述的交流母线上接有多个发电单元和多个负载单元；其特征在于：所述的发电单元包括：
分布式电源，用于将一次能源转换成初级交流电能；
微网变流器，用于将所述的初级交流电能转换为直流电能；
能量存储器，用于存储所述的直流电能；
并网变流器，用于将能量存储器存储的直流电能转换为并网交流电能，并将所述的并网交流电能注入交流母线；
单元控制器，用于为微网变流器和并网变流器提供PWM控制信号，并控制能量存储器充电或放电以及控制分布式电源的电能输出。
2.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的负载单元包括负载和负载开关，所述的负载通过负载开关与交流母线连接。
3.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的并网变流器通过并网开关与交流母线连接。
4.根据权利要求2所述的微电网拓扑结构，其特征在于：还包括有微网控制器，所述的微网控制器用于监测负载单元的运行状态，并根据运行状态控制负载开关通断。
5.根据权利要求3所述的微电网拓扑结构，其特征在于：还包括有微网控制器，所述的微网控制器用于监测发电单元的运行状态，并根据运行状态控制并网开关通断。
6.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的主电网依次通过变压器和主开关与交流母线连接。
7.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的分布式电源为风力发电机、燃气发电机、太阳能发电机、地热能发电机或潮汐能发电机。
8.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的能量存储器采用蓄电池、超级电容或飞轮储能装置。
9.根据权利要求1所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的单元控制器采用DSP。
10.根据权利要求4或5所述的微电网拓扑结构，其特征在于：所述的微网控制器采用PLC。
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