CN103595071B - 一种微网能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微网能源系统，包括第一母线、第二母线和第三母线，第一母线通过第一静态开关连接电网的第一进线端，第二母线通过第二静态开关连接电网的第二进线端，第一母线和第二母线上均连接有负荷，第一母线和第二母线之间连接有母联开关，第三母线的两端分别通过第一并网开关和第二并网开关分别与微网的第一母线和第二母线对应连接，第三母线与微网能源设备连接，微网能源设备包括光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块和V2G模块，所述光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块、V2G模块与第三母线之间均连接有切换开关。解决了现有微网中能源系统灵活性和可靠性较差、没有达到低碳化目标的问题。

Description

一种微网能源系统

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种微网能源系统。

背景技术

分布式发电技术凭借其可提高系统供电可靠性、降低终端用户费用、降低线路损耗、改善电能质量等优点得到了全社会的广泛关注。分布式发电主要包括各类可再生能源发电(风能、太阳能、生物质能等)，其清洁环保的特点满足了低碳经济发展的要求。

然而，单独的分布式发电接入电网由于其自身的间歇性、波动性、随机性等特点给电网带来了一定的影响，不仅导致电网的潮流、故障机理特性等更加复杂，而且由于其抗扰动能力差，弃光、弃风现象十分严重，导致分布式发电年利用小时数下降，影响了分布式发电投资的经济性。

微网是由分布式电源、能源转换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型电力系统。微网既可以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。微网既可并网运行，又可以离网运行，大大提高了负荷侧的供电可靠性。通过微网接入电网，可以实现微网内部波动的平抑消纳，减少分布式电源接入电网的影响，另外通过分布式电源和分布式储能的优化组合运行，可以提高分布式电源的消纳能力，因此微网已经成为充分利用分布式发电的较好形式之一。

近年来，智能社区建设成为各级城市规划的重要内容，也是提升城市影响力的重要窗口，得到了各级政府的高度重视。其中社区能源低碳化是重要的建设目标，因此发展分布式发电/微网成为智能社区建设不可或缺的重要内容，成为展示上海崇明陈家镇国际智能生态社区形象的重要品牌。

但是现有微网对能源的利用没有达到低碳化的目标，而且能源系统的灵活性和可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种微网能源系统，在确保能源系统安全的前提下，综合应用多种可再生能源，实现能源利用的低碳化，提高能源系统的灵活性和可靠性。用以解决现有微网中能源系统灵活性和可靠性较差、没有达到低碳化目标的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种微网能源系统，包括第一母线和第二母线，第一母线通过第一静态开关连接电网的第一进线端，第二母线通过第二静态开关连接电网的第二进线端，所述第一母线和第二母线上均连接有负荷，第一母线和第二母线之间连接有母联开关，设置第三母线，所述第三母线的两端分别通过第一并网开关和第二并网开关分别与微网的第一母线和第二母线对应连接，所述的第三母线与微网能源设备连接，所述的微网能源设备包括光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块和V2G模块，所述光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块、V2G模块与第三母线之间均连接有切换开关；所述负荷包括第一负荷、第二负荷和重要负荷，所述第一负荷连接在第一母线上，所述第二负荷连接在第二母线上，所述重要负荷通过自动电源切换装置均匀的分布在第一母线和第二母线上，所述自动电源切换装置并联在所述母联开关的两端。

所述光伏发电模块包括一组光伏阵列、一组汇流箱和一组光伏逆变器，各光伏阵列均对应连接一个汇流箱，各所述汇流箱均对应接入一个光伏逆变器的直流侧，各所述光伏逆变器的交流侧均接入第三母线，在各保护测控点位置安装测控保护装置，在电能监测点安装电能质量监测装置，各所述测控保护装置和各所述光伏逆变器均设有与微网控制器连接的通信端口。

所述风电模块包括一组风力发电机、一组控制器、汇流箱和风电逆变器，各所述风力发电机均对应连接一个控制器的交流输入端，各控制器的直流输出端均接入汇流箱，风电逆变器的直流侧连接汇流箱，风电逆变器的交流侧接入第三母线，在保护测控点位置安装测控保护装置，所述风电逆变器和测控保护装置均设有与微网控制器连接的通信端口。

所述燃料电池模块包括燃料电池和电池逆变器，所述电池逆变器的直流侧连接燃料电池，所述电池逆变器的交流侧接入第三母线，在保护测控点位置安装测控保护装置，所述电池逆变器和测控保护装置均设有与微网控制器连接的通信端口。

所述储能模块包括储能电池组、电池管理系统、储能变流器、储能控制器和储能监控系统，所述电池管理系统与储能电池组通信连接，所述储能变流器的交流侧通过隔离变压器接入微网的第三母线，所述储能变流器的直流侧连接电池组，所述储能变流器的通信端口与储能控制器通信连接，所述储能控制器通过CAN总线与电池管理系统通信连接，所述储能监控系统通过RS485接口与储能控制器通信连接，所述储能控制器通过以太网与微网控制器通信连接。

所述V2G模块包括隔离变压器、AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、电动汽车车载电池、车载电池管理系统和V2G监控单元，所述车载电池管理系统与电动汽车车载电池通信连接，所述AC/DC功率单元的交流侧通过隔离变压器接入微网的第三母线，所述AC/DC功率单元的直流侧连接DC/DC功率单元的一侧，DC/DC功率单元的另一侧连接电动汽车车载电池，V2G监控单元分别通过CAN总线与车载电池管理系统、AC/DC功率单元和DC/DC功率单元通信连接，V2G监控单元通过以太网与微网控制器通信连接。

该系统还包括电能质量管理设备，所述电能质量管理设备包括有源滤波器和无功补偿模块。

所述第一负荷包括冷冻机房、排水泵和电梯，所述第二负荷包括多功能厅、照明和动力装置，所述重要负荷包括监控中心、控制机房和计算机房。

本发明达到的有益效果：本发明的能源系统包括光伏发电、风力发电、燃料电池、储能装置、V2G(Vehicle-to-grid，V2G)设施等多种能源，通过微网控制器的协调控制，可以在确保能源系统安全的前提下，综合应用多种可再生能源，实现能源利用的低碳化，提高能源系统的灵活性和可靠性。而且本发明还设置有有源滤波器和无功补偿模块，通过有源滤波器可以滤除大多数的谐波电流，通过无功补偿模块可以补偿系统的无功，这样有源滤波器的容量也会大大降低，提高了微网中电能的质量。

附图说明

图1是本发明微网能源系统的结构原理图；

图2是本发明微网能源系统的电路连接图；

图3是本发明光伏发电模块接入微网的原理图；

图4是本发明风电模块接入微网的原理图；

图5是本发明燃料电池模块接入微网的原理图；

图6是本发明储能模块接入微网的原理图；

图7是本发明V2G模块接入微网的原理图；

图8是本发明电能质量管理的接线原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1，本发明的微网能源系统包括第一母线和第二母线，第一母线通过第一静态开关连接电网的第一进线端，第二母线通过第二静态开关连接电网的第二进线端，所述第一母线和第二母线上均连接有负荷，第一母线和第二母线之间连接有母联开关，负荷包括第一负荷、第二负荷和重要负荷，所述第一负荷连接在第一母线上，所述第二负荷连接在第二母线上，所述重要负荷通过自动电源切换装置均匀的分布在第一母线和第二母线上，所述自动电源切换装置并联在所述母联开关的两端。设置第三母线，所述第三母线的两端分别通过第一并网开关和第二并网开关分别与微网的第一母线和第二母线对应连接，所述的第三母线与微网能源设备连接，所述的微网能源设备包括光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块和V2G模块，所述光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块、V2G模块与第三母线之间均连接有切换开关。

如图2，本实施例微网接入低压400V系统，根据供电可靠性的要求，设计有两路外部电源进线，要确保微网既可以并网运行，也可以离网运行。光伏发电模块包括1台125kW光伏发电单元，2台30kW光伏发电单元以及1台4kW的小型光伏发电单元,光伏发电模块总容量189kW；风电模块包括4台300W风机，风电模块的总容量1.2kW；燃料电池模块为10kW/4h；V2G模块包括2个充放电桩，各30kW；同时配置了100kW/200kWh的电池储能模块。

本实施例还包括电能质量管理设备，所述电能质量管理设备包括有源滤波器和无功补偿模块，母联开关为一个空气断路器，本实施例的第一负荷包括冷冻机房、排水泵和电梯，第二负荷包括多功能厅、照明和动力装置，重要负荷包括监控中心、控制机房和计算机房，第一配电变压器和第二配电变压器还连接有有源滤波器和无功补偿模块。

本发明的微网主要具备如下四种运行方式。

(1)常规运行方式

常规运行方式下，两路外部电源独立向各自的负荷进行供电，要负荷相对均匀地分布在两段母线上。此时，静态开关PCC1、PCC2闭合，母联开关断开，两台变压器分裂运行，微网母线和重要负荷的自动电源切换系统自动选择默认的母线进行互联。

(2)第一进线独立供电方式

当第二进线发生故障后因检修失电后，要求所有的负荷转移到第一母线，第一进线独立供电，第二变压器退出运行。此时PCC1开关闭合，PCC2开关打开，母联开关闭合，重要负荷自切装置选择与第一母线相连。如果微网原先与第二母线相连，此时需要切换到第一母线。

(3)第二变压器单独供电方式

当第一进线发生故障后因检修失电后，要求所有的负荷转移到第二母线，第二进线独立供电，第一变压器退出运行。此时PCC2开关闭合，PCC1开关打开，母联开关闭合，重要负荷自切装置选择与2段母线相连。如果微网原先与1段母线相连，此时需要切换到2段母线，

(4)外部全失电运行方式

当第一进线、第二进线均发生故障或其它原因导致全失电后，供电系统转入由分布式电源供电模式，即微网进入离网运行方式。此时PCC2开关断开，PCC1开关断开，母联开关断开，系统中仅保留部分极其重要负荷由微网进行供电，

如图3，189kW光伏发电模块由1台125kW光伏逆变器、2台30kW光伏逆变器和1台4kW光伏逆变器组成，光伏发电模块可作为一个整体模块实现功率连续可调。光伏发电模块一次侧由一次连接线(4路光伏逆变器)接入微网系统；微网系统与光伏发电模块二次侧通过二次控制线连接，测控装置通过LAN通信方式接入微网控制器，光伏逆变器通过RS485通信方式接入微网控制器，此外，125KW光伏回路需接入电能质量监控装置。

如图4，1.2kW风电模块由4台300W风机组成，通过一台风电逆变器并网。风机要求有卸荷箱，即有卸荷电阻，当风机输出功率过大时，根据内部控制信号，接入功率连续可调的卸荷负载，消耗多余能量，在不停机的情况下保护系统；当紧急情况发生或维修等其他用户需要的时候，手动闭合刹车开关，风机三相输出短路使得风机停机，保护整个系统。风电模块一次侧由一次连接线接入微网系统；微网系统与风电模块二次侧通过二次控制线连接，风电逆变器通过RS485通信方式接入微网控制器。

如图5，燃料电池模块的整体设计满足消防安全要求。燃料电池模块一次侧由一次连接线(1路电池逆变器)接入微网系统；微网系统与燃料电池模块二次侧通过二次控制线连接，测控装置通过LAN通信方式接入微网控制器，电池逆变器通过RS485通信方式接入微网控制器。

如图6，“智能微网”系统集成了多种可再生能源系统，需要安装一套,储能系统，该储能系统采用锂电池100kW/200kWh，通过PCS系统(100kW)并入电网进行电能的存储和释放。储能模块包括储能电池组、电池管理系统、储能变流器、储能控制器和储能监控系统，电池管理系统与储能电池组通信连接，储能变流器的交流侧通过隔离变压器接入微网系统，储能变流器的直流侧连接电池组，储能变流器的通信端口与储能控制器通信连接，储能控制器通过CAN总线与电池管理系统通信连接，储能监控系统通过RS485接口与储能控制器通信连接，储能控制器通过以太网与微网控制器通信连接。储能控制器通过以太网与微网协调控制器交换系统信息、电池信息和控制指令，通过CAN总线与电池BMS交换信息，通过RS485接口与就地监控系统交换信息，完成储能子系统的就地控制功能。

如图7，V2G模块主要由隔离变压器、功率单元和电动汽车车载电池组成。功率单元主要由AC/DC功率单元和DC/DC功率单元两部分组成，并提供人机操作界面及直流充放电接口，具备相应测控保护功能。

V2G监控单元是V2G的一部分，是V2G的控制中心和通信枢纽，负责与充放电设施后台系统交换数据；完成充放电桩的充电与放电控制；与BMS通信获取电池状态和运行信息；获取电能计量表信息，完成充放电计费和充放电过程的联动控制；将计量计费、充放电桩工作信息传送给直流充放电桩，获取并执行直流充放电桩上送的控制命令等。

AC/DC功率单元的功能是将三相交流输入电压经过高频开关等方式进行变换得到脉动的直流电，最后经过输出滤波电路得到稳定的直流电压和直流电流。DC/AC功率单元的功能是将直流电源经过振荡电路及高频开关，滤波回路形成稳定的工频交流输出，整个过程通过连接电缆、直流充放电桩、充放电连接器、蓄电池及BMS等设备，完成电池充放电功能。

V2G具有为电动汽车安全自动地充满电及放电的能力，能依据电动汽车BMS提供的数据，动态调整充放电参数、执行相应动作，完成充放电过程。充放电桩具有实现外部手动控制的输入设备，可对充放电桩参数进行设定。

如图8，电能质量管理设备包括有源滤波器APF和无功补偿模块，有源滤波器APF和无功补偿模块采用并联式结构。其中，有源滤波器用于滤除大多数的谐波电流，无功补偿模块用来补偿系统的无功，这样有源滤波器的容量也会大大降低。APF及无功补偿模块对外通讯采用RS485接口、MODBUS通讯协议进行通信。本实施例中，在设备侧，将RS485通信接口首先转换成以太网接口，从而APF及无功补偿设备对外通讯将采用以太网接线方式、TCP MODBUS协议和主站进行通信。

本发明的能源系统包括光伏发电、风力发电、燃料电池、储能装置、V2G(Vehicle-to-grid，V2G)设施等多种能源，通过微网控制器的协调控制，可以在确保能源系统安全的前提下，综合应用多种可再生能源，实现能源利用的低碳化，提高能源系统的灵活性和可靠性。

Claims (8)

1.一种微网能源系统，包括第一母线和第二母线，第一母线通过第一静态开关连接电网的第一进线端，第二母线通过第二静态开关连接电网的第二进线端，所述第一母线和第二母线上均连接有负荷，第一母线和第二母线之间连接有母联开关，其特征在于：

设置第三母线，所述第三母线的两端分别通过第一并网开关和第二并网开关分别与微网的第一母线和第二母线对应连接，所述的第三母线与微网能源设备连接，所述的微网能源设备包括光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块和V2G模块，所述光伏发电模块、风电模块、储能模块、燃料电池模块、V2G模块与第三母线之间均连接有切换开关；

所述负荷包括第一负荷、第二负荷和重要负荷，所述第一负荷连接在第一母线上，所述第二负荷连接在第二母线上，所述重要负荷通过自动电源切换装置均匀的分布在第一母线和第二母线上，所述自动电源切换装置并联在所述母联开关的两端。

2.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于所述光伏发电模块包括一组光伏阵列、一组汇流箱和一组光伏逆变器，各光伏阵列均对应连接一个汇流箱，各所述汇流箱均对应接入一个光伏逆变器的直流侧，各所述光伏逆变器的交流侧均接入第三母线，在各保护测控点位置安装测控保护装置，在电能监测点安装电能质量监测装置，各所述测控保护装置和各所述光伏逆变器均设有与微网控制器连接的通信端口。

3.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于所述风电模块包括一组风力发电机、一组控制器、汇流箱和风电逆变器，各所述风力发电机均对应连接一个控制器的交流输入端，各控制器的直流输出端均接入汇流箱，风电逆变器的直流侧连接汇流箱，风电逆变器的交流侧接入第三母线，在保护测控点位置安装测控保护装置，所述风电逆变器和测控保护装置均设有与微网控制器连接的通信端口。

4.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于，所述燃料电池模块包括燃料电池和电池逆变器，所述电池逆变器的直流侧连接燃料电池，所述电池逆变器的交流侧接入第三母线，在保护测控点位置安装测控保护装置，所述电池逆变器和测控保护装置均设有与微网控制器连接的通信端口。

5.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于所述储能模块包括储能电池组、电池管理系统、储能变流器、储能控制器和储能监控系统，所述电池管理系统与储能电池组通信连接，所述储能变流器的交流侧通过隔离变压器接入微网的第三母线，所述储能变流器的直流侧连接电池组，所述储能变流器的通信端口与储能控制器通信连接，所述储能控制器通过CAN总线与电池管理系统通信连接，所述储能监控系统通过RS485接口与储能控制器通信连接，所述储能控制器通过以太网与微网控制器通信连接。

6.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于所述V2G模块包括隔离变压器、AC/DC功率单元、DC/DC功率单元、电动汽车车载电池、车载电池管理系统和V2G监控单元，所述车载电池管理系统与电动汽车车载电池通信连接，所述AC/DC功率单元的交流侧通过隔离变压器接入微网的第三母线，所述AC/DC功率单元的直流侧连接DC/DC功率单元的一侧，DC/DC功率单元的另一侧连接电动汽车车载电池，V2G监控单元分别通过CAN总线与车载电池管理系统、AC/DC功率单元和DC/DC功率单元通信连接，V2G监控单元通过以太网与微网控制器通信连接。

7.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于该系统还包括电能质量管理设备，所述电能质量管理设备包括有源滤波器和无功补偿模块。

8.根据权利要求1所述的微网能源系统，其特征在于所述第一负荷包括冷冻机房、排水泵和电梯，所述第二负荷包括多功能厅、照明和动力装置，所述重要负荷包括监控中心、控制机房和计算机房。