CN104682532A - 一种适用于可持续建筑的双向互动式直流极微型电网系统 - Google Patents

一种适用于可持续建筑的双向互动式直流极微型电网系统 Download PDF

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Abstract

结合我国建筑特点和需求，提出一种适用于可持续建筑的包含热电联产系统的双向互动式直流极微型电网系统。极微电网采用直流母线将新能源发电、超级电容储能系统、热电联产系统、负荷以及控制系统结合在一起，形成一个污染少、能源利用率高、安装地点灵活的智能微电网，可以工作在孤岛和并网两种工作模式。极微电网可以通过双向交流-直流(AC-DC)变换器接入交流电网，实现功率的双向流动。储能系统采用超级电容和换电式电动汽车电池混合储能结构，同时系统通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理。通过合理设计和协调控制，所提出的直流极微电网系统可以提高可持续建筑电能质量；将热、电系统相结合提高能源利用效率；实现分布式新能源的有效利用和节能减排的功能。

Description

一种适用于可持续建筑的双向互动式直流极微型电网系统
技术领域
本发明涉及一种电力系统直流极微电网系统与热电联产系统相结合的供电系统。尤其是指可与交流大电网实现功率双向流动，用于可持续建筑的，将房屋电能系统与热能系统相结合的，具有高能量利用率的直流极微电网供电系统。
背景技术
随着经济的快速发展，能源危机和环境污染已成为当今世界所面临的严重问题。可持续建筑可以实现建筑的“零耗能”，利用新能源发电，降低有限的化石燃料的消耗，减少空气污染，实现节能减排和城市的可持续发展，是未来城市大力发展的住宅类型。
目前，公知的可持续建筑是利用保温材料作为墙壁、使用LED照明等方法提高节能性；利用分布式可再生能源发电提供电力。但是，与微型电网相比，分布式可再生能源发电能源利用率低，控制结构分散，用户操作复杂。一般的可持续住宅电、热能量系统分开管理，不能实现能量的最大化利用。
本发明采用极微型电网将可再生能源、储能系统、热电联产系统结合起来，形成一个污染少、能源利用率高、安装地点灵活的智能微电网，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗，减少了电网总容量，改善了电网峰谷性能，提高了可靠性。同时系统通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理。
其中，采用直流微电网形式，它具有无集肤效应、损耗小、效率高、无需无功补偿、不存在交流供电系统固有的稳定问题、输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制以及易于控制等优点。通过双向交流-直流(AC-DC)变换器实现与大电网功率的双向流动。
发明内容
本发明为实现分布式能源的高效率利用，解决可持续建筑“零能耗”问题，为用户提供方便、经济的电力能源，提出一种符合现代建筑特点的直流极微型电网系统。该系统采用直流母线将分布式能源发电、储能系统、热电联产系统、负荷以及控制系统结合在一起，使住宅电网成为大电网的一个可控负载，可以工作在孤岛和并网两种工作模式。储能系统采用超级电容和换电式电动汽车电池混合储能结构，同时系统通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理。
本发明采用的技术方案是：
将双向交流-直流(AC-DC)变换器、分布式电源、包含超级电容和换电式电动汽车电池的混合储能系统、热电联产系统以及负荷通过直流母线在可持续建筑内构成双母线直流极微电网，通过微电网的控制提高电能质量。
极微电网可以通过双向交流-直流(AC-DC)变换器并联接入交流电网。双向交流-直流(AC-DC)变换器既可以是电压源变换器，也可以是电流源变换器。双向交流-直流(AC-DC)变换器若采用脉宽调制(PWM)控制，则可以减少系统谐波，提高系统的功率因数。双向交流-直流(AC-DC)变换器也可以采用双闭环矢量解耦PWM控制的双向AC/DC换流器，内环电流控制，外环电压控制。当极微电网内功率不足时，可由交流大电网提供能量；当微电网电能过剩时，直流母线电压升高到限定阀值，功率由双向换流器流向交流大电网，实现功率的双向流动。
在每套房里都设置一套热电联产系统，系统通过直流-直流(DC-DC)变换器与直流母线相连。热电联产系统不仅可以提供电能，而且为用户提供生活用水或者暖通空调用水。同时系统通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理。
混合储能系统由超级电容和换电式电动汽车电池组成，通过双向直流-直流(DC-DC)变换器与直流母线相连。当极微电网系统电能过剩时，直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值，混合储能系统吸收多余的电能并通过充放电机向电动汽车动力电池充电，除此以外的多余电能通过双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为逆变器)回馈到交流电网，以避免直流母线电压超过限定值；当极微电网系统电能不足时，直流母线电压降低到所限定的电压阈值，双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为整流器)将交流电能变为直流电能向直流母线供电，混合储能系统放电向直流母线供电，以避免直流母线电压低于限定值，维持系统的功率平衡。
如果分布式电源和储能系统容量足够大，则极微电网不仅可以运行在并网状态，而且可以运行在离网(或孤岛)状态。在交流供电系统故障时，可以运行在离网(或孤岛)状态，由分布式电源和储能系统为房屋供电。
极微电网采用直流母线结构。针对未来可持续建筑，相比于交流母线，采用直流母线具有更多的优势，可以减少功率变流器的级数，提高整体效率，无需考虑频率稳定性、无功功率、集肤效应和交流损耗等问题。
系统中变换器的控制既可以采用主从控制，也可以采用对等控制或下垂控制，又可以采用分层控制。系统中控制指令可以由控制中心通过通讯系统给定，也可以根据系统的电压和电流给定。
本发明与现有技术相比，具有的优点是：
在可持续建筑中，利用直流极微电网将分布式能源发电、储能系统、热电联产系统、负荷以及控制系统结合在一起，实现了分布式新能源的有效利用、提高了供电质量；采用直流母线减少功率变流器的级数、提高整体效率；利用热电联产系统提高能源利用效率，同时为用户提供生活用水；通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现综合能量管理；基于超级电容和换电式电动汽车电池的混合储能系统实现了能量的回收，减小了直流母线电压的波动；如果分布式电源和储能系统容量足够大，系统可以孤岛运行，从而提高了可持续住宅的供电可靠性。
附图说明
图1为含热电联产系统的双母线直流极微电网系统结构图。
图2为混合储能系统结构框图。
图3为热电联产系统图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照附图1，本发明专利所公开的是一种适用于可持续建筑含热电联产系统的双母线直流极微电网系统。该系统采用直流母线将光伏发电、超级电容储能系统、热电联产系统、负荷以及控制系统结合在一起。并网变换器采用双向交流-直流(AC-DC)变换器实现功率的双向流动。每个房间都安装一套热电联产系统，不仅为用户提供电力，而且提供生活用水，提高能源利用效率。清洁能源(太阳能、风能)发电通过单向变换器为直流母线供电。
参照附图2，为稳定直流母线电压，用超级电容与换电式电动汽车电池组成可与直流母线快速双向互动的混合储能系统。当极微电网系统电能过剩时，直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值，混合储能系统吸收多余的电能并通过充放电机向电动汽车动力电池充电，除此以外的多余电能通过双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为逆变器)回馈到交流电网，以避免直流母线电压超过限定值；当极微电网系统电能不足时，直流母线电压降低到所限定的电压阈值，双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为整流器)将交流电能变为直流电能向直流母线供电，混合储能系统放电向直流母线供电，以避免直流母线电压低于限定值，维持系统的功率平衡。
参照附图3，为提高系统效率，方便用户热水供应，同时将房屋热能系统与电能系统相结合，实现综合能量管理，每套住房都安装热电联产系统。电加热器可以控制水箱温度，吸收峰值电力，在电池充满等故障情况下保护储能系统。电加热器可以设置手动开关和自动开关，自动开关参考值应包括电池电量、水温、与大电网的功率交换，根据参考值实现开关的平滑过渡，手动开关可以方便用户的其他需求。

Claims (7)

1.本发明提出一种适用于可持续建筑的含热电联产系统的双向互动式直流极微型电网系统，其特征在于，采用直流母线将分布式能源发电、储能系统、热电联产系统、负荷以及控制系统结合在一起，形成一个可控的智能微电网，提高电能质量；通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理；采用超级电容和换电式电动汽车电池混合储能系统，通过双向交流-直流(AC-DC)变换器实现与大电网功率的双向流动，可以工作在孤岛和并网两种工作模式。
2.根据权利要求1所述的热电联产系统，其特征在于，每套房间里设置一套热电联产系统，也可以几套房间共用一套热电联产系统。热电联产系统不仅提供电力补充，也为用户提供生活用水，生活用水应用类型不受限制。
3.根据权利要求1所述的热系统和电系统相结合，其特征在于，通过热电联产系统、热水箱和电加热器将房屋热能系统与电能系统相结合，实现能量的综合管理。每套房间里设置一个热循环大水箱，电加热器可以控制水箱温度，吸收峰值电力，在电池充满等故障情况下保护储能系统。电加热器可以设置手动开关和自动开关，自动开关参考值应包括电池电量、水温、与大电网的功率交换，根据参考值实现开关的平滑过渡，手动开关可以方便用户的其他需求。大水箱可以满足房屋里所有供热系统所需，包括供暖、暖通空调、生活用水等。
4.根据权利要求1所述的双向并网变换器，其特征在于，极微电网可以通过双向交流-直流(AC-DC)变换器并联接入交流电网。双向交流-直流(AC-DC)变换器既可以是电压源变换器，也可以是电流源变换器。双向交流-直流(AC-DC)变换器若采用脉宽调制(PWM)控制，则可以减少系统谐波，提高系统的功率因数。双向交流-直流(AC-DC)变换器也可以采用双闭环矢量解耦PWM控制的双向AC/DC换流器，内环电流控制，外环电压控制。当极微电网内功率不足时，可由交流大电网提供能量；当微电网电能过剩时，直流母线电压升高到限定阀值，功率由双向换流器流向交流大电网，实现功率的双向流动。
5.根据权利要求1所述的混合储能系统，其特征在于，将超级电容与换电式电动汽车电池相结合，通过双向直流-直流(DC-DC)变换器与直流母线相连。当极微电网系统电能过剩时，直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值，混合储能系统吸收多余的电能并通过充放电机向电动汽车动力电池充电；当极微电网系统电能不足时，直流母线电压降低到所限定的电压阈值，混合储能系统放电向直流母线供电，以避免直流母线电压低于限定值，维持系统的功率平衡。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，系统中变换器的控制既可以采用主从控制，也可以采用对等控制或下垂控制，又可以采用分层控制。系统中控制指令可以由控制中心通过通讯系统给定，也可以根据系统的电压和电流给定。
7.根据权利要求1所述的孤岛和并网两种工作模式，其特征在于，如果分布式电源和储能系统容量足够大，则极微电网不仅可以运行在并网状态，而且可以运行在离网(或孤岛)状态。在交流供电系统故障时，可以运行在离网(或孤岛)状态，由分布式电源和储能系统为房屋供电。
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