CN105762913A - 微电网系统 - Google Patents

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朱良红
吴志鹏
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Abstract

本发明公开了一种微电网系统,包括分布式发电模块、电能变换模块、电源管理模块、储电模块、直流母线和直流降压模块,分布式发电模块经电能变换模块连接电源管理模块,电能变换模块接收分布式发电模块产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块;电源管理模块经直流母线连接直流降压模块,电源管理模块依次经直流母线和直流降压模块以输出电压为负载供电;电源管理模块连接储电模块的充放电端,控制储电模块的充电及放电。本发明微电网系统,采用全直流输出给电器设备供电,电器设备无需设计整流桥电路和功率因素校正电路或者无需配备额外的适配器,降低了电器设备的成本,并且提升了电能的利用率。

Description

微电网系统
技术领域
[0001] 本发明涉及微电网技术领域,尤其涉及微电网系统。
背景技术
[0002] 近几年微电网成为了国内外研究的热点,这类电网可以有效地就近消纳分布式能源发出的电能,不需要远距离的长途输配电,因此可以大大提高电能的利用率,实现就近发电就近用电。并且随着分布式发电技术的不断进步,微电网成为了未来电网的一个发展趋势。
[0003] 由于微电网技术还不够成熟,基本处于研究和示范的阶段,因此商业运营的案例极少。目前的微电网主要为交流输出,需要使用直流电的电器(例如,直流变频空调、LED灯、消费电子类产品以及各种电池充电器等)就需要带有整流桥电路和和功率因素校正电路或者是配备额外的电源适配器,以将微电网提供的交流电转换为直流使用,这样导致直流电器设备的成本较高,且降低了电能利用率。
[0004] 因此,亟需提出一种降低直流电器设备成本和提高电能利用率的微电网方案。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的在于提出一种微电网系统,旨在降低直流电器设备的成本和提尚电能利用率。
[0006] 为实现上述目的,本发明提供一种微电网系统,所述微电网系统包括分布式发电模块、电能变换模块、电源管理模块、储电模块、直流母线和直流降压模块,其中:
[0007] 所述分布式发电模块经所述电能变换模块连接所述电源管理模块,所述电能变换模块接收所述分布式发电模块产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到所述电源管理模块;
[0008] 所述电源管理模块经所述直流母线连接所述直流降压模块,所述电源管理模块依次经所述直流母线和所述直流降压模块以输出电压为负载供电;
[0009] 所述电源管理模块连接所述储电模块的充放电端,控制所述储电模块的充电及放电。
[0010] 优选地,所述电源管理模块控制所述储电模块充电及放电的方式包括:所述电源管理模块在所述负载的用电负荷小于所述电能变换模块输出的功率时,对所述储电模块进行充电;所述电源管理模块在所述负载的用电负荷大于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述储电模块放电;所述电源管理模块在所述负载的用电负荷等于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述储电模块不工作。
[0011] 优选地,所述电源管理模块包括能量管理单元、直流升压电路、充放电电路和二极管,所述二极管的正极连接所述电能变换模块,所述二极管的负极经所述充放电电路连接所述储电模块的充放电端,所述二极管的负极还经所述直流升压电路连接所述直流母线;所述能量管理单元分别连接所述充放电电路、所述直流升压电路和所述直流降压模块。
[0012] 优选地,所述微电网系统还包括与所述直流母线连接的双向直流/交流变换器,所述双向直流/交流变换器用于将所述直流母线与外部电网系统连接。
[0013] 优选地,所述电源管理模块与所述双向直流/交流变换器连接,所述电源管理模块在所述电能变换模块无输出时,控制所述双向直流/交流变换器由所述外部电网系统向所述直流母线的方向导通。
[0014] 优选地,所述电源管理模块在所述储电模块充满电且所述负载的用电负荷小于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述双向直流/交流变换器由直流所述母线向所述外部电网系统的方向导通。
[0015] 优选地,所述直流降压模块包括至少一个中压降压器和至少一个低压降压器,所述中压降压器和低压降压器分别与所述直流母线连接。
[0016] 优选地,所述储电模块包括并联连接的蓄电池、超级电容及飞轮电池。
[0017] 优选地,所述分布式发电模块包括至少一个发电单元,所述电能变换模块包括至少一个稳压单元,所述稳压单元与所述发电单元--对应;所述发电单元经对应的稳压单元连接所述电源管理模块,所述稳压单元接收对应的发电单元产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到所述电源管理模块。
[0018] 本发明微电网系统,采用全直流输出给电器设备供电,电器设备无需设计整流桥电路和功率因素校正电路或者无需配备额外的适配器,降低了电器设备的成本,并且提升了电能的利用率;另外,本实施例的微电网系统采用全直流设计,由于直流电流没有交流电所存在的趋肤效应,因此,相较于交流电设计的微电网而言,在相同的带载能力条件下,本实施例的微电网系统可以采用更细的电力传输线,系统成本降低。本实施例的微电网系统的架构简单、更加微小化,适用于家庭使用,以及适用于未架设电网的偏远地区使用。
附图说明
[0019] 图1为本发明微电网系统第一实施例的架构示意图;
[0020]图2为本发明微电网系统第一实施例中的部分模块示意图;
[0021]图3为本发明微电网系统第一实施例中储电模块的模块结构示意图;
[0022] 图4为本发明微电网系统第二实施例的架构示意图。
[0023] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0024] 应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0025] 本发明提供一种微电网系统,参照图1,在本实施例中,该微电网系统包括分布式发电模块10、电能变换模块20、电源管理模块30、储电模块40、直流母线50和直流降压模块60,其中:分布式发电模块10经电能变换模块20连接电源管理模块30,分布式发电模块10发电产生的电能输出到电能变换模块20,电能变换模块20接收分布式发电模块10产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块30 ;电源管理模块30经直流母线50连接直流降压模块60,电源管理模块30接收电能变换模块20输出的直流电压,电源管理模块30依次经直流母线50和直流降压模块60以输出电压为负载70 (例如电器设备)供电;电源管理模块30连接储电模块40的充放电端A,控制储电模块40的充电及放电;在电能变换模块20输出的直流电压较大(即分布式发电模块10发电量较大)时,电源管理模块30控制储电模块40充电,电源管理模块30将电能变换模块20输出的直流电压的部分电能储存在储电模块40中;在电能变换模块20输出的直流电压较小(即分布式发电模块10发电量较小)时,电源管理模块30控制储电模块40放电以给电源管理模块30补充电压,而输出足够的电压给负载70供电。由于分布式发电模块10的输出功率不稳定,因此本实施例通过电能变换模块20将分布式发电模块10的发电产生的电能进行转换为稳定的直流电压。
[0026] 本实施例提出的微电网系统,采用全直流输出给电器设备供电,电器设备无需设计整流桥电路和功率因素校正电路或者无需配备额外的适配器,降低了电器设备的成本,并且提升了电能的利用率;另外,本实施例的微电网系统采用全直流设计,由于直流电流没有交流电所存在的趋肤效应,因此,相较于交流电设计的微电网而言,在相同的带载能力条件下,本实施例的微电网系统可以采用更细的电力传输线,系统成本降低。本实施例的微电网系统的架构简单、更加微小化,适用于家庭使用,以及适用于未架设电网的偏远地区使用。
[0027] 进一步地,本实施例电源管理模块30控制储电模块40充电及放电的方式包括:电源管理模块30在负载70的用电负荷小于电能变换模块20输出的功率时,即分布式发电模块10的发电功率大于用电负荷时,电源管理模块30对储电模块40进行充电,以将多余的电量储存在储电模块40中;电源管理模块30在负载70的用电负荷大于电能变换模块20输出的功率时,即分布式发电模块10的发电功率小于用电负荷时,电源管理模块30控制储电模块40放电,以为电源管理模块30补充电量给负载70供电;电源管理模块30在负载70的用电负荷等于电能变换模块20输出的功率时,即分布式发电模块10的发电功率刚好给负载70正常供电,控制储电模块40不工作,使储电模块40不放电也不充电。
[0028] 进一步地,参照图2,本实施例的电源管理模块30包括能量管理单元33、直流升压电路32、充放电电路31和二极管D ;二极管D的正极连接电能变换模块20,接收电能变化模块输出的直流电压;二极管D的负极经充放电电路31连接储电模块40的充放电端A,二极管D的负极还经直流升压电路32连接直流母线50 ;能量管理单元33分别连接充放电电路31、直流升压电路32和直流降压模块60。二极管D起防止逆流的作用,防止储电模块40经所述充放电电路31放电输出至电能变换模块20。能量管理单元33通过控制充放电电路31的工作以对储电模块40的充电和放电进行控制,储电模块40放电时,储电模块40输出的电流依次经充放电电路31、直流升压电路32输入到直流母线50中;储电模块40充电时,从二极管D输入的电流经充放电电路31对储电模块40充电。直流升压电路32将其接收到的电压升压到一定值(例如升压到380V)后输入到直流母线50上。能量管理单元33可采集直流加压模块的输出负荷和直流升压电路32的输入端(即连接二极管D负极的一端)的电压进行比对,以控制充放电电路31工作,从而控制储电模块40充放电状态。
[0029] 进一步地,参照图3,本实施例的储电模块40优选采用并联连接的蓄电池41、超级电容42及飞轮电池43。通过将蓄电、超级电容42和飞轮电池43并联使用,相互取长补短,使得储电模块40发挥出最佳的性能,例如,超级电容42能具有快速充放电和大电流放电的优异性能。当然,储能模块还可以为蓄电池41与超级电容42的并联组合或飞轮电池43与超级电容42的并联组合,或单个其它的储电器件,或者其它储电器件的组合方案。
[0030] 进一步地,本实施例的分布式发电模块10包括至少一个发电单元11,电能变换模块20包括至少一个稳压单元21,稳压单元21与发电单元11 一一对应;发电单元11经对应的稳压单元21连接电源管理模块30,稳压单元21接收对应的发电单元11产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块30。发电单元11可为光伏发电、风力发电、生物发电、微型燃气轮机、燃料电池等等,本实施例图中仅示出光伏发电、风力发电和生物发电。由于分布式发电模块10的发电单元11输出功率不稳定,例如光伏发电和风力发电输出的电压和功率波动较大,因此,对应每个发电单兀11都设有一个稳压单元21,以将发电单元11产生的电能进行转化为稳定的直流电压输出到电源管理模块30,各个稳压单元21的输出可汇流至同一电力线,在经该电力线输入电源管理模块30。对于发电产生交流电的发电单元11 (例如风力发电),其对应的稳压单元21可采用整流电路和稳压电路,对发电单元11产生的交流电进行整流和稳压以得到稳定的直流电压;而对于发电产生直流电的发电单元11 (例如光伏发电和生物发电),其对应的稳压单元21可直接采用稳压电路,对发电单元11产生的直流电进行稳压已得到稳定的直流电压。
[0031] 进一步地,参照图4,本实施例的技术方案基于第一实施例的技术方案。本实施例的微电网系统还包括与直流母线50连接的双向直流/交流变换器80,双向直流/交流变换器80用于将直流母线50与外部电网系统90(例如市电电网)连接。通过直流母线50通过双向直流/交流变换器80与外部电网系统90连接,在微电网系统发电量不足或无发电时,可将双向直流/交流变换器80由外部电网系统90向直流母线50的方向导通,从而将外部电网中的交流电整流成直流电补充到直流母线50上,为微电网系统的负载70进行供电,从而可保证微电网系统的可为负载70持续提供稳定的电压;在微电网系统发电量富余时,可将双向直流/交流变换器80由直流母线50向外部电网系统90的方向导通,将直流母线50上的直流电通过双向直流/交流变换器80逆变为交流电馈送到外部电网系统90中,避免了富余的发电量的浪费。
[0032] 进一步地,本实施例中,电源管理模块30与双向直流/交流变换器80连接,例如,电源管理模块30在电能变换模块20无输出时,即分布式发电模块10无发电量且储电模块40的电量用完时,控制双向直流/交流变换器80由外部电网系统90向直流母线50的方向导通,以使外部电网系统90的交流电转换为直流电补充到直流母线50上,而使负载70的正常运行。电源管理模块30在储电模块40充满电且负载70的用电负荷小于电能变换模块20输出的功率时,即发电量富余时,控制双向直流/交流变换器80由直流母线50向外部电网系统90的方向导通,将直流母线50上的直流电通过双向直流/交流变换器80逆变为交流电馈送到外部电网系统90中。
[0033] 进一步地,由于各类负载70的工作电压不尽相同,为满足各类负载70的供电使用,本实施例的微电网系统的直流降压模块60包括至少一个中压降压器61 (本实施例中以一个为例)和至少一个低压降压器62 (本实施例中以一个为例),中压降压器61和低压降压器62分别与直流母线50连接。中压降压器61降压后得到的电压相对较高,可供中高压负载70使用;低压降压器62降压后得到的电压相对较低,可供低压负载70使用。本实施例的中压降压器61和低压降压器62的数量可以为更多,以输出更多电压级别的供电电压供不同负载70使用。
[0034] 以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种微电网系统,其特征在于,所述微电网系统包括分布式发电模块、电能变换模块、电源管理模块、储电模块、直流母线和直流降压模块,其中: 所述分布式发电模块经所述电能变换模块连接所述电源管理模块,所述电能变换模块接收所述分布式发电模块产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到所述电源管理模块; 所述电源管理模块经所述直流母线连接所述直流降压模块,所述电源管理模块依次经所述直流母线和所述直流降压模块以输出电压为负载供电; 所述电源管理模块连接所述储电模块的充放电端,控制所述储电模块的充电及放电。
2.如权利要求1所述的微电网系统,其特征在于,所述电源管理模块控制所述储电模块充电及放电的方式包括:所述电源管理模块在所述负载的用电负荷小于所述电能变换模块输出的功率时,对所述储电模块进行充电;所述电源管理模块在所述负载的用电负荷大于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述储电模块放电;所述电源管理模块在所述负载的用电负荷等于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述储电模块不工作。
3.如权利要求1所述的微电网系统,其特征在于,所述电源管理模块包括能量管理单元、直流升压电路、充放电电路和二极管,所述二极管的正极连接所述电能变换模块,所述二极管的负极经所述充放电电路连接所述储电模块的充放电端,所述二极管的负极还经所述直流升压电路连接所述直流母线;所述能量管理单元分别连接所述充放电电路、所述直流升压电路和所述直流降压模块。
4.如权利要求1所述的微电网系统,其特征在于,所述微电网系统还包括与所述直流母线连接的双向直流/交流变换器,所述双向直流/交流变换器用于将所述直流母线与外部电网系统连接。
5.如权利要求4所述的微电网系统,其特征在于,所述电源管理模块与所述双向直流/交流变换器连接,所述电源管理模块在所述电能变换模块无输出时,控制所述双向直流/交流变换器由所述外部电网系统向所述直流母线的方向导通。
6.如权利要求4所述的微电网系统,其特征在于,所述电源管理模块在所述储电模块充满电且所述负载的用电负荷小于所述电能变换模块输出的功率时,控制所述双向直流/交流变换器由直流所述母线向所述外部电网系统的方向导通。
7.如权利要求1-6中任一项所述的微电网系统,其特征在于,所述直流降压模块包括至少一个中压降压器和至少一个低压降压器,所述中压降压器和低压降压器分别与所述直流母线连接。
8.如权利要求1-6中任一项所述的微电网系统,其特征在于,所述储电模块包括并联连接的蓄电池、超级电容及飞轮电池。
9.如权利要求1-6中任一项所述的微电网系统,其特征在于,所述分布式发电模块包括至少一个发电单元,所述电能变换模块包括至少一个稳压单元,所述稳压单元与所述发电单元一一对应;所述发电单元经对应的稳压单元连接所述电源管理模块,所述稳压单元接收对应的发电单元产生的电能,并将接收到的电能转化为稳定的直流电压输出到所述电源管理模块。
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