CN105932779A - 一种基于能量路由器的微电网 - Google Patents
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Abstract
本发明基于能量路由器的微电网包括能量路由器、分布式发电设备群和用电负载群,能量路由器包括直流母线、发电设备可控开关组、用电负载可控开关组、并网转换模块和电力控制系统,分布式发电设备群通过发电设备可控开关组与直流母线电连接,用电负载群通过用电负载可控开关组与直流母线电连接,并网转换模块一端与直流母线电连接,并网转换模块另一端与外电网电连接,电力控制系统根据微电网的能量盈亏状态控制并网转换模块向外电网供电或取电。本发明引入了多种分布式可再生能源发电模式,采用高度智能化管理的能量路由器管理输配电系统,具有智能化输配电管理和能源利用率高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电网,特别涉及一种基于能量路由器的微电网,属于微电网领域。
背景技术
在传统电网中,电能是由发电厂集中发出,通过输电网和配电网送达用户并供各类负载消耗使用的,在电能的发、输、配、用中采用工频交流电的形式,系统的整体潮流方向是单一的,电压和频率的调整主要依赖发电机励磁和输入机械功率的调整,惯性很大。传统变电站主要依赖人工控制,难以适应未来智能电网的需求。未来的智能化变电站将作为控制电力流向和灵活调整电压的核心设施,将成为“电力流、信息流、业务流”汇集的焦点。以工频电力变压器为核心的传统变电站受其固有技术的局限,难以满足上述要求。传统变电技术面临着以下几方面问题。
(1)占用空间大、设备笨重
传统变电站作为不同电压等级电网的接口节点,其赖以实现电压等级变换的核心设备是由铜制绕组和硅钢片铁芯所构成的主变压器。此类工频电力变压器属于较为笨重的设备,其体积和重量都较大,这为变电站的建设(尤其是城市配网变电站)带来了诸多困难与不便,也严重影响了电网的经济性。
(2)被动性及其带来的多重缺陷
传统变电站所用的工频电力变压器属于被动式设备,这样的属性决定不连结发电机组的降压变电站在电力系统中是一个缺少可控性的被动节点。建设智能电网需要实现对于电网,尤其是末端配电网灵活迅速的智能化控制,传统变电站无法满足上述要求。另外,由于传统电力变压器的固有弱点,一侧电网电压的波动将直接而实时地对另一侧产生影响和干扰,用户各类设备产生的谐波和畸变也会通过变压器传入骨干电网形成电力污染。
(3)固有的故障保护能力欠缺
随着电力系统的规模日益扩大,人们对于电力系统运行的安全性与稳定性以及电能质量有了更高的要求。目前的变电站采用传统的电力系统继电保护方式,如电流保护、距离保护、纵联保护等。主要依靠各种保护电力互感器采集一次侧电压电流信号经由二次侧继电保护装置分析判断,最终由各种断路器实施保护动作,断开相应线路。这种继电保护方式技术成熟,可靠性高,但是需要在主电路的基础上附加大量设备,额外占用的空间较大,使得变电站建设和运行的经济性受到影响。此外更加重要的是传统机械式断路器受制于其工作机理,动作时间较长,且通常需要在交流过零点开断故障电流。未来的智能电网中存在大量的电力电子变流器装置,此类设备相比于传统电力设备,热容量较小,对断路电流的耐受能力有限,要求保护装置快速切除故障,而传统方案无法满足要求。
(4)智能化程度不足
传统变电站是基于传统电气控制技术构建的,依靠人作为控制监控的核心,自动化水平相对不足。在传统变电站中,二次设备主要采取小规模集成电路或电磁模式,主要依赖触点和电缆进行通讯传递。因此其自动检测功能缺乏,结构复杂且其可靠性偏低,数据量小、灵活性差且难以实现数字化与智能化。
发明内容
本发明一种基于能量路由器的微电网公开了新的方案,引入了多种分布式可再生能源发电模式,采用高度智能化管理的能量路由器管理输配电系统,解决了传统电网系统整体电力潮流方向单一、惯性大,能源利用率低的问题。
本发明基于能量路由器的微电网包括能量路由器、分布式发电设备群和用电负载群,能量路由器包括直流母线、发电设备可控开关组、用电负载可控开关组、并网转换模块和电力控制系统,分布式发电设备群通过发电设备可控开关组与直流母线电连接,用电负载群通过用电负载可控开关组与直流母线电连接,并网转换模块一端与直流母线电连接,并网转换模块另一端与外电网电连接,电力控制系统根据微电网的能量盈亏状态控制并网转换模块向外电网供电或取电。
本发明一种基于能量路由器的微电网引入了多种分布式可再生能源发电模式,采用高度智能化管理的能量路由器管理输配电系统,具有智能化输配电管理和能源利用率高的特点。
附图说明
图1是本发明一种基于能量路由器的微电网的原理示意图。
具体实施方式
在未来的智能电网中以电压电流为载体的能量不再像过去一样单向地、被动地由电厂流往用户,而是像计算机通讯网络中的数据一样彼此交互流通,同时受到实时而高度智能化的控制与调度。在智能电网中绝大多数终端用户节点不在是纯负载性节点,而是一个具备分布式发电能力的交流或直流微网。当本地发电功率超过本地负荷消耗功率时,则该节点在控制系统的调度下向电网有序发送电能,当本地发电功率不能满足本地负荷需求时,则从电网接受电能以保证用户需求。若电网发生故障,用户微网可以从电网解列转入孤岛运行,由本地电源满足本地重要负荷需求。为了达到上述目标,本方案对传统的电力网架进行了改造,在电网中引入分布式发电设备,采用类似“路由器”一样的枢纽性设备,也就是能量路由器,如图1所示,具体是基于能量路由器的微电网包括能量路由器、分布式发电设备群和用电负载群,能量路由器包括直流母线、发电设备可控开关组、用电负载可控开关组、并网转换模块和电力控制系统,分布式发电设备群通过发电设备可控开关组与直流母线电连接,用电负载群通过用电负载可控开关组与直流母线电连接,并网转换模块一端与直流母线电连接,并网转换模块另一端与外电网电连接,电力控制系统根据微电网的能量盈亏状态控制并网转换模块向外电网供电或取电。本方案的微型电网可以加入很多不同发电性质的发电源,这种方案有利于不同能源的综合利用,扩展了微网的范围。本方案采用的直流母线的组网结构可以降低微型电网的控制难度和提高微型电网的供电质量。直流母线的组网结构可以降低不同发电源组成的微型电网的成本,从而降低输电损失,直流发电源通过DC/DC变换器并网比通过逆变并网的难度低,控制成本也相应低。直流母线的组网结构在微型电网对大电网并网环节上也具有优势,对大电网十分有利。
能量路由器作为未来智能电网的关键性设备同时肩负能量传递和信息数据传递双重任务,其核心功能有:对电力系统的潮流进行动态调节,对电力系统中的信息数据进行实施传送。能量路由器即是能量枢纽也是信息枢纽,同时也进行智能控制的作用节点。考虑到能量路由器功能的多重性,可以认为能量路由器是集电力电子技术、通信技术和智能控制技术于一身的综合体。本方案的能量路由器是通过其电力控制系统实现对各个分布式发电电源和储能单元进行统一调度和控制的,从而实现整体微网的高效、安全和稳定运行。具体是能量路由器起到协调微网和外电网的输电模式和稳定微网直流母线的作用,即能量路由器的并网转换模块包括并网DC/DC转换器、并网AC/DC转换器、自备供电模块和高压检出部,并网DC/DC转换器和并网AC/DC转换器调整外电网与直流母线间的输电模式,自备供电模块稳定直流母线的电压数值。进一步,上述方案的自备供电模块包括直流储能器和交流储能器,直流储能器包括DC/DC转换器和直流蓄电池,交流储能器包括DC/AC转换器和交流蓄电池,电力控制系统根据直流母线的实时电压高于设定电压的电路状态开启自备供电模块的充电模式,自备供电模块从直流母线获取能量,电力控制系统根据直流母线的实时电压低于设定电压的电路状态开启自备供电模块的放电模式,自备供电模块向直流母线输出能量。通过以上方案实现了直流母线的稳压以及微网与外电网的连通合并。
能量路由器作为广泛存在于未来智能电网中的设备,其结构和发挥的功能与其安装的位置密切相关。能量路由器在电力系统的各个层面上均发挥着不同的作用,这一点与计算机网络中的路由器设备很相似。在发电层面,能量路由器充当各种类型分布式电源(或包含电源的终端微网)接入骨干智能电网的接口设备。当局部电能过剩时,能量按照实时调度系统的控制输入大电网,当局部电能不足时,通过能量路由器从大电网吸收能量。在输电层面,能量路由器作为电力潮流动态优化控制设备,负责执行调度系统的指令,将电能充裕区域的富余能量配送到需要电能的区域。在配电层面,能量路由器承担传递和配送能量的任务,其需要实时检测各个用户区域消耗功率情况并将相关信息发送给上级调度系统,实现电力优化配置。在运行控制层面上能量路由器则起到传感器的作用,安放在电网中的能量路由器如同一系列神经末梢,时刻感知电网的动态,并通过专用通信网络将数据发送到调度系统供分析决策之用。在用户层面,能量路由器则作为局部用电设备或家庭微电网接入智能电网的接口设备,可以实现智能化能量管理和即插即用式能量获取。在市场层面,能量路由器可以作为搜集电网内能量供需信息的装置,同时用户端能量路由器可以起到智能双向电表的作用,检测用户能量使用情况。在电力服务层面,能量路由器是电力公司获取用户用电信息的来源,通过能量路由器提供的数据,服务商可以优化资源配置,制定合理的电力系统建设、运行规划,提高服务质量。
为了扩展微网的应用范围,高效利用各种可再生能源,扩容能源渠道,本方案的分布式发电设备群包括充电混合动力车终端、风力涡轮发电机终端、光伏发电设备终端、水力发电设备终端,发电设备可控开关组包括充电混合动力车终端可控开关、风力涡轮发电机终端可控开关、光伏发电设备终端可控开关、水力发电设备终端可控开关,充电混合动力车终端通过充电混合动力车终端可控开关向直流母线供电或取电,风力涡轮发电机终端通过风力涡轮发电机终端可控开关向直流母线供电,光伏发电设备终端通过光伏发电设备终端可控开关向直流母线供电,水力发电设备终端通过水力发电设备终端可控开关向直流母线供电,电力控制系统根据发电设备终端的发电状态和微电网的能量平衡状态控制发电设备终端可控开关的启闭。本方案的分布式发电设备并不限于以上提及的部分,还可以是可再生能源以及各种稳定供能单元,例如燃气轮机组、柴油机组等。进一步,本方案的充电混合动力车终端包括车载输电控制器、车载蓄电池和车载输电DC/DC转换器,车载蓄电池通过车载输电DC/DC转换器将输出电压转换成直流母线的设定电压,直流母线输出的电压通过车载输电DC/DC转换器转换成车载蓄电池的工作电压。风力涡轮发电机终端包括风力输电控制器、风力涡轮发电装置和风力发电DC/DC转换器,风力涡轮发电装置通过风力发电DC/DC转换器将输出电压转换成直流母线的设定电压。光伏发电设备终端包括光伏输电控制器、光伏发电装置和光伏发电DC/DC转换器,光伏发电装置通过光伏发电DC/DC转换器将输出电压转换成直流母线的设定值。水力发电设备终端包括水力输电控制器、水利发电装置和水力发电DC/DC转换器,水利发电装置通过水力发电DC/DC转换器将输出电压转换成直流母线的设定电压。以上供电单位都由电力控制系统监控并智能调度并入直流母线。
本方案的用电负载群可以包括可控交流负载终端、传统交流负载终端、智能母线电压直流负载终端,用电负载可控开关组包括可控交流负载终端可控开关、传统交流负载终端可控开关、智能母线电压直流负载终端可控开关,可控交流负载终端通过可控交流负载终端可控开关向直流母线取电,传统交流负载终端通过传统交流负载终端可控开关向直流母线取电,智能母线电压直流负载终端通过智能母线电压直流负载终端可控开关向直流母线取电,电力控制系统根据微电网的能量平衡状态和负载终端的优先供给权限控制用电负载终端可控开关的启闭。本方案的用电负载并不限于以上提及的部分,还可以是其它直流用电器设备。进一步,本方案的可控交流负载终端包括可控交流负载输电控制器、可控智能交流负载和可控交流负载DC/AC转换器,直流母线输出的电压通过可控交流负载DC/AC转换器转换成可控智能交流负载的工作电压。传统交流负载终端包括传统交流负载输电控制器、传统交流负载、传统交流负载DC/AC转换器和低压传感器,直流母线输出的电压通过传统交流负载DC/AC转换器转换成传统交流负载的工作电压。智能母线电压直流负载终端包括智能母线电压直流负载输电控制器、智能母线电压直流负载,直流母线输出的电压直供智能母线电压直流负载。以上用电点位都由电力控制系统监控并智能选择优先供电单位,保证其供电质量。
以上方案中涉及的电路、模块以及电子元器件均可采用本领域通用的方案或选型,也可以根据实际需要采用特别设计的方案。
本方案的基于能量路由器的微电网引入了多种分布式可再生能源发电模式,采用高度智能化管理的能量路由器管理输配电系统,采用多种分布式可再生能源扩展微网的应用范围,采用智能的分配方案管理各种用电负载的供电方案,具有大量引入分布式可再生能源发电和实现能量的智能化管理和使用的特点,极大提高了能源的使用效率,缓解了传统能源方式造成的各种社会、环境问题。基于以上特点,本方案的基于能量路由器的微电网相比传统的电网模式及其改进具有突出的实质性特点和显著的进步。
本方案的基于能量路由器的微电网并不限于具体实施方式中公开的内容,实施例中出现的技术方案可以单独存在,也可以相互包含,本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于能量路由器的微电网,其特征是包括能量路由器、分布式发电设备群和用电负载群,所述能量路由器包括直流母线、发电设备可控开关组、用电负载可控开关组、并网转换模块和电力控制系统,所述分布式发电设备群通过所述发电设备可控开关组与所述直流母线电连接,所述用电负载群通过所述用电负载可控开关组与所述直流母线电连接,所述并网转换模块一端与所述直流母线电连接,所述并网转换模块另一端与外电网电连接,所述电力控制系统根据所述微电网的能量盈亏状态控制所述并网转换模块向所述外电网供电或取电。
2.根据权利要求1所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述并网转换模块包括并网DC/DC转换器、并网AC/DC转换器、自备供电模块和高压检出部,所述并网DC/DC转换器和并网AC/DC转换器调整所述外电网与所述直流母线间的输电模式,所述自备供电模块稳定所述直流母线的电压数值。
3.根据权利要求2所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述自备供电模块包括直流储能器和交流储能器,所述直流储能器包括DC/DC转换器和直流蓄电池,所述交流储能器包括DC/AC转换器和交流蓄电池,所述电力控制系统根据所述直流母线的实时电压高于设定电压的电路状态开启所述自备供电模块的充电模式,所述自备供电模块从所述直流母线获取能量,所述电力控制系统根据所述直流母线的实时电压低于设定电压的电路状态开启所述自备供电模块的放电模式,所述自备供电模块向所述直流母线输出能量。
4.根据权利要求1所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述分布式发电设备群包括充电混合动力车终端、风力涡轮发电机终端、光伏发电设备终端、水力发电设备终端,所述发电设备可控开关组包括充电混合动力车终端可控开关、风力涡轮发电机终端可控开关、光伏发电设备终端可控开关、水力发电设备终端可控开关,所述充电混合动力车终端通过所述充电混合动力车终端可控开关向所述直流母线供电或取电,所述风力涡轮发电机终端通过所述风力涡轮发电机终端可控开关向所述直流母线供电,所述光伏发电设备终端通过所述光伏发电设备终端可控开关向所述直流母线供电,所述水力发电设备终端通过所述水力发电设备终端可控开关向所述直流母线供电,所述电力控制系统根据发电设备终端的发电状态和微电网的能量平衡状态控制发电设备终端可控开关的启闭。
5.根据权利要求4所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述充电混合动力车终端包括车载输电控制器、车载蓄电池和车载输电DC/DC转换器,所述车载蓄电池通过所述车载输电DC/DC转换器将输出电压转换成所述直流母线的设定电压,所述直流母线输出的电压通过所述车载输电DC/DC转换器转换成所述车载蓄电池的工作电压;所述风力涡轮发电机终端包括风力输电控制器、风力涡轮发电装置和风力发电DC/DC转换器,所述风力涡轮发电装置通过所述风力发电DC/DC转换器将输出电压转换成所述直流母线的设定电压;所述光伏发电设备终端包括光伏输电控制器、光伏发电装置和光伏发电DC/DC转换器,所述光伏发电装置通过所述光伏发电DC/DC转换器将输出电压转换成所述直流母线的设定值;所述水力发电设备终端包括水力输电控制器、水利发电装置和水力发电DC/DC转换器,所述水利发电装置通过所述水力发电DC/DC转换器将输出电压转换成所述直流母线的设定电压。
6.根据权利要求1所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述用电负载群包括可控交流负载终端、传统交流负载终端、智能母线电压直流负载终端,所述用电负载可控开关组包括可控交流负载终端可控开关、传统交流负载终端可控开关、智能母线电压直流负载终端可控开关,所述可控交流负载终端通过所述可控交流负载终端可控开关向所述直流母线取电,所述传统交流负载终端通过所述传统交流负载终端可控开关向所述直流母线取电,所述智能母线电压直流负载终端通过所述智能母线电压直流负载终端可控开关向所述直流母线取电,所述电力控制系统根据微电网的能量平衡状态和负载终端的优先供给权限控制用电负载终端可控开关的启闭。
7.根据权利要求6所述的基于能量路由器的微电网,其特征在于,所述可控交流负载终端包括可控交流负载输电控制器、可控智能交流负载和可控交流负载DC/AC转换器,所述直流母线输出的电压通过所述可控交流负载DC/AC转换器转换成所述可控智能交流负载的工作电压;所述传统交流负载终端包括传统交流负载输电控制器、传统交流负载、传统交流负载DC/AC转换器和低压传感器,所述直流母线输出的电压通过所述传统交流负载DC/AC转换器转换成所述传统交流负载的工作电压;所述智能母线电压直流负载终端包括智能母线电压直流负载输电控制器、智能母线电压直流负载,所述直流母线输出的电压直供所述智能母线电压直流负载。
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Legal Events
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160907 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |