CN110417052B - 交直流混合微电网群串并混联组网结构、控制系统及运行控制方法 - Google Patents

交直流混合微电网群串并混联组网结构、控制系统及运行控制方法 Download PDF

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Abstract

一种交直流混合微电网群串并混联组网结构、控制系统及运行控制方法,所述交直流混合智能微电网群网组网结构包括多个交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网以及多个柔性直流配电系统;各交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网通过柔性直流配电系统进行串并联混联方式连接;交流配电网通过微电网群PCC点开关与第一级交流串联子微网相连;各交流串联子微网顺次通过相邻的柔性直流配电系统换流阀及直流母线进行串行连接组成串联组网拓扑结构;各直流子微网通过双向DC/DC变换器接入对应的柔性直流配电系统的直流母线上;各交流并联子微网通过柔性直流配电系统并联换流阀并联接入串行连接的柔性直流配电系统的直流母线。

Description

交直流混合微电网群串并混联组网结构、控制系统及运行控 制方法
技术领域
本发明属于分布式发电及微电网技术领域,涉及到一种交直流混合微电网群串并混联组网结构及其运行方法。
背景技术
能源是经济和社会发展的重要物质基础。近年来,能源需求持续增长,化石能源日趋枯竭,核能的限制性发展,促使能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻挑战。此外,生态环境的日益恶化,传统电力系统结构的不断老化,用户对电能质量的要求越来越高,都使得可再生能源的开发和利用逐渐成为社会可持续发展的必由之路。世界各国为实现能源的可持续利用和经济社会的和谐发展,普遍采取措施以提高能源利用效率、大力发展清洁可再生能源、改善能源结构。分布式发电作为一种环保、高效、灵活的发电方式受到世界各国的高度重视,其优势主要体现在减少大规模远距离输电的线路损耗和输变电投资运行成本、有效提高能源的利用效率,改善电网峰谷性能、对重要负荷的维持供电有助于大电网快速黑启动等诸多方面。与此同时,由于风、光等间歇性和随机波动性,分布式电源在配电网的广泛接入会给配电网的供电电能质量、继电保护等方面带来一系列负面影响。
为了整合各种分布式电源的优势,减弱分布式发电对大电网的不利影响,最大限度地挖掘分布式发电的经济效益,美国可靠性技术解决方案协会(CERTS)率先提出了微电网(microgrid)的概念。微电网作为一种能源供应系统中增加分布式电源渗透率的新型能量传输模式与管理技术,能够方便的接入分布式可再生能源系统,提高能源利用效率和实现需求侧管理。微电网系统为分布式发电技术注入了新的活力,对于大电网系统来说,微电网在正常状态下能作为一个可控单元并网运行,具有灵活的运行方式和可调度性能,当大电网故障或电能质量不满足要求时,又能作为自治系统独立运行,从而将随机不确定的分布式电源并网问题转化为确定可控的微电网并网问题,有效协调了分布式发电与大电网间的矛盾;对于终端用户来说,微网通过集成调度不同的分布式电源可以满足他们对电能质量、供能可靠性和安全性的要求以及冷热电供能多样性的需求。因此,微电网解决了分布式电源的大规模接入问题,充分发挥分布式电源的各项优势,实现了电力供应的高效、安全、清洁、可靠。随着智能电网逐渐成为电力系统未来发展的重要方向,微电网先进灵活的控制方式能够满足智能电网的要求,而且整合了高比重的可再生能源,是未来智能电网中配电网的重要组成部分。
与此同时,由于配电网中用户负荷以及分布式电源的广域分布,单一的微电网的系统无法实现对广域分布式电源综合优化利用,而多个微电网系统的建设将会因缺乏协同调度将给配电网的运行控制管理带来难度,为此微电网群的概念应运而生。随着微电网系统的增多,将邻近的微电网系统组成一个互联的微电网系统(即微电网群系统),一方面能够进行配电网内时空广域分布式的分布式电源互补开发,实现各子微电网系统内分布式电源的优势互补,提升配电网的运行经济性;另一方面,通过对微电网群内对各个子微电网系统的协同控制,能够提升微电网群系统的供电可靠性和供电电能质量,并通过微电网群协同与配电网之间的友好互动,提升配电网的供电可靠性和故障抗灾能力。
现有微电网群系统多以交流系统为主干网络,多个交流子微网之间通过交流系统串或并行互联,直流子微网通过双向AC/DC变流器接入交流子微网。这种组网方式主要存在如下不足:1、系统组网的灵活有限,无法充分满足未来微电网群在配电网广泛应用时的多工况复杂应用场景需求;2、对于配电网中广域分布式的分布式电源及用户负荷而言,通过交流方式进行子微网互联会因长距离的配电线路传输引起系统无功/电压的波动,因此需要系统额外配置无功补偿装置,同时也会因无功/电压的波动问题给微电网群的稳定运行控制带来困难;3、直流子微网作为交流子微网的一部分通过AC/DC双向变流器接入,交流子微网的运行稳定性及供电电能质量会对AC/DC双向变流器的稳定运行产生影响,进而影响直流子微网的稳定运行。
为此,本发明提出一种交直流混合微电网群串并混联组网结构及其多模态运行控制方法,利用柔性直流配电技术实现交直流混合智能微电网群系统中多个交流子微网、直流子微网之间的串并联混合柔性互联,显著提升微电网群系统组网的灵活性,并增强微电网群内各子微网之间以及微电网群与配电网之间的柔性协同互动支撑能力,实现广域分布的风、光、储等多种分布式电源的高效协同互补开发,增强分布式电源广泛接入后配电网的运行经济性、供电可靠性以及故障抗灾能力。
发明内容
为解决现有技术存在的以上问题,本申请旨在提出一种交直流混合微电网群串并混联组网结构、组网结构控制系统及其运行控制方法,解决广域分布的交流子微网、直流子微网灵活、高效、柔性互联及多模态协同控制等技术难题。
本申请的具体实现目标如下:
(1)提出基于柔性直流配电技术的交直流混合微电网群串并混联组网结构,构建各交流子微网、直流子微网之间以及微电网群与配电网之间的协同柔性互联组网拓扑,实现多种广域分布式的交直流分布式电源及交直流子微网系统的串并联混合组网,显著提升智能微电网群系统组网的灵活性,以应对未来微电网群在配电网广泛应用时所需面临的复杂、多变应用场景;
(2)提出基于柔性直流配电网技术的交直流混合微电网群串并混联组网系统多模态优化运行控制方法,以实现各子微网并网/孤网稳定运行及平稳切换、微电网群并网/孤网稳定运行及平稳切换、各子微网之间以及微电网群与配电网之间有功/无功友好互济、各子微网及微电网群快速平稳黑启动等多种目标,显著提升分布式电源广泛接入后配电网的供电可靠性、供电电能质量以及故障抗灾能力
为实现上述发明目的,本发明具体采用以下技术方案。
一种交直流混合微电网群串并混联组网结构,所述交直流混合微电网群串并混联组网结构包括多个交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网以及多个柔性直流配电系统;其特征在于:
各交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网通过柔性直流配电系统进行串并联混联方式连接;
交流配电网通过微电网群PCC点开关与第一级交流串联子微网相连;
各交流串联子微网顺次通过相邻的柔性直流配电系统换流阀及直流母线进行串行连接组成串联组网拓扑结构;
各直流子微网通过双向DC/DC变换器接入对应的柔性直流配电系统的直流母线上;
各交流并联子微网通过柔性直流配电系统并联换流阀并联接入串行连接的柔性直流配电系统的直流母线。
本发明进一步包括以下优选方案:
在拓扑结构中,任意一级的交流串联子微网分别与相邻连接的柔性直流配电系统的串联首端换流阀或串联末端换流阀连接;
柔性直流配电系统的串联首端换流阀、串联末端换流阀之间通过直流母线连接;
各交流并联子微网通过柔性直流配电系统的并联换流阀并联接入串行连接的对应柔性直流配电系统的直流母线上。
所述柔性直流配电系统中的串联首端换流阀、串联末端换流阀以及并联换流阀采用MMC(模块化多电平换流器)结构或级联式NPC(中性点钳位式换流器)结构,每个换流阀的结构可以保持一致,也可以任意选择可用拓扑。
每个交流串联子微网及交流并联子微网均由交流储能系统、交流光伏系统、风电系统、旋转型发电系统、交流负荷、交流子微网交流母线构成;
交流储能系统、交流光伏系统、风电系统、旋转型发电系统、交流负荷均与交流子微网交流母线并联连接。
所述交流光伏系统包括光伏组件和AC/DC变换器,光伏组件通过AC/DC变换器连接至交流子微网交流母线。
所述交流储能系统包括储能元件和AC/DC变换器,储能元件通过AC/DC变换器连接至交流子微网交流母线。
所述交流储能系统作为微电网群组网结构中的功率/能量缓冲单元,参与微电网群多模态运行时的电压、频率调节,需具备虚拟同步或下垂运行能力。
旋转型发电系统采用柴油发电机或燃气轮机,用以在微电网系统孤网运行时维持系统频率、电压的稳定。
每个直流子微网由直流储能系统、直流光伏系统、直流负荷以及直流子微网直流母线构成,直流储能系统、直流光伏系统、直流负荷均连接至直流子微网直流母线上。
所述直流储能系统包括储能元件和DC/DC变换器,储能元件通过DC/DC变换器连接至直流子微网直流母线上。
所述直流光伏系统包括光伏组件和DC/DC变换器,光伏组件通过DC/DC变换器连接至直流子微网直流母线上。
所述双向DC/DC变换器由储能电感L、第一功率开关管G1、第二功率开关管G2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、高压侧滤波电容C组成;
直流子微网直流母线正极经储能电感L接到第一功率开关管G1的漏极,第一功率开关管G1的源极接直流子微网直流母线的负极;第二功率开关管G2的漏极接入高压侧滤波电容C的正极,第二功率开关管G2的源极与第一功率开关管G1的漏极相连;
第一续流二极管D1、第二续流二极管D2分别反并联到第一功率开关管G1、第二功率开关管G2的漏-源级之间;高压侧滤波电容C的正负极分别接入柔性直流配电系统的直流母线的正负极。所述直流储能系统作为微电网群组网结构中的功率/能量缓冲单元,参与智能微电网群多模态运行时的电压、频率调节,需具备虚拟同步或下垂运行能力。
所述柔性直流配电系统与交流串联子微网任意顺次串行连接;各交流并联子微网通过柔性直流配电系统并联换流阀,各直流子微网通过双向DC/DC变换器任意并接到某一对应柔性直流配电系统直流母线上。
上述连接方式可以任意组合且柔性直流配电系统、交直流子微网的接入数量不限。本申请还进一步包括一种前述交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制方法,其特征在于,所述运行控制方法包括以下内容:
在微电网群整体并网运行模式下:
微电网群PCC点开关闭合,距离PCC点开关最近的交流串联子微网即第一级交流串联子微网依靠电网电压支撑稳定运行;
各柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式用以维持直流母线电压的稳定,各柔性直流配电系统的串联末端换流阀运行于V/F模式为下一级交流子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;
连接各交流并联子微网的柔性直流配电系统并联换流阀依次接入各柔性直流配电系统的直流母线,柔性直流配电系统并联换流阀运行于V/F模式,为各交流并联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行。
各双向DC/DC变换器运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网的稳定运行;
进一步地,
依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现对智能微电网群整体对外联络线功率以及各子微网之间联络线功率的精准调度,从而实现智能微电网群系统与配电网之间以及各子微网之间的友好互济。
当外部电网故障时,断开微电网群PCC点开关,微电网群整体处于离网运行模式:
各交流串联子微网、交流并联子微网和直流子微网之间仍然通过柔性直流配电系统互联;
距离PCC点开关最近的交流串联子微网内部的旋转型发电系统运行于V/F模式以维持其内部电压幅值和频率的稳定;
各柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式以维持其直流母线电压的稳定,串联末端换流阀运行于V/F模式,为下一级交流串联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压;
柔性直流配电系统-并联换流阀仍运行于V/F模式,为各交流并联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;
各双向DC/DC变换器运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网的稳定运行;
进一步地,在微电网群系统整体孤网运行时
依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现各子微网之间联络线功率的精准调度。
当外部电网发生故障或者微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各子微网各自解列独立运行时,对于各交流串联子微网和各交流并联子微网,由其内部的旋转型发电系统运行于V/F模式,保障内部交流分布式电源及交流负荷的稳定运行;对于各直流子微网,由其内部的储能系统控制内部直流母线电压的稳定,保障内部直流分布式电源和直流负荷的稳定运行。
当外部电网发生故障或者微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各子微网整合构建新的区域子微网系统,在新的区域子微网系统内部,第一级交流串联子微网内部的旋转型发电系统运行于V/F模式以维持其内部电压幅值和频率的稳定,与该交流串联子微网相邻柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式用以维持直流母线电压的稳定,该的柔性直流配电系统的串联末端换流阀运行于V/F模式为下一级交流串联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行,后续各级柔性直流配电系统串联首、末端换流阀以及交流串联子微网顺次接入运行,从而保障新的区内子微网系统内各串联交流子微网的稳定运行;在新的区域子微网系统内,各柔性直流配电系统-并联换流阀仍运行于V/F模式,保障各交流并联子微网的稳定运行;在新的区域子微网系统内,各双向DC/DC变换器运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网的稳定运行;在新的区域子微网系统内,依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现新的区域子微网系统内各子微网之间联络线功率的精准调度。
本申请还进一步公开一种用于前述交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制系统,其特征在于:
所述交直流混合微电网群串并混联组网的控制系统包括就地自主控制层、子微网集中控制层以及微电网群协同控制层三层控制子系统;
所述就地自主控制层用于就地对各分布式电源实现就地自主控制并实时采样获取各分布式电源以及用户负荷的运行状态和数据信息;
子微网集中控制层用于对各子微网内的各柔性直流配电系统、分布式电源和用户负荷的协同控制,实时获取来自就地自主控制层的运行状态和数据信息,并结合微电网群的运行模式以及来自于微电网群协同控制层的指令信息进行综合分析,向就地自主控制层下达控制指令;
所述智能微电网群协同控制层与电网调度系统连接,接受电网运行调度指令,并结合来自于子微网集中控制层的状态和数据信息进行综合分析,进而给子微网集中控制层下达控制指令。
进一步地,
对于就地自主控制层,在各风电、光伏、储能、柴油机或燃气轮机等分布式电源点配置就地自主控制模块,用于就地自主控制完成相应的运行控制过程;
其中风电、光伏就地自主控制模块用于控制风电、光伏的启停及最大能量捕获,并实时获取风电、光伏的运行数据/状态信息;
储能系统就地自主控制模块用于控制储能系统参与系统的电压、频率稳定调节,并实时获取储能系统的运行数据/状态信息;
柴油机或燃气轮机的就地自主控制模块用于控制柴油机或燃气轮机运行于最优经济区间,并实时获取柴油机或燃气轮机的实时运行数据/状态。
对于就地自主控制层,还在各主要用户负荷单元上配置就地自主控制模块,一方面实时获取用户负荷的数据信息,另一方面控制用户负荷的投入和切除。
对于子微网集中控制层,每个子微网均配置一个子微网集中控制模块;子微网集中控制模块同时接受来自于就地自主控制层数据和状态信息以及来自于微电网群协同控制层的指令信息,通过综合决策,将相应的控制指令目标下发给就地控制层中各就地自主控制模块。
对于微电网群协调控制层,在微电网群系统中配置唯一的协调控制总站,协调控制总站一方面与电网调度系统连接,接受电网调度系统的指令;另一方面,实时获取来自于子微网集中控制层的控制实时数据/状态信息;在协调控制总站中,将电网调度指令以及各子微网的数据/状态信息进行综合分析,进而将相应的智能微电网群运行模式指令目标下达给各子微网集中控制模块。
本发明具有以下有益的技术效果
由上述对技术方案的描述可见,本发明具有以下有益效果:
(1)可以实现广域分布的风电、光伏、储能、柴油机等交直流分布式电源及交直流子微网系统的串并联协同组网,显著提升智能微电网群组网的灵活性,具有很强的普遍适用型,能够应对未来微电网群在配电网广泛应用时所需面临的复杂、多变应用场景,从而具备广泛的应用推广前景。
(2)系统基于柔性直流配电系统实现交直流子微网串并联协同组网,避免了分布式电源以及用户负荷的间歇性、波动性功率因交流长线路输送引起的系统无功/电压波动,避免了微电网群广域组网时对于无功补偿装置以及系统调压能力的需求。
(3)在本发明所提出的智能微电网群组网拓扑中,直流子微网系统通过双向DC/DC变换器接入柔性直流配电系统的直流母线,实现了与交流子微网系统的解耦运行,交流子微网的供电电能质量及供电可靠性不会对直流子网系统的运行产生影响,从而能够显著提升直流子微网系统中直流负荷的供电可靠性及直流分布式可再生能源的利用率。
附图说明
图1为基于柔性直流配电技术的交直流混合智能微电网群组网结构示意图;
图2为交流子微网结构示意图;
图3为直流子微网结构示意图;
图4为双向DC/DC变换器结构示意图。
图中,1-PCC点开关;2-交流串联子微网;3-柔性直流配电系统换流阀;4-直流母线;5-双向DC/DC变换器;6-直流子微网;7-交流并联子微网;8-交流子微网交流母线;9-风电系统;10-交流光伏系统;11-交流储能系统;12-旋转型发电系统;13-交流负荷;14-直流子微网直流母线;15-直流光伏系统;16-直流储能系统;17-直流负荷;L为滤波电杆,C为高压侧滤波电容,G1、G2为功率开关管,D1、D2为续流二极管。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。
如图1所示,基于柔性直流配电技术的交直流混合智能微电网群组网结构由PCC点开关1、交流串联子微网2、柔性直流配电系统换流阀3;直流母线4;双向DC/DC变换器5、直流子微网6、交流并联子微网7构成。
各交流串联子微网(1~N)2通过柔性直流配电系统-串联换流阀进行顺次串行连接,各直流子微网(1~N)6分别通过双向DC/DC变换器5顺次接入各柔性直流配电系统系统的直流母线4,各交流并联子微网(1~N)7分别通过柔性直流配电系统-并联换流阀接入各柔性直流配电系统的直流母线4。交流串联子微网(1)2经PCC点开关1接入交流配电网;交流串联子微网(1)2顺次通过柔性直流配电系统(1)中的首、末端换流阀3以及直流母线4与交流串联子微网(2)2连接,如此顺次连接直至交流串联子微网(N)2;直流子微网(1~N)6分别通过双向DC/DC变换器5顺次接入各柔性直流配电系统系统的直流母线4;交流并联子微网(1~N)7分别通过柔性直流配电系统的并联换流阀接入各柔性直流配电系统系统的直流母线4。
如图2所示,各交流串联子微网2以及交流并联子微网7包括交流子微网交流母线8、风电系统9、交流光伏系统10、交流储能系统11、旋转型发电系统12以及交流负荷13。风电系统9、交流光伏系统10、交流储能系统11、旋转型发电系统12以及交流负荷13全部以并联方式接入交流子微网交流母线8。交流光伏系统10包括光伏组件以及AC/DC变流器,AC/DC变流器采用三相半桥型VSR结构,用以控制光伏组件的最大功率捕获和交流并网送出。交流储能系统11包括储能元件(如锂电池、液流电池、铅碳电池、铅酸电池等)以及AC/DC变流器,AC/DC变流器同样采用三相半桥型VSR结构,用以控制储能系统运行于P/Q模式或V/F模式。旋转型发电系统12一般包括柴油发电机或燃气轮机。
如图3所示,各直流子微网6包括直流子微网直流母线14、直流光伏系统15、直流储能系统16以及直流负荷17。直流光伏系统15、直流储能系统16以及直流负荷17均通过并联方式直接接入直流子微网直流母线14。直流光伏系统15包括光伏组件及DC/DC变换器,DC/DC变换器用以控制光伏组件的最大功率捕获和直流并往送出。直流储能系统16包括储能元件(如锂电池、液流电池、铅碳电池、铅酸电池等)以及DC/DC变换器,DC/DC变换器用以控制储能系统运行功率调度模式或直流电压控制模式。
如图4所示,双向DC/DC变换器5由储能电感L、第一功率开关管G1、第二功率开关管G2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、高压侧滤波电容C组成;直流子微网6的直流母线正极经储能电感L接到第一功率开关管G1的漏极,第一功率开关管G1的源极接直流子微网6的直流母线的负极;第二功率开关管G2的漏极接入高压侧滤波电容C的正极,第二功率开关管G2的源极与第一功率开关管G1的漏极相连;第一续流二极管D1、第二续流二极管D2分别反并联到第一功率开关管G1、第二功率开关管G2的漏-源级之间;高压侧滤波电容C的正负极分别接入柔性直流配电系统的直流母线4的正负极。通过对第一功率开关管G1、第二功率开关管G2的通断控制,可以实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节,从而实现对各直流子微网6与外部系统之间的双向能量/功率交互。
对于上述柔性直流配电技术的交直流混合智能微电网群组网结构,对智能微电网群系统的各种运行模态实现方式分析如下。
(1)智能微电网群整体并网运行模式,
微电网群PCC点开关1闭合,交流串联子微网(1)2依靠电网电压支撑稳定运行,柔性直流配电系统(1)-串联首端换流阀3运行于P/Q模式用以维持其直流母线4电压的稳定,柔性直流配电系统(1)-串联末端换流阀3运行于V/F模式为交流串联子微网(2)2提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;柔性直流配电系统(2)-串联首端换流阀3运行于P/Q模式以维持其直流母线4电压的稳定,柔性直流配电系统(2)-串联末端换流阀3运行于V/F模式为交流串联子微网(3)2提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;以下各级交流串联子微网2、柔性直流配电系统(3~N)-串联首端换流阀3、柔性直流配电系统(3~N)-串联末端换流阀3顺次串行连接,并依照上述模式运行。各柔性直流配电系统(1~N)-并联换流阀3依次接入各柔性直流配电系统的直流母线4,各柔性直流配电系统(1~N)-并联换流阀运行于V/F模式,为各交流并联子微网7提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行。同时,各直流子微网6均通过双向DC/DC变换器5接入各柔性直流配电系统的直流母线4,各双向DC/DC变换器5运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,维持直流子微网直流母线14电压的稳定,从而保障各直流子微网6的稳定运行。在上述运行过程中,依据各子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,可以实现对微电网群整体对外联络线功率以及各子微网之间联络线功率的精准调度,从而实现微电网群系统与配电网之间以及各子微网之间的友好互济。
(2)智能微电网群整体离网运行模式,当外部电网故障时,断开微电网群PCC点开关1,系统整体处于离网运行模式,各交直流子微网之间通过柔性直流配电系统互联。此时,交流串联子微网(1)2内部的旋转型发电系统(柴油发电机或燃气轮机)13运行于V/F模式以维持其内部交流母线8电压幅值和频率的稳定,柔性直流配电系统(1)-串联首端换流阀3运行于P/Q模式用以维持其直流母线4电压的稳定,柔性直流配电系统(1)-串联末端换流阀3运行于V/F模式为交流串联子微网(2)2提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;柔性直流配电系统(2)-串联首端换流阀3运行于P/Q模式以维持其直流母线4电压的稳定,柔性直流配电系统(2)-串联末端换流阀3运行于V/F模式为交流串联子微网(3)2提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;以下各级交流串联子微网2、柔性直流配电系统(3~N)-串联首端换流阀3、柔性直流配电系统(3~N)-串联末端换流阀3顺次串联接入串行连接,并依照上述模式运行;各柔性直流配电系统(1~N)-并联换流阀3依次接入各柔性直流配电系统的直流母线4,各柔性直流配电系统(1~N)-并联换流阀运行于V/F模式,为各交流并联子微网7提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;同时,各直流子微网6均通过双向DC/DC变换器5接入各柔性直流配电系统的直流母线4,各双向DC/DC变换器5运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,维持直流子微网直流母线14电压的稳定,从而保障各直流子微网6的稳定运行。在上述运行过程中,依据各子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,可以实现对各子微网之间联络线功率的精准调度。
此外,在本发明的另一个实施例中,当上述微电网群系统整体孤网运行时,可以由任意一各交流串联子微网(1~N)2内部旋转型发电系统12运行于V/F模式起到系统的电压支撑作用,其相邻的接入的柔性直流配电系统-串联首端换流阀3和柔性直流配电系统-串联末端换流阀3均运行于P/Q模式,以维持其相邻的上一级柔性直流配电系统及下一级柔性直流配电系统的直流母线电压稳定,其余柔性直流配电系统以及各交直流子微网的运行模式保持不变。
(3)子微网独立运行模式,当外部电网发生故障或者微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各交直流子微网可以各自解列独立运行。对于各交流串联子微网(1~N)2、交流并联子微网(1~N)7,由其内部的旋转型发电系统(柴油机或燃气轮机)12运行于V/F模式以维持其内部交流母线8电压幅值和频率的稳定,保障内部交流分布式电源和交流负荷13的持续运行。对于各直流子微网6(1~N),由其内部的直流储能系统16控制直流子微网直流母线电压14的稳定,保障内部直流分布式电源和直流负荷17的稳定运行。
(4)区域子微网独立运行模式,当外部电网发生故障或者智能微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各子微网可以相关整合构建新的区域子微网系统,在新的区域子微网系统内部,第一级交流串联子微网2内部的旋转型发电系统12运行于V/F模式以维持其内部电压幅值和频率的稳定,与该交流串联子微网2相邻柔性直流配电系统-串联首端换流阀3运行于P/Q模式用以维持直流母线4电压的稳定,该柔性直流配电系统-串联末端换流阀3运行于V/F模式为下一级交流串联子微网2提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行,后续各级柔性直流配电系统-串联首段换流阀3、柔性直流配电系统-串联末端换流阀3以及交流串联子微网2顺次接入运行,从而保障新的区内子微网系统内各串联交流子微网2的稳定运行;在新的区域子微网系统内,各柔性直流配电系统-并联换流阀3仍运行于V/F模式,保障各交流并联子微网7的稳定运行;在新的区域子微网系统内,各双向DC/DC变换器5运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网6的稳定运行;在新的区域子微网系统内,依据各交流并联子微网7、交流串联子微网2、直流子微网6内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现新的区域子微网系统内各子微网之间联络线功率的精准调度。
本申请还公开了一种用于前述交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制系统,所述交直流混合微电网群串并混联组网的控制系统包括就地自主控制层、子微网集中控制层以及微电网群协同控制层三层控制子系统。
所述就地自主控制层用于就地对各分布式电源实现就地自主控制并实时采样获取各分布式电源以及用户负荷的运行状态和数据信息;
子微网集中控制层用于对各子微网内的各柔性直流配电系统、分布式电源和用户负荷的协同控制,实时获取来自就地自主控制层的运行状态和数据信息,并结合微电网群的运行模式以及来自于微电网群协同控制层的指令信息进行综合分析,向就地自主控制层下达控制指令;
所述智能微电网群协同控制层与电网调度系统连接,接受电网运行调度指令,并结合来自于子微网集中控制层的状态和数据信息进行综合分析,进而给子微网集中控制层下达控制指令。
对于就地自主控制层,在各风电、光伏、储能、柴油机或燃气轮机等分布式电源点配置就地自主控制模块,用于就地自主控制完成相应的运行控制过程;
其中风电、光伏就地自主控制模块用于控制风电、光伏的启停及最大能量捕获,并实时获取风电、光伏的运行数据/状态信息;
储能系统就地自主控制模块用于控制储能系统参与系统的电压、频率稳定调节,并实时获取储能系统的运行数据/状态信息;
柴油机或燃气轮机的就地自主控制模块用于控制柴油机或燃气轮机运行于最优经济区间,并实时获取柴油机或燃气轮机的实时运行数据/状态。
对于就地自主控制层,还在各主要用户负荷单元上配置就地自主控制模块,一方面实时获取用户负荷的数据信息,另一方面控制用户负荷的投入和切除。
对于子微网集中控制层,每个子微网均配置一个子微网集中控制模块;子微网集中控制模块同时接受来自于就地自主控制层数据和状态信息以及来自于微电网群协同控制层的指令信息,通过综合决策,将相应的控制指令目标下发给就地控制层中各就地自主控制模块。
对于微电网群协调控制层,在微电网群系统中配置唯一的协调控制总站,协调控制总站一方面与电网调度系统连接,接受电网调度系统的指令;另一方面,实时获取来自于子微网集中控制层的控制实时数据/状态信息;在协调控制总站中,将电网调度指令以及各子微网的的数据/状态信息进行综合分析,进而将相应的智能微电网群运行模式指令目标下达给各子微网集中控制模块。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

Claims (23)

1.一种交直流混合微电网群串并混联组网结构,所述交直流混合微电网群串并混联组网结构包括多个交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网以及多个柔性直流配电系统;其特征在于:
各交流串联子微网、交流并联子微网、直流子微网通过柔性直流配电系统进行串并联混联方式连接;交流配电网通过微电网群PCC点开关与第一级交流串联子微网相连;
各交流串联子微网顺次通过相邻的柔性直流配电系统换流阀及直流母线进行串行连接组成串联组网拓扑结构;各直流子微网通过双向DC/DC变换器接入对应的柔性直流配电系统的直流母线上;各交流并联子微网通过柔性直流配电系统并联换流阀并联接入串行连接的柔性直流配电系统的直流母线;
在微电网群整体并网运行模式下:微电网群PCC点开关闭合,距离PCC点开关最近的交流串联子微网即第一级交流串联子微网依靠电网电压支撑稳定运行;各柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式用以维持直流母线电压的稳定,各柔性直流配电系统的串联末端换流阀运行于V/F模式为下一级交流子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;连接各交流并联子微网的柔性直流配电系统并联换流阀依次接入各柔性直流配电系统的直流母线,柔性直流配电系统并联换流阀运行于V/F模式,为各交流并联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;
当外部电网发生故障或者微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各子微网整合构建新的区域子微网系统;在新的区域子微网系统内,依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现新的区域子微网系统内各子微网之间联络线功率的精准调度。
2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
在拓扑结构中,任意一级的交流串联子微网分别与相邻连接的柔性直流配电系统的串联首端换流阀或串联末端换流阀连接;
柔性直流配电系统的串联首端换流阀、串联末端换流阀之间通过直流母线连接;
各交流并联子微网通过柔性直流配电系统的并联换流阀并联接入串行连接的对应柔性直流配电系统的直流母线上。
3.根据权利要求2所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述柔性直流配电系统中的串联首端换流阀、串联末端换流阀以及并联换流阀采用模块化多电平换流器MMC结构或级联式中性点钳位式换流器NPC结构。
4.根据权利要求1或2所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
每个交流串联子微网及交流并联子微网均由交流储能系统、交流光伏系统、风电系统、旋转型发电系统、交流负荷、交流子微网交流母线构成;
交流储能系统、交流光伏系统、风电系统、旋转型发电系统、交流负荷均与交流子微网交流母线并联连接。
5.根据权利要求4所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述交流光伏系统包括光伏组件和AC/DC变换器,光伏组件通过AC/DC变换器连接至交流子微网交流母线。
6.根据权利要求5所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述交流储能系统包括储能元件和AC/DC变换器,储能元件通过AC/DC变换器连接至交流子微网交流母线。
7.根据权利要求6所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述交流储能系统作为微电网群组网结构中的功率/能量缓冲单元,参与智能微电网群多模态运行时的电压、频率调节,需具备虚拟同步或下垂运行能力。
8.根据权利要求4或7所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
旋转型发电系统采用柴油发电机或燃气轮机,用以在微电网系统孤网运行时维持系统频率、电压的稳定。
9.根据权利要求1或2所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
每个直流子微网由直流储能系统、直流光伏系统、直流负荷以及直流子微网直流母线构成,直流储能系统、直流光伏系统、直流负荷均连接至直流子微网直流母线上。
10.根据权利要求9所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述直流储能系统包括储能元件和DC/DC变换器,储能元件通过DC/DC变换器连接至直流子微网直流母线上。
11.根据权利要求10所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述直流光伏系统包括光伏组件和DC/DC变换器,光伏组件通过DC/DC变换器连接至直流子微网直流母线上。
12.根据权利要求1或11所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述双向DC/DC变换器由储能电感L、第一功率开关管G1、第二功率开关管G2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、高压侧滤波电容C组成;
直流子微网直流母线正极经储能电感L接到第一功率开关管G1的漏极,第一功率开关管G1的源极接直流子微网直流母线的负极;第二功率开关管G2的漏极接入高压侧滤波电容C的正极,第二功率开关管G2的源极与第一功率开关管G1的漏极相连;
第一续流二极管D1、第二续流二极管D2分别反并联到第一功率开关管G1、第二功率开关管G2的漏-源级之间;高压侧滤波电容C的正负极分别接入柔性直流配电系统的直流母线的正负极。
13.根据权利要求11所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述直流储能系统作为微电网群组网结构中的功率/能量缓冲单元,参与智能微电网群多模态运行时的电压、频率调节,需具备虚拟同步或下垂运行能力。
14.根据权利要求1或13所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构,其特征在于:
所述柔性直流配电系统与交流串联子微网任意间隔相连;各交流并联子微网通过并联换流阀,各直流子微网通过双向DC/DC变换器任意并接到某一对应柔性直流配电系统直流母线上,且接入数量不限。
15.一种权利要求1-14任一项权利要求所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制方法,其特征在于:
依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现对智能微电网群整体对外联络线功率以及各子微网之间联络线功率的精准调度,从而实现智能微电网群系统与配电网之间以及各子微网之间的友好互济。
16.根据权利要求15所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制方法,其特征在于:
当外部电网故障时,断开微电网群PCC点开关,微电网群整体处于离网运行模式,各交流串联子微网、交流并联子微网和直流子微网之间通过柔性直流配电系统互联;
距离PCC点开关最近的交流串联子微网内部的旋转型发电系统运行于V/F模式以维持其内部电压幅值和频率的稳定;
各柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式,串联末端换流阀运行于V/F模式;
柔性直流配电系统-并联换流阀运行于V/F模式,为各交流并联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压以保障其内部交流分布式电源及用户负荷的持续并网运行;
各双向DC/DC变换器运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网的稳定运行;
依据各交流并联子微网、交流串联子微网、直流子微网内部的用户负荷需求以及风电、光伏出力,实时调节储能系统的有功、无功出力,实现各子微网之间联络线功率的调度。
17.根据权利要求15所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制方法,其特征在于:
当外部电网发生故障或者微电网群系统内部发生故障时,故障点之后的各子微网各自解列独立运行时,对于各交流串联子微网和各交流并联子微网,由其内部的旋转型发电系统运行于V/F模式,保障内部交流分布式电源及交流负荷的稳定运行;对于各直流子微网,由其内部的储能系统控制内部直流母线电压的稳定,保障内部直流分布式电源和直流负荷的稳定运行。
18.根据权利要求15所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制方法,其特征在于:
在新的区域子微网系统内部,第一级交流串联子微网内部的旋转型发电系统运行于V/F模式以维持其内部电压幅值和频率的稳定,与该交流串联子微网相邻柔性直流配电系统的串联首端换流阀运行于P/Q模式用以维持直流母线电压的稳定,该柔性直流配电系统的串联末端换流阀运行于V/F模式为下一级交流串联子微网提供幅值、频率稳定的三相电压,后续各级柔性直流配电系统串联首、末端换流阀以及交流串联子微网顺次接入运行;
在新的区域子微网系统内,各柔性直流配电系统-并联换流阀运行于V/F模式,保障各交流并联子微网的稳定运行;
在新的区域子微网系统内,各双向DC/DC变换器运行于控制低压侧直流电压稳定的模式,从而保障各直流子微网的稳定运行。
19.一种用于权利要求1-13任一项权利要求所述的交直流混合微电网群串并混联组网结构的运行控制系统,其特征在于:
所述交直流混合微电网群串并混联组网的控制系统包括就地自主控制层、子微网集中控制层以及微电网群协同控制层三层控制子系统;
所述就地自主控制层用于就地对各分布式电源实现就地自主控制并实时采样获取各分布式电源以及用户负荷的运行状态和数据信息;
子微网集中控制层用于对各子微网内的各柔性直流配电系统、分布式电源和用户负荷的协同控制,实时获取来自就地自主控制层的运行状态和数据信息,并结合微电网群的运行模式以及来自于微电网群协同控制层的指令信息进行综合分析,向就地自主控制层下达控制指令;
所述微电网群协同控制层与电网调度系统连接,接受电网运行调度指令,并结合来自于子微网集中控制层的状态和数据信息进行综合分析,进而给子微网集中控制层下达控制指令。
20.根据权利要求19所述的运行控制系统,其特征在于:
对于就地自主控制层,在各风电、光伏、储能、柴油机或燃气轮机分布式电源点配置就地自主控制模块,用于就地自主控制完成相应的运行控制过程;
其中风电、光伏就地自主控制模块用于控制风电、光伏的启停及最大能量捕获,并实时获取风电、光伏的运行数据/状态信息;
储能系统就地自主控制模块用于控制储能系统参与系统的电压、频率稳定调节,并实时获取储能系统的运行数据/状态信息;
柴油机或燃气轮机的就地自主控制模块用于控制柴油机或燃气轮机运行于最优经济区间,并实时获取柴油机或燃气轮机的实时运行数据/状态。
21.根据权利要求20所述的运行控制系统,其特征在于:
对于就地自主控制层,还在各主要用户负荷单元上配置就地自主控制模块,一方面实时获取用户负荷的数据信息,另一方面控制用户负荷的投入和切除。
22.根据权利要求19或20所述的运行控制系统,其特征在于:
对于子微网集中控制层,每个子微网均配置一个子微网集中控制模块;子微网集中控制模块同时接受来自于就地自主控制层数据和状态信息以及来自于微电网群协同控制层的指令信息,通过综合决策,将相应的控制指令目标下发给就地控制层中各就地自主控制模块。
23.根据权利要求22所述的运行控制系统,其特征在于:
对于微电网群协调控制层,在微电网群系统中配置唯一的协调控制总站,协调控制总站一方面与电网调度系统连接,接受电网调度系统的指令;另一方面,实时获取来自于子微网集中控制层的控制实时数据/状态信息;在协调控制总站中,将电网调度指令以及各子微网的数据/状态信息进行综合分析,进而将相应的智能微电网群运行模式指令目标下达给各子微网集中控制模块。
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Assignee: Shandong luruan Digital Technology Co.,Ltd. smart energy branch

Assignor: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co.

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Denomination of invention: The structure, control system, and operation control method of a series parallel hybrid microgrid group

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

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Application publication date: 20191105

Assignee: LANSO KONLY (SHANGHAI) INSTRUMENTS Co.,Ltd.

Assignor: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co.

Contract record no.: X2023980054221

Denomination of invention: The structure, control system, and operation control method of a series parallel hybrid microgrid group

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

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Application publication date: 20191105

Assignee: SHANDONG ZHONGSHI YITONG GROUP Co.,Ltd.

Assignor: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co.

Contract record no.: X2024980000327

Denomination of invention: The structure, control system, and operation control method of a series parallel hybrid microgrid group

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

Record date: 20240109

Application publication date: 20191105

Assignee: Shandong electric times Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID SHANDONG ELECTRIC POWER Co.

Contract record no.: X2024980000324

Denomination of invention: The structure, control system, and operation control method of a series parallel hybrid microgrid group

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

Record date: 20240109