CN111082413A - 一种城市社区全直流微电网及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城市社区全直流微电网及其控制系统，包括：甲烷燃料电池发电系统、社区级直流母线和任意数量的楼宇级微电网，楼宇级微电网包括光伏阵列、楼宇级直流母线和任意数量的户用级微电网，甲烷燃料电池发电系统连接社区级直流母线，社区级直流母线经过楼宇DC/DC变流器后连接楼宇级直流母线，楼宇级直流母线连接户用级微电网。本发明发电、配电和用电过程为全直流，无需逆变、整流等环节，不仅减少光伏、燃料电池、储能等入网的电能损耗，也减少直流电器接入的电能损耗，还可以使每个用户供电可靠性进一步提高，并且便于不同电压等级电源和负荷接入，同时减少储能系统配置容量，降低储能成本。

Description

一种城市社区全直流微电网及其控制系统

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种城市社区全直流微电网及其控制系统。

背景技术

随着现代科技水平的发展和人民生活水平的提高，人们购买越来越多的电器设备提高生活品质，电力成为现代人不可或缺的能源，并且对电力的电能质量、供电可靠性和能效提出越来越严格的要求。目前世界广泛使用的集中式发、输、配电的方式存在建设成本高、环境污染、输送损耗大、电能质量差以及供电可靠性低等问题，发生大规模断电事故的新闻并不少见。

由于分布式能源如光伏、燃料电池等大多为直流电，并且数码产品如电脑、手机等使用直流电，许多电器内部使用直流变频技术间接使用直流电能，但是现有配电网为交流电，中间必然存在许多交直流电能转换环节，造成能量的损耗，使能效降低。目前直流空调、直流冰箱、直流洗衣机、直流电饭煲、直流风扇、直流LED灯、直流空气净化器等家用电器，将服务于千家万户，因此建设全直流配电网势在必行。

随着节能环保的观念深入人心，分布式可再生能源得到迅速发展，建设微电网成为分布式可再生能源就地消纳、提高供电可靠性的首要选择。传统微电网一般由风电、光伏、储能电池、柴油发电机等发电单元和储能单元组成，但对于城市社区来说，风电不具备建设条件，光伏安装地点受限，只能凭依建筑顶部，装机功率远小于用电负荷，柴油发电机存在空气污染和噪声问题，只能配置大容量的储能电池，而目前储能电池价格昂贵且寿命较短，需周期更替，投入成本较大。燃料电池具有效率高、无噪音、无污染的优点，是城市社区微电网发电源的最佳选择。由于氢气价格高、获取难度大，且公众对氢气安全的顾虑较大，接受程度较低，氢燃料电池当前不适于城市社区应用。而天然气（甲烷）拥有成熟的输送系统，且居民容易接受，适合发展甲烷燃料电池。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种城市社区全直流微电网及其控制系统，以甲烷燃料电池为主要发电源，结合光伏、储能系统，共同为直流电器等直流负荷供电，提高供电可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：本发明提供了一种城市社区全直流微电网，包括：甲烷燃料电池发电系统、社区级直流母线和任意数量的楼宇级微电网，所述楼宇级微电网包括光伏阵列、DC/DC光伏变流器、楼宇DC/DC变流器、楼宇级直流母线和任意数量的户用级微电网，所述甲烷燃料电池发电系统连接所述社区级直流母线，所述光伏阵列通过所述连接DC/DC光伏变流器所述社区级直流母线，所述社区级直流母线经过所述楼宇DC/DC变流器后连接所述楼宇级直流母线，所述楼宇级直流母线连接所述户用级微电网。

进一步地，所述社区全直流微电网还包括：社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述社区级直流母线连接所述AC/DC双向并网逆变器，所述AC/DC双向并网逆变器通过所述并网开关S1连接外部交流电网，所述社区储能系统ESS通过所述社区DC/DC储能变流器连接所述社区级直流母线。

进一步地，所述楼宇级微电网还包括：楼宇储能系统ESS、楼宇DC/DC储能变流器、汽车充电桩、中央空调和建筑供电总开关S2，所述楼宇储能系统ESS连接所述楼宇DC/DC储能变流器，所述楼宇DC/DC储能变流器通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述中央空调通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述汽车充电桩通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线。

进一步地，所述户用级微电网包括：户用DC/DC变流器、直流负荷、户用DC/DC储能变流器、户用储能系统ESS和入户供电开关S3，所述直流负荷通过所述户用DC/DC变流器连接所述入户供电开关S3的一端，或直接连接所述入户供电开关S3的一端，所述户用储能系统ESS通过所述户用DC/DC储能变流器连接所述入户供电开关S3的一端，所述入户供电开关S3的另一端连接所述楼宇级直流母线。

进一步地，所述甲烷燃料电池发电系统包括天然气储气罐、第一阀门、第二阀门、第三阀门、甲烷燃料电池、DC/DC燃料电池直流变换器、天然气输入端和住户用气端，所述天然气储气罐连接所述第三阀门的一端，所述第三阀门的另一端连接所述甲烷燃料电池的供电端且公共端连接所述第二阀门的一端，所述第二阀门的另一端连接所述第一阀门的一端且公共端连接住户用气端，所述第一阀门的另一端连接天然气输入端，所述甲烷燃料电池的输出端连接所述DC/DC燃料电池直流变换器的输入端，所述DC/DC燃料电池直流变换器的输出端连接社区级直流母线且公共端连接所述甲烷燃料电池的供电端。

本发明还提供一种城市社区全直流微电网的控制系统，所述城市社区全直流微电网的控制系统应用于上述任意一项所述的城市社区全直流微电网，包括：

全直流微电网社区控制系统、全直流微电网楼宇控制系统和全直流微电网家庭控制器，所述全直流微电网社区控制系统用于控制所述甲烷燃料电池发电系统、社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述全直流微电网楼宇控制系统用于控制所述楼宇级微电网，所述全直流微电网家庭控制器用于控制所述户用级微电网。

进一步地，所述全直流微电网社区控制系统包括：电脑服务器和数据集中模块，所述数据集中器包含多个通信接口，所述通信接口分别与所述并网开关S1、所述AC/DC双向并网逆变器、所述社区储能系统ESS的控制模块和所述甲烷燃料电池发电系统的控制模块连接。

进一步地，所述全直流微电网楼宇控制系统包括：电脑服务器和数据集中模块，所述数据集中器包含多个通信接口，所述通信接口分别与所述建筑供电总开关S2、所述楼宇DC/DC变流器、所述汽车充电桩、所述楼宇储能系统ESS的控制模块、所述DC/DC光伏变流器、所述中央空调连接。

进一步地，所述全直流微电网家庭控制器包括：微型中央处理器CPU、任意数量的通信接口和用户操作界面，所述全直流微电网家庭控制器通过所述通信接口与所述入户供电开关S3、所述户用DC/DC储能变流器、户用DC/DC变流器和所述户用储能系统ESS的控制模块连接。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种城市社区全直流微电网及其控制系统，本发明的城市社区全直流微电网发电、配电和用电过程为全直流，无需逆变、整流等环节，不仅减少光伏、燃料电池、储能等入网的电能损耗，也减少直流电器接入的电能损耗；微电网系统分为社区层、楼宇层和用户层三层结构，每个用户供电可靠性进一步提高；采用三级母线电压，便于不同电压等级电源和负荷接入；以甲烷燃料电池为主要发电源，减少储能系统配置容量，降低储能成本。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种城市社区全直流微电网的结构拓扑图。

图2是本发明的一种城市社区全直流微电网的甲烷燃料电池发电系统的结构拓扑图。

图3是本发明的一种城市社区全直流微电网的控制系统的拓扑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1，一种城市社区全直流微电网。

如附图1所示，本实施例的一种城市社区全直流微电网，包括：甲烷燃料电池发电系统、社区级直流母线和任意数量的楼宇级微电网，所述楼宇级微电网包括光伏阵列、DC/DC光伏变流器、楼宇DC/DC变流器、楼宇级直流母线和任意数量的户用级微电网，所述甲烷燃料电池发电系统连接所述社区级直流母线，所述光伏阵列通过所述连接DC/DC光伏变流器所述社区级直流母线，所述社区级直流母线经过所述楼宇DC/DC变流器后连接所述楼宇级直流母线，所述楼宇级直流母线连接所述户用级微电网。

所述社区全直流微电网还包括：社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述社区级直流母线连接所述AC/DC双向并网逆变器，所述AC/DC双向并网逆变器通过所述并网开关S1连接外部交流电网，所述社区储能系统ESS通过所述社区DC/DC储能变流器连接所述社区级直流母线。

其中，所述楼宇DC/DC变流器为750V-400VDC/DC变流器，用于将750V的直流电转换为400V的直流电，所述社区级直流母线为750V直流母线，用于提供750V的直流电。

在外部交流电网供电正常时，并网开关S1闭合，社区全直流微电网以外部交流电网为主要供电源。电网通过双向并网逆变器整流为750V直流电压，给社区全直流微电网中储能系统充电以及给直流电器、充电桩等直流负荷供电，此时甲烷燃料电池发电系统不工作。若储能系统电量充足且光伏发电系统发电量高于用电负荷，社区全直流微电网将多余电量通过双向并网逆变器逆变回馈给电网。

社区全直流微电网系统通过AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1与外部交流电网连接，在外部交流电网供电异常时，并网开关S1断开，社区全直流微电网孤岛运行，此时甲烷燃料电池发电系统工作，为社区全直流微电网系统提供电源。在甲烷燃料电池启动过程中，由社区储能系统ESS为社区全直流微电网内各直流负荷供电以及给甲烷燃料电池FC辅助供电。

其中，社区储能系统ESS包括但不限于储能电池（如锂电池、蓄电池等）、超级电容、飞轮储能、压缩空气及其组合，具有BMS(电池管理系统)，检测社区储能系统ESS单体电压、温度和荷电状态SOC。

社区储能系统ESS通过DC/DC储能变流器连接到750V直流母线，DC/DC储能变流器将社区储能系统ESS电压调节到与750V直流母线电压相匹配，并控制社区储能系统ESS充放电。

甲烷燃料电池发电系统如俯图2所示，包括：天然气储气罐、阀门1、阀门2、阀门3、甲烷燃料电池FC、DC/DC燃料电池直流变换器、天然气输入端和住户用气端，所述天然气储气罐连接所述阀门3的一端，所述阀门3的另一端连接所述甲烷燃料电池FC的供电端且公共端连接所述阀门2的一端，所述阀门2的另一端连接所述阀门1的一端且公共端连接住户用气端，所述第一阀门的另一端连接天然气输入端，所述甲烷燃料电池FC的输出端连接所述DC/DC燃料电池直流变换器的输入端，所述DC/DC燃料电池直流变换器的输出端连接750V直流母线且公共端连接所述甲烷燃料电池的供电端。

天然气储气罐用于储存天然气（甲烷），在停气时通过阀门3与甲烷燃料电池连接提供甲烷，并且在住户需要用天然气时可通过阀门3和阀门2给住户提供天然气，同时阀门1关闭。应当说明的是，本实施例中的“连接”包括直接或间接（连接路径含有其他部件或装置）的连接。

外部天然气管道通过阀门1给住户供气，通过阀门1与阀门2连接到甲烷燃料电池FC，直接给燃料电池提供甲烷，通过阀门1、阀门2和阀门3连接到天然气储气罐，给储气罐充气。

甲烷燃料电池FC连接到DC/DC燃料电池直流变换器的输入端，甲烷燃料电池FC将甲烷和氧气中的化学能转换为电能，通过DC/DC燃料电池直流变换器转换为750V的直流电，输出到750V直流母线上。甲烷燃料电池FC从750V直流母线取电用于辅助系统供电。

DC/DC燃料电池直流变换器将甲烷燃料电池FC输出电压通过降压或升压的方式，调节到与750V直流母线相同的电压。

楼宇级微电网以建筑为单位，一个社区全直流微电网包含光伏（PV）阵列、DC/DC光伏变流器、楼宇DC/DC变流器、楼宇级直流母、任意数量的户用级微电网、楼宇储能系统ESS、楼宇DC/DC储能变流器、汽车充电桩、中央空调和建筑供电总开关S2，所述光伏阵（PV）列通过所述连接DC/DC光伏变流器所述社区级直流母线，所述社区级直流母线经过所述楼宇DC/DC变流器后连接所述楼宇级直流母线，所述楼宇级直流母线连接所述户用级微电网，所述楼宇DC/DC储能变流器通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述中央空调通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述汽车充电桩通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线。

直流中央空调和汽车充电桩等大功率直流负荷连接到750V直流母线，光伏（PV）阵列安装于建筑楼顶，通过DC/DC光伏变流器连接到750V直流母线，楼宇储能系统ESS通过储能变流器连接到750V直流母线；750V直流母线接入750V-400VDC/DC变换器输入端，经降压后得到400V的楼宇级直流母线；400V直流母线接入到建筑内各住户中，与户用级微电网连接。

户用级微电网以住户为单位，一个楼宇级微电网包括：400V-48V户用DC/DC变流器、直流负荷、户用DC/DC储能变流器、户用储能系统ESS和入户供电开关S3，所述直流负荷通过所述户用DC/DC变流器连接所述入户供电开关S3的一端，或直接连接所述入户供电开关S3的一端，所述户用储能系统ESS通过所述户用DC/DC储能变流器连接所述入户供电开关S3的一端，所述入户供电开关S3的另一端连接所述楼宇级直流母线。

户用级微电网通过入户供电开关S3与其他户用级微电网连接到400V直流母线。入户供电开关S3闭合时，户用级微电网获取外部400V直流母线电能，并给户用储能系统ESS充电；入户供电开关S3断开时，户用储能系统ESS作为户用级微电网唯一电源给直流负荷供电。

400V直流负荷如直流空调、直流冰箱等直流电器连接到400V直流母线取电；储能系统ESS通过户用DC/DC储能变流器连接到400V直流母线，作为户用备用电源；400V直流母线接入400V-48V变换器，经过降压转换输出到48V直流母线；48V直流负荷如直流风扇、直流LED灯等直流电器连接到48V直流母线。

本发明的城市社区全直流微电网系统在外部交流电网供电正常时，优先使用外部交流电网电源和光伏发电系统电能，同时给储能系统ESS充电维持充足电量；外部交流电网供电异常时，优先使用光伏和甲烷燃料电池发电系统的电能，储能系统ESS起辅助调节作用，并维持充足的电量；在天然气（甲烷）用尽时，才使用储能系统ESS作为主电源。在外部交流电网断电且天然气用尽时，优先使用社区储能系统电能，其次使用楼宇储能系统电能，最后使用户用储能系统电能。

本发明的一种城市社区全直流微电网，发电、配电和用电过程为全直流，无需逆变、整流等环节，不仅减少光伏、燃料电池、储能等入网的电能损耗，也减少直流电器接入的电能损耗；微电网系统分为社区层、楼宇层和用户层三层结构，每个用户供电可靠性进一步提高；采用三级母线电压，便于不同电压等级电源和负荷接入；以甲烷燃料电池为主要发电源，减少储能系统配置容量，降低储能成本。

实施例2，一种城市社区全直流微电网的控制系统。

本实施例提供了一种城市社区全直流微电网的控制系统，所述城市社区全直流微电网的控制系统应用于实施例1所述的城市社区全直流微电网，包括：

全直流微电网社区控制系统、全直流微电网楼宇控制系统和全直流微电网家庭控制器，所述全直流微电网社区控制系统用于控制所述甲烷燃料电池发电系统、社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述全直流微电网楼宇控制系统用于控制所述楼宇级微电网，所述全直流微电网家庭控制器用于控制所述户用级微电网。

其中，全直流微电网家庭控制器为用户层微电网控制中心，包括微型中央处理器CPU、一个或多个通信接口和用户操作界面。家庭控制器通过通信接口与入户供电开关S3、400V-48VDC/DC变流器以及户用储能系统ESS的控制模块连接，通信方式为总线通信，如本实施例的CAN总线。家庭控制器从入户供电开关S3获取母线电压和电流，计算用户总体负荷功率，并控制开关S3断开与闭合；家庭控制器从400V-48V变流器获取48V母线电压、电流、功率以及变流器运行状态如正常、故障信息，并控制变流器启动和停止；家庭控制器从户用储能系统ESS的控制模块获取户用储能系统ESS剩余电量、充放电状态、充放电功率和故障信息等，并发送控制户用储能系统ESS充放电的通信命令，户用储能系统ESS的控制模块通过内部总线通信与户用储能系统ESS的电池管理系统BMS和户用DC/DC储能变流器连接，电池管理系统BMS带有电压、温度传感器，能检测户用储能系统ESS的单体电压、温度以及电量SOC等信息，将其传递给户用储能系统ESS的控制模块，户用DC/DC储能变流器为双向直流变换器，控制户用储能系统ESS充放电，并将充放电功率、运行状态和故障信息等传递给户用储能系统ESS的控制模块，并接收户用储能系统ESS的控制模块发送的充放电控制命令。

家庭控制器通过通信接口与楼宇控制系统连接，通信方式为以太网通信、无线通信或总线通信，本实施例中使用CAN总线通讯，将总负荷功率、户用储能系统ESS电量等信息传递给楼宇控制系统，同时接收楼宇控制系统发送的信息或控制命令。用户操作界面为触摸屏，或显示屏与按钮，本实施例中为触摸屏，触摸屏显示用户微电网运行状态信息，如电压、电流、功率、户用储能系统ESS的电量、故障信息等，同时接受用户操作触屏命令。

微型中央处理器CPU接收通信接口的数据，计算家庭微电网运行状态数据如负荷功率，并将这些信息通过通信接口传递或显示在触摸屏上，同时接收触摸屏的控制命令，经过逻辑处理后通过通信接口发送相应信息或控制命令。

家庭控制器控制用户微电网优先使用400V直流母线电源，在外部电源断电时，控制器控制供电开关S3断开，控制户用储能系统ESS放电；外部电源有电时，家庭控制器控制供电开关S3闭合，若检测到户用储能系统ESS电量不足，则控制户用储能系统ESS充电，直至电量充满后停止户用DC/DC储能变流器。

全直流微电网楼宇控制系统为楼宇层微电网的核心，包括电脑服务器和数据集中模块。数据集中器包含多个通信接口，分别与建筑供电总开关S2、750V-400V变流器、充电桩、楼宇储能系统控制模块、光伏变流器、中央空调连接，通信方式为CAN总线通信，同时也与多个家庭控制器连接，通信方式为总线通信、以太网通信或无线通信，本实施例中为CAN总线通讯。

数据集中器将所有通信数据汇总后发送给电脑服务器，并将来自电脑服务器的通信数据发送到对应通信接口。楼宇控制系统从建筑供电总开关S2获取社区级直流母线的电压、电流等数据，并控制建筑供电总开关S2的断开与闭合。楼宇控制系统从750V-400VDC/DC变流器获取电压、电流、功率、运行状态和故障信息，并控制750V-400VDC/DC变流器的运行和停止。

楼宇控制系统从DC/DC光伏变流器获取光伏发电功率，并控制DC/DC光伏变流器运行和停止。楼宇控制系统从楼宇储能系统ESS的控制模块获取楼宇储能系统ESS剩余电量、充放电状态、充放电功率和故障信息等，并发送楼宇储能系统ESS充放电控制命令；楼宇储能系统ESS的控制模块通过总线通信与楼宇储能系统ESS的电池管理系统BMS和楼宇DC/DC储能变流器连接，其功能与户用储能系统ESS的控制模块相同。

楼宇控制系统从充电桩和中央空调获取负荷功率。电脑服务器获取楼宇级微电网所有运作状态数据，计算微电网内总负荷功率与总发电功率，并执行响应的控制策略与逻辑，在电脑服务器界面显示汇总数据及运行状态信息，并可接收操作人员的控制命令，将数据和控制命令传递给数据集中器。

楼宇控制系统控制楼宇级微电网优先使用光伏电源，控制DC/DC光伏变流器以最大功率运行，若光伏PV发电功率大于充电桩、中央空调以及各家庭微电网总负荷功率，则启动楼宇储能系统ESS充电，楼宇储能系统ESS充满后，将多余电能经过建筑供电总开关S2输出，并发送信息到全直流微电网社区控制系统；若光伏PV发电功率小于总负荷功率，则所需电能通过建筑供电总开关S2输入，并给楼宇储能系统ESS充电直至充满。

若楼宇外部母线断电，楼宇控制系统控制建筑供电总开关S2断开，优先使用光伏PV发电，若楼宇储能系统ESS充满且光伏PV发电功率大于总负荷，控制DC/DC光伏变流器限制功率输出，使源荷功率平衡；若楼宇储能系统ESS电量不足且光伏PV发电功率大于总负荷，则控制楼宇储能系统ESS充电；若光伏PV发电功率不足，则控制楼宇储能系统ESS放电；若夜晚光伏PV发电功率为0且楼宇储能系统ESS电量不足，则控制所有家庭微电网断开与400V母线的连接，楼宇级微电网停止运行。

全直流微电网社区控制系统是社区级微电网的控制核心，包括电脑服务器和数据集中模块。数据集中器包含多个通信接口，分别与并网开关S1、AC/DC双向并网逆变器、社区储能系统ESS的控制模块和甲烷燃料电池发电系统的控制模块连接，通信方式为CAN总线通信，也与多个楼宇控制系统连接，通信方式为总线通信、以太网通信或无线通信，本实施例以CAN总线通讯为例进行说明。

数据集中器将所有通信数据汇总后发送给电脑服务器，并将来自电脑服务器的通信数据发送到对应通信接口。社区控制系统检测并网开关S1处电网的电压、电流等数据，并控制并网开关S1的断开与闭合，即控制社区全直流微电网的并网与孤岛运行。社区控制系统从AC/DC双向并网逆变器出获取母线的电压、AC/DC双向逆变器运行状态、故障信息等，并控制AC/DC双向逆变器启动与停止、逆变与整流。

社区控制系统从社区储能系统ESS的控制模块获取社区储能系统剩余电量、充放电状态、充放电功率和故障信息等，并发送社区储能系统ESS充放电控制命令；社区储能系统ESS的控制模块通过CAN总线通信与社区储能系统ESS和DC/DC储能变流器连接，其功能与楼宇储能系统ESS的控制模块相同。

社区控制系统从甲烷燃料电池发电系统的控制模块获取天然气供应状态、储气罐的压力、温度、余量等信息、甲烷燃料电池FC的运行状态数据如电压、电流、温度、气流量等、DC/DC燃料电池直流变换器运行状态和故障信息等，并控制命令控制燃料电池发电系统运行和停止、储气罐充/放气以及给用户供气。

燃料电池发电系统的控制模块与天然气阀门、储气罐、甲烷燃料电池FC和DC/DC燃料电池直流变换器通信连接，通讯方式为CAN总线通信。阀门1、阀门2和阀门3能够检测阀门两端的压力和温度数据，并将这些数据连同自身的开关状态通过通信传递给燃料电池发电系统的控制模块，同时接收燃料电池发电系统的控制模块的命令开启或关闭阀门，实现给储气罐充气、外部天然气直接给燃料电池供气、储气罐给燃料电池供气或储气罐给用户供气等功能。

储气罐内置压力传感器和温度传感器，检测管内天然气压力和温度，并将压力和温度数据通信传递给燃料电池发电系统的控制模块计算天然气余量。甲烷燃料电池FC包含燃料电池电堆、燃料电池辅助系统和燃料电池控制器，电堆将天然气与氧气中的化学能转换为电能，辅助系统为电堆提供天然气、氧气以及散热功能，控制器包含电压、电流和温度传感器，检测燃料电池的电压、电流、温度等运行状态数据并控制辅助系统启动/停止燃料电池，燃料电池控制器将燃料电池运行状态数据通信传递给燃料电池发电系统控制模块，并接收控制模块的燃料电池运行和停止命令。燃料电池直流变换器将变换器运行状态数据和故障信息通信传递给燃料电池发电系统的控制模块，并接收燃料电池发电系统的控制模块的运行或停止命令。

电脑服务器获取社区层微电网所有运作状态数据，计算微电网内总负荷功率与总发电功率，并执行响应的控制策略与逻辑，在电脑服务器界面显示汇总数据及运行状态信息，并可接收操作人员的控制命令，将数据和控制命令传递给数据集中器。

全直流微电网社区控制系统检测电网运行正常时，控制并网开关S1闭合和AC/DC双向并网逆变器启动，当社区级微电网内总发电功率大于总负荷功率，若社区储能系统ESS电量不足，则控制社区储能系统ESS充电，若社区储能系统ESS电量充足，则控制AC/DC双向并网逆变器为逆变运行状态，将多余电量输出到电网，当总发电功率小于总负荷功率时，控制AC/DC双向并网逆变器为整流运行状态，从电网补足所需电能。当检测到电网运行异常时，控制并网开关S1断开和AC/DC双向并网逆变器停止运行，社区级微电网孤岛运行，若总发电功率大于总负荷功率，若社区储能系统ESS电量不足，则控制社区储能系统ESS充电，若社区储能系统ESS电量充足，则降低燃料电池发电系统或光伏发电系统的发电功率；若总发电功率小于总负荷功率，则控制社区储能系统ESS放电，并启动甲烷燃料电池发电系统运行，当燃料电池发电系统启动后，控制社区储能系统ESS充电至充满，当燃料电池气源消耗完时，控制社区储能系统ESS放电。

社区控制系统检测到外部天然气供应正常时，控制阀门1开启，若检测到甲烷燃料电池发电系统启动，则控制阀门2开启给燃料电池供气，若检测到储气罐储气量不足时，则控制阀门2、阀门3开启给储气罐充气；社区控制系统当检测到外部天然气断供时，控制阀门1关闭，若检测到甲烷燃料电池发电系统启动，则控制阀门3开启、阀门2关闭，储气罐给燃料电池供气，若需要给用户供气，则控制阀门2和阀门3开启，储气罐给用户供气。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种城市社区全直流微电网，其特征在于，所述社区全直流微电网包括：甲烷燃料电池发电系统、社区级直流母线和任意数量的楼宇级微电网，所述楼宇级微电网包括光伏阵列、DC/DC光伏变流器、楼宇DC/DC变流器、楼宇级直流母线和任意数量的户用级微电网，所述甲烷燃料电池发电系统连接所述社区级直流母线，所述光伏阵列通过所述连接DC/DC光伏变流器所述社区级直流母线，所述社区级直流母线经过所述楼宇DC/DC变流器后连接所述楼宇级直流母线，所述楼宇级直流母线连接所述户用级微电网。

2.如权利要求1所述的一种城市社区全直流微电网，其特征在于，所述社区全直流微电网还包括：社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述社区级直流母线连接所述AC/DC双向并网逆变器，所述AC/DC双向并网逆变器通过所述并网开关S1连接外部交流电网，所述社区储能系统ESS通过所述社区DC/DC储能变流器连接所述社区级直流母线。

3.如权利要求1所述的一种城市社区全直流微电网，其特征在于，所述楼宇级微电网还包括：楼宇储能系统ESS、楼宇DC/DC储能变流器、汽车充电桩、中央空调和建筑供电总开关S2，所述楼宇储能系统ESS连接所述楼宇DC/DC储能变流器，所述楼宇DC/DC储能变流器通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述中央空调通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线，所述汽车充电桩通过所述建筑供电总开关S2连接所述社区级直流母线。

4.如权利要求1所述的一种城市社区全直流微电网，其特征在于，所述户用级微电网包括：户用DC/DC变流器、直流负荷、户用DC/DC储能变流器、户用储能系统ESS和入户供电开关S3，所述直流负荷通过所述户用DC/DC变流器连接所述入户供电开关S3的一端，或直接连接所述入户供电开关S3的一端，所述户用储能系统ESS通过所述户用DC/DC储能变流器连接所述入户供电开关S3的一端，所述入户供电开关S3的另一端连接所述楼宇级直流母线。

5.如权利要求1所述的一种城市社区全直流微电网，其特征在于，所述甲烷燃料电池发电系统包括天然气储气罐、第一阀门、第二阀门、第三阀门、甲烷燃料电池、DC/DC燃料电池直流变换器、天然气输入端和住户用气端，所述天然气储气罐连接所述第三阀门的一端，所述第三阀门的另一端连接所述甲烷燃料电池的供电端且公共端连接所述第二阀门的一端，所述第二阀门的另一端连接所述第一阀门的一端且公共端连接住户用气端，所述第一阀门的另一端连接天然气输入端，所述甲烷燃料电池的输出端连接所述DC/DC燃料电池直流变换器的输入端，所述DC/DC燃料电池直流变换器的输出端连接社区级直流母线且公共端连接所述甲烷燃料电池的供电端。

6.一种城市社区全直流微电网的控制系统，其特征在于，所述城市社区全直流微电网的控制系统应用于权利要求1至5任意一项所述的城市社区全直流微电网。

7.如权利要求6所述的一种城市社区全直流微电网的控制系统，包括：全直流微电网社区控制系统、全直流微电网楼宇控制系统和全直流微电网家庭控制器，所述全直流微电网社区控制系统用于控制所述甲烷燃料电池发电系统、社区储能系统ESS、社区DC/DC储能变流器、AC/DC双向并网逆变器和并网开关S1，所述全直流微电网楼宇控制系统用于控制所述楼宇级微电网，所述全直流微电网家庭控制器用于控制所述户用级微电网。

8.如权利要求7所述的一种城市社区全直流微电网的控制系统，其特征在于，所述全直流微电网社区控制系统包括：电脑服务器和数据集中模块，所述数据集中器包含多个通信接口，所述通信接口分别与所述并网开关S1、所述AC/DC双向并网逆变器、所述社区储能系统ESS的控制模块和所述甲烷燃料电池发电系统的控制模块连接。

9.如权利要求7所述的一种城市社区全直流微电网的控制系统，其特征在于，所述全直流微电网楼宇控制系统包括：电脑服务器和数据集中模块，所述数据集中器包含多个通信接口，所述通信接口分别与所述建筑供电总开关S2、所述楼宇DC/DC变流器、所述汽车充电桩、所述楼宇储能系统ESS的控制模块、所述DC/DC光伏变流器、所述中央空调连接。

10.如权利要求7所述的一种城市社区全直流微电网的控制系统，其特征在于，所述全直流微电网家庭控制器包括：微型中央处理器CPU、任意数量的通信接口和用户操作界面，所述全直流微电网家庭控制器通过所述通信接口与所述入户供电开关S3、所述户用DC/DC储能变流器、户用DC/DC变流器和所述户用储能系统ESS的控制模块连接。

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