CN111555256A - 一种直流微电网系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流微电网系统及控制方法，本发明的一种直流微电网系统经过双向电能转换模块后，通过开关连接电网，所述直流微电网系统包括：可再生发电模块、直流母线、储氢模块、耗电模块和控制模块，在本发明的直流微电网系统中，通过直流微网系统分配电力，制取氢气，满足加氢、充电（包括氢燃料电池汽车充电和纯电动汽车充电）、照明需求，有效消纳了风电和光电，且电能不需要经过交直流的多次转换，提高了能源利用的效率并降低了直流微电网的能量损耗，并且本发明将电能回馈给电网，缓解电网的调峰压力。

Description

一种直流微电网系统及控制方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种直流微电网系统及控制方法。

背景技术

我国的氢燃料电池汽车和新能源锂电池汽车发展迅速，但都面临加氢、充电的难题。燃料电池汽车包含氢燃料电池系统和锂电池系统，需要加氢也需要充电。一方面，我国目前的加氢站数量严重不足，氢储存、运输的难题限制了氢燃料电池汽车的发展。另一方面，直流充电桩的充电功率在配电层的总负荷功率占比越来越大，增加了电网调峰的难度，配电网的规划建设面临严峻挑战。

传统交流系统由于自身的固有缺陷，较多的电流变换环节增加了能量损耗，且对易波动的可再生能源电力的消纳能力不足。而直流微网不用考虑无功功率、相位等问题，其系统结构简单，供电的可靠性更高，损耗更少，更易于接入通信设备、新能源汽车等新型直流用电设备。

据中国氢能联盟发布的白皮书显示，到2050年，我国可再生能源电解制氢将占氢气供应结构的70％。公开号为CN110474371A的专利公开了一种风光氢综合能源系统在线能量调控方法，但是该方法利用多余电能制氢，再将氢能转化为电能回馈电网，电网再给设备供电，氢电在电网和负载间的多次变换将造成极大的损耗，能量利用率低。

本专利提出的氢电一体化直流微网系统，利用可再生能源的直流电制氢，降低氢气生产和运输成本，能满足氢燃料电池汽车的加氢需求；同时直流微网系统能够为纯电动汽车、城市LED路灯等新型直流用电设备提供直流电，有效消纳了可再生能源电力，缓解电网的调峰压力，且直流微电网系统的损耗更低，能量利用效率大大提高。

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直流微电网系统及控制方法，用于缓解电网的调峰压力，降低直流微电网系统的损耗，提高能量利用效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种直流微电网系统，所述直流微电网系统经过双向电能转换模块后，通过开关连接电网，所述直流微电网系统包括：

可再生发电模块：通过可再生能源发电；

直流母线：所述直流母线连接所述可再生发电系统和所述双向电能转换模块，用于为直流微电网系统提供直流电；

储氢模块：所述储氢模块连接所述直流母线，用于产生、存储氢气；

耗电模块：连接所述直流母线，使用所述直流母线提供的直流电；

控制模块，所述控制模块分别连接所述开关、所述可再生发电模块、所述储氢模块和所述耗电模块，用于控制所述开关导通/不打通、控制所述可再生发电系统发电/不发电，并获取所述可再生发电系统的发电功率，还控制所述储氢模块产生/不产生氢气，并获取所述储氢模块存储的氢气量，同时控制所述耗电模块使用/不使用电能。

进一步地，所述可再生发电系统包括光伏发电系统和风力发电系统，所述光伏发电系统通过DC/DC模块后连接所述直流母线，所述风力发电系统经过三相PWM整流模块后连接所述直流母线。

进一步地，所述储氢模块包括电解槽、储氢罐和压力表，所述电解槽的供电端连接所述直流母线，所述电解槽的控制端连接所述控制模块，所述电解槽的氢气输出端连接所述储氢罐，设于所述储氢罐上的所述压力表连接所述控制模块。

进一步地，所述耗电模块包括充电桩和城市LED路灯模块，所述充电桩连接所述直流母线，所述城市LED路灯模块包括恒流模块和城市LED路灯，所述城市LED路灯经过所述恒流模块后连接所述直流母线。

本发明还提供一种直流微电网系统的控制方法，所述直流微电网系统的控制方法应用于上述直流微电网系统。

所述直流微电网系统的控制方法包括以下步骤：

预设电解槽额定功率PH2＞充电桩额定功率P2＞城市LED路灯额定功率P3；

根据实时时间启动第一控制模式或第二控制模式；

通过所述第一控制模式或所述第二控制模式控制充电桩、城市LED路灯和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

进一步地，所述第一控制模式具体为：

S1：获取可再生发电系统实际功率P1、充电桩额定功率P2、电解槽额定功率PH2和储氢罐压力Pa；

S2：根据所述可再生发电系统实际功率P1、所述充电桩额定功率P2、所述电解槽额定功率PH2和储氢罐压力Pa，控制所述充电桩和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

进一步地，所述步骤S2具体为：

当P1≥PH2+ P2时，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩、电解槽不工作时，向电网回馈多余的电能；

当PH2+P2＞P1＞P2时，若Pa＜min，电网提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩不工作时，向电网回馈多余的电能；

当P1＜P2时，需电网提供电能供充电桩正常工作；若Pa＜min，电网提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

进一步地，所述第二控制模式具体为：

S11：获取可再生发电系统实际功率P1、充电桩额定功率P2、电解槽额定功率PH2、城市LED路灯额定功率P3和储氢罐压力Pa；

S22：根据所述可再生发电系统实际功率P1、所述充电桩额定功率P2、所述电解槽额定功率PH2、所述城市LED路灯额定功率P3和储氢罐压力Pa，控制所述充电桩和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

进一步地，所述步骤S22具体为：

当P1≥PH2+ P2+P3时，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩、电解槽、城市LED路灯不工作时，向电网回馈多余的电能；

当PH2+P2+P3＞P1＞P2+P3时，若Pa＜min，电网向直流母线提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩、城市LED路灯不工作时，向电网回馈多余的电能；

当P2+P3＞P1≥P3时，需电网提供电能供充电桩正常工作；若min＜Pa＜max，电网提供电能满足充电桩工作即可；若Pa＜min，需电网提供电能满足充电桩、电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作；只有城市LED路灯工作时，向电网回馈多余的电能；

当P1＜P3时，需电网提供电能满足城市LED路灯和充电桩正常工作；若Pa＜min，需电网提供电能供电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种直流微电网系统及控制方法，在本发明的直流微电网系统中，通过直流微网系统分配电力，制取氢气，满足加氢、充电（包括氢燃料电池汽车充电和纯电动汽车充电）、照明需求，有效消纳了风电和光电，且电能不需要经过交直流的多次转换，提高了能源利用的效率并降低了直流微电网的能量损耗，并且本发明将电能回馈给电网，缓解电网的调峰压力。

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是本发明的直流微电网系统的系统结构示意图。

图2是本发明的直流微电网系统的控制方法的一种制模式的流程示意图。

图3是本发明的直流微电网系统的控制方法的另一种制模式的流程示意图。

附图标记：1.可再生发电系统，2.电网，3.孤岛开关，4.双向电能转换模块，5.直流母线，6.碱性电解槽，7.储氢罐，8.充电桩，9.城市LED路灯，10.控制模块。

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1，一种直流微电网系统。

如附图1所示，本实施例的一种直流微电网系统，所述直流微电网系统经过双向电能转换模块4后，通过开关连接电网2，所述直流微电网系统包括：

可再生发电模块：通过可再生能源发电；

直流母线5：所述直流母线5连接所述可再生发电系统1和所述双向电能转换模块4，用于为直流微电网系统提供直流电，所述直流母线5分为正负直流母线5，是发电系统和负载的连接点；

储氢模块：所述储氢模块连接所述直流母线5，用于产生、存储氢气；

耗电模块：连接所述直流母线5，使用所述直流母线5提供的直流电；

控制模块10，所述控制模块10分别连接所述开关、所述可再生发电模块、所述储氢模块和所述耗电模块，用于控制所述开关导通/不打通、控制所述可再生发电系统1发电/不发电，并获取所述可再生发电系统1的发电功率，还控制所述储氢模块产生/不产生氢气，并获取所述储氢模块存储的氢气量，同时控制所述耗电模块使用/不使用电能。

在本实施例中，所述开关具体为孤岛开关3，相较于普通的电子开关，孤岛开关3具有更块的响应速度和更安全的防护等级。

其中，所述可再生发电系统1包括光伏发电系统和风力发电系统，所述光伏发电系统通过DC/DC模块后连接所述直流母线5，所述风力发电系统经过三相PWM整流模块后连接所述直流母线5，可再生发电系统1将光伏功率和风功率预测系统的预测数据、各发电机组的运行数据等信息传送给控制模块10，由控制模块10控制。

所述储氢模块包括电解槽、储氢罐7和压力表，所述电解槽的供电端连接所述直流母线5，所述电解槽的控制端连接所述控制模块10，所述电解槽的氢气输出端连接所述储氢罐7，设于所述储氢罐7上的所述压力表连接所述控制模块10，储氢罐7的压力值实时发送至控制模块10，碱性电解槽6与直流母线5相连，主要利用可再生发电系统1的电能制取氢气，在可再生发电系统1无法满足其工作且储氢系统氢气储量不足的极端情况下使用电网2电能制取氢气。

所述耗电模块包括充电桩8和城市LED路灯9模块，所述充电桩8连接所述直流母线5，所述城市LED路灯9模块包括恒流模块和城市LED路灯9，所述城市LED路灯9经过所述恒流模块后连接所述直流母线5，充电桩8采用直流电给汽车充电，具备快充功能，其电压电流信息实时反馈至控制模块10，城市LED路灯9是直流用电设备，与直流母线5相连，夜间工作时由控制模块10控制。

控制模块10包含电脑、数据采集模块、控制算法模块等，实时采集可再生发电系统1、直流母线5、电解槽、充电桩8、城市LED路灯9的电压电流等信息，同时连接电网2调度AGC系统，满足不断变化的负载电力需求。通过实时计算各系统的功率，控制算法模块根据功率大小分配电力，当可再生能源电力系统电能大于负载需求时将多余电能通过双向电能转换系统回馈电网2，当可再生发电系统1的电能不能满足负载时电网2出力，电网2通过双向电能转换开关给负载供电，使系统处于经济的运行状态。

本实施例的一种直流微电网系统，通过直流微网系统分配电力，制取氢气，满足加氢、充电（包括氢燃料电池汽车充电和纯电动汽车充电）、照明等需求，有效消纳了风电和光电，提高了能源利用的效率。

实施例2，一种直流微电网系统的控制方法。

如附图2和附图3所示，本实施例提供了一种直流微电网系统的控制方法，应用于实施例1所述的直流微电网系统的控制方法，所述直流微电网系统的控制方法包括第一控制模式或第二控制模式，分别对应白天工作和夜间工作，在本实施例中，电解槽额定功率PH2＞充电桩8额定功率P2＞城市LED路灯9额定功率P3；

其中，第一控制模式如图2所示，具体步骤如下：

控制模块10的数据采集模块采集各系统信息，计算发电功率和负载功率。

当P1≥PH2+ P2时，可再生发电系统1的电能满足电解槽和充电桩8正常工作，检测储氢罐7压力，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩8、电解槽不工作时，向电网2回馈多余的电能；

当PH2+P2＞P1＞P2时，可再生发电系统1的电能满足充电桩8正常工作；检测储氢罐7压力，若Pa＜min，电网2提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩8不工作时，向电网2回馈多余的电能；

当P1＜P2时，可再生发电系统1的电能无法保证任何用电设备正常工作，电需电网2提供电能供充电桩8正常工作；检测储氢罐7压力，若Pa＜min，电网2提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

第二控制模式如图3所示，具体步骤如下：

当P1≥PH2+ P2+P3时，可再生发电系统1的电能满足充电桩8、城市LED路灯9正常工作；检测储氢罐7压力，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩8、电解槽、城市LED路灯9不工作时，向电网2回馈多余的电能；

当PH2+P2+P3＞P1＞P2+P3时，充电桩8、城市LED路灯9使用可再生电力正常工作；检测储氢罐7压力，若Pa＜min，电网2向直流母线5提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩8、城市LED路灯9不工作时，向电网2回馈多余的电能；

当P2+P3＞P1≥P3时，可再生发电系统1的电能能满足城市LED路灯9工作，需电网2提供电能供充电桩8正常工作；检测储氢罐7压力，若min＜Pa＜max，电网2提供电能满足充电桩8工作即可；若Pa＜min，需电网2提供电能满足充电桩8、电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作；只有城市LED路灯9工作时，向电网2回馈多余的电能；

当P1＜P3时，可再生发电系统1的电能无法保证任何用电设备正常工作，需电网2提供电能满足城市LED路灯9和充电桩8正常工作；检测储氢罐7压力，若Pa＜min，需电网2提供电能供电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

本实施例的一种直流微电网系统的控制方法，通过直流微网系统分配电力，制取氢气，满足加氢、充电（包括氢燃料电池汽车充电和纯电动汽车充电）、照明需求，有效消纳了风电和光电，且电能不需要经过交直流的多次转换，提高了能源利用的效率并降低了直流微电网2的能量损耗，并且本发明将电能回馈给电网2，缓解电网2的调峰压力。

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)

1.一种直流微电网系统，其特征在于，所述直流微电网系统经过双向电能转换模块后，通过开关连接电网，所述直流微电网系统包括：

可再生发电模块：通过可再生能源发电；

直流母线：所述直流母线连接所述可再生发电系统和所述双向电能转换模块，用于为直流微电网系统提供直流电；

储氢模块：所述储氢模块连接所述直流母线，用于产生、存储氢气；

耗电模块：连接所述直流母线，使用所述直流母线提供的直流电；

控制模块，所述控制模块分别连接所述开关、所述可再生发电模块、所述储氢模块和所述耗电模块，用于控制所述开关导通/不打通、控制所述可再生发电系统发电/不发电，并获取所述可再生发电系统的发电功率，还控制所述储氢模块产生/不产生氢气，并获取所述储氢模块存储的氢气量，同时控制所述耗电模块使用/不使用电能。

2.如权利要求1所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述可再生发电系统包括光伏发电系统和风力发电系统，所述光伏发电系统通过DC/DC模块后连接所述直流母线，所述风力发电系统经过三相PWM整流模块后连接所述直流母线。

3.如权利要求1所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述储氢模块包括电解槽、储氢罐和压力表，所述电解槽的供电端连接所述直流母线，所述电解槽的控制端连接所述控制模块，所述电解槽的氢气输出端连接所述储氢罐，设于所述储氢罐上的所述压力表连接所述控制模块。

4.如权利要求1所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述耗电模块包括充电桩和城市LED路灯模块，所述充电桩连接所述直流母线，所述城市LED路灯模块包括恒流模块和城市LED路灯，所述城市LED路灯经过所述恒流模块后连接所述直流母线。

5.一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，所述直流微电网系统的控制方法应用于权利要求1至4任意一项所述的直流微电网系统。

6.如权利要求5所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

预设电解槽额定功率PH2＞充电桩额定功率P2＞城市LED路灯额定功率P3；

根据实时时间启动第一控制模式或第二控制模式；

通过所述第一控制模式或所述第二控制模式控制充电桩、城市LED路灯和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

7.如权利要求6所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，所述第一控制模式具体为：

S1：获取可再生发电系统实际功率P1、充电桩额定功率P2、电解槽额定功率PH2和储氢罐压力Pa；

S2：根据所述可再生发电系统实际功率P1、所述充电桩额定功率P2、所述电解槽额定功率PH2和储氢罐压力Pa，控制所述充电桩和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

8.如权利要求7所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

当P1≥PH2+ P2时，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩、电解槽不工作时，向电网回馈多余的电能；

当PH2+P2＞P1＞P2时，若Pa＜min，电网提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩不工作时，向电网回馈多余的电能；

当P1＜P2时，需电网提供电能供充电桩正常工作；若Pa＜min，电网提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

9.如权利要求6所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，所述第二控制模式具体为：

S11：获取可再生发电系统实际功率P1、充电桩额定功率P2、电解槽额定功率PH2、城市LED路灯额定功率P3和储氢罐压力Pa；

S22：根据所述可再生发电系统实际功率P1、所述充电桩额定功率P2、所述电解槽额定功率PH2、所述城市LED路灯额定功率P3和储氢罐压力Pa，控制所述充电桩和电解槽工作/不工作，并控制电网的工作模式。

10.如权利要求9所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：

当P1≥PH2+ P2+P3时，若Pa=预设的最大压力值max，电解槽停止工作；若Pa＜预设的最小压力值min，电解槽工作；当充电桩、电解槽、城市LED路灯不工作时，向电网回馈多余的电能；

当PH2+P2+P3＞P1＞P2+P3时，若Pa＜min，电网向直流母线提供电能供电解槽工作；若Pa=max，电解槽停止工作；当充电桩、城市LED路灯不工作时，向电网回馈多余的电能；

当P2+P3＞P1≥P3时，需电网提供电能供充电桩正常工作；若min＜Pa＜max，电网提供电能满足充电桩工作即可；若Pa＜min，需电网提供电能满足充电桩、电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作；只有城市LED路灯工作时，向电网回馈多余的电能；

当P1＜P3时，需电网提供电能满足城市LED路灯和充电桩正常工作；若Pa＜min，需电网提供电能供电解槽正常工作；若Pa=max，电解槽停止工作。

Images