CN114094644A - 一种光储充换一体化微电网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光储充换一体化微电网系统，包括可再生能源制氢系统、V2G系统和微电网管理系统三大模块，微电网管理系统电连接控制可再生能源制氢系统、V2G系统，并控制可再生能源制氢系统、V2G系统。通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连，直流充电桩直接挂在直流母线上，交流充电桩与换电站挂在交流母线上，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能。本发明综合利用太阳能光伏组件阵列、市电混合供电，使用微电网管理系统控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，还可以通过蓄电池及V2G系统进一步提高系统的负载供电保障率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电网系统，具体涉及一种简化了系统结构并缩减了系统成本，多能互补与多种供能方式的结合，提高了经济性的光储充换一体化微电网系统。
背景技术
在“碳达峰”和“碳中和”的目标和背景下，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系，各能源品种有机融合，进一步优化和完善能源生产体系和能源消费结构无疑是实现绿色低碳发展有效路径之一。交通运输是耗能大户，电动汽车不仅是能源革命、能源转型的组成部分，更是实现碳达峰、碳中和目标的重要抓手。如今，新能源和电动汽车两大产业的兴起，为实现国家从化石能源为主导向可再生能源为主导转型的目标、为实现碳减排创造了两大先决条件：上游有了以光电、风电为主的充足的可再生能源，下游有了可以大幅度消纳可再生能源的电动汽车。
各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这2个技术难点的最佳途径，其中纯电动汽车被认为是汽车工业的未来。环境保护政策和技术进步推动了电动汽车的快速发展：2020年11月，中国政府发布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》，制定了中国电动汽车产业的发展蓝图。此外，德国、法国、美国等国家也都提高了新能源汽车的补贴范围和补贴额度或颁布了电动汽车税收扶持和刺激计划等。根据IEA的预测，2030年全球电动汽车保有量将达到1.25亿辆。而中国、美国、欧洲等，无疑是全球电动汽车销量最为集中的国家或地区。在政策和技术的驱动下，2020年全球电动车销量增长43％，达324万辆。
目前，我国电动汽车产业步入快速发展期，随着电动汽车渗透率的升高，电动汽车充电负荷对电网的影响也越来越大。一方面，公共充电站快充负荷的天然不确定性叠加上车辆大功率快充模式，使得部分充电站的充电负荷具有功率大、间歇性和波动性强等特点；如果不对这些公共充电站的快充负荷做合理调控，可能导致配网部分电压越限、电能质量恶化、甚至设备过载等问题，将影响区域供用能的平衡；另一方面，电动汽车具有移动特性，电动汽车充电需求的空间灵活性又可以提供电网所需的需求侧响应服务，对于区域“韧性电网”的建设有很大的帮助。因此，研究结合电动汽车区域供用能平衡策略方法，并对V2G进行多场景研究挖掘具有重大意义。
充电模式的优势是能利用夜间闲暇时间来补充能源，对电池的标准和互换性要求低，能够节约能源。换电模式的优势则是能满足用户快速补充能源的需求，且不需要大规模建设充电设施，节省成本。对于用户来讲，采用电池租赁方式，由电网公司承担电池的初期投资成本，可显著降低用户的初始购车费用。因此，充电桩作为常规充电，占地面积小、投资少、建设快，并且主要用于较长时间的停车过程，将成为电动汽车的主要充电设施，充电站与换电站将成为其良好的补充充电设施，共同构成未来的充电网络，推动电动汽车产业蓬勃发展。
国内外对于微电网概念的定义方式较多，其中由美国CERTS提出的最为权威：微电网是由微电源(Micro Source，MS)、储能设备与负荷等组成的小型单一可控单元。微电网有并网与孤岛两种运行模式：若公共电网正常运行，微电网则与公共电网并联，微电源输出功率全部馈入电网；若大电网故障、检修或其输出电能质量与负载需求不符，微电网则切换为孤岛模式，为系统提供稳定的电压与频率参考，实现系统内敏感负载的不间断供电。
光伏充电站作为分布式能源应用的一种重要形式，在实现光伏电能即发即用的同时，能够减小电动汽车充电对化石能源的间接需求。然而，光伏出力的不稳定和充电负荷的不确定，导致了光伏功率的间歇性剩余和电网功率的随机波动。为了充分利用光伏电能，并给负荷提供持续稳定的功率补给，在光伏充电站配置合适的储能容量尤为重要。
以光伏电池作为微电源并集成蓄电池储能的微电网近年来引起了国内外学者的广泛关注。光伏电池随光照强度、温度的变化，其输出功率实时改变，为最大限度利用太阳能，微电网中光伏电池的接口电路需增加最大功率点跟踪功能。同时，蓄电池的过充或过放将直接影响其使用寿命，为合理管理蓄电池的充电电流与剩余容量，微电网中蓄电池的接口电路需实现其充放电管理功能。同时微电网的运行标准要求系统可工作于并网模态或孤岛模态，且两模态间能自主切换。
光储充放一体化是综合能源站的一种，其工作原理是利用光伏发电，余电由储能设备存储，二者共同承担供电充电任务。日常，光储充一体化项目可以满足站内车辆的充电；节假日车辆较少时，多余电量还可以上网，同时起到削峰填谷的作用。光储充放一体化智慧能源站以电动汽车充电站为载体，基于能源互联网的设计理念，整合光伏、储能等分布式能源系统，实现源、网、荷、储协调运行，并在此基础上开展电动汽车充放电设施多种商业运营模式的实践示范。
基于各类传感器、数据采集器、边缘网关等感知设备，全面采集站内充放电机、光伏、储能、电动汽车、停车位、楼宇等各类不同设备的运行状态信息，以及视频图像、温湿度、安防等信息，各系统和重点设备的用能信息和全域充放电设施、电动汽车运行信息等，为各类应用功能提供基础数据支撑。
在对上述设备运行信息、环境信息、用能信息、用户行为信息等多源数据的融合分析和统一建模基础上，应用人工智能、深度学习算法和边缘计算、大数据等先进技术，实现信息精准推送与客户引流、电动汽车有序充放电、源网荷储协调控制、用能分析与能效优化、设备在线状态评估、故障诊断及预警等多元便捷应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种简化了系统结构并缩减了系统成本，多能互补与多种供能方式的结合，提高了经济性的光储充换一体化微电网系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种光储充换一体化微电网系统，该系统包括可再生能源制氢系统、V2G系统和微电网管理系统三大模块，微电网管理系统电连接控制可再生能源制氢系统、V2G系统，并控制可再生能源制氢系统、V2G系统。
在本发明的具体实施例子中，所述光储充换一体化微电网系统通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连，直流充电桩直接挂在直流母线上，交流充电桩与换电站挂在交流母线上，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能。
在本发明的具体实施例子中，所述光储充换一体化微电网系统采取的逆变器为两级式逆变器，该两级式变换器将系统功能集成于同一台逆变器中，光伏组件通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连。
在本发明的具体实施例子中，所述光储充换一体化微电网系统包含光伏发电组件、储能电池组件、制氢系统、加氢站、交直流充电桩、本地负载、公共电网、开关元件、一套微电网管理系统及一台两级式逆变器，该两级式变换器由前级DC/DC变换器与后级三相全桥逆变电路部分组成；光伏组件通过两级式逆变器的前级DC/DC变换器部分连接至直流母线，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能，并供氢燃料电池汽车供氢；蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连；直流母线可为充电桩直流负载供电，交流母线为充电桩、换电站、本地负载交流负载供电；所述光储充换一体化微电网系统包工作于并网模态或孤岛模态，微电网管理系统实现微电网的统一管理调度。
在本发明的具体实施例子中，并网模态下前级Boost电路始终工作于MPPT模态，后级逆变电路工作于蓄电池充放电管理模态；孤岛模态下前级Boost电路可运行于MPPT模态或限功率模态，后级逆变电路运行于孤岛V/f模态，前级Boost电路一直跟踪光伏组件最大功率点，后级逆变电路用来实现储能设备的充放电管理。
在本发明的具体实施例子中，光储充换一体化微电网系统采用二段式充电法，当储能设备的剩余容量较低时，系统采用恒流方式对储能设备进行充电；当储能设备剩余容量接近饱和时，系统采用恒压方式对储能设备进行充电；两种充电方式分别通过后级逆变部分的恒流充电环路与恒压充电环路实现，两种充电模式自主切换。
在本发明的具体实施例子中，可再生能源制氢系统包括太阳能发电机组、电解水制氢装置、压缩机、氢气储罐，采用纯水经可再生能源发电带动的电解水制氢装置进行电解作用，产生的氢气用于加氢站。
在本发明的具体实施例子中，加氢站将氢气提供给氢燃料电池汽车。
在本发明的具体实施例子中，V2G系统的车载电池作为一个分布式储能单元，利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲；当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的光储充换一体化微电网系统有如下优点：
1、此系统结构相比于传统的交直流微电网结构的优势在于省略了一个变换器，对光伏逆变器与储能变换器进行功能集成，这样在保证微电网稳定运行的同时简化了系统结构并缩减了系统成本。
2、智能一体化调度。系统具备完善的通讯、监测、管理、控制、预警和保护功能，长时间持续安全运行，通过光储充换一体化调度控制，可实现V2G需求响应技术的应用，且对系统运行状态进行检测，具备丰富的数据分析功能。
3、本系统通过储能电池，光伏制氢系统，明显减少了弃光现象；电动汽车充电、换电模式的融合应用，有效减少了电动汽车对电网的伤害，并实现了电动汽车与电网的及可再生能源系统的交互作用；在应急情况下，电动汽车可通过系统保障用户用电，降低电网风险。
4、推广应用潜力大：本发明面对现在微电网及电动汽车充电存在的问题，简化了系统结构并缩减了系统成本，多能互补与多种供能方式的结合，提高了经济性，减少了电动汽车充电对电网造成的伤害，并减少了弃光现象。
本发明综合利用太阳能光伏组件阵列、市电混合供电，使用微电网管理系统控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以通过蓄电池及V2G系统进一步提高系统的负载供电保障率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明提供的一种光储充换一体化微电网系统，其核心是一套基于光伏发电的微电网系统，另外两套可再生能源制氢系统、V2G(V2G是Vehicle-to-grid(车辆到电网)的缩写)系统分别是用于增强可再生能源的消纳及削峰填谷、提配网的灵活调节能力。微电网管理系统包括控制装置、两级式逆变器、光伏发电组件、蓄电池、充换电装置、加氢装置、控制开关以及本地负载等部分，可再生能源制氢系统由太阳能发电机组、两级式逆变器、电解水制氢装置、压缩机、氢气储罐组成，V2G系统包括电动汽车、外部电网、微电网及控制装置。
系统的工作方式是可再生能源、储能系统及外部电网负责电力供应，微电网管理系统进行电能管理，电力供需双方首先在微网层面实现平衡，然后再同大电网交互。对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求。如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网；如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求，如果市电产生故障，即市电停电或者是市电的品质不合格，系统就会自动的断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池、逆变器及电动汽车提供负载所需的电能。其中，V2G系统的车载电池作为一个分布式储能单元，利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。
整个系统包含光伏发电组件、储能电池组件、制氢系统、加氢站、交直流充电桩、本地负载、公共电网、开关元件、一套微电网管理系统及一台两级式逆变器，该两级式变换器由前级DC/DC变换器与后级三相全桥逆变电路部分组成。光伏组件通过两级式逆变器的前级DC/DC变换器部分连接至直流母线，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能，并供氢燃料电池汽车供氢；蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连；直流母线可为充电桩等直流负载供电，交流母线可为充电桩、换电站、本地负载等交流负载供电；系统可工作于并网模态或孤岛模态，微电网管理系统实现微电网的统一管理调度。并网模态下前级Boost电路始终工作于MPPT模态，后级逆变电路工作于蓄电池充放电管理模态；孤岛模态下前级Boost电路可运行于MPPT模态或限功率模态，后级逆变电路运行于孤岛V/f模态。
V2G系统以电动汽车充电换电站为载体，统筹充电汽车充放电、电力调度需求，实现电动汽车与电网能量高效互动，基于能源互联网的设计理念，整合可再生能源、储能等分布式能源系统，实现源、网、荷、储协调运行。可再生能源制氢系统中纯水经可再生能源发电带动的电解水制氢装置进行电解作用，产生的氢气用于加氢站。加氢站将氢气提供给氢燃料电池汽车，燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，且燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍。电动汽车作为微网的一部分，可以充分发挥其储能特性的优势，微电网系统调控的“高比例可再生能源+储能+电动汽车”的风光储充一体化微电网，可以大幅提高配网的灵活性，而配网灵活调节能力的提升将增加大电网的灵活调节能力，从而有助于消纳大型可再生能源电站产生的绿电。
图1为本发明的整体结构示意图，如图1所示，一种光储充换一体化微电网系统，该系统包含光伏发电组件、储能电池组件、制氢系统、加氢站、交直流充电桩、本地负载、公共电网、开关元件、一套微电网管理系统及一台两级式逆变器，该两级式变换器由前级DC/DC变换器与后级三相全桥逆变电路部分组成。光伏组件通过两级式逆变器的前级DC/DC变换器部分连接至直流母线，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能，并供氢燃料电池汽车供氢；蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连；直流母线可为充电桩等直流负载供电，交流母线可为充电桩、换电站、本地负载等交流负载供电；系统可工作于并网模态或孤岛模态，微电网管理系统实现微电网的统一管理调度。
本发明采取的逆变器为两级式逆变器，该两级式变换器将系统功能集成于同一台逆变器中。光伏组件通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连。实现系统能量的统一规划控制、提高系统稳定性能。
并网模态下前级Boost电路始终工作于MPPT模态，后级逆变电路工作于蓄电池充放电管理模态；孤岛模态下前级Boost电路可运行于MPPT模态或限功率模态，后级逆变电路运行于孤岛V/f模态。
前级Boost部分一直跟踪光伏组件最大功率点，使得太阳能利用率最大化，所述的后级逆变部分主要用来实现储能设备的充放电管理。
本发明采用二段式充电法，当储能设备的剩余容量较低时，系统采用恒流方式对储能设备进行充电；当储能设备剩余容量接近饱和时，系统采用恒压方式对储能设备进行充电。两种充电方式分别通过后级逆变部分的恒流充电环路与恒压充电环路实现，两种充电模式自主切换。实现尽可能的延长储能设备的使用寿命。
本发明中空内个可再生能源制氢系统太阳能发电机组、两级式逆变器、电解水制氢装置、压缩机、氢气储罐，所述的纯水经可再生能源发电带动的电解水制氢装置进行电解作用，产生的氢气用于加氢站。
本发明中加氢站将氢气提供给氢燃料电池汽车。所述的氢燃料电池车在经由燃料口充氢后，方可正常启动运行。当司机打开控制系统，将汽车发动后，燃料电池堆开始工作，消耗氢气，产生电能，带动电动发动机工作，汽车开始行驶。以PEMFC电池堆替代锂电池，作为电动发动机的能量来源，实现更远的续航里程；同时，实现短时高效充能。
本发明中的V2G系统的车载电池作为一个分布式储能单元，利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。
本发明中电动汽车用户可以在电价低时，从电网买电，电网电价高时向电网售电，从而获得一定的收益。海量的电动汽车既可作为用户侧的柔性负荷，又可以作为分布式电源设备，实现调节电网用电负荷，削峰填谷，消纳可再生能源，并为电网提供调频和备用等辅助服务。
本发明由微电网管理系统进行电能管理。所述微电网管理系统由控制装置、两级式逆变器、光伏发电组件、蓄电池、充换电装置、加氢装置、控制开关以及本地负载等部分组成，能够自我平衡、灵活调控。
本发明与外部电网并网运行或独立运行的微型供电系统，控制装置与两级式逆变器作为其控制心脏，担负着系统自动控制和管理任务。
本发明电力供需双方首先在所述微网层面实现平衡，然后再同大电网交互，减少大电网平衡调节的成本，实现增强可再生能源的消纳。
本发明可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线的PS(不间断电源)工作。还可以向电网供电或者从电网获得电力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种光储充换一体化微电网系统，其特征在于：该系统包括可再生能源制氢系统、V2G系统和微电网管理系统三大模块，微电网管理系统电连接控制可再生能源制氢系统、V2G系统，并控制可再生能源制氢系统、V2G系统。
2.根据权利要求1所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：所述光储充换一体化微电网系统通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连，直流充电桩直接挂在直流母线上，交流充电桩与换电站挂在交流母线上，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能。
3.根据权利要求2所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：所述光储充换一体化微电网系统采取的逆变器为两级式逆变器，该两级式变换器将系统功能集成于同一台逆变器中，光伏组件通过两级式逆变器的前级Boost变换器部分连接至直流母线，蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连。
4.根据权利要求3所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：所述光储充换一体化微电网系统包含光伏发电组件、储能电池组件、制氢系统、加氢站、交直流充电桩、本地负载、公共电网、开关元件、一套微电网管理系统及一台两级式逆变器，该两级式变换器由前级DC/DC变换器与后级三相全桥逆变电路部分组成；光伏组件通过两级式逆变器的前级DC/DC变换器部分连接至直流母线，光伏发电系统通过制氢系统，给加氢站提供氢能，并供氢燃料电池汽车供氢；蓄电池直接连接于直流母线，交直流母线间通过两级式逆变器的后级逆变部分相连；直流母线可为充电桩直流负载供电，交流母线为充电桩、换电站、本地负载交流负载供电；所述光储充换一体化微电网系统包工作于并网模态或孤岛模态，微电网管理系统实现微电网的统一管理调度。
5.根据权利要求4所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：并网模态下前级Boost电路始终工作于MPPT模态，后级逆变电路工作于蓄电池充放电管理模态；孤岛模态下前级Boost电路可运行于MPPT模态或限功率模态，后级逆变电路运行于孤岛V/f模态，前级Boost电路一直跟踪光伏组件最大功率点，后级逆变电路用来实现储能设备的充放电管理。
6.根据权利要求5所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：光储充换一体化微电网系统采用二段式充电法，当储能设备的剩余容量较低时，系统采用恒流方式对储能设备进行充电；当储能设备剩余容量接近饱和时，系统采用恒压方式对储能设备进行充电；两种充电方式分别通过后级逆变部分的恒流充电环路与恒压充电环路实现，两种充电模式自主切换。
7.根据权利要求5所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：可再生能源制氢系统包括太阳能发电机组、电解水制氢装置、压缩机、氢气储罐，采用纯水经可再生能源发电带动的电解水制氢装置进行电解作用，产生的氢气用于加氢站。
8.根据权利要求7所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：加氢站将氢气提供给氢燃料电池汽车。
9.根据权利要求1所述的光储充换一体化微电网系统，其特征在于：V2G系统的车载电池作为一个分布式储能单元，利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲；当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量。
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