CN203205889U

CN203205889U - 直流微网系统

Info

Publication number: CN203205889U
Application number: CN2013201704629U
Authority: CN
Inventors: 邓玲慧; 王志新; 邹建龙
Original assignee: JIAXING QINGYUAN ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIAXING QINGYUAN ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2023-04-08

Abstract

本实用新型涉及一种直流微网系统，包括直流配电线路、双向AC/DC整流/逆变装置、分布式能源发电装置、带DC/DC模块的储能装置、带DC/DC模块的直流负载、带DC/AC逆变器的交流负载、微网控制系统和微网保护装置，微网控制系统通过微网保护装置和并网开关与所述的整流/逆变装置、风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、直流负载、交流负载连接，微网控制系统中设有上层调度管理系统。本实用新型将多种分布式能源、交直流负荷、储能装置等连接起来构成独立运行的微网系统，既能独立对交直流负载供电，又能根据城市微气象交互信息的处理结果与电网并网发电，满足用户供电需求并降低成本，有利于微网的设计、控制、运行、维护，有效提高微网的供电可靠性、经济型和高效性。

Description

直流微网系统

技术领域

本实用新型涉及一种直流微网系统，主要适用于连接分布式电源的风光储及市电多能互补的直流微网系统。

背景技术

近年来，随着全球资源环境压力的不断增大，智能电网已成为电力业界的热门话题，被认为是改变未来电力系统面貌的电网发展模式。

微网系统是一种独立性很强的分散型电源网络，是智能电网的基础。该系统是由太阳能光伏发电、风力发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来，再加入计量和控制装置，自成系统，独立于大电网或间歇与大电网连接，不需要长距离电缆和架空铁塔等大型设备，投资省。不需要大规模投资，也解决了远距离运输大型设备的高成本问题，尤其是大型发电设备运往岛屿和山区的困难。由于其具有自我调衡功能，因此能够把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度，还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率，解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的困难。

与交流微电网相比，直流微电网拥有其独特的优点。首先，直流微电源如光伏发电和燃料电池，可以直接将发出的直流电能注入电网中，而不同步的交流微电源则可以通过AC/DC 整流器连接在直流微电网中，而不需要考虑频率和电压相位的问题；其次，直流微电网减少了由无功功率引起的线路损耗且克服了自然功率的限制；再者，电网可以直接将功率输送给变流装置，而省去了传统电网中由交流转换成直流时引起的备用损耗。

直流微电网的电压稳定可以定义为：当系统受到干扰时，将直流母线电压保持在波动不超过额定值的±5 %的能力。在直流微电网中，系统中不考虑无功功率的流动，电压成为了反映系统功率平衡的唯一指标，控制直流微电网中的电压稳定，就可以控制微电网稳定运行。如果发生电压失稳，很可能引起保护动作或甩负荷，甚至还会危及大电网的正常运行。因此，必须对微电网中的变流装置进行有效的控制，尤其是分布式电源侧的DC/DC模块和AC/DC整流器，使直流母线电压保持在稳定运行的水平，从而减少微电网对大电网的扰动作用，更好地支撑交流配电网。

目前，国际上对微网的定义没有统一的标准。美国电气可靠性技术措施解决方案联合会（CERTS）对微网的定义如下：微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的电源主要是由电力电子装置负责能量转换，并提供必须的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的可控单元，同时满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求。

在微网的这种结构下，多个分布式电源局部就地向重要负荷提供电能和电压支撑，这在很大程度上减少了直接从大电网买电和电力线传输的负担，并可增强重要负荷抵御来自主网故障的能力。此外，在大电网发生故障或电能质量不符合系统标准的情况下，微网可以以孤网模式进行独立运行，保证微网自身和大电网的正常运行，从而提高供电可靠性和安全性。因此，孤网运行是微网最重要的能力。从大电网的角度看，微网如同电网中的发电机或负荷，是一个模块化整体单元。另一方面，从用户侧看，微网是一个自治运行的电力系统，它可以满足不同用户对电能质量和可靠性的要求。

对现有技术的公开文献检索发现，中国专利申请号201010613491.9，公开日：2011.04.20，该技术公开了一种基于直流配电的微网系统。但是该技术只设计了直流配电系统的总体框架，并未提出相应具体的直流保护及解决方案。其次，现有技术的微网拓扑结构还存在以下不足：

1. 当微网分布式电源为燃机系统时，燃机基于传统发电机，通过消耗石油化工品（特例为柴油），可以在数百小时内稳定运行。由于燃机系统下电能无法储存，所以无法实现作为微网的控制功能之一的削峰填谷。其次，由于燃机惯性较大，无法实现秒级的联络线功率平滑控制目标。

2. 当微网分布式电源为储能系统时，由于储能系统电量有限，所以在大电网发生故障后无法实现长时间（如数十小时）的孤岛运行。

3. 现有技术无法在微网内部同时实现兆瓦级风电机组和太阳能光伏发电装置的合理配置与应用。

实用新型内容

本实用新型提供一种适用于连接分布式电源的风光储及市电多能互补的直流微网系统。所提供的方案用于将多种分布式能源、交直流负载、储能装置等通过电力电子装置和微电网网络连接起来构成独立运行的微电网系统。该系统既能独立对交直流负载供电，又能根据城市微气象交互信息的处理结果与电网并网发电，同时支撑实时电价，支持储能装置系统用于平抑间歇式电源发电波动，满足用户供电需求并降低成本，有利于交直流混合微网的设计、控制、运行、维护，有效提高微电网的供电可靠性、经济型和高效性。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种直流微网系统，其特征是包括直流配电线路、接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置、分布式能源发电装置、带DC/DC模块的储能装置、带DC/DC模块的直流负载、带DC/AC逆变器的交流负载、微网控制系统和微网保护装置，所述分布式能源发电装置包括带AC/DC整流器的风力发电装置、带相应DC/DC模块的光伏发电装置；所述的风力发电装置的AC/DC整流器的直流侧接直流配电线路，AC/DC整流器的交流侧接风力发电装置；所述的光伏发电装置的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接光伏发电装置；所述的储能装置的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接储能装置；所述的直流负载的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接直流负载；所述的交流负载的DC/AC逆变器的的直流侧接入直流配电线路，交流负载的DC/AC逆变器的的交流侧接交流负载；所述的接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置的直流侧接入直流配电线路，接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置的交流侧接大电网；微网控制系统通过微网保护装置和并网开关与所述的整流/逆变装置、风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、直流负载、交流负载连接，微网控制系统中设有上层调度管理系统。

本实用新型还设置有城市微气象交互系统，微网控制系统与城市微气象交互系统连接。

本实用新型的直流负载、交流负载通过微网保护装置和并网开关连接至直流配电线路，所述并网开关采用隔离开关或断路器。并网开关连接交流母线和直流母线，用于控制直流微网系统与大电网之间的连接/断开。

本实用新型通过并网开关连接交流母线和直流母线，用于控制直流微网系统与大电网之间的连接或断开。当大电网正常供电时，并网开关处于闭合状态，将直流微网系统与大电网连接；当大电网发生故障时，并网开关处于断开状态，断开直流微网系统与大电网的连接；当大电网正常运行时，风力发电机和光伏发电装置按照最大功率发电，直流微网系统控制能量型储能装置进行削峰填谷控制以维持微网潮流平衡，直流微网系统控制功率型储能装置进行功率平滑控制以提高微网内部电能质量。

本实用新型直流微网系统与大电网之间的能量传输和交互由上层调度管理系统控制，再经微网控制系统控制直流配电线路；当直流微网系统的发电功率小于用户负荷和储能装置输出功率之和时，分布式能源发电装置、大电网、储能装置组成了直流负载、交流负载的电源，直流微网系统从大电网中购入电量，并通过上层调度管理系统记录从大电网购入的电量；当直流微网系统的发电功率大于用户负荷和储能装置输出功率之和时，直流负载、交流负载、大电网、储能装置组成了交流母线的负载，分布式能源发电装置既对储能装置充电又通过AC/DC整流/逆变装置反馈电能到大电网中，并通过上层调度管理系统记录反馈到大电网的电量。

本实用新型直流微网系统中所述的上层调度管理系统能够检测直流微网系统的状态，并根据城市微气象交互相同、时钟交互相同和用户负荷状态决定直流微网系统的发电/供电状态，决定直流微网系统与大电网的交互状态。

本实用新型直流微网系统，既可以独立对用户负荷供电，又可以与大电网之间进行双向能源传输和交互；所述的风能、太阳能互补和储能装置与市电综合利用的直流微网系统可以通过双向AC/DC整流/逆变装置把分布式能源装置和储能装置的电能反馈到大电网中，同时也可以从大电网中购入电能满足交直流负载和对储能装置充电。

设P_wind为风能发电功率，P_pv为太阳能发电功率，P_another为其他能源的发电功率，P_load为交直流负载（直流负载+交流负载），P_battery为储能装置充电或放电功率（充电时为正，放电时为负）。当直流微网系统的发电功率（风能发电功率+太阳能发电功率+其他能源的发电功率）小于用户负荷+储能装置输出功率，即P_wind+P_pv+P_another（+P_battery去掉）< P_load+P_battery时，相当于风能、光能、潮汐能和其他能源装置、大电网、储能装置组成了交直流负载的电源，直流微网系统从大电网中购入电量，并通过上层调度管理系统记录从电网购入的电量；当直流微网系统的发电功率大于交直流负载和储能装置的功率需求，即P_wind+P_pv+P_another>P_load+P_battery时，相当于交直流负载、大电网、储能装置组成了微网的负载，风能、光能、潮汐能和其他能源装置既对储能装置充电，又通过双向AC/DC整流/逆变装置反馈电能到大电网中，并通过上层调度管理系统记录反馈到大电网的电量。

本实用新型直流微网系统中，各个分布式能源（如风能、太阳能及其他能源）采用P-Q控制方式对AC/DC模块和DC/DC模块进行控制；对并网开关及储能装置采用V/f控制及下垂控制。

本实用新型直流微网系统在与大电网之间的能量传输和交互上由上层调度管理系统控制，再经微网控制系统控制直流母线侧部分；上层调度管理系统在决策时，不仅需要考虑分布式能源装置的发电功率、储能装置现有容量、用户负荷的功率需求，还要与用户环境进行交互。

本实用新型上层调度管理系统通过获取城市微气象交互系统预报来进行预测，预估未来一段时间分布式能源发电装置的发电功率，从而预先调节控制储能装置与大电网之间的交互，当未来一段时间预期分布式能源发电装置的发电功率大于用户负荷和储能装置输出功率之和时，通过上层调度管理系统和微网控制系统预先把储能装置中的电能通过双向AC/DC整流/逆变装置反馈到大电网中；当未来一段时间预期分布式能源发电装置的发电功率小于用户负荷时，通过上层调度管理系统和微网控制系统减少储能装置的电量输出。

本实用新型用户环境交互，主要包含以下内容：

首先，与城市微气象交互系统的交互。风能、太阳能等新能源装置的发电功率，受气象条件变化的制约而具有随机性和不确定性。目前实时天气预报已经能够达到确信度的要求，因此上层调度管理系统可以通过获取城市微气象交互系统预报来进行预测，估计分布式能源发电装置的发电功率，从而可以预先调节、控制储能装置与大电网之间的交互，在保证系统使用寿命的情况下让用户获得最大的经济效益。例如，若连续几天天气晴好或风速在微风以上，即P_wind+P_pv+P_another>P_load+P_battery，则可以通过上层调度管理系统和微网控制系统预先把储能装置中的电能通过双向AC/DC整流/逆变装置反馈到大电网中；若是连续几天阴雨天气或者无风、欠风，即P_wind+P_pv+P_another<P_load+P_battery，则可以一方面通过上层调度管理系统和微网控制系统减少储能装置的电量输出，另一方面风能、太阳能等其他分布式电源功率小于交直流负载功率时从大电网中购入电量满足负载。

其次，还可以加入了时钟交互系统。支持实时电价和储能装置系统用于平抑间歇式电源发电出力波动；由上层调度管理系统根据时钟交互系统统一调度直流微网系统的各部分。参考当前大电网价格和储能装置的电容量，当大电网电价较高时，由储能装置和分布式能源发电装置（分布式能源，如风能、太阳能等）对交直流负载进行供电；当大电网电价较低时，由大电网对交直流负载直接供电。

最后，与大电网的交互并提出微网能量分层管理系统。微网能量分层管理系统总体分为两层：上层调度管理系统和下层计算系统。其中，下层计算系统负责为微网测量计算，下层计算系统可以采用现有技术实现；上层调度管理系统为微网优化控制。上下层之间保持一定量的数据通信，并且能够保证各层独立决策的合理性。当整个微网系统并网运行模式和孤岛运行模式切换时，由上层调度管理系统通过接收下层计算系统计算的测量量对其的反馈数据，来提升直流微网系统电压的幅值、相位、频率，使得直流微网系统电压接近大电网电压。

本实用新型直流微网系统还可支持即插即用的使用方式。只需将与大电网连接的常规功率表表替换成双向功率表，即可将直流微网系统接入整个大电网中。

本实用新型所述的直流微网系统的控制方法如下：

当大电网正常供电时，并网开关处于闭合状态，将直流微网系统与大电网连接；当大电网发生故障时，并网开关处于断开状态，断开直流微网系统与大电网的连接；当大电网正常运行时，光伏发电装置和光伏发电装置按照最大功率发电；直流微网系统控制能量型储能装置进行削峰填谷控制，以维持微网潮流平衡；直流微网系统控制功率型储能装置进行功率平滑控制，以提高微网内部电能质量。

本实用新型所述的微网保护控制方法在线路发生故障时能减小故障造成影响的20%—40%，并通过仿真得到验证。

本实用新型相对于普通的交流微网技术，具有以下优点：

1.线路造价低；相比交流配电为三相四线或无线制，直流配电只有正负两极。相同电压有效值情况下，交流电压峰值为直流电压的1.7倍，对绝缘介质的强度要求更严格。

2.电能损耗小；直流配电网只有两根输电线，且没有集肤效应，传输相同功率情况下，相应损耗较少。

3.不需要无功补偿设备；省去大型无功设备系统安装与控制。

4.由于电压等级确定，因此不需要不同电压等级的输配电线路。

5.控制策略较为简单：只需要控制有功功率平衡和直流电压稳定即可。

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果是：

1.本实用新型使用风能太阳能、潮汐能等直流微网系统，直流微网系统既可以独立运行，又可以与大电网互为支撑，可以根据用户需求，提供多种服务，如备用发电、削峰填谷等。

2. 直流微网系统可以与用户交互，通过与城市微气象交互系统、时钟交互系统的交互提高发电效益，降低用电成本。

3.本实用新型所提出的智能微网系统，可以通过将常规功率表换成双向功率表，即可实现即插即用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，基于风光储能源的直流微网系统包括：一个接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置1、至少一个带有AC/DC整流器的风力发电装置2、带相应的DC/AC逆变器的交流负载3、一条直流配电线路4（直流母线）、AC/DC微网保护装置5、DC/DC微网保护装置6、微网控制系统7、带相应DC/DC模块的光伏发电装置8、储能装置（蓄电池）9及其相应DC/DC模块、带相应DC/DC模块的直流负载10、并网开关11、交流母线12、城市微气象交互系统14、上层调度管理系统15和时钟交互系统16。本实施例微网保护装置包括AC/DC微网保护装置5和DC/DC微网保护装置6。

所述的风力发电装置2相应的AC/DC整流器的直流侧通过AC/DC微网保护装置5接入直流配电线路4，交流侧接风力发电装置2；所述的交流负载3的DC/AC逆变器的直流侧接入直流配电线路4，交流侧接交流负载3；所述的光伏发电装置8的DC/DC模块的一侧通过DC/DC微网保护装置6接入直流配电线路4，另一侧接光伏发电装置8；所述的储能装置9的DC/DC模块一侧通过DC/DC微网保护装置6接入直流配电线路4，另一侧接储能装置9；所述的直流负载10的DC/DC模块的一侧通过DC/DC微网保护装置6接入直流配电线路4，另一侧接直流负载10；风力发电装置2和光伏发电装置8向直流配电线路4输入电能，交流负载3和直流负载10从直流配电线路4吸收电能。

本实施例可以采用一种由屋顶太阳能系统和小型风力发电机作为多种分布式能源装置。其分布式能源装置主要有两大类：一类使用太阳能，如典型功率3.2kW，由200W×6的太阳板作为能量来源；一类使用小型风电机组作为能量来源，其特点是直流母线4功率由光伏发电装置8和储能装置9或由风力发电装置2和储能装置9提供。这样，控制器的复杂程度降低，且既含有直流母线又有交流母线12。硬件连接分布式能源装置（风力发电装置2、光伏发电装置8）、储能装置9、DC/DC模块等装置。风力发电装置2的交流电能由其AC/DC整流器变为直流电，通过微网控制系统7的微网能量分层控制系统把每个风能、太阳能等分布式电源集中，经由DC/DC模块和DC/AC逆变器接入用户侧的直流负载10或交流负载3。整个直流微网系统由一个节点接入电网，通过微网控制系统7进行统一协调调度控制。交流母线12为普通三相400V、50Hz。

软件控制策略：采用分层能量控制管理模式。微网能量分层管理系统总体分为两层：上层调度管理系统15和下层计算系统，其中下层计算系统负责为微网测量计算，上层调度管理系统15为微网优化控制。上下层之间保持一定量的数据通信，并且能够保证各层独立决策的合理性。当整个微网系统并网运行模式和孤岛运行模式切换时，根据下层计算系统计算的反馈数据，来提升直流微网系统电能质量。该控制构架综合考虑了风能、太阳能及其他分布式能源和储能装置现有储量、用户负荷（即用户负载，包括交流负载3和直流负载10）需求、分布式能源的未来发电量预测、城市微气象、实时电价。

所述的微网控制系统7控制直流微网系统、大电网的工作方式如下：

直流微网系统（与大电网）并网模式：直流微网系统和大电网相连，直流微网系统内的总负载大于直流微网系统内的总发电功率时，接入大电网1并通过双向AC/DC整流/逆变装置向直流微网系统供电；直流微网系统内的总发电功率大于直流微网系统内的总负载时，接入大电网1并通过双向AC/DC整流/逆变装置从直流微网系统中接收功率。

直流微网系统孤岛模式：微网控制系统7控制储能装置9、可控负载（直流负载10、交流负载3），使直流微网系统内的总发电功率与微网内的总负载平衡。

本实施例的孤岛模式、并网模式切换时，检测是否满足条件P_wind+P_pv+P_another>P_load+P_battery；若满足，则工作在并网模式，电能反馈入大电网1；反之，则工作在孤岛模式，大电网1向储能装置9充电。

Claims

1.一种直流微网系统，其特征是：包括直流配电线路、接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置、分布式能源发电装置、带DC/DC模块的储能装置、带DC/DC模块的直流负载、带DC/AC逆变器的交流负载、微网控制系统和微网保护装置，所述分布式能源发电装置包括带AC/DC整流器的风力发电装置、带相应DC/DC模块的光伏发电装置；所述的风力发电装置的AC/DC整流器的直流侧接直流配电线路，AC/DC整流器的交流侧接风力发电装置；所述的光伏发电装置的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接光伏发电装置；所述的储能装置的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接储能装置；所述的直流负载的DC/DC模块的一侧接直流配电线路，另一侧接直流负载；所述的交流负载的DC/AC逆变器的的直流侧接入直流配电线路，交流负载的DC/AC逆变器的的交流侧接交流负载；所述的接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置的直流侧接入直流配电线路，接入大电网的双向AC/DC整流/逆变装置的交流侧接大电网，微网控制系统通过微网保护装置和并网开关与所述的整流/逆变装置、风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、直流负载、交流负载连接，微网控制系统中设有上层调度管理系统。

2.根据权利要求1所述的直流微网系统，其特征是：还设置有城市微气象交互系统，微网控制系统与城市微气象交互系统连接。

3.根据权利要求1或2所述的直流微网系统，其特征是：所述直流负载、交流负载通过微网保护装置和并网开关连接至直流配电线路，所述并网开关采用隔离开关或断路器。