CN203690940U - 一种嵌套式微电网系统 - Google Patents

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李积合
孙鸿麟
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张祥文
叶季蕾
薛金花
陶琼
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Abstract

本实用新型提供了一种嵌套式微电网系统,该嵌套式微电网系统包括分别通过联络开关与联络母线相连的子微电网系统;所述子微电网系统包括通过并网开关相连的配电母线和交流系统;所述子微电网系统的配电母线与所述联络开关相连。该系统可实现多个子微电网系统联合协调运行,将多个子微电网系统中的多种分布式电源、储能系统统一进行能量优化管理,提高单个分布式电源或储能系统的利用效率。

Description

一种嵌套式微电网系统
技术领域
本实用新型涉及分布式发电与微电网技术领域的系统,具体涉及一种嵌套式微电网系统。
背景技术
微电网技术的提出与分布式发电(distributed generation,DG)技术的应用与发展密切相关。一般而言,DG指的是“直接与配电网或者用户侧连接的分布式电源”,而分布式电源指的是分布式发电与储能设施的联合系统。常见的分布式发电能源利用种类包括天然气(以及煤层气、沼气等)、太阳能、生物质能、氢能、风能、水能等;而储能设施包括蓄电池、超级电容器、飞轮储能等。
微电网是一种由分布式发电、储能和负荷共同组成的小型低压系统。微电网内部电源以清洁能源为主,主要由电力电子设备实现电能的变换。微电网通过控制实现网络内部的电力电量平衡,可并网或独立运行,相对于外部电网表现为单一的自治受控单元,能够满足用户对电能质量和供电安全方面的需求。
从系统的角度看,微电网将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合形成一个单一可控的独立供电系统。它采用了大量的现代电力电子技术、将微型电源和储能设备并在一起,直接接在用户侧。对于大电网来说,微电网可被视为电网的一个可控单元,可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求;对用户来说,微电网可以满足他们特定的需求,如降低馈线损耗、增加本地可靠性、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率等。微电网或与配电网互联运行,或独立运行(称为孤立运行方式),当配电网出现故障而微电网与其解列时,仍能维持微电网自身的正常运行。
从资源配置的角度看,微电网是分布式清洁能源的优化配置平台。微电网作为分布式清洁能源优化配置一种有效形式,通过配置储能系统以及各类分布式电源间的协调控制,解决目前风力发电、光伏发电等分布式清洁能源发电功率输出的随机性与波动性等问题,使分布式清洁能源发电接入对电网的负面影响在微电网范围得到解决。微电网运行的灵活性、可控性不仅可以最大限度地利用清洁能源,给用户带来了环保经济的供能服务,也对电网的经济调度具有积极的意义。微电网系统可以根据外部电网的峰谷时段,存储或释放能量,平抑峰谷差,实现削峰填谷、节能减排。
近年来,在微网试验平台和示范工程方面开展了大量工作,在实验室、商业街区、智能小区、办公楼、工厂厂房以及偏远农牧区均有试点。但总体来说,目前建设的微网试验平台和示范工程,微电网系统结构相对比较单一,控制方法还不够灵活,无法实现微电网的自由组合。
因此,提出一种新的嵌套式微电网系统具有重要意义。
发明内容
本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足,提供了一种嵌套式微电网系统,该系统可实现多个子微电网系统联合协调运行,将多个子微电网系统中的多种分布式电源、储能系统统一进行能量优化管理,提高单个分布式电源或储能系统的利用效率。
为实现上述目的,本实用新型采用的解决方案为:
一种嵌套式微电网系统,其改进之处在于:所述嵌套式微电网系统包括分别通过联络开关与联络母线相连的子微电网系统;所述联络母线、并网开关和变压器串联,所述变压器另一端连接配电网母线;
所述子微电网系统包括通过并网开关相连的配电母线和交流系统;所述子微电网系统的配电母线与所述联络开关相连。
进一步的,所述交流系统包括分别与交流母线连接的发电系统和用户负荷系统。
进一步的,所述发电系统包括分别通过支路开关与所述交流母线连接的分布式发电单元和储能单元,
所述用户负荷系统包括分别通过支路开关与交流母线连接敏感负荷单元、可控负荷单元和可切负荷单元分别。
进一步的,所述分布式发电单元包括光伏发电单元和风力发电单元。
进一步的,所述光伏发电单元包括串联的光伏逆变器、汇流箱和光伏组件阵列,所述光伏逆变器通过所述支路开关与交流母线连接;
所述风力发电单元包括串联的逆变器、整流器和风力发电机,所述光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接。
进一步的,所述储能单元包括串联的储能变流器、电池和电池管理系统,所述电池管理系统的另一端与储能变流器相连;所述储能变流器通过支路开关与交流母线连接。
进一步的,所述敏感负荷单元的敏感负荷、所述可控负荷单元的可控负荷和所述可切负荷单元的可切负荷分别通过所述支路开关与交流母线连接。
进一步的,所述支路开关、所述光伏逆变器、所述汇流箱、所述逆变器、所述整流器、所述储能变流器、所述电池和所述电池管理系统分别与监控系统相连。
进一步的,所述联络开关与监控系统相连。
进一步的,所述支路开关和所述联络开关为满足电压电流需求的塑壳智能断路器;所述并网开关为框架式智能断路器。
与现有试验装置相比,本实用新型达到的有益效果是:
1、本实用新型提供的系统,实现若干个子微电网系统多种组合,多种运行方式,可以满足不同的负荷需求侧管理;微电网监控系统对若干个子微电网系统中所含的多类负荷进行综合管理,满足负荷的多样化需求,从而提升供电可靠性、供电服务水平,为用户提供可靠优质的供能服务。
2、本实用新型提供的系统,当若干个子微电网系统组合成一个大微电网时,系统将联合协调运行,将若干个子微电网系统中的多种分布式电源、储能系统统一进行能量优化管理,提高单个分布式电源或储能系统的利用效率。
3、本实用新型提供的系统,其若干个子微电网系统相对比较独立,可以分别设定不同的控制策略运行,如恒联络线功率控制、平滑功率控制、经济运行控制、削峰填谷控制等。
4、本实用新型提供的系统,可将若干个子微电网系统的运行情况进行对比,了解不同结构组成、不同控制策略对微电网稳定运行的影响,该嵌套结构微电网系统特别适合在微网试验研究平台中进行应用。
5、本实用新型提供的系统,其子微电网系统对于嵌套式微电网系统来说可视为一个模块,有利于微电网系统的整体设计、控制、维护与扩容,提高微电网的供电可靠性和经济性。
附图说明
图1为典型400V微电网系统结构示意图;
图2为10kV嵌套结构微电网系统结构示意图;
图3为10kV嵌套式微电网系统实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明。
本实用新型的一种嵌套式微电网系统包括通过联络开关串联的子微电网系统;子微电网系统包括通过并网开关相连的配电母线和交流系统;子微电网系统的配电母线通过联络开关相连。联络母线、并网开关、变压器串联,变压器另一端与配电网母线相连。交流系统包括分别与交流母线连接的发电系统和用户负荷系统。发电系统的分布式发电单元和储能单元分别通过支路开关与交流母线连接。用户负荷系统的负荷单元通过支路开关与交流母线连接。
分布式发电单元
分布式发电单元多为小型电源,接在用户侧,具有成本低、电压低、低排放等特点。其主要可以分为两类,一类是经电力电子接口接入的分布式电源(<100kW)的机组,如光伏发电,风力发电等,另一类为旋转设备,以传统方式直接并网,如分轴式微型燃气轮机,柴油机等。为了最大利用清洁能源,光伏发电,风力发电一般均按最大输出功率方式工作,因此其出力大小只与资源状况有关,一般不限制出力。
分布式发电单元包括内燃机、微型燃气轮机、光伏发电装置、光热发电装置、风力发电装置或生物质能发电装置。
分布式发电单元包括光伏发电单元和风力发电单元。光伏发电单元包括串联的光伏逆变器、汇流箱和光伏组件阵列,光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接。风力发电单元包括串联的逆变器、整流器和风力发电机,光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接。储能单元包括串联的储能变流器、电池和电池管理系统,电池管理系统的另一端与储能变流器相连;储能变流器通过支路开关与交流母线连接。
储能单元
储能装置主要用于实现能量的储存、释放或快速功率交换。通过支路开关实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换,实现电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统稳定性等功能。储能单元具有并网和离网双模式运行能力。储能装置包括DC-AC逆变器、电池和电池管理系统,电池管理系统和DC-AC逆变器连接并分别连接所述监控系统。
储能单元主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如各类蓄电池、锂电池、燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电磁储能(如超导电磁储能等)等。从微电网的规模、特点等方面来看,适用于微电网的储能技术主要有电池储能、超级电容储能、飞轮储能等。
负荷单元
负荷根据其重要程度,可以将其分为可切负荷,可控负荷与敏感负荷。敏感负荷对电能质量要求较高,要求微电网提供连续不中断供电;可控负荷接受控制,在必要的情况下可以中断供电,停止运行;可切负荷是指一些对供电可靠性要求不高的负载,可以随时切除。一般情况下,敏感负荷和可控负荷供电要求较高,外部配电网故障时,并网点处的并网开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断正常供电,而可切负荷,系统则会根据网络功率平衡的需求,在必要的时候切除。
上述用户负荷系统包括敏感负荷单元、可控负荷单元和可切负荷单元,分别通过支路开关与交流母线连接。敏感负荷单元的敏感负荷通过支路开关与交流母线连接。可控负荷单元的可控负荷通过支路开关与交流母线连接。可切负荷单元的可切负荷通过支路开关与交流母线连接。光伏逆变器、汇流箱、逆变器、整流器、储能变流器、电池管理系统分别与监控系统相连。
开关
嵌套式微电网系统包括支路开关、并网开关和联络开关。
并网开关和联络开关,具有遥测、遥信、遥控“三遥”功能,经电量信息及开关变位信息上送给监控系统,监控系统可根据允许需要实现对开关的远程控制。
联络开关将电量信息及开关变位信息上送给监控系统,监控系统可以根据允许需要实现对开关的远程控制,选用满足电压电流需求的塑壳智能断路器。
为了实现微电网的并离网平滑切换功能,并网开关应响应速度应在60毫秒之内,宜选用框架式智能断路器;支路开关和联络开关可选用满足电压电流需求的塑壳智能断路器。
支路开关配置测控装置,测控装置用于将电压、电流、功率等电参量信息及开关变位信息上送给监控系统,还具有过压、欠压、过流、过载、过频、欠频等故障保护功能,当支路或系统母线发生短路故障时,能够分断开关,故障消失时,能够重新合闸。监控系统通过测控装置实现对开关的远程分合闸控制。
监控系统
嵌套式结构微电网系统还设有监控系统,与各支路开关、并网开关、链路开关、光伏逆变器、汇流箱、逆变器、整流器、储能变流器、电池管理系统分别连接。微电网的监控系统用于监视微电网系统中相关设备,比如光伏组件、风机、储能电池、汇流箱、逆变器、支路开关等现场设备的状态信息,包括电压、电流、功率、温度、转速、电量、状态等运行参数,进行集中展示或网络浏览,并可以将状态信息存入数据库,方便用户观察、分析和统计。监控系统根据所采集的信息,实现对开关的分合、储能电池的充放电、并/离网运行控制及平滑切换、负荷的分级投切、电压无功控制、变流器出力控制、故障处理与报警、调度响应等的控制,实现微电网的安全稳定运行。
如图1所示,图1为典型400V微电网系统结构示意图;典型400V微电网系统包括通过并网开关相连的400V配电网母线和交流系统,交流系统包括400V微电网交流母线和分别通过支路开关与交流母线连接的分布式发电单元、储能单元和负荷单元。上述支路开关、并网开关、分布式发电单元、储能单元、负荷单元和并网开关分别连接监控系统。
如图2所示,图2为10kV嵌套结构微电网系统结构示意图;10kV嵌套结构微电网系统包括通过联络母线和联络开关相连的子微电网系统A和B,子微电网系统A和B的配电母线分别通过联络开关I和联络开关II与联络母线相连;子微电网系统A和B的配电母线分别通过并网开关I和并网开关II与交流系统I和交流系统II连接。本实施例中,交流系统I和交流系统II结构相同,均包括400V微电网交流母线和分别通过支路开关与交流母线连接的分布式发电单元、储能单元和负荷单元。上述联络母线与并网开关连接,并网开关另一端与0.4/10kv变压器连接,变压器另一端与10kv配电网母线相连。上述联络开关、并网开关、支路开关、分布式发电单元、储能单元、负荷单元和并网开关分别连接监控系统。
当母线联络开关I和联络开关II均断开时,子微电网系统A和B可以作为两个独立的400V微电网运行,通过微电网监控系统分别进行系统设备监控和能量管理。
当母线联络开关I闭合、联络开关II断开时时,子微电网系统A与联络母线联通,若并网开关II闭合,子微电网系统A将与外部10kV配电网母线联通,组成一个10kV微电网系统。整套系统将分成1个10kV微电网系统、1个400V微电网系统分别运行,监控系统分别进行系统设备监控和不同电压等级的能量管理。母线联络开关I断开、联络开关II闭合时亦然。
当母线联络开关I、II均闭合时,子微电网系统A、B通过联络母线连通,组成一个高层结构的微电网系统。若并网开关I断开,子微电网系统A、B分别为一个400V微电网系统;若并网开关I闭合,子微电网系统A、B将与外部10kV配电网母线联通,组成一个10kV微电网系统。监控系统将子微电网系统A、B作为一个整体进行考虑,统一进行能量优化管理,从而提高单个分布式电源或储能系统的利用效率。
如图3所示,图3为某一10kV嵌套式微电网系统的结构示意图;该10kV嵌套式微电网系统通过联络母线和联络开关相连的子微电网系统A和B,子微电网系统A和B的配电母线分别通过联络开关I和联络开关II与联络母线相连;子微电网系统A和B的配电母线分别通过并网开关I和并网开关II与交流系统I和交流系统II连接。上述联络母线与并网开关连接,并网开关另一端与0.4/10kv变压器连接,变压器另一端与10kv配电网母线相连。
本实施例中,交流系统I包括400V微电网交流母线和分别通过支路开关与交流母线连接的分布式发电单元、储能单元和负荷单元。分布式单元包括光伏发电单元和风力发电单元,光伏发电单元包括串联的光伏逆变器、汇流箱和光伏组件阵列;光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接;风力发电单元包括串联的逆变器、整流器和风力发电机,逆变器通过支路开关与交流母线连接。储能单元包括串联的储能变流器、电池和电池管理系统,电池管理系统的另一端与储能变流器相连;储能变流器通过支路开关与交流母线连接。负荷单元包括分别通过支路开关与400微电网系统A的交流母线连接的敏感负荷、可控负荷和可切符合。
本实施例中,交流系统II包括400V微电网交流母线和分别通过支路开关与交流母线连接的分布式发电单元、储能单元和负荷单元;分布式单元包括光伏发电单元,光伏发电单元包括串联的光伏逆变器、汇流箱和光伏组件阵列;光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接;储能单元包括串联的储能变流器、电池和电池管理系统,电池管理系统的另一端与储能变流器相连;储能变流器通过支路开关与交流母线连接。负荷单元包括分别通过支路开关与400微电网系统B的交流母线连接的敏感负荷和可切符合。
上述联络开关、并网开关、支路开关、光伏逆变器、汇流箱、逆变器、整流器、储能单元、储能变流器和电池管理系统分别连接监控系统。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换,这些变更、修改或者等同替换,均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述嵌套式微电网系统包括分别通过联络开关与联络母线相连的子微电网系统;所述联络母线、并网开关和变压器串联,所述变压器另一端连接配电网母线; 
所述子微电网系统包括通过并网开关相连的配电母线和交流系统;所述子微电网系统的配电母线与所述联络开关相连。 
2.如权利要求1所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述交流系统包括分别与交流母线连接的发电系统和用户负荷系统。 
3.如权利要求2所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述发电系统包括分别通过支路开关与所述交流母线连接的分布式发电单元和储能单元, 
所述用户负荷系统包括分别通过支路开关与交流母线连接敏感负荷单元、可控负荷单元和可切负荷单元分别。 
4.如权利要求3所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述分布式发电单元包括光伏发电单元和风力发电单元。 
5.如权利要求4所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述光伏发电单元包括串联的光伏逆变器、汇流箱和光伏组件阵列,所述光伏逆变器通过所述支路开关与交流母线连接; 
所述风力发电单元包括串联的逆变器、整流器和风力发电机,所述光伏逆变器通过支路开关与交流母线连接。 
6.如权利要求5所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述储能单元包括串联的储能变流器、电池和电池管理系统,所述电池管理系统的另一端与储能变流器相连;所述储能变流器通过支路开关与交流母线连接。 
7.如权利要求3所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述敏感负荷单元的敏感负荷、所述可控负荷单元的可控负荷和所述可切负荷单元的可切负荷分别通过所述支路开关与交流母线连接。 
8.如权利要求6所述一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述支路开关、所述光伏逆变器、所述汇流箱、所述逆变器、所述整流器、所述储能变流器、所述电池和所述电池管理系统分别与监控系统相连。 
9.如权利要求1所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述联络开关与监控系统相连。 
10.如权利要求3所述的一种嵌套式微电网系统,其特征在于:所述支路开关和所述联络开关为满足电压电流需求的塑壳智能断路器;所述并网开关为框架式智能断路器。 
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