CN204118759U - 一种光储交直流混合微电网系统 - Google Patents

一种光储交直流混合微电网系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种光储交直流混合微电网系统，其特征是：混合微电网包括交流子微电网系统、直流子微电网系统及功率交换控制系统；交流子微电网系统包括交流侧光伏发电单元、交流负荷和并网接口；直流子微电网系统包括直流侧光伏发电单元、蓄电池储能单元和高/低压直流负荷；功率交换控制系统包括双向AC/DC功率变换器、变压器、微电网控制器及通信系统，以蓄电池储能单元用于控制直流母线电压，双向AC/DC功率变换器采用P/Q控制，本实用新型在直流侧储能的平抑作用下，直流子微电网系统光伏发电以恒定的功率通过交流子微电网系统并入大电网，提高光伏利用率。本实用新型控制方法有效提高了混合微电网的供电可靠性和经济性。

Description

一种光储交直流混合微电网系统
技术领域
本实用新型属于分布式发电及微电网技术领域，具体涉及一种光储交直流混合微电网系统。
背景技术
近年来，基于化石能源危机、环境保护压力及现有电网结构发展局限性等方面的问题，微电网得到了迅速的发展。微电网的分类标准有很多，从网架结构和供电方式上可将微电网分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。目前，交流微电网仍然是微电网的主要形式，尽管交流微电网的研究已经取得了很多成果，但是还需要进一步解决分布式电源并联接入时带来的谐振、谐波等方面的影响。相较于交流微电网，直流微电网系统无需考虑各分布式电源之间的同步问题，在环流抑制上更具优势，且直流微电网只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本和损耗大大降低。当下，智能电网的概念深入人心，其建设理念是以一种环境友好的、可持续的方式为数字社会提供可靠的、高质量的电能。智能电网最主要的特点就是可以连接各种不同的交流和直流发电系统、储能系统以及各种不同的交直流负载，以达到最优的运行效率。在此背景下，单纯的交流微电网或直流微电网就表现出了局限性。为了降低单纯的交流/直流微电网在应用中因多重AC/DC或DC/AC变换带来的功率损耗、谐波电流及控制难度，提高系统的可靠性和经济性，也为了各式各样的可再生能源和储能设备更好地接入微电网，交直流混合微电网应运而生。
因此，便于交、直流负荷接入，控制简单高效，使用灵活方便的混合微电网结构是微电网发展不断追求的目标。
实用新型内容
本实用新型提供一种光储交直流混合微电网系统，以期通过交直流混合的网络拓扑将光伏发电单元、蓄电池储能单元、交直流负载连接起来，构成可以孤岛运行也可以并网运行的混合微电网系统，以适应数字社会用户对不同电能形式、不同电压等级的用电需求，有效提高系统的供电可靠性和经济性。
本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：
本实用新型光储交直流混合微电网系统的特点是：所述混合微电网包括交流子微电网系统、直流子微电网系统及功率交换控制系统；所述交流子微电网系统包括交流侧光伏发电单元、交流负荷和并网接口；所述直流子微电网系统包括直流侧光伏发电单元、蓄电池储能单元和高/低压直流负荷；所述功率交换控制系统包括双向AC/DC功率变换器、变压器、微电网控制器及通信系统，以所述蓄电池储能单元用于控制直流母线电压，所述双向AC/DC功率变换器采用P/Q控制方式，
设置所述混合微电网系统的并网点是处在交流子微电网系统侧，通过并网点的控制，混合微电网系统可以在孤岛和并网模式之间切换运行；
在所述混合微电网系统处在孤岛运行时，双向AC/DC功率变换器采用V/f控制方式，以蓄电池储能单元为平衡节点来支撑系统母线电压、频率稳定，实现交直流系统之间的功率平衡。
本实用新型光储交直流混合微电网系统的特点也在于：所述混合微电网切换运行时，交流子微电网系统和直流子微电网系统之间的功率通过双向AC/DC功率变换器进行平衡，切换前后缺额功率由蓄电池储能平抑，实现切换前后系统稳定运行。
本实用新型光储交直流混合微电网系统的特点也在于：所述交流子微电网系统采用单母线结构，电压等级为AC380V；所述直流子微电网系统采用双层母线结构，电压等级为DC380V和DC48V，分别为高压直流负载和低压直流负载供电。
本实用新型光储交直流混合微电网系统的特点也在于：在所述交流子微电网系统与直流子微电网系统之间采用变压器隔离；所述交流子微电网系统采用TN-C-S接地方式，所述直流子微电网系统采用TN接地方式。
与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
1、本实用新型通过设计合理的电压等级、母线结构、接地方式、网络拓扑使得所述交直流混合微电网系统实用性更强，更加适合数字社会交直流负荷共存、直流负荷多样化的发展趋势，省去了多重功率变换环节，提高了微电网的供电可靠性、使用安全性及综合效率。
2、本实用新型通过在直流侧配置蓄电池储能，应用适当的电力电子接口变换器控制策略，使得交直流混合微电网系统能够稳定运行，顺利切换，提高供电质量和可再生能源利用率。
3、按照本实用新型方法在PSCAD/EMTDC软件系统中搭建如图1所示的光储交直流混合微电网系统进行仿真分析，交流侧光伏发电最大功率12kW，直流侧光伏发电最大功率10kW，交流侧负荷12kW，直流侧负荷5kW，蓄电池额定电压150V，容量600Ah，蓄电池初始SOC为80％，SOC被限制在35％～95％之间，保护蓄电池避免过充过放。结果表明，该混合微电网系统能够为交流负荷、不同电压等级的直流负荷安全可靠供电，电压等级、母线结构、接地方式、网络拓扑设计合理科学。混合微电网并网运行时，在蓄电池储能的平抑作用下，双向AC/DC功率变换器能够将直流侧盈余的5kW光伏发电功率输送至交流侧并网，提高光伏发电利用率。混合微电网从并网运行向非计划孤岛运行切换时，不论并网点是否有功率交换，在蓄电池储能的平抑作用下，系统能够在1个周波之内恢复稳定。在混合微电网孤岛运行时，整个系统电压、频率稳定，电压有效值偏差率限制在(﹣0.52％，+1.31％)范围内，频率偏差率≤±0.5％；混合微电网从孤岛运行向并网运行切换时，蓄电池储能能够快速将功率缺额平抑，系统能够在0.5个周波内恢复稳定。整个运行过程中，蓄电池SOC在76％～92％之间波动，充放电次数为三次。
附图说明
图1为本实用新型光储交直流混合微电网系统结构示意图；
图2为本实用新型系统中双向AC/DC功率变换器控制策略。
具体实施方式
本实施例中光储交直流混合微电网系统，包括交流子微电网系统、直流子微电网系统及功率交换控制系统。
如图1所示，交流子微电网系统包括交流侧光伏发电单元、交流负荷和并网接口，以及光伏发电DC/AC变换器，交流子微电网系统采用单母线结构，电压等级为AC380V。交流子微电网系统电压等级的确定一方面依据微电网中分布式电源的容量，另一方面要方便并网。本实施例中的混合微电网中分布式电源容量低于200kW，因此交流母线电压等级选择为380V，可极大地方便并网。
本实施例中交流子微电网系统采用TN-C-S的接地方式，TN-C-S接地故障电流足够大，能够及时启动过电流保护，且设备接触电压比较低，采用TN-C-S的接地方式可极大地提高系统安全性。图1所示的交流侧光伏发电单元通过DC/AC变换器接至交流母线，采用控制策略为电压-无功(UQ)控制，可实现MPPT和单位功率因数控制，交流负载根据单相或者三相直接接至交流母线。
本实施例中的交流子微电网系统包括电源两个，即大电网及交流侧光伏发电单元，负荷为交流负荷，母线为AC380V单母线，交流侧光伏发电单元通过DC/AC逆变器接入交流母线，交流负载直接接入交流母线，大电网通过并网接口连接至交流母线。
如图1所示，本实施例中直流子微电网系统包括作为电源的直流侧光伏发电单元、蓄电池储能单元、两种负荷即高压直流负荷和低压直流负荷，以及光伏发电DC/DC变换器，蓄电池储能双向DC/DC变换器；直流子微电网系统采用双层母线结构，电压等级为DC380V和DC48V，分别为高压直流负载和低压直流负载供电，其直流母线电压的确定主要是以负载类型为依据。本实施例中的直流负载主要为机房通信系统DC48V、直流家用电器等，我国单相电压有效值为220V，三相电压有效值为380V，因此直流母线电压范围在200-400V之间是比较适宜的，可以满足现有交流设备对输入电压范围的要求，因此直流母线电压确定为DC380/48V，电压等级决定了直流母线为双层式母线结构。
本实施例中直流侧光伏发电单元通过DC/DC变换器接至高压直流母线，蓄电池储能通过双向DC/DC变换器接入高压直流母线，高压直流负荷直接接至高压直流母线，接有低压直流负荷的低压直流母线通过DC/DC变换器与高压直流母线相连。
本实施例中直流子微电网系统采用TN接地方式，直流侧光伏发电单元通过Boost变换器连接至直流母线实现MPPT控制。蓄电池通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，控制蓄电池充放电。
本实施例中在交流子微电网系统与直流子微电网系统之间采用变压器隔离；
如图1所示，本实施例中功率交换控制系统包括交直流母线间双向AC/DC功率变换器一只、用于实现电压匹配和隔离的电力变压器一台、微电网控制器及若干通信系统，以蓄电池储能单元用于控制直流母线电压，双向AC/DC功率变换器采用P/Q控制。变压器和双向AC/DC功率变换器将直流子微电网系统和交流子微电网系统相连，通信线路将整个系统中的微电源、负荷、电力电子接口连接至微电网控制器，实现微电网的稳定运行控制。
具体实施中，功率交换控制系统的相应设置也包括：
设置混合微电网系统的并网点是处在交流子微电网系统侧，通过并网点的控制，混合微电网系统可以在孤岛和并网模式之间切换运行。
在混合微电网系统处在孤岛运行时，双向AC/DC功率变换器采用V/f控制方式，以蓄电池储能单元为平衡节点来支撑系统母线电压、频率稳定，实现交直流系统之间的功率平衡。
在混合微电网切换运行时，交流子微电网系统和直流子微电网系统之间的功率通过双向AC/DC功率变换器进行平衡，切换前后缺额功率由蓄电池储能平抑，实现切换前后系统稳定运行。
本实施例中双向AC/DC功率变换器在交直流混合微电网稳定运行中的作用主要有三个方面：一是孤岛运行时，采用V/f控制，支撑交流母线电压、频率稳定，实现交、直流系统之间的功率平衡；二是并网运行时，采用P/Q控制，将直流侧盈余光伏发电功率定额通过交流侧并入大电网，提高直流侧光伏利用率；三是并网运行与孤岛运行切换时，使交、直流侧功率进行平衡，保证切换前后系统稳定运行。
参见图2，本实施例中P/Q控制采用功率外环电流内环的控制方式，V/f控制采用电压外环电流内环控制方式。两种控制可共用一个电流内环，切换运行时，只需切换外环控制。本实施例中的微电网控制器除了要完成孤岛检测、自动并网功能外，还需要通过通信系统、储能变流器、负荷控制器和光伏控制器等，实现微电网不同工况的稳定运行和顺利切换。
本实用新型系统充分发挥了可再生能源发电和蓄电池储能系统的优势互补性，提高微电网系统的稳定性和经济性。
实施本实用新型光储交直流混合微电网系统执行以下步骤：
大电网通过并网接口支撑交流子微电网系统电压和频率稳定，在微电网控制器的控制下，由蓄电池储能单元平抑直流侧光伏发电功率波动和负荷波动，维持直流子微电网系统电压稳定；双向AC/DC功率变换器采用P/Q控制将直流侧盈余光伏发电功率定额输入到交流侧并网。
在微电网控制器检测到大电网故障时，控制混合微电网进入非计划孤岛运行，双向AC/DC功率变换器切换到V/f控制，支撑交流母线电压和频率稳定，实现交流子微电网系统与直流子微电网系统之间的功率平衡，由蓄电池储能单元平抑混合微电网系统的功率波动，并维持直流母线电压稳定。微电网从并网运行向非计划孤岛运行切换时，不论并网点是否有功率流动，切换瞬间，并网点流动功率均会被蓄电池平抑，实现微电网能够顺利平稳切换。
在微电网控制器检测到大电网恢复供电，控制混合微电网进入并网运行；切换前，由微电网控制器控制混合微电网系统的电压幅值、频率和相角与大电网保持一致，实现平稳切换，双向AC/DC变换器由V/f控制切换到P/Q控制，切换瞬间，双向AC/DC变换器的突变功率缺额由蓄电池平抑。
光储交直流混合微电网系统稳定运行过程中，双向AC/DC功率变换器的作用非常重要，它要根据微电网控制器检测到的并网点(PCC)处的状态，在P/Q控制与V/f控制之间切换运行，P/Q控制采用功率外环电流内环的控制方式，V/f控制采用电压外环电流内环的控制方式。P/Q控制和V/f控制共用一个电流内环，在切换运行时，只需切换外环控制。
本实施例中控制策略如图2所示，以模式选择开关S根据并网点PCC处的状态进行运行模式选择，图2中，V/f控制为模式1，以M1表示模式1，图2中脚注为1的变量表示V/f控制模式下该变量的值；P/Q控制为模式2，以M2表示模式2，脚注为2的变量表示P/Q控制模式下该变量的值；脚注为1/2的变量表示根据运行模式自动选择相应运行模式下的值；模式选择开关S通过在模式1和模式2之间的切换，就能够切换双向AC/DC功率变换器的外环控制，进而实现V/f控制和P/Q控制的切换；在V/f控制时，dq变换的相位角θ1由一个设定的标准50Hz正弦电压经锁相环PLL1得到，三相交流电压实测值ua、ub、uc经过dq变换得到直轴电压ud1和交轴电压uq1，所述直轴电压ud1和交轴电压uq1分别与其给定值udref、uqref比较，差值经PI控制器调节后做为电流内环参考idref和iqref；在P/Q控制时，dq变换的相位角θ2为网侧电压经锁相环PLL2得到，双向AC/DC功率变换器功率实测值P、Q分别与其给定值Pref和Qref比较，差值经PI控制器调节后做为电流内环参考idref和iqref；双向AC/DC功率变换器电流实测值ia、ib、ic经过dq变换得到直/交轴电流id1/2和iq1/2，直/交轴电流id1/2和iq1/2再分别与其参考值idref和iqref比较，差值经PI控制器调节后再与直/交轴电压ud1/2和uq1/2以及解耦值比较，经过dq反变换后输入PWM发生器驱动开关管。
光储交直流混合微电网系统稳定运行过程中，蓄电池储能的作用也很重要，其中蓄电池的容量设计是关键，因本实用新型所涉及的混合微电网是面向工程应用的，蓄电池容量设计依据工程经验公式来计算出蓄电池容量取600Ah：
其中，安全系数取1.1，根据本地气象信息，最长连阴雨天数取4天，温度修正系数取1，根据蓄电池类型，放电深度取75％，根据所述光储交直流混合微电网系统的负荷情况，计算出负载日平均耗电量为102.4kWh。

Claims (4)

1.一种光储交直流混合微电网系统，其特征是：所述混合微电网包括交流子微电网系统、直流子微电网系统及功率交换控制系统；所述交流子微电网系统包括交流侧光伏发电单元、交流负荷和并网接口；所述直流子微电网系统包括直流侧光伏发电单元、蓄电池储能单元和高/低压直流负荷；所述功率交换控制系统包括双向AC/DC功率变换器、变压器、微电网控制器及通信系统，以所述蓄电池储能单元用于控制直流母线电压，所述双向AC/DC功率变换器采用P/Q控制方式，
设置所述混合微电网系统的并网点是处在交流子微电网系统侧，通过并网点的控制，混合微电网系统可以在孤岛和并网模式之间切换运行；
在所述混合微电网系统处在孤岛运行时，双向AC/DC功率变换器采用V/f控制方式，以蓄电池储能单元为平衡节点来支撑系统母线电压、频率稳定，实现交直流系统之间的功率平衡。
2.根据权利要求1所述的光储交直流混合微电网系统，其特征是：所述混合微电网切换运行时，交流子微电网系统和直流子微电网系统之间的功率通过双向AC/DC功率变换器进行平衡，切换前后缺额功率由蓄电池储能平抑，实现切换前后系统稳定运行。
3.根据权利要求1所述的光储交直流混合微电网系统，其特征是：所述交流子微电网系统采用单母线结构，电压等级为AC380V；所述直流子微电网系统采用双层母线结构，电压等级为DC380V和DC48V，分别为高压直流负载和低压直流负载供电。
4.根据权利要求1所述的光储交直流混合微电网系统，其特征是：在所述交流子微电网系统与直流子微电网系统之间采用变压器隔离；所述交流子微电网系统采用TN-C-S接地方式，所述直流子微电网系统采用TN接地方式。
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