CN205429725U - 一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，可以实现可再生能源的高效梯级利用及居民区供电系统对分布式电源、储能系统、电动汽车充电设施的有效整合。系统设置有三级直流母线，公共电网单元、混合储能单元、电动汽车充电单元、分布式电源单元和纳米电网供电单元分别通过特定的变换器连接在500V的一级高压直流母线；380V的二级中压直流母线设置于纳米电网中，为居民高压负荷供电；48V的三级低压直流母线可以为家庭中日益增多的低压电子设备供电。直流微电网与纳米电网均有并网和孤岛两种运行状态，同时结合三级直流母线架构，提高居民区供电系统的供电可靠性、经济性和多样性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种居民区供电系统。尤其是涉及一种利用基于混合储能系统的直流微电网整体供电，纳米电网独立供电，同时满足电动汽车快速与慢速两种充电需求的多母线居民区供电系统。
背景技术
近年来，电力系统呈现出用电负荷不断增加、输电容量逐渐增大的特点。大容量集中式发电、远距离高电压传输的互联大电网运营成本高、运行难度大、调节能力弱的问题日益凸显，难以满足用户越来越高的安全性、可靠性、多样性、灵活性供电需求。随着新型电力电子技术的不断成熟，基于风、光、热、储等绿色能源的分布式发电技术蓬勃发展。分布式发电具有能源利用率高、环境污染小、供电灵活性强、投入成本低等优点，开发利用高效经济、灵活可靠的分布式发电技术是解决能源危机和环境问题的有效途径。为了减缓大规模的分布式电源单机入网对大电网的冲击，弥补电力系统对分布式电源广泛渗透承载能力的不足，充分发挥分布式发电技术的优势，微电网的概念应运而生。
微电网是由分布式电源、负荷单元及储能装置按照特定的拓扑结构组成的具备独立管理、保护、控制能力的集约化新型电力网络，是以新能源发电技术为支柱、低惯性电力电子装置为主导的多约束、多状态、多维度的自治电力系统。微电网有并网和孤岛两种运行模式，并且可以在两种模式之间平滑无缝切换，一般通过单点接入主网，具有“即插即用”的灵活性和可控性，是未来智能电网的重要组成部分。当微电网处于并网模式时，能实现公共电网、分布式电源与负荷的一体化协调运行和各种能源资源的梯级高效利用；当大电网发生故障时，微电网通过解列控制进入孤岛模式，单独向敏感负荷供电，充分满足用户对供电安全性、可靠性需求。
与交流微电网相比，直流微电网优势明显：1)不需考虑分布式电源同步并网、三相不平衡等问题，系统控制变量少使运行控制更加简单可靠；2)不需要对电压的相角和频率进行跟踪控制，通过控制直流母线电压的稳定即可实现分布式电源和负荷的协调控制；3)不需考虑无功功率的流动，使各部分损耗降低，电力系统整体效率提高；4)有功潮流更加容易控制，对强间歇性的风能、太阳能等新能源有更好的兼容性；5)虽然初期投资成本较高，但低故障率使运营维护成本较低，因此使用周期内的综合成本较低，经济效益较高。
随着经济的发展及生活水平的提高，人们对居民区供电系统的稳定性和多样性提出了更高的要求，同时不同电压等级、不同供电形式的用电设备促使居民区供电系统向更加智能、高效的方向发展。另一方面，电动汽车正逐步普及并蓬勃发展，是未来新一代的交通工具，具有很多优势。未来电动汽车将是人们生活不可或缺的一部分，大量的电动汽车充电设施是电动汽车发展的基础。因此，居民供电系统应该具备电动汽车充电能力，能够兼容电动汽车充电设施。而纳米电网是用于单一负荷供电的小型微电网，具有简单易控、灵活高效的特点，可以为单栋建筑进行可靠性供电，具有更多技术和监管优势，更易进行大规模普遍推广。多纳米电网与分布式电源可以形成直流微电网供电系统，利用直流微电网的兼容性与互动性，可以形成集成分布式电源、储能系统、电动汽车充电的多母线居民区供电系统，在充分利用可再生能源的基础上，实现供电的多样性、可靠性、安全性和稳定性，实现能源的高效梯级利用。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，实现可再生能源的高效梯级利用及居民区供电系统对分布式电源、储能系统、电动汽车充电设施的有效整合，提高居民区供电系统的可靠性、稳定性与安全性，增加居民区供电系统对不同电压等级、不同供电形式的用电设备兼容的多样性，缓解环境污染和能源危机的压力。本实用新型所采用的技术方案是：一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，包括公共电网单元、混合储能单元、电动汽车充电单元、分布式电源单元、纳米电网供电单元和一级直流母线，其中：所述的公共电网单元，公共电网连接一个变压器，变压器的另一侧对应连接一个双向交流-直流(AC-DC)变换器，双向交流-直流(AC-DC)变换器的另一侧连接在一级直流母线上；所述的混合储能单元，混合储能系统连接一个初级双向直流-直流(DC-DC)变换器，初级双向直流-直流(DC-DC)变换器的另一侧对应连接在一级直流母线上；所述的电动汽车充电单元，电动汽车动力电池连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器，双向直流-直流(DC-DC)变换器的另一侧连接在一级直流母线上；所述的分布式电源单元，包括燃料电池、光伏电池、微燃机和风力发电机，其中燃料电池和光伏电池都各自通过一个直流-直流(DC-DC)变换器连接在一级直流母线上，微燃机和风力发电机都各自通过一个交流-直流(AC-DC)变换器连接在一级直流母线上；所述的纳米电网供电单元，纳米电网连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器，双向直流-直流(DC-DC)变换器的另一侧连接在一级直流母线上。
所述的混合储能系统包括两个次级双向直流-直流(DC-DC)变换器、蓄电池和超级电容，其中两个次级双向直流-直流(DC-DC)变换器的一侧分别对应连接蓄电池和超级电容，另一侧通过并联方式连接初级双向直流-直流(DC-DC)变换器。
所述的纳米电网包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在一级直流母线上的放射状二级直流母线、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上的放射状三级直流母线、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状三级直流母线上的低压直流负荷、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在放射状三级直流母线上的低压交流负荷、蓄电池、光伏电池、燃料电池、电动汽车、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在放射状二级直流母线上的高压交流负荷和通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上的高压直流负荷，其中，蓄电池和电动汽车分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上，光伏电池和燃料电池分别通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上。
所述的纳米电网包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在一级直流母线上的环状二级直流母线、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上的环状三级直流母线、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状三级直流母线上的低压直流负荷、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在环状三级直流母线上的低压交流负荷、蓄电池、光伏电池、燃料电池、电动汽车、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在环状二级直流母线上的高压交流负荷和通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上的高压直流负荷，其中，蓄电池和电动汽车分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上，光伏电池和燃料电池分别通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上。
本实用新型提供一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，其有益效果是：实现分布式电源、储能系统及电动汽车充电设施在居民区供电系统的有效整合，增加了居民区供电系统的功能多样性，提高居民区供电的可靠性和稳定性；利用蓄电池和超级电容组成的混合储能系统，平抑功率波动，提高居民区供电质量；混合储能系统采取两级控制器，增加功率的可调度性；采取三级直流母线的连接方式，提高能源的利用效率及居民区供电的灵活性；各纳米电网结合电动汽车充电单元、混合储能单元、分布式电网单元，形成居民区的直流微电网供电区域，提高系统的经济性。
附图说明
图1为基于直流微电网的多母线居民区供电系统的结构示意图；
图2为混合储能系统的结构示意图；
图3为放射状纳米电网的结构示意图；
图4为环状纳米电网的结构示意图。
图中
1：公共电网单元2：混合储能单元
3：电动汽车充电单元4：分布式电源单元
5：纳米电网供电单元6：一级直流母线
11：公共电网12：变压器
13：双向交流-直流变换器21：混合储能系统
22：初级双向直流-直流变换器31：电动汽车动力电池
32：双向直流-直流变换器41：燃料电池
42：光伏电池43：微燃机
44：风力发电机45：直流-直流变换器
46：直流-直流变换器47：交流-直流变换器
48：交流-直流变换器51：纳米电网
52：双向直流-直流变换器
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统作进一步说明。
本实用新型的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，通过分布式电源、混合储能系统、电动汽车充电站及纳米电网形成直流微电网系统。系统设置有三级直流母线，一级直流母线是电压等级为500V的高压直流母线，二级直流母线是电压等级为380V的中压直流母线，三级直流母线是电压等级为48V的低压直流母线，通过多级直流母线的设置，从而增加系统的功能多样性，提高供电效率。一级直流母线上设置有公共电网单元、混合储能单元、电动汽车充电单元、分布式电源单元和纳米电网供电单元，其中：直流微电网可以通过与公共电网单元的通断来控制并网或孤岛运行状态；混合储能单元可以通过充放电控制来平衡系统功率波动，从而维持直流母线电压稳定；电动汽车充电单元为快速充电站，满足对时间要求较高的充电需求；分布式电源单元包括输出交流电的微燃机和风力发电机、输出直流电的燃料电池和光伏电池，可以为整个居民区提供能量；纳米电网供电单元中的每栋建筑可以形成纳米电网供电系统，同样可以独立控制系统的运行状态，提高供电稳定性。二级直流母线设置于纳米电网中，为了增加系统的供电效率，提高系统的经济性，此部分的分布式电源只有输出直流电的光伏电池和燃料电池，同时采用蓄电池来平抑功率波动。三级直流母线为家庭中日益增多的低压电子设备供电。
如图1所示的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，包括公共电网单元1、混合储能单元2、电动汽车充电单元3、分布式电源单元4、纳米电网供电单元5和一级直流母线6，其中：所述的公共电网单元1，公共电网11连接一个变压器12，变压器12的另一侧对应连接一个双向交流-直流AC-DC变换器13，双向交流-直流(AC-DC)变换器13的另一侧连接在一级直流母线6上；所述的混合储能单元2，混合储能系统21连接一个初级双向直流-直流(DC-DC)变换器22，初级双向直流-直流(DC-DC)变换器22的另一侧对应连接在一级直流母线6上；所述的电动汽车充电单元3，电动汽车动力电池31连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器32，双向直流-直流(DC-DC)变换器32的另一侧连接在一级直流母线6上；所述的分布式电源单元4，包括燃料电池41、光伏电池42、微燃机43和风力发电机44，其中燃料电池41和光伏电池42都各自通过一个直流-直流(DC-DC)变换器45/46连接在一级直流母线6上，微燃机43和风力发电机44都各自通过一个交流-直流(AC-DC)变换器47/48连接在一级直流母线6上：所述的纳米电网供电单元5，纳米电网51连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器52，双向直流-直流(DC-DC)变换器52的另一侧连接在一级直流母线6上。系统中各直流-直流(DC-DC)变换器、交流-直流(AC-DC)变换器及分布式电源的数量可以根据实际需求进行设置。
直流微电网有并网和孤岛两种运行状态，并且可以在两种模式之间平滑无缝切换，当直流微电网处于并网模式时，能实现公共电网单元1、分布式电源单元4与负荷的一体化协调运行和各种能源资源的梯级高效利用；当公共电网单元1发生故障时，直流微电网通过解列控制进入孤岛模式，单独向居民区负荷供电，充分满足居民对供电安全性、可靠性需求。直流微电网系统可以采用主从控制模式、对等控制模式或分层控制模式，以保证系统的功率平衡及各直流母线电压的稳定。双向交流-直流(AC-DC)变换器13可以采用下垂控制、恒功率控制或恒压/恒频控制，其控制直流微电网与公共电网11的功率交换。混合储能单元2采用能量密度大的蓄电池和功率密度大、循环寿命长的超级电容组合成的混合储能形式，提高功率输出能力，延长装置的使用寿命。电动汽车充电单元3连接在一级直流母线6上，主要满足居民的快速充电需求，双向直流-直流(DC-DC)变换器32可以根据设定的充电指令控制充电功率。分布式电源单元4中的各微电源通过系统的调度要求及本地控制器的指令，确定控制策略并控制输出功率。公共电网单元1、混合储能单元2和分布式电源单元4可以为整个居民供电系统中所有建筑提供电能，而在每栋建筑的供电系统中同时设置纳米电网供电单元5，纳米电网51及双向直流-直流(DC-DC)变换器52的数量根据实际居民供电区的建筑情况确定。当系统中任意一个纳米电网51发生故障，可以通过解列控制进行隔离，保证居民区其他建筑的安全供电，而当系统中的其他部分发生故障时，各纳米电网51也可以通过解列控制进入孤岛运行状态，从而保证建筑内的负荷供电，这样就提高了供电可靠性、安全性和灵活性。
如图2所示的混合储能系统，次级双向直流-直流(DC-DC)变换器211和次级双向直流-直流(DC-DC)变换器212的一侧分别对应连接蓄电池213和超级电容214，另一侧通过并联方式连接初级双向直流-直流(DC-DC)变换器22。当系统出现功率波动时，蓄电池213吸收或释放低频功率，超级电容214吸收或释放高频功率，初级双向直流-直流(DC-DC)变换器22控制混合储能系统21的整体功率流动，而次级双向直流-直流(DC-DC)变换器211和次级双向直流-直流(DC-DC)变换器212则分别控制蓄电池213和超级电容214的功率流动，通过两级控制器的设置，增加功率的可调度性。
纳米电网51的拓扑形式既可以是放射状(如图3)的也可以是环状的(如图4)，纳米电网51包括48V和380V两级直流母线，可以分别为建筑中的低压负荷和高压负荷供电。纳米电网51中的蓄电池515可以平衡系统中的功率波动，维持直流母线的稳定，而通过双向直流-直流(DC-DC)变换器5117可以满足电动汽车动力电池518的慢充需求。特殊情况下，当蓄电池515不足以平抑系统的功率波动时，电动汽车的动力电池518可以作为储能装置参与系统的功率调节，从而增加系统的安全性和经济性。
如图3所示的放射状纳米电网，纳米电网51包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器52连接在一级直流母线6上的放射状二级直流母线512a、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器5113连接在放射状二级直流母线512a上的放射状三级直流母线511a、通过直流-直流(DC-DC)变换器5111连接在放射状三级直流母线511a上的低压直流负荷513、通过直流-交流(DC-AC)变换器5112连接在放射状三级直流母线511a上的低压交流负荷514、蓄电池515、光伏电池516、燃料电池517、电动汽车518、通过直流-交流(DC-AC)变换器5118连接在放射状二级直流母线512a上的高压交流负荷519和通过直流-直流(DC-DC)变换器5119连接在放射状二级直流母线512a上的高压直流负荷5110，其中，蓄电池515和电动汽车518各通过双向直流-直流(DC-DC)变换器5114/5117连接在放射状二级直流母线512a上，光伏电池516和燃料电池517各通过直流-直流(DC-DC)变换器5115/5116连接在放射状二级直流母线512a上。
如图4所示的环状纳米电网，纳米电网51包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器52连接在一级直流母线6上的环状二级直流母线512b、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器5113连接在环状二级直流母线512b上的环状三级直流母线511b、通过直流-直流(DC-DC)变换器5111连接在环状三级直流母线511b上的低压直流负荷513、通过直流-交流(DC-AC)变换器5112连接在环状三级直流母线511b上的低压交流负荷514、蓄电池515、光伏电池516、燃料电池517、电动汽车518、通过直流-交流(DC-AC)变换器5118连接在环状二级直流母线512b上的高压交流负荷519和通过直流-直流(DC-DC)变换器5119连接在环状二级直流母线512b上的高压直流负荷5110，其中，蓄电池515和电动汽车518分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器5114/5117连接在环状二级直流母线512b上，光伏电池516和燃料电池517分别通过直流-直流(DC-DC)变换器5115/5116连接在环状二级直流母线512b上。
Claims (4)
1.一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，包括公共电网单元(1)、混合储能单元(2)、电动汽车充电单元(3)、分布式电源单元(4)、纳米电网供电单元(5)和一级直流母线(6)，其中：
所述的公共电网单元(1)，公共电网(11)连接一个变压器(12)，变压器(12)的另一侧对应连接一个双向交流-直流(AC-DC)变换器(13)，双向交流-直流(AC-DC)变换器(13)的另一侧连接在一级直流母线(6)上；
所述的混合储能单元(2)，混合储能系统(21)连接一个初级双向直流-直流(DC-DC)变换器(22)，初级双向直流-直流(DC-DC)变换器(22)的另一侧对应连接在一级直流母线(6)上；
所述的电动汽车充电单元(3)，电动汽车动力电池(31)连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器(32)，双向直流-直流(DC-DC)变换器(32)的另一侧连接在一级直流母线(6)上；
所述的分布式电源单元(4)，包括燃料电池(41)、光伏电池(42)、微燃机(43)和风力发电机(44)，其中燃料电池(41)和光伏电池(42)都各自通过一个直流-直流(DC-DC)变换器(45/46)连接在一级直流母线(6)上，微燃机(43)和风力发电机(44)都各自通过一个交流-直流(AC-DC)变换器(47/48)连接在一级直流母线(6)上；
所述的纳米电网供电单元(5)，纳米电网(51)连接一个双向直流-直流(DC-DC)变换器(52)，双向直流-直流(DC-DC)变换器(52)的另一侧连接在一级直流母线(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，所述的混合储能系统(21)包括次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(211)、次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(212)、蓄电池(213)和超级电容(214)，其中次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(211)和次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(212)的一侧分别对应连接蓄电池(213)和超级电容(214)，另一侧通过并联方式连接初级双向直流-直流(DC-DC)变换器(22)。
3.根据权利要求1所述的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，所述的纳米电网(51)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(52)连接在一级直流母线(6)上的放射状二级直流母线(512a)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(5113)连接在放射状二级直流母线(512a)上的放射状三级直流母线(511a)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5111)连接在放射状三级直流母线(511a)上的低压直流负荷(513)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(5112)连接在放射状三级直流母线(511a)上的低压交流负荷(514)、蓄电池(515)、光伏电池(516)、燃料电池(517)、电动汽车(518)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(5118)连接在放射状二级直流母线(512a)上的高压交流负荷(519)和通过直流-直流(DC-DC)变换器(5119)连接在放射状二级直流母线(512a)上的高压直流负荷(5110)，其中，蓄电池(515)和电动汽车(518)分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(5114/5117)连接在放射状二级直流母线(512a)上，光伏电池(516)和燃料电池(517)分别通过直流-直流(DC-DC)变换器(5115/5116)连接在放射状二级直流母线(512a)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于直流微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，所述的纳米电网(51)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(52)连接在一级直流母线(6)上的环状二级直流母线(512b)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(5113)连接在环状二级直流母线(512b)上的环状三级直流母线(511b)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5111)连接在环状三级直流母线(511b)上的低压直流负荷(513)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(5112)连接在环状三级直流母线(511b)上的低压交流负荷(514)、蓄电池(515)、光伏电池(516)、燃料电池(517)、电动汽车(518)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(5118)连接在环状二级直流母线(512b)上的高压交流负荷(519)和通过直流-直流(DC-DC)变换器(5119)连接在环状二级直流母线(512b)上的高压直流负荷(5110)，其中，蓄电池(515)和电动汽车(518)分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(5114/5117)连接在环状二级直流母线(512b)上，光伏电池(516)和燃料电池(517)分别通过直流-直流(DC-DC)变换器(5115/5116)连接在环状二级直流母线(512b)上。
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