CN205429734U - 一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，各子直流微电网、子交流微电网、分布式电源和储能系统构成集群交直流混合微电网。系统包括三级母线，公共电网单元、混合储能单元、分布式电源单元和子微电网单元分别通过特定的变换器连接在500V的一级直流母线；子直流微电网中设置有380V的环状二级直流母线和48V的环状三级直流母线，子交流微电网中设置有220V的环状二级交流母线和48V的环状三级交流母线，可以实现高低压负荷的直接供电。各子微电网间、子微电网与微电网间、微电网与公共电网间的功率均可双向流动，结合群功率调度与群协调控制，可以提高系统的供电可靠性、经济性和多样性，实现可再生能源的高效利用。

Description

一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统

技术领域

本实用新型涉及一种微电网系统。尤其是涉及一种具有多级环状母线、子微电网集群互动的交直流混合微电网系统。

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。

在分布式电源大规模并网、负荷水平不断提高的需求下，微电网技术蓬勃发展，未来的智能电网将是新能源高度渗透、潮流双向流动、具有极佳灵活性和交融性的交直流混合多微电网系统。各子微电网通过互联的形式形成一个大的集群微电网系统，互联集群化是充分发挥多微电网高能效的有效途径，是多微电网协调运行的潜在发展趋势之一，微电网间可以灵活智能的进行功率交换。目前关于集群的多微电网架构的研究较少，仅存的一些多微电网架构的研究往往集中在直流微电网或交流微电网，而关于集群的多交直流混合微电网系统的架构研究有所欠缺。交直流混合微电网既含有直流母线又含有交流母线，既可以直接向直流负荷供电又可以直接向交流负荷供电，解决了多次换流带来的诸多问题，降低了电力变换带来的能量损耗，具有更高的效率和灵活性，是未来最有潜力的配电网形式。其具有直流部分独立运行、交流部分独立运行、交直流部分协调运行三种运行模式，囊括了交流微电网和直流微电网的优点，对交直流分布式电源皆有较好的兼容性。

未来的电网将是交流与直流混合、分布式电源高度渗透的电网，如果研究仅仅集中在直流微电网或交流微电网，那么微电网在实际配电网中的应用效果将大打折扣。另外，随着经济的发展和人们生活水平的提高，对于供电可靠性的要求越来越高，现今流行的辐射式供电网路在某些场合已经达不到可靠性要求，因此研究供电可靠性较高的环状结构成为必要。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，实现可再生能源的高效梯级利用，缓解环境污染和能源危机的压力，通过在系统中设置包括环状交流母线和环状直流母线的多环状母线，大大提高了微电网的供电灵活性、多样性和可靠性，同时利用子直流微电网和子交流微电网形成的集群交直流微电网系统，提高系统中各单元的互动性。

本实用新型所采用的技术方案是：包括公共电网单元、混合储能单元、分布式电源单元、子微电网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；所述的子微电网单元，包括子直流微电网、子交流微电网、双向直流-直流(DC-DC)变换器和双向交流-交流(AC-AC)变换器，其中各子直流微电网之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接，各子交流微电网之间通过双向交流-交流(AC-AC)变换器连接，各子直流微电网和各子交流微电网同时连接在一级直流母线上，从而构成环状供电架构。

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。

所述的子直流微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、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，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，蓄电池通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上。

所述的子交流微电网包括一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器连接在一级直流母线上的环状二级交流母线、一个通过单向交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上的环状三级交流母线、通过交流-直流(AC-DC)变换器连接在环状三级交流母线上的低压直流负荷、通过交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状三级交流母线上的低压交流负荷、蓄电池、风力发电机、微燃机、通过交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上的高压交流负荷，其中，风力发电机和微燃机分别通过交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上，蓄电池通过双向交流-直流(AC-DC)变换器连接在环状二级交流母线上。

所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在两个子直流微电网的环状二级直流母线之间，双向交流-交流(AC-AC)变换器连接在两个子交流微电网的环状二级交流母线之间。

本实用新型提供一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，其有益效果是：实现分布式电源的有序运行和可再生能源的高效梯级利用，缓解环境污染和能源危机的压力；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；利用子直流微电网和子交流微电网形成集群交直流微电网系统，各子微电网之间可以通过对应的变换器进行功率交换，从而提高系统的互动性和灵活性；采取三级母线的连接方式，包括一级直流母线、二级直流母线、二级交流母线、三级直流母线和三级交流母线，通过各微电源与负荷的合理设置，提高能源的利用效率；子微电网中均为环状架构，可以提高供电可靠性，混合的子微电网单元结合混合储能单元、分布式电网单元，形成多环状母线的集群交直流混合微电网供电区域，提高系统的经济性。

附图说明

图1为多环状母线的集群交直流混合微电网系统的结构示意图；

图2为子直流微电网和子交流微电网的结构示意图；

图3为混合储能系统的结构示意图；

图4为各子微电网间连接方式的结构示意图。

图中

1：公共电网单元2：混合储能单元

3：分布式电源单元4：子微电网单元

5：一级直流母线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：燃料电池32：光伏电池

33：微燃机34：风力发电机

35：直流-直流变换器36：直流-直流变换器

37：交流-直流变换器38：交流-直流变换器

41：子直流微电网42：子交流微电网

43：双向直流-直流变换器44：双向交流-交流变换器

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统作进一步说明。

本实用新型的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，通过分布式电源、混合储能系统、子直流微电网及子交流微电网形成的集群交直流混合微电网系统。系统设置有三级母线，包括一级直流母线、二级直流母线、二级交流母线、三级直流母线和三级交流母线，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，二级交流母线是电压等级为220V的中压交流母线，三级直流母线是电压等级为48V的低压直流母线，三级交流母线是电压等级为48V的低压交流母线，通过多级母线的设置，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、分布式电源单元和子微电网单元，其中：集群交直流混合微电网系统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；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，从而充分利用可再生能源；子直流微电网和子交流微电网连接在一级直流母线上，各子微电网同样可以独立控制系统的运行状态，提高供电稳定性。二级直流母线和二级交流母线分别设置于子直流微电网和子交流微电网中，为了增加系统的供电效率，提高系统的经济性，输出直流电的光伏电池和燃料电池连接在二级直流母线上，输出交流电的风力发电机和微燃机连接在二级交流母线上，同时两个母线上都设置有蓄电池，同时平抑功率波动。三级直流母线和三级交流母线上均连接有低压交流负荷和低压直流负荷。

如图1所示的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，包括公共电网单元1、混合储能单元2、分布式电源单元3、子微电网单元4和一级直流母线5，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5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5上；所述的分布式电源单元3，包括燃料电池31、光伏电池32、微燃机33和风力发电机34，其中燃料电池31和光伏电池32都各自通过一个直流-直流(DC-DC)变换器35/36连接在一级直流母线5上，微燃机33和风力发电机34都各自通过一个交流-直流(AC-DC)变换器37/38连接在一级直流母线5上；所述的子微电网单元4，包括子直流微电网41、子交流微电网42、双向直流-直流(DC-DC)变换器43和双向交流-交流(AC-AC)变换器44，其中各子直流微电网41之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器43连接，各子交流微电网42之间通过双向交流-交流(AC-AC)变换器44连接，各子直流微电网41和各子交流微电网42同时连接在一级直流母线5上，从而构成环状供电架构。

公共电网单元1、混合储能单元2和分布式电源单元3和子微电网单元4构成集群交流直流混合微电网系统，集群交直流混合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，当集群交直流混合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3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，集群交直流混合微电网通过解列控制进入孤岛模式，单独向负荷供电，充分满足供电安全性、可靠性需求。集群交直流混合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，其控制交直流混合微电网与公共电网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。分布式电源单元3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。系统中的子直流微电网41、子交流微电网42的数量可以根据实际负荷情况确定。当系统中任意一个子直流微电网41或子交流微电网42发生故障时，可以通过解列控制进行隔离，保证其他负荷的安全供电，而当系统中的其他部分发生故障时，子直流微电网41或子交流微电网42也可以通过解列控制进入孤岛运行状态，从而保证系统内的负荷供电，这样就提高了供电可靠性、安全性和灵活性。

如图2所示的子直流微电网和子交流微电网的结构示意图，所述的子直流微电网41包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器414连接在一级直流母线5上的环状二级直流母线412、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器413连接在环状二级直流母线412上的环状三级直流母线411、通过直流-直流(DC-DC)变换器4111连接在环状三级直流母线411上的低压直流负荷415、通过直流-交流(DC-AC)变换器4112连接在环状三级直流母线411上的低压交流负荷416、蓄电池417、光伏电池418、燃料电池419、通过直流-直流(DC-DC)变换器4116连接在环状二级直流母线412上的高压直流负荷4110，其中，光伏电池418和燃料电池419分别通过直流-直流(DC-DC)变换器4114/4115连接在环状二级直流母线412上，蓄电池417通过双向直流-直流(DC-DC)变换器4113连接在环状二级直流母线412上。

所述的子交流微电网42包括一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器421连接在一级直流母线5上的环状二级交流母线423、一个通过单向交流-交流(AC-AC)变换器422连接在环状二级交流母线423上的环状三级交流母线424、通过交流-直流(AC-DC)变换器4215连接在环状三级交流母线424上的低压直流负荷429、通过交流-交流(AC-AC)变换器4216连接在环状三级交流母线424上的低压交流负荷4210、蓄电池425、风力发电机426、微燃机427、通过交流-交流(AC-AC)变换器4214连接在环状二级交流母线423上的高压交流负荷428，其中，风力发电机426和微燃机427分别通过交流-交流(AC-AC)变换器4212/4213连接在环状二级交流母线423上，蓄电池425通过双向交流-直流(AC-DC)变换器4211连接在环状二级交流母线423上。

子直流微电网41和子交流微电网42的拓扑形式是环状的，这样可以大大提高供电可靠性。多级环状母线的设置，增加了供电灵活性，子直流微电网41和子交流微电网42均可为低压负荷直接供电，同时还可分别为高压直流负荷4110和高压交流负荷428供电。子微电网中的蓄电池可以平衡系统中的功率波动，维持直流母线的稳定。子直流微电网41和子交流微电网42分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器414和双向直流-交流(DC-AC)变换器421与其他单元发生功率交换，一级直流母线5与二级直流母线421、二级交流母线423间的功率流动是双向的，各子微电网间、子微电网与集群交直流混合微电网间、集群交直流混合微电网与公共电网间的功率均可双向流动，这样大大增加了系统的交互性，提高了各单元间相互支撑的可靠性。

如图3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。

如图4所示的各子微电网间连接方式，所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器43连接在两个子直流微电网41的环状二级直流母线412之间，双向交流-交流(AC-AC)变换器44连接在两个子交流微电网42的环状二级交流母线423之间。各子直流微电网41及子交流微电网42以集群的形式互联和运行，各子微电网之间可以通过群功率调度与群协调控制来实现相互支撑控制。

Claims (5)

1.一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，其特征在于，包括公共电网单元(1)、混合储能单元(2)、分布式电源单元(3)、子微电网单元(4)和一级直流母线(5)，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(5)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(5)上；

所述的分布式电源单元(3)，包括燃料电池(31)、光伏电池(32)、微燃机(33)和风力发电机(34)，其中燃料电池(31)和光伏电池(32)都各自通过一个直流-直流(DC-DC)变换器(35/36)连接在一级直流母线(5)上，微燃机(33)和风力发电机(34)都各自通过一个交流-直流(AC-DC)变换器(37/38)连接在一级直流母线(5)上；

所述的子微电网单元(4)，包括子直流微电网(41)、子交流微电网(42)、双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)和双向交流-交流(AC-AC)变换器(44)，其中各子直流微电网(41)之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)连接，各子交流微电网(42)之间通过双向交流-交流(AC-AC)变换器(44)连接，各子直流微电网(41)和各子交流微电网(42)同时连接在一级直流母线(5)上，从而构成环状供电架构。

2.根据权利要求1所述的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，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所述的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，其特征在于，所述的子直流微电网(41)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(414)连接在一级直流母线(5)上的环状二级直流母线(412)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(413)连接在环状二级直流母线(412)上的环状三级直流母线(411)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(4111)连接在环状三级直流母线(411)上的低压直流负荷(415)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(4112)连接在环状三级直流母线(411)上的低压交流负荷(416)、蓄电池(417)、光伏电池(418)、燃料电池(419)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(4116)连接在环状二级直流母线(412)上的高压直流负荷(4110)，其中，光伏电池(418)和燃料电池(419)分别通过直流-直流(DC-DC)变换器(4114/4115)连接在环状二级直流母线(412)上，蓄电池(417)通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(4113)连接在环状二级直流母线(412)上。

4.根据权利要求1所述的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，其特征在于，所述的子交流微电网(42)包括一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器(421)连接在一级直流母线(5)上的环状二级交流母线(423)、一个通过单向交流-交流(AC-AC)变换器(422)连接在环状二级交流母线(423)上的环状三级交流母线(424)、通过交流-直流(AC-DC)变换器(4215)连接在环状三级交流母线(424)上的低压直流负荷(429)、通过交流-交流(AC-AC)变换器(4216)连接在环状三级交流母线(424)上的低压交流负荷(4210)、蓄电池(425)、风力发电机(426)、微燃机(427)、通过交流-交流(AC-AC)变换器(4214)连接在环状二级交流母线(423)上的高压交流负荷(428)，其中，风力发电机(426)和微燃机(427)分别通过交流-交流(AC-AC)变换器(4212/4213)连接在环状二级交流母线(423)上，蓄电池(425)通过双向交流-直流(AC-DC)变换器(4211)连接在环状二级交流母线(423)上。

5.根据权利要求1所述的一种多环状母线的集群交直流混合微电网系统，其特征在于，所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)连接在两个子直流微电网(41)的环状二级直流母线(412)之间，双向交流-交流(AC-AC)变换器(44)连接在两个子交流微电网(42)的环状二级交流母线(423)之间。