CN205489531U - 一种基于交直流混合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交直流混合微电网的多母线居民区供电系统，子微电网、分布式电源、储能系统和电动汽车充电设施构成交直流混合微电网。系统包括三级母线，公共电网单元、混合储能单元、电动汽车充电单元、分布式电源单元和子微电网分别通过特定的变换器连接在500V的一级直流母线；380V的二级直流母线和220V的二级交流母线设置于子微电网中，分别为居民高压直流和交流负荷供电；48V的三级直流母线可以为家庭中日益增多的低压电子设备供电。交直流混合微电网与子微电网均有并网和孤岛两种运行状态，同时结合三级母线架构，提高居民区供电系统的供电可靠性、经济性和多样性，实现可再生能源的高效利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种居民区供电系统。尤其是涉及一种同时满足电动汽车快速与慢速两种充电需求的基于交直流混合微电网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。
微电网包括直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。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。
目前的供电形式主要为交流形式，然而随着经济的发展及生活水平的提高，越来越多的直流形式的用电设备开始出现，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。交直流混合微电网中包括交流、直流两种形式的供电方式，具有更高的效率和灵活性，通过多级母线的设置，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，提供一种基于交直流混合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：一种基于交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、子微电网和一级直流母线，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第一双向直流-直流(DC-DC)变换器，第一双向直流-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第一直流-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；所述的子微电网连接在一级直流母线上。
所述的混合储能系统包括第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器、第二次级双向直流-直流(DC-DC)变换器蓄电池和超级电容，其中第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器和第二次级双向直流-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。
所述的子微电网包括一个通过第二双向直流-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、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放射状二级交流母线、通过第二直流-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、风力发电机、微燃机、通过第三直流-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和通过第一交流-交流(AC-AC)变换器连接在放射状二级交流母线上的高压交流负荷，其中，光伏电池和燃料电池分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上，风力发电机和微燃机分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器连接在放射状二级交流母线上，蓄电池通过第三双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在放射状二级直流母线上，电动汽车通过双向交流-交流(AC-AC)变换器连接在放射状二级交流母线上。
所述的子微电网包括一个通过第二双向直流-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、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、通过第二直流-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、风力发电机、微燃机、通过第三直流-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和通过第一交流-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，光伏电池和燃料电池分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上，风力发电机和微燃机分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上，蓄电池通过第三双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上，电动汽车通过双向交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上。
本实用新型提供一种基于交直流混合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、二级交流母线和三级直流母线，通过各微电源与负荷的合理设置，提高能源的利用效率及居民区供电的灵活性；各子微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为基于交直流混合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为放射状子微电网的结构示意图；
图4为环状子微电网的结构示意图。
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：子微电网 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：第一双向直流-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：第一直流-直流变换器
46：第一直流-直流变换器 47：交流-直流变换器
48：交流-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交直流混合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交直流混合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、电动汽车充电站及子微电网形成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，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，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、电动汽车充电单元、分布式电源单元和子微电网，其中：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；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；每栋建筑可以形成子微电网供电系统，同样可以独立控制系统的运行状态，提高供电稳定性。二级直流母线和二级交流母线设置于子微电网中，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、燃料电池和蓄电池连接在二级直流母线上，蓄电池可以平抑功率波动，而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，同时二级交流母线上设置有输出交流电的电动汽车充电设施，以提供电动汽车慢充功能。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所示的一种基于交直流混合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、子微电网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连接一个第一双向直流-直流(DC-DC)变换器32，第一双向直流-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都各自通过一个第一直流-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；所述的子微电网5连接在一级直流母线上。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。
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，交直流混合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。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。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，第一双向直流-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子微电网5，子微电网5的数量根据实际居民供电区的建筑情况确定。当系统中任意一个子微电网5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，子微电网5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，第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器211和第二次级双向直流-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，而第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器211和第二次级双向直流-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。
子微电网5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)，子微电网5中设置有两级母线，48V的三级直流母线和380V的二级直流母线，可以分别为建筑中的低压负荷和高压直流负荷供电，220V的二级交流母线为高压交流负荷供电，同时提供输出交流电的电动汽车慢充功能。子微电网5中的蓄电池57可以平衡系统中的功率波动，维持直流母线的稳定。特殊情况下，当蓄电池57不足以平抑系统的功率波动时，电动汽车的动力电池513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所示的放射状子微电网，所述的子微电网5包括一个通过第二双向直流-直流(DC-DC)变换器511连接在一级直流母线6上的放射状二级直流母线52a、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器54连接在放射状二级直流母线52a上的放射状三级直流母线51a、一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器512连接在一级直流母线6上的放射状二级交流母线53a、通过第二直流-直流(DC-DC)变换器517连接在放射状三级直流母线51a上的低压直流负荷55、通过直流-交流(DC-AC)变换器518连接在放射状三级直流母线51a上的低压交流负荷56、蓄电池57、光伏电池58、燃料电池59、电动汽车513、风力发电机514、微燃机515、通过第三直流-直流(DC-DC)变换器522连接在放射状二级直流母线52a上的高压直流负荷5110和通过第一交流-交流(AC-AC)变换器526连接在放射状二级交流母线53a上的高压交流负荷516，其中，光伏电池58和燃料电池59分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器520/521连接在放射状二级直流母线52a上，风力发电机514和微燃机515分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器524/525连接在放射状二级交流母线53a上，蓄电池57通过第三双向直流-直流(DC-DC)变换器519连接在放射状二级直流母线52a上，电动汽车513 通过双向交流-交流(AC-AC)变换器523连接在放射状二级交流母线53a上。
如图4所示的环状子微电网，所述的子微电网5包括一个通过第二双向直流-直流(DC-DC)变换器511连接在一级直流母线6上的环状二级直流母线52b、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器54连接在环状二级直流母线52b上的环状三级直流母线51b、一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器512连接在一级直流母线6上的环状二级交流母线53b、通过第二直流-直流(DC-DC)变换器517连接在环状三级直流母线51b上的低压直流负荷55、通过直流-交流(DC-AC)变换器518连接在环状三级直流母线51b上的低压交流负荷56、蓄电池57、光伏电池58、燃料电池59、电动汽车513、风力发电机514、微燃机515、通过第三直流-直流(DC-DC)变换器522连接在环状二级直流母线52b上的高压直流负荷5110和通过第一交流-交流(AC-AC)变换器526连接在环状二级交流母线53b上的高压交流负荷516，其中，光伏电池58和燃料电池59分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器520/521连接在环状二级直流母线52b上，风力发电机514和微燃机515分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器524/525连接在环状二级交流母线53b上，蓄电池57通过第三双向直流-直流DC-DC变换器519连接在环状二级直流母线52b上，电动汽车513通过双向交流-交流(AC-AC)变换器523连接在环状二级交流母线53b上。
Claims (4)
1.一种基于交直流混合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)、子微电网(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)连接一个第一双向直流-直流(DC-DC)变换器(32)，第一双向直流-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)都各自通过一个第一直流-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；
所述的子微电网(5)连接在一级直流母线(6)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于交直流混合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)包括第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(211)、第二次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(212)、蓄电池(213)和超级电容(214)，其中第一次级双向直流-直流(DC-DC)变换器(211)和第二次级双向直流-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所述的一种基于交直流混合微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，所述的子微电网(5)包括一个通过第二双向直流-直流(DC-DC)变换器(511)连接在一级直流母线(6)上的放射状二级直流母线(52a)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(54)连接在放射状二级直流母线(52a)上的放射状三级直流母线(51a)、一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器(512)连接在一级直流母线(6)上的放射状二级交流母线(53a)、通过第二直流-直流(DC-DC)变换器(517)连接在放射状三级直流母线(51a)上的低压直流负荷(55)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(518)连接在放射状三级直流母线(51a)上的低压交流负荷(56)、蓄电池(57)、光伏电池(58)、燃料电池(59)、电动汽车(513)、风力发电机(514)、微燃机(515)、通过第三直流-直流(DC-DC)变换器(522)连接在放射状二级直流母线(52a)上的高压直流负荷(5110)和通过第一交流-交流(AC-AC)变换器(526)连接在放射状二级交流母线(53a)上的高压交流负荷(516)，其中，光伏电池(58)和燃料电池(59)分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器(520/521)连接在放射状二级直流母线(52a)上，风力发电机(514)和微燃机(515)分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器(524/525)连接在放射状二级交流母线(53a)上，蓄电池(57)通过第 三双向直流-直流(DC-DC)变换器(519)连接在放射状二级直流母线(52a)上，电动汽车(513)通过双向交流-交流(AC-AC)变换器(523)连接在放射状二级交流母线(53a)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于交直流混合微电网的多母线居民区供电系统，其特征在于，所述的子微电网(5)包括一个通过第二双向直流-直流(DC-DC)变换器(511)连接在一级直流母线(6)上的环状二级直流母线(52b)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(54)连接在环状二级直流母线(52b)上的环状三级直流母线(51b)、一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器(512)连接在一级直流母线(6)上的环状二级交流母线(53b)、通过第二直流-直流(DC-DC)变换器(517)连接在环状三级直流母线(51b)上的低压直流负荷(55)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(518)连接在环状三级直流母线(51b)上的低压交流负荷(56)、蓄电池(57)、光伏电池(58)、燃料电池(59)、电动汽车(513)、风力发电机(514)、微燃机(515)、通过第三直流-直流(DC-DC)变换器(522)连接在环状二级直流母线(52b)上的高压直流负荷(5110)和通过第一交流-交流(AC-AC)变换器(526)连接在环状二级交流母线(53b)上的高压交流负荷(516)，其中，光伏电池(58)和燃料电池(59)分别通过第四直流-直流(DC-DC)变换器(520/521)连接在环状二级直流母线(52b)上，风力发电机(514)和微燃机(515)分别通过第二交流-交流(AC-AC)变换器(524/525)连接在环状二级交流母线(53b)上，蓄电池(57)通过第三双向直流-直流(DC-DC)变换器(519)连接在环状二级直流母线(52b)上，电动汽车(513)通过双向交流-交流(AC-AC)变换器(523)连接在环状二级交流母线(53b)上。
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| CN109808536A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-05-28 | 清华大学 | 一种风-光-储-燃料电池的电动汽车充电大功率装置及能量管理方法 |
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