一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，各子直流微電網、子交流微電網、分布式電源和儲能系統構成集群交直流混合微電網。系統包括三級母線，公共電網單元、混合儲能單元、分布式電源單元和子微電網單元分別通過特定的變換器連接在500V的一級直流母線；子直流微電網中設置有380V的環狀二級直流母線和48V的環狀三級直流母線，子交流微電網中設置有220V的環狀二級交流母線和48V的環狀三級交流母線，可以實現高低壓負荷的直接供電。各子微電網間、子微電網與微電網間、微電網與公共電網間的功率均可雙向流動，結合群功率調度與群協調控制，可以提高系統的供電可靠性、經濟性和多樣性，實現可再生能源的高效利用。
【專利說明】
一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種微電網系統。尤其是涉及一種具有多級環狀母線、子微電網集群互動的交直流混合微電網系統。
【背景技術】
[0002]近年來，電力系統呈現出用電負荷不斷增加、輸電容量逐漸增大的特點，大容量集中式發電、遠距離高電壓傳輸的互聯大電網運營成本高、運行難度大、調節能力弱的問題日益凸顯，難以滿足用戶越來越高的安全性、可靠性、多樣性、靈活性供電需求。隨著新型電力電子技術的不斷成熟，基于風、光、熱、儲等綠色能源的分布式發電技術蓬勃發展。分布式發電具有能源利用率高、環境污染小、供電靈活性強、投入成本低等優點，開發利用高效經濟、靈活可靠的分布式發電技術是解決能源危機和環境問題的有效途徑。為了減緩大規模的分布式電源單機入網對大電網的沖擊，彌補電力系統對分布式電源廣泛滲透承載能力的不足，充分發揮分布式發電技術的優勢，微電網的概念應運而生。
[0003]微電網是由分布式電源、負荷單元及儲能裝置按照特定的拓撲結構組成的具備獨立管理、保護、控制能力的集約化新型電力網絡，是以新能源發電技術為支柱、低慣性電力電子裝置為主導的多約束、多狀態、多維度的自治電力系統。微電網有并網和孤島兩種運行模式，并且可以在兩種模式之間平滑無縫切換，一般通過單點接入主網，具有“即插即用”的靈活性和可控性，是未來智能電網的重要組成部分。當微電網處于并網模式時，能實現公共電網、分布式電源與負荷的一體化協調運行和各種能源資源的梯級高效利用；當大電網發生故障時，微電網通過解列控制進入孤島模式，單獨向敏感負荷供電，充分滿足用戶對供電安全性、可靠性需求。
[0004]在分布式電源大規模并網、負荷水平不斷提高的需求下，微電網技術蓬勃發展，未來的智能電網將是新能源高度滲透、潮流雙向流動、具有極佳靈活性和交融性的交直流混合多微電網系統。各子微電網通過互聯的形式形成一個大的集群微電網系統，互聯集群化是充分發揮多微電網高能效的有效途徑，是多微電網協調運行的潛在發展趨勢之一，微電網間可以靈活智能的進行功率交換。目前關于集群的多微電網架構的研究較少，僅存的一些多微電網架構的研究往往集中在直流微電網或交流微電網，而關于集群的多交直流混合微電網系統的架構研究有所欠缺。交直流混合微電網既含有直流母線又含有交流母線，既可以直接向直流負荷供電又可以直接向交流負荷供電，解決了多次換流帶來的諸多問題，降低了電力變換帶來的能量損耗，具有更高的效率和靈活性，是未來最有潛力的配電網形式。其具有直流部分獨立運行、交流部分獨立運行、交直流部分協調運行三種運行模式，囊括了交流微電網和直流微電網的優點，對交直流分布式電源皆有較好的兼容性。
[0005]未來的電網將是交流與直流混合、分布式電源高度滲透的電網，如果研究僅僅集中在直流微電網或交流微電網，那么微電網在實際配電網中的應用效果將大打折扣。另外，隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，對于供電可靠性的要求越來越高，現今流行的輻射式供電網路在某些場合已經達不到可靠性要求，因此研究供電可靠性較高的環狀結構成為必要。
【發明內容】
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，實現可再生能源的高效梯級利用，緩解環境污染和能源危機的壓力，通過在系統中設置包括環狀交流母線和環狀直流母線的多環狀母線，大大提高了微電網的供電靈活性、多樣性和可靠性，同時利用子直流微電網和子交流微電網形成的集群交直流微電網系統，提尚系統中各單兀的互動性。
[0007]本實用新型所采用的技術方案是:包括公共電網單元、混合儲能單元、分布式電源單元、子微電網單元和一級直流母線，其中:所述的公共電網單元，公共電網連接一個變壓器，變壓器的另一側對應連接一個雙向交流-直流(AC-DC)變換器，雙向交流-直流(AC-DC)變換器的另一側連接在一級直流母線上;所述的混合儲能單元，混合儲能系統連接一個初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器，初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器的另一側對應連接在一級直流母線上；
[0008]所述的分布式電源單元，包括燃料電池、光伏電池、微燃機和風力發電機，其中燃料電池和光伏電池都各自通過一個直流-直流(DC-DC)變換器連接在一級直流母線上，微燃機和風力發電機都各自通過一個交流-直流(AC-DC)變換器連接在一級直流母線上;所述的子微電網單元，包括子直流微電網、子交流微電網、雙向直流-直流(DC-DC)變換器和雙向交流-交流(AC-AC)變換器，其中各子直流微電網之間通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器連接，各子交流微電網之間通過雙向交流-交流(AC-AC)變換器連接，各子直流微電網和各子交流微電網同時連接在一級直流母線上，從而構成環狀供電架構。
[0009 ]所述的混合儲能系統包括兩個次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器、蓄電池和超級電容，其中兩個次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器的一側分別對應連接蓄電池和超級電容，另一側通過并聯方式連接初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器。
[0010]所述的子直流微電網包括一個通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器連接在一級直流母線上的環狀二級直流母線、一個通過單向直流-直流(DC-DC)變換器連接在環狀二級直流母線上的環狀三級直流母線、通過直流-直流(DC-DC)變換器連接在環狀三級直流母線上的低壓直流負荷、通過直流-交流(DC-AC)變換器連接在環狀三級直流母線上的低壓交流負荷、蓄電池、光伏電池、燃料電池、通過直流-直流(DC-DC)變換器連接在環狀二級直流母線上的高壓直流負荷，其中，光伏電池和燃料電池分別通過直流-直流(DC-DC)變換器連接在環狀二級直流母線上，蓄電池通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器連接在環狀二級直流母線上。
[0011]所述的子交流微電網包括一個通過雙向直流-交流(DC-AC)變換器連接在一級直流母線上的環狀二級交流母線、一個通過單向交流-交流(AC-AC)變換器連接在環狀二級交流母線上的環狀三級交流母線、通過交流-直流(AC-DC)變換器連接在環狀三級交流母線上的低壓直流負荷、通過交流-交流(AC-AC)變換器連接在環狀三級交流母線上的低壓交流負荷、蓄電池、風力發電機、微燃機、通過交流-交流(AC-AC)變換器連接在環狀二級交流母線上的高壓交流負荷，其中，風力發電機和微燃機分別通過交流-交流(AC-AC)變換器連接在環狀二級交流母線上，蓄電池通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器連接在環狀二級交流母線上。
[0012]所述的雙向直流-直流(DC-DC)變換器連接在兩個子直流微電網的環狀二級直流母線之間，雙向交流-交流(AC-AC)變換器連接在兩個子交流微電網的環狀二級交流母線之間。
[0013]本實用新型提供一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其有益效果是:實現分布式電源的有序運行和可再生能源的高效梯級利用，緩解環境污染和能源危機的壓力；利用蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統，平抑功率波動，提高供電質量;混合儲能系統采取兩級控制器，增加功率的可調度性;利用子直流微電網和子交流微電網形成集群交直流微電網系統，各子微電網之間可以通過對應的變換器進行功率交換，從而提高系統的互動性和靈活性;采取三級母線的連接方式，包括一級直流母線、二級直流母線、二級交流母線、三級直流母線和三級交流母線，通過各微電源與負荷的合理設置，提高能源的利用效率;子微電網中均為環狀架構，可以提高供電可靠性，混合的子微電網單元結合混合儲能單元、分布式電網單元，形成多環狀母線的集群交直流混合微電網供電區域，提高系統的經濟性。
【附圖說明】
[0014]圖1為多環狀母線的集群交直流混合微電網系統的結構示意圖；
[0015]圖2為子直流微電網和子交流微電網的結構不意圖；
[0016]圖3為混合儲能系統的結構示意圖；
[0017]圖4為各子微電網間連接方式的結構示意圖。
[0018]圖中
[0019]1:公共電網單元2:混合儲能單元
[0020]3:分布式電源單元4:子微電網單元
[0021]5:—級直流母線11:公共電網
[0022]12:變壓器13:雙向交流-直流變換器
[0023]21:混合儲能系統22:初級雙向直流-直流變換器
[0024]31:燃料電池32:光伏電池
[0025]33:微燃機34:風力發電機
[0026]35:直流-直流變換器36:直流-直流變換器
[0027]37:交流-直流變換器38:交流-直流變換器
[0028]41:子直流微電網42:子交流微電網
[0029]43:雙向直流-直流變換器 44:雙向交流-交流變換器
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本實用新型的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統作進一步說明。
[0031]本實用新型的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，通過分布式電源、混合儲能系統、子直流微電網及子交流微電網形成的集群交直流混合微電網系統。系統設置有三級母線，包括一級直流母線、二級直流母線、二級交流母線、三級直流母線和三級交流母線，一級直流母線是電壓等級為500V的高壓直流母線，二級直流母線是電壓等級為380V的中壓直流母線，二級交流母線是電壓等級為220V的中壓交流母線，三級直流母線是電壓等級為48V的低壓直流母線，三級交流母線是電壓等級為48V的低壓交流母線，通過多級母線的設置，從而增加系統的功能多樣性，提高供電效率。一級直流母線上設置有公共電網單元、混合儲能單元、分布式電源單元和子微電網單元，其中:集群交直流混合微電網系統可以通過與公共電網單元的通斷來控制并網或孤島運行狀態;混合儲能單元可以通過充放電控制來平衡系統功率波動，從而維持直流母線電壓穩定;分布式電源單元包括輸出交流電的微燃機和風力發電機、輸出直流電的燃料電池和光伏電池，從而充分利用可再生能源;子直流微電網和子交流微電網連接在一級直流母線上，各子微電網同樣可以獨立控制系統的運行狀態，提高供電穩定性。二級直流母線和二級交流母線分別設置于子直流微電網和子交流微電網中，為了增加系統的供電效率，提高系統的經濟性，輸出直流電的光伏電池和燃料電池連接在二級直流母線上，輸出交流電的風力發電機和微燃機連接在二級交流母線上，同時兩個母線上都設置有蓄電池，同時平抑功率波動。三級直流母線和三級交流母線上均連接有低壓交流負荷和低壓直流負荷。
[0032]如圖1所示的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，包括公共電網單元
1、混合儲能單元2、分布式電源單元3、子微電網單元4和一級直流母線5，其中:所述的公共電網單元I，公共電網11連接一個變壓器12，變壓器12的另一側對應連接一個雙向交流-直流(AC-DC)變換器13，雙向交流-直流(AC-DC)變換器13的另一側連接在一級直流母線5上；所述的混合儲能單元2，混合儲能系統21連接一個初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器22，初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器22的另一側對應連接在一級直流母線5上;所述的分布式電源單元3，包括燃料電池31、光伏電池32、微燃機33和風力發電機34，其中燃料電池31和光伏電池32都各自通過一個直流-直流(DC-DC)變換器35/36連接在一級直流母線5上，微燃機33和風力發電機34都各自通過一個交流-直流(AC-DC)變換器37/38連接在一級直流母線5上;所述的子微電網單元4，包括子直流微電網41、子交流微電網42、雙向直流-直流(DC-DC)變換器43和雙向交流-交流(AC-AC)變換器44，其中各子直流微電網41之間通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器43連接，各子交流微電網42之間通過雙向交流-交流(AC-AC)變換器44連接，各子直流微電網41和各子交流微電網42同時連接在一級直流母線5上，從而構成環狀供電架構。
[0033]公共電網單元1、混合儲能單元2和分布式電源單元3和子微電網單元4構成集群交流直流混合微電網系統，集群交直流混合微電網有并網和孤島兩種運行狀態，并且可以在兩種模式之間平滑無縫切換，當集群交直流混合微電網處于并網模式時，能實現公共電網單元1、分布式電源單元3與負荷的一體化協調運行和各種能源資源的梯級高效利用；當公共電網單元I發生故障時，集群交直流混合微電網通過解列控制進入孤島模式，單獨向負荷供電，充分滿足供電安全性、可靠性需求。集群交直流混合微電網系統可以采用主從控制模式、對等控制模式或分層控制模式，以保證系統的功率平衡及各母線電壓的穩定。雙向交流-直流(AC-DC)變換器13可以采用下垂控制、恒功率控制或恒壓/恒頻控制，其控制交直流混合微電網與公共電網11的功率交換。混合儲能單元2采用能量密度大的蓄電池和功率密度大、循環壽命長的超級電容組合成的混合儲能形式，提高功率輸出能力，延長裝置的使用壽命。分布式電源單元3中的各微電源通過系統的調度要求及本地控制器的指令，確定控制策略并控制輸出功率。系統中的子直流微電網41、子交流微電網42的數量可以根據實際負荷情況確定。當系統中任意一個子直流微電網41或子交流微電網42發生故障時，可以通過解列控制進行隔離，保證其他負荷的安全供電，而當系統中的其他部分發生故障時，子直流微電網41或子交流微電網42也可以通過解列控制進入孤島運行狀態，從而保證系統內的負荷供電，這樣就提高了供電可靠性、安全性和靈活性。
[0034]如圖2所示的子直流微電網和子交流微電網的結構示意圖，所述的子直流微電網41包括一個通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器414連接在一級直流母線5上的環狀二級直流母線412、一個通過單向直流-直流(DC-DC)變換器413連接在環狀二級直流母線412上的環狀三級直流母線411、通過直流-直流(DC-DC)變換器4111連接在環狀三級直流母線411上的低壓直流負荷415、通過直流-交流(DC-AC)變換器4112連接在環狀三級直流母線411上的低壓交流負荷416、蓄電池417、光伏電池418、燃料電池419、通過直流-直流(DC-DC)變換器4116連接在環狀二級直流母線412上的高壓直流負荷4110，其中，光伏電池418和燃料電池419分別通過直流-直流(DC-DC)變換器4114/4115連接在環狀二級直流母線412上，蓄電池417通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器4113連接在環狀二級直流母線412上。
[0035]所述的子交流微電網42包括一個通過雙向直流-交流(DC-AC)變換器421連接在一級直流母線5上的環狀二級交流母線423、一個通過單向交流-交流(AC-AC)變換器422連接在環狀二級交流母線423上的環狀三級交流母線424、通過交流-直流(AC-DC)變換器4215連接在環狀三級交流母線424上的低壓直流負荷429、通過交流-交流(AC-AC)變換器4216連接在環狀三級交流母線424上的低壓交流負荷4210、蓄電池425、風力發電機426、微燃機427、通過交流-交流(AC-AC)變換器4214連接在環狀二級交流母線423上的高壓交流負荷428，其中，風力發電機426和微燃機427分別通過交流-交流(AC-AC)變換器4212/4213連接在環狀二級交流母線423上，蓄電池425通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器4211連接在環狀二級交流母線423上。
[0036]子直流微電網41和子交流微電網42的拓撲形式是環狀的，這樣可以大大提高供電可靠性。多級環狀母線的設置，增加了供電靈活性，子直流微電網41和子交流微電網42均可為低壓負荷直接供電，同時還可分別為高壓直流負荷4110和高壓交流負荷428供電。子微電網中的蓄電池可以平衡系統中的功率波動，維持直流母線的穩定。子直流微電網41和子交流微電網42分別通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器414和雙向直流-交流(DC-AC)變換器421與其他單元發生功率交換，一級直流母線5與二級直流母線421、二級交流母線423間的功率流動是雙向的，各子微電網間、子微電網與集群交直流混合微電網間、集群交直流混合微電網與公共電網間的功率均可雙向流動，這樣大大增加了系統的交互性，提高了各單元間相互支撐的可靠性。
[0037]如圖3所示的混合儲能系統，次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器211和次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器212的一側分別對應連接蓄電池213和超級電容214，另一側通過并聯方式連接初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器22。當系統出現功率波動時，蓄電池213吸收或釋放低頻功率，超級電容214吸收或釋放高頻功率，初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器22控制混合儲能系統21的整體功率流動，而次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器211和次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器212則分別控制蓄電池213和超級電容214的功率流動，通過兩級控制器的設置，增加功率的可調度性。
[0038] 如圖4所示的各子微電網間連接方式，所述的雙向直流-直流(DC-DC)變換器43連接在兩個子直流微電網41的環狀二級直流母線412之間，雙向交流-交流(AC-AC)變換器44連接在兩個子交流微電網42的環狀二級交流母線423之間。各子直流微電網41及子交流微電網42以集群的形式互聯和運行，各子微電網之間可以通過群功率調度與群協調控制來實現相互支撐控制。
【主權項】
1.一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其特征在于，包括公共電網單元(I)、混合儲能單元(2)、分布式電源單元(3)、子微電網單元(4)和一級直流母線(5)，其中: 所述的公共電網單元(I)，公共電網(11)連接一個變壓器(12)，變壓器(12)的另一側對應連接一個雙向交流-直流(AC-DC)變換器(13)，雙向交流-直流(AC-DC)變換器(13)的另一側連接在一級直流母線(5)上； 所述的混合儲能單元(2)，混合儲能系統(21)連接一個初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(22)，初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(22)的另一側對應連接在一級直流母線(5)上； 所述的分布式電源單元(3)，包括燃料電池(31)、光伏電池(32)、微燃機(33)和風力發電機(34)，其中燃料電池(31)和光伏電池(32)都各自通過一個直流-直流(DC-DC)變換器(35/36)連接在一級直流母線(5)上，微燃機(33)和風力發電機(34)都各自通過一個交流-直流(AC-DC)變換器(37/38)連接在一級直流母線(5)上； 所述的子微電網單元(4)，包括子直流微電網(41)、子交流微電網(42)、雙向直流-直流(DC-DC)變換器(43)和雙向交流-交流(AC-AC)變換器(44)，其中各子直流微電網(41)之間通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器(43)連接，各子交流微電網(42)之間通過雙向交流-交流(AC-AC)變換器(44)連接，各子直流微電網(41)和各子交流微電網(42)同時連接在一級直流母線(5)上，從而構成環狀供電架構。2.根據權利要求1所述的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其特征在于，所述的混合儲能系統(21)包括次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(211)、次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(212)、蓄電池(213)和超級電容(214)，其中次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(211)和次級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(212)的一側分別對應連接蓄電池(213)和超級電容(214)，另一側通過并聯方式連接初級雙向直流-直流(DC-DC)變換器(22)。3.根據權利要求1所述的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其特征在于，所述的子直流微電網(41)包括一個通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器(414)連接在一級直流母線(5)上的環狀二級直流母線(412)、一個通過單向直流-直流(DC-DC)變換器(413)連接在環狀二級直流母線(412)上的環狀三級直流母線(411)、通過直流-直流(DC-DC)變換器(4111)連接在環狀三級直流母線(411)上的低壓直流負荷(415)、通過直流-交流(DC-AC)變換器(4112)連接在環狀三級直流母線(411)上的低壓交流負荷(416)、蓄電池(417)、光伏電池(418)、燃料電池(419)、通過直流-直流(DC-DC)變換器(4116)連接在環狀二級直流母線(412)上的高壓直流負荷(4110)，其中，光伏電池(418)和燃料電池(419)分別通過直流-直流(DC-DC)變換器(4114/4115)連接在環狀二級直流母線(412)上，蓄電池(417)通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器(4113)連接在環狀二級直流母線(412)上。4.根據權利要求1所述的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其特征在于，所述的子交流微電網(42)包括一個通過雙向直流-交流(DC-AC)變換器(421)連接在一級直流母線(5)上的環狀二級交流母線(423)、一個通過單向交流-交流(AC-AC)變換器(422)連接在環狀二級交流母線(423)上的環狀三級交流母線(424)、通過交流-直流(AC-DC)變換器(4215)連接在環狀三級交流母線(424)上的低壓直流負荷(429)、通過交流-交流(AC-AC)變換器(4216)連接在環狀三級交流母線(424)上的低壓交流負荷(4210)、蓄電池(425)、風力發電機(426)、微燃機(427)、通過交流-交流(AC-AC)變換器(4214)連接在環狀二級交流母線(423)上的高壓交流負荷(428)，其中，風力發電機(426)和微燃機(427)分別通過交流-交流(AC-AC)變換器(4212/4213)連接在環狀二級交流母線(423)上，蓄電池(425)通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器(4211)連接在環狀二級交流母線(423)上。5.根據權利要求1所述的一種多環狀母線的集群交直流混合微電網系統，其特征在于，所述的雙向直流-直流(DC-DC)變換器(43)連接在兩個子直流微電網(41)的環狀二級直流母線(412)之間，雙向交流-交流(AC-AC)變換器(44)連接在兩個子交流微電網(42)的環狀二級交流母線(423)之間。
【文檔編號】H02J3/28GK205429734SQ201620194175
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發明人】劉青, 陳世超, 張立娜
【申請人】華北電力大學（保定）