一种高可靠性的智能微网系统的制作方法

本发明涉及电能技术领域，更具体地说，涉及一种高可靠性的智能微网系统。

背景技术：

智能微网系统（下文简称微网系统）既可以与外部电网连接后运行在并网模式，也可以脱离外部电网后运行在离网（孤岛）模式。并网模式下的微网系统具有削峰填谷、调频、稳定电网、提供电能的作用，可以改善电网质量，提高电网的稳定性和故障恢复能力；离网模式下的微网系统具有应急供电作用，可以保障重要负荷供电，且具有新能源发电设备的接入，可以补充系统电能。目前运行的微网系统方案主要分为：交流母线方案和直流母线方案。

交流母线的特点是各个设备以交流电的方式汇成交流母线。系统运行在并网模式时，各设备并联于交流母线并受控于智能微网能量管理系统（下文简称能量管理系统）。此模式下的各设备电气联系相对独立，当储能变流器（powerconversionsystem，简称pcs）出现故障后，系统无法对电池进行充放电操作，削峰填谷、调频等功能失效。需要指出的是，风能、太阳能等新能源电能具有间歇性、波动性的特点，具有波动性的电能对电网造成影响，即便使用能量管理系统对并入的电能进行调控，也无法完全“平滑”并网端口的功率。系统运行在离网模式时，pcs、一级负荷、光伏逆变器、风力发电逆变器等设备或负荷组成局部电网运行，发电设备和用电设备的功率平衡由pcs承担且提供电压基准源，当pcs出现故障后，系统无法运行。

直流母线的特点是各个设备以直流电的方式汇成直流母线。当pcs故障后，在能量管理系统的参与和控制下，可以实现对动力电池充电，但无法与外部电网交互。此方案的优点在于直流电能转换效率高，系统优选储能，优选适用于离网模式，其他主要优缺点与交流母线方案基本相同。该方案组成的系统也具有并网模式和离网模式。并网模式下，新能源波动性可以利用动力电池储能来“平滑”波动的功率，并网端口的功率比较稳定，却缩短电池寿命。

两类方案都是以pcs为核心，实现能量的存储与释放。当pcs出现故障后，并网模式下的微网系统无法正常运行，离网模式下的微网系统瘫痪。由此可见，pcs成为影响系统运行可靠性的“瓶颈”，这是目前微网系统存在的重大问题之一，另外一个重大问题是动力电池的寿命及维护成本。

动力电池一般使用锂电池，具有能量密度大、低碳环保的特点，广泛应用于各类微网系统的储能组件。由于系统运行的需要，不停的对电池进行充放电且功率不断的变化，而这样的工况对动力电池寿命造成严重影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高可靠性的智能微网系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高可靠性的智能微网系统，包括：第一开关、交流母线、桥式电路、直流母线、新能源发电设备、以及与所述第一开关连接的控制单元；

所述第一开关连接外部电网、以根据控制单元输出的开关控制信号导通或关闭，以使所述智能微网系统进入并网模式或者离网模式；

所述交流母线与所述第一开关连接，所述桥式电路分别连接所述交流母线和所述直流母线，所述新能源发电设备与所述直流母线连接；

所述桥式电路包括第一能量支路和第二能量支路，所述第一能量支路和所述第二能量支路均分别与所述交流母线和所述直流母线连接，且所述第一能量支路与所述第二能量支路为并联结构，以在所述第一能量支路和所述第二能量支路中的任意一支路异常时，由另一支路作为异常支路的备份。

其中，所述第一开关为断路器或接触器。

其中，还包括：设置在所述直流母线上、且分别连接所述第一能量支路和所述第二能量支路的第一转换电路。

其中，所述第一转换电路为双向dc/dc变换器。

其中，所述第一能量支路包括：第一储能变流器和动力电池；

所述第一储能变流器的第一端连接所述交流母线，所述第一储能变流器的第二端连接所述直流母线和所述动力电池。

其中，所述第一能量支路还包括：设置在所述第一储能变流器的第一端与所述交流母线之间的第二开关、设置在所述第一储能变流器的第二端与所述直流母线之间的第三开关、设置在所述直流母线与所述动力电池之间的第四开关。

其中，所述第二能量支路包括：至少一条第二子能量支路；

所述至少一条第二子能量支路为并联结构，且每一条所述第二子能量支路包括第二储能变流器和超级电容组；

所述第二储能变流器的第一端连接所述交流母线，所述第二储能变流器的第二端连接所述直流母线和所述超级电容。

其中，还包括：设置在所述直流母线上、且分别连接相邻两条第二子能量支路的第二转换电路。

其中，所述第二转换电路为双向dc/dc转换器。

其中，每一条所述第二子能量支路还包括：第五开关、第六开关和第七开关；

所述第五开关的第一端连接所述交流母线，所述第五开关的第二端连接所述第二储能变流器的第一端，所述第二储能变流器的第二端连接所述第六开关的第一端，所述第六开关的第二端连接所述直流母线和所述第七开关的第一端，所述第七开关的第二端连接所述超级电容组。

其中，还包括：与所述交流母线连接的多级负荷、以及与所述多级负荷对应设置的负荷开关；

所述多级负荷为并联结构。

其中，所述新能源发电设备包括：与所述直流母线连接、将光能转换为直流电的光伏变换器。

其中，所述新能源发电设备包括：与所述直流母线连接、将风能转换为直流电的风力发电变换器。

其中，还包括：与所述直流母线连接、接收所述直流母线上的直流电的用电设备；

所述用电设备包括dc设备和/或dc负荷。

其中，所述超级电容组包括：多个串联电容组、多个并联电容组、多个串并联电容组中的任意一种。

实施本发明的高可靠性的智能微网系统，具有以下有益效果：该高可靠性的智能微网系统，包括第一开关、交流母线、桥式电路、直流母线、新能源发电设备及控制单元；第一开关连接外部电网、以根据控制单元输出的开关控制信号导通或关闭，以使智能微网系统进入并网模式或者离网模式；交流母线与第一开关连接，桥式电路分别连接交流母线和直流母线，新能源发电设备与直流母线连接；桥式电路包括第一能量支路和第二能量支路，第一能量支路和第二能量支路均分别与交流母线和直流母线连接，且为并联结构，以在任意一支路异常时，由另一支路作为异常支路的备份。本发明两条能量支路可以互为备份，有效解决微网“瓶颈”问题，对于并网端口，呈现平稳的功率互动，满足应急供电需求，稳定性和可靠性高。

进一步地，该高可靠性的智能微网系统可以吸收新能源发电设备产生的波动性、间歇性的电能，而且该智能微网系统还可以运行在多种模式下，简化能量控制策略，维护成本低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供一种高可靠性的智能微网系统的逻辑框图；

图2是本发明实施例提供一种高可靠性的智能微网系统的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明提供的高可靠性的智能微网系统的逻辑框图。

如图1所示，该高可靠性的智能微网系统包括：第一开关11、交流母线13、桥式电路12、直流母线14、新能源发电设备15、以及与第一开关11连接的控制单元。

第一开关11（图2中表示为s1）连接外部电网、以根据控制单元输出的开关控制信号导通或关闭，以使智能微网系统进入并网模式或者离网模式。交流母线13与第一开关11连接，桥式电路12分别连接交流母线13和直流母线14，新能源发电设备15与直流母线14连接。其中，桥式电路12包括第一能量支路121和第二能量支路122，第一能量支路121和第二能量支路122均分别与交流母线13和直流母线14连接，且第一能量支路121与第二能量支路122为并联结构，以在第一能量支路121和第二能量支路122中的任意一支路异常时，由另一支路作为异常支路的备份。本发明通过设置两条可以互为备份的能量支路，有效解决微网“瓶颈”问题，对于并网端口，呈现平稳的功率互动，满足应急供电需求，稳定性和可靠性高。

具体的，第一开关11主要根据控制单元输出的开关控制信号导通或关闭，并在其导通时接通智能微网系统与外部电网，使智能微网系统进入并网模式；在其关闭时，断开智能微网系统与外部电网的连接，使智能微网系统进入离网模式。

可选的，第一开关11可以为断路器或接触器。可以理解地，本发明实施例的第一开关11也可以根据需要进行人为控制，具体设计根据实际需求调整。

进一步地，该智能微网系统还包括：设置在直流母线14上、且分别连接第一能量支路121和第二能量支路122的第一转换电路123。

可选的，该第一转换电路123为dc/dc变换器。进一步地，该dc/dc变换器为双向dc/dc变换器。

通过在第一能量支路121和第二能量支路122之间设置双向dc/dc变换器，可以实现第一能量支路121与第二能量支路122相互备份。具体的，可以通过直流母线14经双向dc/dc变换器为第一能量支路121提供直流源；或者，可以通过第一能量支路121经双向dc/dc变换器为第二能量支路122提供直流源。

结合图2，本发明实施例中，第一能量支路121包括：第一储能变流器（1#pcs）和动力电池。

第一储能变流器的第一端连接交流母线13，第一储能变流器的第二端连接直流母线14和动力电池。

进一步地，如图2所示，第一能量支路121包括：设置在第一储能变流器的第一端与交流母线13之间的第二开关（s2）、设置在第一储能变流器的第二端与直流母线14之间的第三开关（s3）、设置在直流母线14与动力电池之间的第四开关（s4），且第三开关与第四开关的连接端还连接至双向dc/dc变换器。通过对第二开关、第三开关、第四开关打开或关闭进行灵活控制，可以实现对第一储能变流器、动力电池的接入或断开，以根据系统电路或能量需求实现能量的传递。

本发明实施例中，第二能量支路122包括：至少一条第二子能量支路。

至少一条第二子能量支路为并联结构，且每一条第二子能量支路包括第二储能变流器（2#pcs）和超级电容组；第二储能变流器的第一端连接交流母线13，第二储能变流器的第二端连接直流母线14和超级电容。

进一步地，该智能微网系统还包括：设置在直流母线14上、且分别连接相邻两条第二子能量支路的第二转换电路。

可选的，该第二转换电路为双向dc/dc转换器。

进一步地，每一条第二子能量支路还包括：第五开关（s5）、第六开关（s6）和第七开关（s7）。

第五开关的第一端连接交流母线13，第五开关的第二端连接第二储能变流器的第一端，第二储能变流器的第二端连接第六开关的第一端，第六开关的第二端连接直流母线14和第七开关的第一端，第七开关的第二端连接超级电容组，且第六开关和第七开关的连接端还连接至双向dc/dc变换器。可以理解地，在每一条第二子能量支路中设置第五开关、第六开关和第七开关，可以通过对第五开关、第六开关和第七开关打开或关闭进行灵活控制，可以实现对第二储能变流器、超级电容组的接入或断开，以根据系统电路或能量需求实现能量的传递。

可选的，本发明实施例的第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和第七开关均可以采用断路器或者接触器，均可以受控于控制单元，也可以根据需要不受控于控制单元，或者，可直接由人为控制。

本发明实施例的超级电容组可以包括：多个串联电容组、多个并联电容组、多个串并联电容组中的任意一种。即超级电容组可以通过多个单只电容串联组成，或者多个单只电容并联组成，或者多个单只电容串联和并联组成，具体可以根据实际需求选择。

进一步地，该高可靠性的智能微网系统还包括：与交流母线13连接的多级负荷16、以及与多级负荷16对应设置的负荷开关。可选的，该多级负荷16为并联结构。每一级负荷配置一个负荷开关，用于接入负荷或者断开负荷。

本发明实施例中，新能源发电设备15包括：与直流母线14连接、将光能转换为直流电的光伏变换器。

进一步地，该新能源发电设备15还可以包括：与直流母线14连接、将风能转换为直流电的风力发电变换器。

如图2所示，该高可靠性的智能微网系统还包括：与直流母线14连接、接收直流母线14上的直流电的用电设备17。用电设备17包括dc设备和/或dc负荷。通过设备dc设备和/或dc负荷，可以直接从直流母线14上取电，而不需绕转至交流母线13上电，大大提高了系统的用电效率。可选的dc设备、dc负荷包括但不限于电阻、加热设备等。进一步地，如图2所示，dc设备与直流母线14之间还可以设置开关，以控制dc设备与直流母线14连通或断开；同样地，dc负荷与直流母线14之间也可以设置开关，以控制dc负荷与直流母线14连通或断开。

本发明实施例中，控制单元用于实现对智能微网系统的能量管理，其相当于智能微网系统的能量管理系统，可以用于监测智能微网系统中各个设备的功率状态及功率控制，还可以实现对智能微网系统中的设备的开关控制。可选的，控制单元可以包括控制器，其中，控制器可以采用本领域的常规控制器，本发明不作具体限定。需要说明的是，控制单元未进行图示。

在一个具体实施例中，如图2所示，本发明实施例的第二能量支路122包括一条第二子能量支路。该第二子能量支路包括：第五开关、第二储能变流器、第六开关、第七开关和超级电容组。

第二开关的第一端连接交流母线13，第二开关的第二端连接第一储能变流器（1#pcs）的第一端，第一储能变流器的第二端连接第三开关的第一端，第三开关的第二端连接直流母线14和第四开关的第一端，第四开关的第二端连接动力电池。第五开关的第一端连接交流母线13，第五开关的第二端连接第二储能变流器（2#pcs）的第一端，第二储能变流器的第二端连接第六开关的第一端，第六开关的第二端连接直流母线14和第七开关的第一端，第七开关的第二端连接超级电容组。双向dc/dc变换器的设置在直流母线14上、且双向dc/dc变换器的第一端连接第三开关的第二端和第四开关的第一端，双向dc/dc变换器的第二端连接第六开关的第二端和第七开关的第一端。其中，多级负荷16仅示出一个一级负荷。

参考图2，通过设置该双能量支路的智能微网系统，在第一能量支路121（1#pcs回路（第一储能变流器回路））中，动力电池为1#pcs提供直流源，直流母线14经双向dc/dc变换器也可以为1#pcs提供直流源。在第二能量支路122（2#pcs回路（第二储能变流器回路））中，超级电容组为2#pcs提供直流源，动力电池经双向dc/dc变换器也可以为2#pcs提供直流源。

如图2所示，双向dc/dc变换器是实现动力电池与直流母线14相互备份的关键组件，而pcs在直流源与交流母线13之间产生双向流通的桥梁。通过本发明的智能微网系统，既可以实现直流源的储能和释能，也可以实现直流源与交流母线13之间的桥梁备份功能。

进一步地，超级电容具有充放电功率大、循环次数多的优点，因此，超级电容组可以用于吸收具有波动性、间歇性的新能源电能。而且超级电容组储存的能量以恒定功率的方式由2#pcs输送至交流母线13或经双向dc/dc变换器为动力电池储能，其中，路径的选择取决于控制单元对2#pcs和双向dc/dc变换器的控制。一般地，若将超级电容组比作水池，则新能源发电设备15将波动性的“水”注入水池，而双向dc/dc变换器和2#pcs都是恒定流量的抽取“水池”的水管，因此，超级电容组直到了缓冲作用。

本发明实施例中，动力电池可以参与并作为当前系统的主要运行模式，即利用峰谷期的电价差实现收益，起到削峰填谷的作用，然而，由于电池的循环次数少，因此，本发明设置动力电池主要用于实现应急供电功能。具体为：由于超级电容组的荷电特性一般，因此，用动力电池储能为智能微风系统的负荷应急供电。例如，当外部电网失电时，智能微网系统运行在离网模式下，若逢连续的阴雨天气，新能源发电设备15几乎不能为超级电容提供电能，此时，由动力电池经1#pcs后为交流母线13提供电能。

如图2所示，在一个具体示例中，系统设计如下：

在本例中，配置1#pcs功率为100kw，动力电池储能100kwh，一级负荷功率20kw。即：1#pcs额定功率、动力电池的充（放）电功率、一级负荷功率按照1:1:0.2比例配置，可以理解为1#pcs使用1小时的时间将动力电池充满或放空，动力电池可以为一级负荷提供5小时（即根据前述的1:0.2比例配置，可以得动力电池为一级负荷提供的供电时间t=1/0.2=5小时）的持续供电。

超级电容组的配置方法如下：

计算直流母线14中新能源发电设备15的功率，即光伏系统功率和风力发电系统功率，本例中总和为150kw。考虑实际应用条件，发电功率一般不超过额定功率的90%，即取值p=135kw。

预期超级电容组储能的“平滑”功率时间t=15分钟=900s。

预期超级电容组储能能量占平滑时间内发电总能量的比例为α=80%；预期2#pcs逆变能量占平滑时间内发电总能量的比例为β=100%-α=20%。即：在平滑时间内发电总能量的80%用于储能，20%用于逆变。

超级电容组的额定电压u=800v，依据p*t*α=1/2*c*u*u公式计算超级电容组的总容量c=303.75f。

使用2.7v、3000f的单只电容计算，需要约8880只超级电容组成电容组（296只串联为一组，30组并联）。

超级电容串联后其额定电流不变，该型号电容数据手册显示额定电流为625a，并联后电流按照并联组数的倍数增加。因此，超级电容的充放电功率远远超过设备的发电功率或放电功率，在设计中仅作为校验核准使用。

考虑2#pcs设备作为动力电池---双向dc/dc变换器---2#pcs回路的备份作用，2#pcs设备按照额定功率100kw配置，双向dc/dc变换器的额定功率也是如此。

理论上来说，超级电容组预期储能能量可以支撑2#pcs按照预期的功率输出的时长为α*t/β=1小时，但实际上需要考虑pcs的最低放电电压值，一般可以满足200~800v的范围，即超级电容组剩余约10%的储能，此时超级电容组总电压约为0.316倍的额定电压。因此，修正时长为（α-10%）*t/β=52.5分钟。

1#pcs、2#pcs为了更好的协调工作，以及避免2#pcs充电、双向dc/dc变换器工作、1#pcs放电等情形的内部循环（尽管这样的现象在能量管理系统控制下几乎不会出现），两台pcs需要直接建立通信，相互知晓对方的工作状态以及是否按照预期的模式运行，两台pcs在能量管理系统的控制下并相互比对信息，运行更加可靠。

具体过程为：

（1）并网模式正常运行控制：

由2#pcs、直流母线14组成小系统运行，光伏变换器和风力发电变换器将电能输送至直流母线14，超级电容组开始储能，2#pcs在能量管理系统（本发明所指的能量管理系统即为控制单元）的控制下，设定逆变功率为27kw（p*β）。在这期间内，受天气影响，出现光照强度突变、风力大小多变且时有时无的情况，发电功率随之变化，甚至出现在几分钟内停止发电的现象。按照预算，超级电容组预期存储能量可以支撑2#pcs运行52.5分钟，当然不可能一直处于预期存储能量状态，能够在该时间段内及时恢复新能源发电，系统可以正常稳定运行。这个预算也适用于离网模式。

由1#pcs、动力电池组成另外一个小系统运行。1#pcs按照能量管理系统的设置实现削峰填谷的功能：在用电谷期，恒定电流为动力电池充电，充满后设备待机；在用电峰期，恒定功率放电，将电能输送回电网。考虑峰谷期的电价差，具有一定的效益。若考虑电池寿命和维护成本，则可以停用此功能，让设备处于待机状态。

上述分析中，双向dc/dc逆变器处于关机状态，两台pcs依据电网电压为参考基准源而独立运行。当各设备功率设计出现偏差或发电功率没有达到预期目的时，可以调整2#pcs逆变功率；当发电功率超过预期目的，可以启用双向dc/dc逆变器以恒定电流的方式为动力电池充电。功率流通路径非常灵活，可以根据系统实际运行情况由能量管理系统对各设备做出功率调整。

当能量管理系统启用不间断供电功能后，则1#pcs作为主机运行，处于工作或热备状态（准备工作已完成，准备运行的状态），2#pcs作为从机运行，也处于工作或热备状态。当外部电网失电导致微网断路器（第一开关11）分闸，能量管理系统确认分闸后，启动1#pcs运行在离网模式，此时动力电池---1#pcs逆变输出。若1#pcs启动失败，经能量管理系统确认后，则通知启用2#pcs作为主机运行，同时双向dc/dc变换器工作，1#pcs作为从机运行，此时，动力电池---双向dc/dc变换器---2#pcs逆变输出。当然，系统的各设备能够支持交流母线13因外部电网失电引起的电压暂降而正常运行。当外部电网供电恢复正常后，则作为主机运行的pcs系统调整输出电压相位与外部电网电压相位靠近，达到并网条件后，在过零点进行合闸微网断路器操作，实现了系统的“无缝切换”。

（2）并网模式下设备失效控制：

当2#pcs故障后，则由该pcs逆变的电能转移给双向dc/dc变换器，为动力电池充电，或经1#pcs恒定功率逆变输送给交流母线13；超级电容组仍然起到了“平滑”新能源设备发电功率的作用。

当超级电容组故障后，由动力电池作为直流源，双向dc/dc变换器工作，输出直流母线14最低电压250v，避免2#pcs工作间断；当直流母线14高于此电压后，双向dc/dc变换器处于空载状态。当新能源发电功率超过2#pcs当前逆变功率时，可以调整其逆变功率或为动力电池充电。

当双向dc/dc变换器故障后，系统如并网模式下的正常运行的分析，可以不启用此设备。

当动力电池故障后，失去“削峰填谷”的功能，1#pcs作为2#pcs的备份作用。

当1#pcs故障后，系统由2#pcs、双向dc/dc变换器、动力电池完成“削峰填谷”的功能，2#pcs、直流母线14组成的小系统可以正常运行。

（3）离网模式正常运行控制：

手动操作或自动切换到离网模式下，1#pcs作为主机运行，为交流母线13提供基准电压源并稳定交流母线13电压，2#pcs作为从机运行，此时双向dc/dc变换器停止工作，避免能量通过2#pcs---1#pcs---双向dc/dc变换器进行内部循环，如前所述，这种情况在能量管理系统下几乎不会发生。超级电容组仍然肩负着“平滑”新能源发电功率的任务，2#pcs为交流母线13提供一定的功率。当2#pcs提供的功率不满足一级负荷功率时，由1#pcs自动弥补，反之，也是如此。当动力电池和超级电容组接近充满时，能量管理系统调整控制光伏变换器和风力发电变换器的输出功率。

（4）离网模式下设备失效控制：

双向dc/dc变换器处于停机状态，发生故障后，不影响系统运行。

当2#pcs故障后，开启双向dc/dc变换器以恒定功率的方式提供给动力电池或1#pcs。

当超级电容组故障后，停用2#pcs，开启双向dc/dc变换器，新能源发电设备15产生的电能通过双向dc/dc变换器提供给动力电池或1#pcs。

当1#pcs故障后，2#pcs作为主机运行，开启双向dc/dc变换器，输出直流母线14最低电压250v，避免2#pcs工作间断；当直流母线14高于此电压后，双向dc/dc变换器处于空载状态。当超级电容组几乎充满时，可以调整其逆变功率或为动力电池充电。

当动力电池故障后，停用1#pcs，2#pcs作为主机运行，由直流母线14配合组成小系统运行。

本发明将具有波动性、间歇性的新能源发电设备15及超级电容组构成直流母线14，由超级电容组作为储能的部件，与2#pcs组成第一小系统，用于储存不稳定的发电电能，而用动力电池配置1#pcs组成第二小系统，用于智能微网系统的长期储能，供应急使用。另外，交流母线13由第一小系统和第二小系统组成，具有相互备份作用。第一小系统和第二小系统可独立运行，亦可并联运行；直流母线14与动力电池之间具有功率双向传输功能，可以根据实际变化灵活变换和控制。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换。