基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了基于分布式母线结构的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、储能系统及分布式一级直流母线构成交直流混合微电网。系统中子交流、直流微电网连接在一级直流母线二段中，其他各单元连接在一级直流母线一段中，两段母线间通过双向直流?直流变换器进行功率交换，各辐射状的子微电网通过变换器连接而构成交直流混合微电网环状供电区域，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，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。
【专利说明】
基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种交直流混合微电网系统。尤其是涉及一种具有分布式的多级辐射状母线且各子微电网间功率可以合理交换的交直流混合微电网系统。
【背景技术】
[0002]近年来，随着经济的发展与科技的进步，能源危机和环境问题越来越凸显，并逐渐引起了国家与人们的重视和关注，尽快寻找可以广泛应用可再生能源的方法，以代替化石燃料的消耗，是人们可持续发展的必经之路。同时，随着人们生活水平的提高，用电量逐年提升，导致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，而目前的大容量集中式发电、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。
[0003]以可再生能源为主的分布式电源具有明显的间歇性、随机性和波动性，当大规模的分布式电源单机接入大电网，会对大电网造成很大的影响。因此，大电网常常对分布式电源作隔离处理，这样就不能充分发挥分布式电源的优势，更不能高效的利用可在生能源。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。
[0004]为了应对分布式电源的利用在供电质量、连续性、稳定性等方面面临的严峻挑战，高效可靠的储能系统是以新能源为支柱、低惯性电力电子装置为主导的微电网正常运行的保证。储能系统在微电网中的应用如下:I)通过合理有序的储能系统控制策略，弥补分布式电源随机性、间歇性和不可控性缺陷，增强分布式电源的稳定性与可调度性;2)在负荷低谷时充电，在负荷高峰时放电，作为微电网能量缓冲环节实现负荷的削峰填谷，提高微电网的经济性和可靠性;3)基于储能系统的快速响应特性，减缓模式切换过渡的暂态冲击，实现微电网无缝平滑切换，并为微电网的孤岛运行提供电压和频率支撑;4)为微电网提供有功功率支撑或无功功率补偿，平滑微电网电压波动，改善微电网的电能质量。
[0005]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。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。
[0006]目前的微电网处在起步阶段，关于微电网的架构类型相对较少，当下经常用的微电网架构多为集中式单母线型，微电网中的供电形式较为单一，导致经济性与稳定性性对较差。对于集中式单母线的微电网，当公共母线发生故障时，母线上所连接的设备需要通过断开的方式来与故障分离，这样就会导致系统的稳定性较差，且效率较低。同时，单一类型的储能装置已经不能满足微电网的发展要求，在微电网中混合储能系统将逐步代替单一储能装置。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，对于供电多样性和可靠性的要求越来越高，需要有更多的供电形式与架构出现。
【发明内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是，提出了基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统，通过在系统中设置包括两段一级直流母线的分布式母线架构、辐射状二级交直流母线、辐射状三级直流母线，提高了系统的供电灵活性、多样性和可靠性，同时利用子直流微电网间和子交流微电网间的功率双向流动特点，提高了系统中各单元的互动性，利用混合储能系统提高了微电网的供电质量，从而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。
[0008]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、双向直流-直流(DC-DC)变换器、子微电网单元、一级直流母线一段和一级直流母线二段，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一段上;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一段上;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一段上，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一段上;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二段上，从而构成环状供电架构;所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在一级直流母线一段和一级直流母线二段之间。
[0009 ]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。
[0010]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二段上的辐射状二级直流母线、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射状二级直流母线上的辐射状三级直流母线、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射状三级直流母线上的低压直流负荷、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在辐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、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射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)变换器连接在辐射状二级直流母线上，蓄电池通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射状二级直流母线上。
[0011]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二段上的辐射状二级交流母线、蓄电池、风力发电机、微燃机、通过交流-交流(AC-AC)变换器连接在辐射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)变换器连接在辐射状二级交流母线上，蓄电池通过双向交流-直流(AC-DC)变换器连接在辐射状二级交流母线上。
[0012]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辐射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辐射状二级交流母线之间。
[0013]本实用新型提供了基于分布式母线结构的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;利用子直流微电网间和子交流微电网间的功率双向流动特点，提高了系统中各单元的互动性;设置包括两段一级直流母线的分布式母线架构、辐射状二级交直流母线、辐射状三级直流母线，提高了系统的供电灵活性、多样性和可靠性，并通过各微电源与负荷的合理设置，提高能源的利用效率;通过分布式母线架构的设置，提高供电可靠性和稳定性，混合的子微电网单元通过特定的方式连接成多辐射状母线的交直流混合微电网环状供电区域，提高系统的经济性。
【附图说明】
[0014]图1为基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统的结构示意图；
[0015]图2为子直流微电网和子交流微电网的结构不意图；
[0016]图3为混合储能系统的结构示意图；
[0017]图4为各子微电网间连接方式的结构示意图。
[0018]图中
[0019]1:公共电网单元2:混合储能单元
[0020]3:分布式电源单元4:双向直流-直流变换器
[0021]5:子微电网单元6:—级直流母线一段
[0022]7:—级直流母线二段11:公共电网
[0023]12:变压器13:双向交流-直流变换器
[0024]21:混合储能系统22:初级双向直流-直流变换器
[0025]31:燃料电池32:光伏电池
[0026]33:微燃机34:风力发电机
[0027]35:直流-直流变换器36:直流-直流变换器
[0028]37:交流-直流变换器38:交流-直流变换器
[0029]51:子直流微电网52:子交流微电网
[0030]53:双向直流-直流变换器54:双向交流-交流变换器
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本实用新型的基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统作进一步说明。
[0032]本实用新型的基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统，通过分布式电源、混合储能系统、分布式架构的一级直流母线、辐射状的二三级母线、子直流微电网及子交流微电网形成分布式母线结构的交直流混合微电网系统。系统设置有三级母线，包括分布式的一级直流母线、二级直流母线、二级交流母线和三级直流母线，分布式的一级直流母线包括两段，两者通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接，其电压等级为500V，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。通过多级母线和分布式母线的设置，从而增加系统的功能多样性，提高供电效率。一级直流母线一段上设置有公共电网单元、混合储能单元、分布式电源单元，一级直流母线二段上设置有子直流微电网和子交流微电网，并通过特定的连接方式构成环状供电区域，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;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二段上，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。三级直流母线上连接有低压交流负荷和低压直流负荷。
[0033]如图1所示的基于分布式母线结构的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、双向直流-直流(DC-DC)变换器4、子微电网单元5、一级直流母线一段6和一级直流母线二段7，其中:所述的公共电网单元I，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一段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一段6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一段6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一段6上;所述的子微电网单元5，包括子直流微电网51、子交流微电网52、双向直流-直流(DC-DC)变换器53和双向交流-交流(AC-AC)变换器54，其中各子直流微电网51之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器53连接，各子交流微电网52之间通过双向交流-交流(AC-AC)变换器54连接，各子直流微电网51和各子交流微电网52同时连接在一级直流母线二段7上，从而构成环状供电架构；所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器4连接在一级直流母线一段6和一级直流母线二段7之间。
[0034]公共电网单元1、混合储能单元2和分布式电源单元3和交直流混合的子微电网单元5构成交流直流混合微电网系统，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I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，单独向负荷供电，充分满足供电安全性、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。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。一级直流母线一段6和一级直流母线二段7之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换4器连接，两部分可以进行功率交换，而当其中一部分出现故障后，另一部分仍然可以正常地连接在相应的母线上运行。系统中的子直流微电网51、子交流微电网52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51或子交流微电网52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51或子交流微电网52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。
[0035]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51包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器514连接在一级直流母线二段7上的辐射状二级直流母线513、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器512连接在辐射状二级直流母线513上的辐射状三级直流母线511、通过直流-直流(DC-DC)变换器5111连接在辐射状三级直流母线511上的低压直流负荷515、通过直流-交流(DC-AC)变换器5112连接在辐射状三级直流母线511上的低压交流负荷516、蓄电池517、光伏电池518、燃料电池519、通过直流-直流(DC-DC)变换器5116连接在辐射状二级直流母线513上的高压直流负荷5110，其中，光伏电池518和燃料电池519分别通过直流-直流(DC-DC)变换器5114/5115连接在辐射状二级直流母线513上，蓄电池517通过双向直流-直流(DC-DC)变换器5113连接在辐射状二级直流母线513 上。
[0036]所述的子交流微电网52包括一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器522连接在一级直流母线二段7上的辐射状二级交流母线521、蓄电池523、风力发电机524、微燃机525、通过交流-交流(AC-AC)变换器5210连接在辐射状二级交流母线521上的高压交流负荷526，其中，风力发电机524和微燃机525分别通过交流-交流(AC-AC)变换器528/529连接在辐射状二级交流母线521上，蓄电池523通过双向交流-直流(AC-DC)变换器527连接在辐射状二级交流母线521上。
[0037]子直流微电网51和子交流微电网52的拓扑形式是辐射状的，而子直流微电网间和子交流微电网间均通过变换器连接，从而可以构成环状的交直流混合微电网供电区，这样可以在提高供电可靠性的同时提高供电灵活性。多级辐射状母线的设置，增加了供电灵活性，子直流微电网51可为低压负荷直接供电，同时还可为高压直流负荷5110供电，子交流微电网52可以为高压交流负荷526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51和子交流微电网5 2分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器514和双向直流-交流(DC-AC)变换器522与其他单元发生功率交换，一级直流母线二段7与二级直流母线513、二级交流母线521间的功率流动是双向的，各子微电网间、子微电网与交直流混合微电网间、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。
[0038]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。
[0039 ] 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53连接在两个子直流微电网51的辐射状状二级直流母线513之间，双向交流-交流(AC-AC)变换器54连接在两个子交流微电网52的辐射状二级交流母线521之间。各子直流微电网51及子交流微电网52可以通过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。
【主权项】
1.基于分布式母线结构的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)、双向直流-直流(DC-DC)变换器(4)、子微电网单元(5)、一级直流母线一段(6)和一级直流母线二段(7)，其中: 所述的公共电网单元(I)，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一段(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一段(6)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一段(6)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一段(6)上； 所述的子微电网单元(5)，包括子直流微电网(51)、子交流微电网(52)、双向直流-直流(DC-DC)变换器(53)和双向交流-交流(AC-AC)变换器(54)，其中各子直流微电网(51)之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(53)连接，各子交流微电网(52)之间通过双向交流-交流(AC-AC)变换器(54)连接，各子直流微电网(51)和各子交流微电网(52)同时连接在一级直流母线二段(7)上，从而构成环状供电架构； 所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器(4)连接在一级直流母线一段(6)和一级直流母线二段(7)之间。2.根据权利要求1所述的基于分布式母线结构的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所述的基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统，其特征在于，所述的子直流微电网(51)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(514)连接在一级直流母线二段(7)上的辐射状二级直流母线(513)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(512)连接在辐射状二级直流母线(513)上的辐射状三级直流母线(511)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5111)连接在辐射状三级直流母线(511)上的低压直流负荷(515)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(5112)连接在辐射状三级直流母线(511)上的低压交流负荷(516)、蓄电池(517)、光伏电池(518)、燃料电池(519)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5116)连接在辐射状二级直流母线(513)上的高压直流负荷(5110)，其中，光伏电池(518)和燃料电池(519)分别通过直流-直流(DC-DC)变换器(5114/5115)连接在辐射状二级直流母线(513)上，蓄电池(517)通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(5113)连接在辐射状二级直流母线(513)上。4.根据权利要求1所述的基于分布式母线结构的交直流混合微电网系统，其特征在于，所述的子交流微电网(52)包括一个通过双向直流-交流(DC-AC)变换器(522)连接在一级直流母线二段(7)上的辐射状二级交流母线(521)、蓄电池(523)、风力发电机(524)、微燃机(525)、通过交流-交流(AC-AC)变换器(5210)连接在辐射状二级交流母线(521)上的高压交流负荷(526)，其中，风力发电机(524)和微燃机(525)分别通过交流-交流(AC-AC)变换器(528/529)连接在辐射状二级交流母线(521)上，蓄电池(523)通过双向交流-直流(AC-DC)变换器(527)连接在辐射状二级交流母线(521)上。5.根据权利要求1所述的基于分布式母线结构的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(5 3)连接在两个子直流微电网(51)的辐射状二级直流母线(513)之间，双向交流-交流(AC-AC)变换器(54)连接在两个子交流微电网(52)的辐射状二级交流母线(521)之间。
【文档编号】H02J4/00GK205429765SQ201620194172
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】孟明, 陈世超, 张立娜
【申请人】华北电力大学（保定）