一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，系统设置有三级母线。公共电网单元、混合储能单元、电动汽车充电单元、分布式电源单元和基于风光储的子微电网供电单元分别通过特定的变换器连接在380V的一级交流母线；220V的二级交流母线设置于子微电网中，为居民高压负荷供电；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。混合储能单元通过两级变换器平抑系统功率波动，子微电网有放射状和环状两种。新能源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。
【专利说明】
一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种居民区供电系统。尤其是涉及一种充分利用新能源，同时满足电动汽车快速与慢速两种充电需求的多母线型居民区供电系统。
【背景技术】
[0002]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、储等新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。
[0003]分布式发电技术具有诸多优势，是未来需要重点利用的技术之一，但分布式发电技术也存在诸多问题，尤其是依靠新能源发电的分布式电源，功率输出具有波动性和随机性，因此，公共电网往往采取限制、隔离的方式来处理分布式电源，以减小其对大电网的冲击，这样分布式电源就不能充分发挥其优势和作用。为了减缓大规模的分布式电源单机入网对大电网的冲击，协调分布式电源与大电网的矛盾，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。
[0004]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。交流微电网和当前电力系统构架具有更好的兼容性与交互性，在规划调度、电能质量、通信保护等运营规范方面有更丰富的行业标准可供借鉴，原有配电系统改造为交流微电网时更加简单经济。
[0005]随着经济的发展及生活水平的提高，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，是未来新一带的交通工具，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。而微电网技术的蓬勃发展为居民区供电系统提供了新思路，利用微电网的兼容性与互动性，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型居民区供电系统，在充分利用新能源的基础上，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】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，实现新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。
[0007]本实用新型所采用的技术方案是:一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，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、子微电网供电单元和一级交流母线，其中:所述的公共电网单元，公共电网连接一个第一变压器，第一变压器的另一侧对应连接一个第一双向交流-交流(AC-AC)变换器，第一双向交流-交流(AC-AC)变换器的另一侧连接在一级交流母线上;所述的混合储能单元，混合储能系统连接一个初级双向交流-直流(AC-DC)变换器，初级双向交流-直流(AC-DC)变换器的另一侧对应连接在一级交流母线上;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交流-直流(AC-DC)变换器，第一双向交流-直流(AC-DC)变换器的另一侧连接在一级交流母线上;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-交流(DC-AC)变换器连接在一级交流母线上，微燃机和风力发电机都各自通过一个第一交流-交流(AC-AC)变换器连接在一级交流母线上;所述的子微电网供电单元，子微电网连接一个第二变压器，第二变压器的另一侧对应连接一个第二双向交流-交流(AC-AC)变换器，第二双向交流-交流(AC-AC)变换器的另一侧连接在一级交流母线上。
[0008]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交流-直流(AC-DC)变换器。
[0009]所述的子微电网包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器和第二变压器连接在一级交流母线上的放射状二级交流母线、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器连接在放射状二级交流母线上的放射状三级直流母线、通过直流-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、通过第二直流-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、风力发电机、电动汽车、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的高压交流负荷和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器连接在放射状二级交流母线上的高压直流负荷，其中，蓄电池和电动汽车分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器连接在放射状二级交流母线上，光伏电池和风力发电机分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器和第三交流-交流(AC-AC)变换器连接在放射状二级交流母线上。
[0010]所述的子微电网包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器和第二变压器连接在一级交流母线上的环状二级交流母线、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器连接在环状二级交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、通过第二直流-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、风力发电机、电动汽车、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的高压交流负荷和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器连接在环状二级交流母线上的高压直流负荷，其中，蓄电池和电动汽车分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上，光伏电池和风力发电机分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器和第三交流-交流(AC-AC)变换器连接在环状二级交流母线上。
[0011]本实用新型提供一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，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;子微电网采取风光储供电方式和两级母线的连接方式，提高新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，形成居民区的微电网供电区域，提高系统的经济性。
【附图说明】
[0012]图1为基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统的结构示意图；
[0013]图2为混合储能系统的结构示意图；
[0014]图3为放射状子微电网的结构示意图；
[0015]图4为环状子微电网的结构示意图。
[0016]图中
[0017]1:公共电网单元2:混合储能单元
[0018]3:电动汽车充电单元4:分布式电源单元
[0019]5:子微电网供电单元6:—级交流母线
[0020]11:公共电网12:第一变压器
[0021]13:第一双向交流-交流变换器21:混合储能系统
[0022]22:初级双向交流-直流变换器31:电动汽车动力电池
[0023]32:第一双向交流-直流变换器41:燃料电池
[0024]42:光伏电池43:微燃机
[0025]44:风力发电机45:第一直流-交流变换器
[0026]46:第一直流-交流变换器 47:第一交流-交流变换器
[0027]48:第一交流-交流变换器 51:子微电网
[0028]52:第二变压器53:第二双向交流-交流变换器
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本实用新型的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统作进一步说明。
[0030]本实用新型的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，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新能源微电网系统。系统设置有三级母线，一级交流母线的电压等级为380V，二级交流母线的电压等级为220V，三级直流母线的电压等级为48V，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供电单元，其中:新能源微电网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;子微电网供电单元中的每栋建筑可以形成微电网供电系统，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，此部分的分布式电源为光伏发电和风力发电机，同时采用蓄电池来平抑功率波动，采取风光储互补系统可以提高供电可靠性，同时减少备用投资。由于目前家庭的低压用电设备多为直流形式，因此可以利用三级直流母线为家庭中日益增多的低压设备供电。
[0031]如图1所示的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，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、子微电网供电单元5和一级交流母线6，其中:所述的公共电网单元I，公共电网11连接一个第一变压器12，第一变压器12的另一侧对应连接一个第一双向交流-交流(AC-AC)变换器13，第一双向交流-交流(AC-AC)变换器13的另一侧连接在一级交流母线6上;所述的混合储能单元2，混合储能系统21连接一个初级双向交流-直流(AC-DC)变换器22，初级双向交流-直流(AC-DC)变换器22的另一侧对应连接在一级交流母线6上;所述的电动汽车充电单元3，电动汽车动力电池31连接一个第一双向交流-直流(AC-DC)变换器32，第一双向交流-直流(AC-DC)变换器32的另一侧连接在一级交流母线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-交流(DC-AC)变换器45/46连接在一级交流母线6上，微燃机43和风力发电机44都各自通过一个第一交流-交流(AC-AC)变换器47/48连接在一级交流母线6上;所述的子微电网供电单元5，子微电网51连接一个第二变压器52，第二变压器52的另一侧对应连接一个第二双向交流-交流(AC-AC)变换器53，第二双向交流-交流(AC-AC)变换器53的另一侧连接在一级交流母线6上。系统中各直流-交流(DC-AC)变换器、交流-直流(AC-DC)变换器、交流-交流(AC-AC)变换器及分布式电源的数量可以根据实际需求进行设置。
[0032]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，当新能源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I发生故障时，新能源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。新能源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，第一双向交流-交流(AC-AC)变换器13控制新能源微电网与公共电网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连接在一级交流母线6上，主要满足居民的快速充电需求，第一双向交流-直流(AC-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供电单元5，子微电网51、第二变压器52及第二双向交流-交流(AC-AC)变换器53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51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，各子微电网51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。
[0033]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 ο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，初级双向交流-直流(AC-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。
[0034]子微电网51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51包括48V直流和220V交流两级母线，可以分别为建筑中的低压负荷和高压负荷供电。子微电网51中的蓄电池515可以平衡系统中的功率波动，维持母线的稳定，而通过第三双向交流-交流(AC-AC)变换器5117可以满足电动汽车动力电池518的慢充需求。特殊情况下，当蓄电池515不足以平抑系统的功率波动时，电动汽车的动力电池518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。
[0035]如图3所示的放射状子微电网，子微电网51包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器53和第二变压器52连接在一级交流母线6上的放射状二级交流母线512a、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器5113连接在放射状二级交流母线512a上的放射状三级直流母线511a、通过直流-直流(DC-DC)变换器5111连接在放射状三级直流母线51 Ia上的低压直流负荷513、通过第二直流-交流(DC-AC)变换器5112连接在放射状三级直流母线51 Ia上的低压交流负荷514、蓄电池515、光伏电池516、风力发电机517、电动汽车518、通过第二交流-交流(AC-AC)变换器5118连接在放射状二级交流母线512a上的高压交流负荷519和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器5119连接在放射状二级交流母线512a上的高压直流负荷5110，其中，蓄电池515和电动汽车518分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器5114和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器5117连接在放射状二级交流母线512a上，光伏电池516和风力发电机517分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器5115和第三交流-交流(AC-AC)变换器5116连接在放射状二级交流母线512a上。
[0036]如图4所示的环状子微电网，子微电网51包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器53和第二变压器52连接在一级交流母线6上的环状二级交流母线512b、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器5113连接在环状二级交流母线512b上的环状三级直流母线511b、通过直流-直流(DC-DC)变换器5111连接在环状三级直流母线511b上的低压直流负荷513、通过第二直流-交流(DC-AC)变换器5112连接在环状三级直流母线511b上的低压交流负荷514、蓄电池515、光伏电池516、风力发电机517、电动汽车518、通过第二交流-交流(AC-AC)变换器5118连接在环状二级交流母线512b上的高压交流负荷519和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器5119连接在环状二级交流母线512b上的高压直流负荷5110，其中，蓄电池515和电动汽车518分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器5114和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器5117连接在环状二级交流母线512b上，光伏电池516和风力发电机517分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器5115和第三交流-交流(AC-AC)变换器5116连接在环状二级交流母线512b上。
【主权项】
1.一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，其特征在于，包括公共电网单元(I)、混合储能单元(2)、电动汽车充电单元(3)、分布式电源单元(4)、子微电网供电单元(5)和一级交流母线(6)，其中: 所述的公共电网单元(I)，公共电网(11)连接一个第一变压器(12)，第一变压器(12)的另一侧对应连接一个第一双向交流-交流(AC-AC)变换器(13)，第一双向交流-交流(AC-AC)变换器(13)的另一侧连接在一级交流母线(6)上； 所述的混合储能单元(2)，混合储能系统(21)连接一个初级双向交流-直流(AC-DC)变换器(22)，初级双向交流-直流(AC-DC)变换器(22)的另一侧对应连接在一级交流母线(6)上； 所述的电动汽车充电单元(3 )，电动汽车动力电池(31)连接一个第一双向交流-直流(AC-DC)变换器(32)，第一双向交流-直流(AC-DC)变换器(32)的另一侧连接在一级交流母线(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-交流(DC-AC)变换器(45/46)连接在一级交流母线(6)上，微燃机(43)和风力发电机(44)都各自通过一个第一交流-交流(AC-AC)变换器(47/48)连接在一级交流母线(6)上； 所述的子微电网供电单元(5)，子微电网(51)连接一个第二变压器(52)，第二变压器(52)的另一侧对应连接一个第二双向交流-交流(AC-AC)变换器(53)，第二双向交流-交流(AC-AC)变换器(53)的另一侧连接在一级交流母线(6)上。2.根据权利要求1所述的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，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交流-直流(AC-DC)变换器(22)。3.根据权利要求1所述的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，其特征在于，所述的子微电网(51)包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器(53)和第二变压器(52)连接在一级交流母线(6)上的放射状二级交流母线(512a)、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器(5113)连接在放射状二级交流母线(512a)上的放射状三级直流母线(511a)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5111)连接在放射状三级直流母线(511 a)上的低压直流负荷(513)、通过第二直流-交流(DC-AC)变换器(5112)连接在放射状三级直流母线(511a)上的低压交流负荷(514)、蓄电池(515)、光伏电池(516)、风力发电机(517)、电动汽车(518)、通过第二交流-交流(AC-AC)变换器(5118)连接在放射状二级交流母线(512a)上的高压交流负荷(519)和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器(5119)连接在放射状二级交流母线(512a)上的高压直流负荷(5110)，其中，蓄电池(515)和电动汽车(518)分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器(5114)和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器(5117)连接在放射状二级交流母线(512a)上，光伏电池(516)和风力发电机(517)分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器(5115)和第三交流-交流(AC-AC)变换器(5116)连接在放射状二级交流母线(512a)上。4.根据权利要求1所述的一种基于新能源微电网的多母线型居民区供电系统，其特征在于，所述的子微电网(51)包括一个通过第二双向交流-交流(AC-AC)变换器(53)和第二变压器(52)连接在一级交流母线(6)上的环状二级交流母线(512b)、一个通过单向交流-直流(AC-DC)变换器(5113)连接在环状二级交流母线(512b)上的环状三级直流母线(511b)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(5111)连接在环状三级直流母线(511b)上的低压直流负荷(513)、通过第二直流-交流(DC-AC)变换器(5112)连接在环状三级直流母线(51 Ib)上的低压交流负荷(514)、蓄电池(515)、光伏电池(516)、风力发电机(517)、电动汽车(518)、通过第二交流-交流(AC-AC)变换器(5118)连接在环状二级交流母线(512b)上的高压交流负荷(519)和通过第一交流-直流(AC-DC)变换器(5119)连接在环状二级交流母线(512b)上的高压直流负荷(5110)，其中，蓄电池(515)和电动汽车(518)分别通过第二双向交流-直流(AC-DC)变换器(5114)和第三双向交流-交流(AC-AC)变换器(5117)连接在环状二级交流母线(512b)上，光伏电池(516)和风力发电机(517)分别通过第二交流-直流(AC-DC)变换器(5115)和第三交流-交流(AC-AC)变换器(5116)连接在环状二级交流母线(512b)上。
【文档编号】H02J3/32GK205489568SQ201620194647
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】张立娜, 刘青, 陈世超
【申请人】华北电力大学（保定）