基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，通过建筑对以可再生能源为主的分布式电源和混合储能的有效集成，缓解环境污染和能源危机的压力，实现能源的可持续高效利用。通过在系统中分别设置环状子直流微电网和辐射状子直流微电网，实现对重要负荷和普通负荷的分别供电，大大提高了微电网的供电灵活性、多样性和可靠性，同时利用各子直流微电网形成的多直流微电网系统，提高系统中各单元的互动性。系统中包含三级直流母线，各单元之间均可实现功率交换，混合储能系统可以维持系统功率的平衡及母线电压的稳定。本实用新型可以实现绿色建筑对可再生能源的利用，提高建筑供电的可靠性、多样性和互动性。
【专利说明】
基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种绿色建筑供电系统。尤其是涉及一种基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统。
【背景技术】
[0002]随着人们生活水平的提高，环境问题和能源危机越来越严重，人们开始意识到保护环境、节约资源的重要性，并逐渐开始从各个方面探索节约资源的方法，希望达到可持续发展的目的。建筑是人们生活和工作必不可少的一部分，建筑无论在能源消耗还是环境问题上都占据了一大部分，对可持续发展也造成了重要的影响。绿色建筑是人们探索的一个方向，发展绿色建筑成为迫在眉睫的一件事，建筑必须由高消耗型向高环保型转换，从而提高建筑的可持续性。对于各建筑来说，供电系统是能源消耗重要的一部分，当前建筑大多从公共电网获取电能，而公共电网中的电能多通过以煤炭为燃料的火电产生，这就使当前建筑的能源消耗大大增加。同时，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。单纯的利用公共电网进行建筑供电远远不能满足绿色建筑的要求，也不利于建筑的供电可靠性和多样性。
[0003]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，是未来电网中重要的一部分，分布式电源可以有效的利用可再生能源，不仅更加环保高效，而且相对于传统能源在总量上优势巨大。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。微电网可以有效的兼容以可再生能源为主的分布式电源，并使分布式电源更加高效地发挥其优势，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]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]绿色建筑的发展与进步离不开供电系统的支持，当前的供电方式已经不能满足可持续性需求，越来越多的电子设备的出现对建筑的供电多样性也提出了新的要求，且随着直流负荷的不断增加，当前系统的交流供电制式效率将大大降低。因此，从各个方面来说，建筑的供电系统需要新的供电形式与架构。直流微电网是人们需求电网突破的重要一环，与交流微电网相比具有诸多优势，可以提高供电系统的供电效率，故障率更低而稳定性更高。本实用新型提供一种基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，将以可再生能源为主的分布式电源、混合储能等以直流微电网的形式集中在绿色建筑之中，从而使绿色建筑供电系统更加高效、可靠、多样、环保。
【发明内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，提供基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，通过建筑对以可再生能源为主的分布式电源和混合储能的有效集成，缓解环境污染和能源危机的压力，实现能源的可持续高效利用，通过在系统中分别设置环状子直流微电网和辐射状子直流微电网，实现对重要负荷和普通负荷的分别供电，大大提高了微电网的供电灵活性、多样性和可靠性，同时利用各子直流微电网形成的多直流微电网系统，提高系统中各单元的互动性。
[0007]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、子微电网单元和一级直流母线，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；
[0008]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;所述的子微电网单元，包括环状子直流微电网、辐射状子直流微电网、双向直流-直流(DC-DC)变换器，其中各环状和辐射状子直流微电网之间均通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接，各环状子直流微电网和各辐射状子直流微电网同时连接在一级直流母线上，从而构成环状供电架构。
[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]所述的环状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、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状三级直流母线上的重要低压直流负荷、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在环状三级直流母线上的重要低压交流负荷、蓄电池、光伏电池、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在环状二级直流母线上的重要交流负荷、通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上的重要直流负荷，其中，光伏电池通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上，蓄电池通过双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在环状二级直流母线上。
[0011]所述的辐射状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、通过交流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射状三级直流母线上的普通低压直流负荷、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普通低压交流负荷、蓄电池、光伏电池、通过直流-交流(DC-AC)变换器连接在辐射状二级直流母线上的普通交流负荷、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普通直流负荷，其中，光伏电池通过直流-直流(DC-DC)变换器连接在辐射状二级直流母线上，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。
[0012]所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在两个环状子直流微电网的环状二级直流母线之间，双向直流-直流(DC-DC)变换器连接在两个辐射状子直流微电网的辐射状二级直流母线之间。
[0013]本实用新型提供基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，其有益效果是:在建筑中利用微电网供电，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;利用环状子直流微电网和辐射状子直流微电网形成多微电网系统，各子直流微电网之间可以通过对应的变换器进行功率交换，从而提高系统的互动性和灵活性;采取三级直流母线的连接方式，包括一级直流母线、环状和辐射状二级直流母线、环状和辐射状三级直流母线，通过各微电源与负荷的合理设置，提高能源的利用效率;子直流微电网包括环状架构和辐射状架构两种，可以分别为重要负荷和普通负荷供电，当电能供应不足时可以切除普通负荷，以保证重要负荷的供电，从而提高供电可靠性;子微电网单元结合混合储能单元、分布式电网单元，形成多级直流母线的集群微电网供电区域，提高系统的经济性。
【附图说明】
[0014]图1为基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统的结构示意图；
[0015]图2为环状子直流微电网和辐射状子直流微电网的结构示意图；
[0016]图3为混合储能系统的结构示意图；
[0017]图4为各子直流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:子微电网单元
[0021]5:—级直流母线11:公共电网
[0022]12:变压器13:双向交流-直流变换器
[0023]21:混合储能系统22:初级双向直流-直流变换器
[0024]31:燃料电池32:光伏电池
[0025]33:微燃机34:风力发电机
[0026]35:直流-直流变换器36:直流-直流变换器
[0027]37:交流-直流变换器38:交流-直流变换器
[0028]41:环状子直流微电网42:辐射状子直流微电网
[0029]43:双向直流-直流变换器 44:双向交流-交流变换器
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本实用新型的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统作进一步说明。
[0031]本实用新型的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，通过分布式电源、混合储能系统、环状子直流微电网及辐射状子直流微电网形成的微电网系统。系统设置有三级母线，包括一级直流母线、环状和辐射状二级直流母线、环状和辐射状三级直流母线，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，三级直流母线是电压等级为48V的低压直流母线，通过多级直流母线的设置，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、分布式电源单元和子微电网单元，其中:直流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;环状子直流微电网和辐射状子直流微电网连接在一级直流母线上，各子直流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，各子直流微电网中设置有光伏发电装置和蓄电池储能，环状子直流微电网为重要负荷供电，辐射状子直流微电网为普通负荷供电。三级直流母线连接有低压交流负荷和低压直流负荷。
[0032]如图1所示的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，包括公共电网单元1、混合储能单元2、分布式电源单元3、子微电网单元4和一级直流母线5，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5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5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5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5上;所述的子微电网单元4，包括环状子直流微电网41、辐射状子直流微电网42、双向直流-直流(DC-DC)变换器43和双向直流-直流(DC-DC)变换器44，其中各环状子直流微电网41之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器43连接，各辐射状子直流微电网42之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器44连接，各环状子直流微电网41和各辐射状子直流微电网42同时连接在一级直流母线5上，从而构成环状供电架构。
[0033]公共电网单元1、混合储能单元2和分布式电源单元3和子微电网单元4构成双向互动式直流微电网系统，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，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。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。系统中的环状子直流微电网41、辐射状子直流微电网42的数量可以根据实际负荷情况确定。当系统中任意一个环状子直流微电网41或辐射状子直流微电网42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，环状子直流微电网41或辐射状子直流微电网42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。
[0034]如图2所示的环状子直流微电网和辐射状子直流微电网的结构示意图，所述的环状子直流微电网41包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器414连接在一级直流母线5上的环状二级直流母线412、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器413连接在环状二级直流母线412上的环状三级直流母线411、通过直流-直流(DC-DC)变换器4111连接在环状三级直流母线411上的重要低压直流负荷415、通过直流-交流(DC-AC)变换器4112连接在环状三级直流母线411上的重要低压交流负荷416、蓄电池417、光伏电池418、通过直流-交流(DC-AC)变换器4115连接在环状二级直流母线412上的重要交流负荷419、通过直流-直流(DC-DC)变换器4116连接在环状二级直流母线412上的重要直流负荷4110，其中，光伏电池418通过直流-直流(DC-DC)变换器4114连接在环状二级直流母线412上，蓄电池417通过双向直流-直流(DC-DC)变换器4113连接在环状二级直流母线412上。
[0035]所述的辐射状子直流微电网42包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器423连接在一级直流母线5上的辐射状二级直流母线421、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器424连接在辐射状二级直流母线421上的辐射状三级直流母线422、通过交流-直流(DC-DC)变换器4215连接在辐射状三级直流母线422上的普通低压直流负荷429、通过直流-交流(DC-AC)变换器4216连接在辐射状三级直流母线422上的普通低压交流负荷4210、蓄电池425、光伏电池426、通过直流-交流(DC-AC)变换器4213连接在辐射状二级直流母线421上的普通交流负荷427、通过直流-直流(DC-DC)变换器4214连接在辐射状二级直流母线421上的普通直流负荷428，其中，光伏电池426通过直流-直流(DC-DC)变换器4212连接在辐射状二级直流母线421上，蓄电池425通过双向直流-直流(DC-DC)变换器4211连接在辐射状二级直流母线421上。
[0036]环状子直流微电网41和辐射状子直流微电网42的拓扑形式有所不同，分别可以为重要负荷和普通负荷供电。多级环状母线和辐射状母线的设置，增加了供电灵活性，环状子直流微电网41和辐射状子直流微电网42均可同时为低压负荷和高压负荷供电。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。环状子直流微电网41和辐射状子直流微电网42分别通过双向直流-直流(DC-DC)变换器414/423与其他单元发生功率交换，一级直流母线5与环状二级直流母线412、辐射状二级直流母线421间的功率流动是双向的，各子直流微电网间、子直流微电网与微电网间、微电网与公共电网间的功率均可双向流动，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。
[0037]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。
[0038]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43连接在两个环状子直流微电网41的环状二级直流母线412之间，双向直流-直流(DC-DC)变换器44连接在两个辐射状子直流微电网42的辐射状二级直流母线421之间。各子环状直流微电网41及辐射状子直流微电网42以集群的形式互联和运行，各子直流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，从而实现双向互动。
【主权项】
1.基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，其特征在于，包括公共电网单元(I)、混合储能单元(2)、分布式电源单元(3)、子微电网单元(4)和一级直流母线(5)，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(5)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(5)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(5)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(5)上； 所述的子微电网单元(4)，包括环状子直流微电网(41)、辐射状子直流微电网(42)、双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)和双向直流-直流(DC-DC)变换器(44)，其中各环状子直流微电网(41)之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)连接，各辐射状子直流微电网(42)之间通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(44)连接，各环状子直流微电网(41)和各辐射状子直流微电网(42)同时连接在一级直流母线(5)上，从而构成环状供电架构。2.根据权利要求1所述的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，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所述的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，其特征在于，所述的环状子直流微电网(41)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(414)连接在一级直流母线(5)上的环状二级直流母线(412)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(413)连接在环状二级直流母线(412)上的环状三级直流母线(411)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(4111)连接在环状三级直流母线(411)上的重要低压直流负荷(415)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(4112)连接在环状三级直流母线(411)上的重要低压交流负荷(416)、蓄电池(417)、光伏电池(418)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(4115)连接在环状二级直流母线(412)上的重要交流负荷(419)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(4116)连接在环状二级直流母线(412)上的重要直流负荷(4110)，其中，光伏电池(418)通过直流-直流(DC-DC)变换器(4114)连接在环状二级直流母线(412)上，蓄电池(417)通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(4113)连接在环状二级直流母线(412)上。4.根据权利要求1所述的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，其特征在于，所述的辐射状子直流微电网(42)包括一个通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(423)连接在一级直流母线(5)上的辐射状二级直流母线(421)、一个通过单向直流-直流(DC-DC)变换器(424)连接在辐射状二级直流母线(421)上的辐射状三级直流母线(422)、通过交流-直流(DC-DC)变换器(4215)连接在辐射状三级直流母线(422)上的普通低压直流负荷(429)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(4216)连接在辐射状三级直流母线(422)上的普通低压交流负荷(4210)、蓄电池(425)、光伏电池(426)、通过直流-交流(DC-AC)变换器(4213)连接在辐射状二级直流母线(421)上的普通交流负荷(427)、通过直流-直流(DC-DC)变换器(4214)连接在辐射状二级直流母线(421)上的普通直流负荷(428)，其中，光伏电池(426)通过直流-直流(DC-DC)变换器(4212)连接在辐射状二级直流母线(421)上，蓄电池(425)通过双向直流-直流(DC-DC)变换器(4211)连接在辐射状二级直流母线(421)上。5.根据权利要求1所述的基于双向互动式直流微电网的绿色建筑供电系统，其特征在于，所述的双向直流-直流(DC-DC)变换器(43)连接在两个环状子直流微电网(41)的环状二级直流母线(412)之间，双向直流-直流(DC-DC)变换器(44)连接在两个辐射状子直流微电网(42)的辐射状二级直流母线(421)之间。
【文档编号】H02J3/32GK205429761SQ201620194173
【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）