CN109038539A - 一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，该设计方法可分隔多个交直流子微网，可定向模拟现在及未来多种微电网拓扑结构，用以满足微电网研究的多种需求，其中包括：城市园区型微电网、海岛型微电网、家庭型微电网；交直流混合微电网设计与实现，一方面在现阶段，可以有效消除可再生能源输出间歇性、随机性等负面特性，向配电网提供可靠的电力供应，能够提高能源利用效率；另一方面面向未来，微电网从单一以电能转化、存储、传输为主区域供电系统，逐步转变为同时集成天然气，热能利用等多能源转化、相互作用的能源枢纽，基于能量路由器为核心的交直流混合微电网可以整合多类型能源系统，为此奠定基础。

Description

一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法

技术领域

本发明涉及智能电网、微电网和交直流混合领域，特别涉及一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法。

背景技术

由于大规模、远距离输配电技术发展的推动，世界上绝大部分电力采用交流输/配电作为主流的传输模式。但近年来随着电力电子技术的发展，直流配电或用电设备越来越普遍。传统配电网主要采用交流配电模式，直流配用电设备大量采用DC/AC换流器或AC/DC整流器。直流配电系统可以简化现有配用电设备中大量的交直流变换环节，减少能源在传输过程中的损耗，提高能源利用效率。绝大多数的新能源发电和负载都是直流设备，电网很容易采用直流供电方式，当前采用交流供电，因此有必要探索直流供电方式。

由于电力技术发展主流方向已经形成，目前世界上尚没有大规模、商业化的直流公共配电网的应用实例。直流配电技术要想在电力系统中得到广泛应用，还有很长的路要走，交直流混合配电更有可能成为可行的过渡技术模式。

目前，国内对于直流配电网的研究仍处于起步阶段，交直流活配电技术从规划设计、调度运行、控制与保护、关键设备、经济分析等方面还有大量问题需研究。许多关于交直流配电技术的研究成果并没有得到实践的检验，还需要不断完善。借鉴国外经验开展相关试验项目，探索适合中国国情的直流配电适用技术及运行模式，作为技术储备，有必要开展相应的前瞻性研究。

通过采用交直流混合配电网，交流负载和直流负载可以分别接入交流母线和直流母线，减小能量转换环节，降低成本，使得交直流负载更易于接入系统，因此交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。

目前，随着各种新能源和多样性负荷的接入，对电网的发展形成了新的挑战和机遇。电力系统稳定运行要求供需实时平衡，而风力、光伏等可再生能源发电具有间歇性、不确定性的特性，其所发电能存在无法完全消纳的问题。同时，随着多样性负荷的接入，直流负荷亦体现出其优越性。而应用分布式储能技术与风电、光伏等分布式电源以及用户多种负荷组建成的微电网却未能够实现自我控制、保护和管理。

发明内容

一种基于能量路由器为核心的交直流混合微电网拓扑设计方法，该拓扑可分隔多个交直流子微网，可定向模拟现在及未来多种微电网拓扑结构，用以满足微电网研究的多种需求，其中包括：城市园区型微电网、海岛型微电网、家庭型微电网。

一种微电网拓扑设计的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）对于微电网进行拓扑设计。

（2）对直流子微网介绍，其中包括：单极式直流馈线微电网（城市园区型微电网、海岛型微电网、家庭型微电网），双极式直流馈线微电网。

所述步骤（1）具体为：

设计微电网结构为低压交直流混合型微电网，微电网系统通过降压变压器或隔离变压器接入本地配电网。

交流微电网部分，采用辐射型拓扑结构，便于交流负荷和可再生能源的集中式管理；直流微电网部分，采用双环形拓扑结构，由单极式直流微电网（单极式直流馈线1）和双极式直流微电网（双极式直流馈线2）共同构成。

交直流微电网直接通过不同的AD固态变压器相连，便于两套直流微电网与交流微电网分别互联控制；直流微电网间通过DC/DC变流器相连，两套直流子微网即可独立运行，也可通过电力电子接口进行功率交互和控制耦合。

所述步骤（2）具体为：

单极式直流馈线子微网其直流母线电压根据控制需求为非恒定型直流馈线，采用PN直流母线结构。该子微电网集成三种应用类型的直流微电网：城市园区型子微网、海岛型子微网、家庭型直流子微网。

在三个应用型子微网中，采均用光伏发电系统作为主要的可再生能源，一次电气设备包括光伏发电单元、锂电池储能单元、直/直固态变压器（DD固态变压器）、交/直固态变压器（AD固态变压器）等，二次电气设备采用分散型微网控制单元(DCU)。一次设备具有模块化扩展能力。

城市园区型直流子微网，采用并网运行模式，利用光伏等可再生能源为城市园区照明供能。该直流子微配备城市园区型能源路由器，集成锂电池储能单元、光伏发电单元、能量管理单元、城市园区照明负荷，该子微网通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连。

海岛型直流子微网，具备并/离网运行能力，微网中光伏等可再生能源优先供给本地负荷电能需求。该类型子微网装备海岛型微网路由器，集成锂电池储能单元、本地负荷、能量管理单元等设备。负荷与供电设备接入的集中柜可根据现场情况配置多路输出和分路控制，通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连，通过AD固态变压器与混合微网交流部分相连。

家庭型直流子微网以供给家庭用户照明与动力负荷为主，利用家庭型能量路由器供给用户小容量、多电压等级、交直流负荷用电需求。其中，集成能量微网路由器、光伏发电单元、储能单元、能量管理单元、负荷控制单元。

双极式直流微电网（双极式直流馈线2）采用PN0直流母线结构。该微电网通过双极式AC/DC变流器接入交流汇流母线并网运行。用于进行未来多电压等级微电网系统扩展实验。

一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，该拓扑可分隔多个交直流子微网，可定向模拟现在及未来多种微电网拓扑结构，用以满足微电网研究的多种需求，其中包括：城市园区型微电网；海岛型微电网；家庭型微电网。交直流混合微电网设计与实现，一方面在现阶段，可以有效消除可再生能源输出间歇性、随机性等负面特性，向配电网提供可靠的电力供应，能够提高能源利用效率；另一方面面向未来，微电网从单一以电能转化、存储、传输为主区域供电系统，逐步转变为同时集成天然气，热能利用等多能源转化、相互作用的能源枢纽，基于能量路由器为核心的交直流混合微电网可以整合多类型能源系统，为此奠定基础。

附图说明

图1为三类直流微电网子系统电气连接示意；

图2为交直流混合微电网拓扑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了有效减少能源在传输过程中的损耗，提高能源利用效率，本发明提供了一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，如图1所示，设计微电网结构为低压交直流混合型微电网，微电网系统通过降压变压器或隔离变压器接入本地配电网。

交流微电网部分，采用辐射型拓扑结构，便于交流负荷和可再生能源的集中式管理；直流微电网部分，采用采用双环形拓扑结构，由单极式直流微电网（单极式直流馈线1）和双极式直流微电网（双极式直流馈线2）共同构成。

交直流微电网直接通过不同的AD固态变压器相连，便于两套直流微电网与交流微电网分别互联控制；直流微电网间通过DC/DC变流器相连，两套直流子微网即可独立运行，也可通过电力电子接口进行功率交互和控制耦合。

单极式直流馈线子微网其直流母线电压根据控制需求为非恒定型直流馈线，该子微电网集成三种应用类型的直流微电网：海岛型直流子微网、社区型家庭子微网、家庭型直流子微网。

双极式直流微电网（双极式直流馈线2）采用PN0直流母线结构。该微电网通过双极式AC/DC变流器接入交流汇流母线并网运行。用于进行未来多电压等级微电网系统扩展实验。

三类应用型直流子微网电气设计如图2所示：在三个应用型子微网中，采均用光伏发电系统作为主要的可再生能源，一次电气设备包括光伏发电单元、锂电池储能单元、直/直固态变压器（DD固态变压器）、交/直固态变压器（AD固态变压器）等，二次电气设备采用分散型微网控制单元(DCU)。一次设备具有模块化扩展能力。

城市园区型直流子微网，采用并网运行模式，利用光伏等可再生能源为城市园区照明供能。该直流子微配备城市园区型能源路由器，集成锂电池储能单元、光伏发电单元、能量管理单元、城市园区照明负荷，该子微网通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连。

海岛型直流子微网，具备并/离网运行能力，微网中光伏等可再生能源优先供给本地负荷电能需求。该类型子微网装备海岛型微网路由器，集成锂电池储能单元、本地负荷、能量管理单元等设备。负荷与供电设备接入的集中柜可根据现场情况配置多路输出和分路控制，通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连，通过AD固态变压器与混合微网交流部分相连。

家庭型直流子微网以供给家庭用户照明与动力负荷为主，利用家庭型能量路由器供给用户小容量、多电压等级、交直流负荷用电需求。其中，集成能量微网路由器、光伏发电单元、储能单元、能量管理单元、负荷控制单元。

其中，AD固态变压器与本地配电网连接，负责形成300Vdc直流汇流母线。DD固态变压器将储能电池48Vdc低压变换升至300Vdc，作为备用电源；电池则由光伏直流MPPT变换或市电整流充电。微电网控制单元DCU将采集后的电气参数通过CAN2.0A或RS485通讯方式上传至EMS。其中，AD固态变压器和DD固态变压器变换后的直流均为PN双极式结构。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）对于微电网进行拓扑设计；

（2）对直流子微网介绍，其中包括：单极式直流馈线微电网（城市园区型微电网、海岛型微电网、家庭型微电网），双极式直流馈线微电网。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，其特征在于：所述步骤（1）具体为：

1、设计微电网结构为低压交直流混合型微电网，微电网系统通过降压变压器或隔离变压器接入本地配电网；

2、交流微电网部分，采用辐射型拓扑结构，便于交流负荷和可再生能源的集中式管理；

3、直流微电网部分，采用采用双环形拓扑结构，由单极式直流微电网（单极式直流馈线1）和双极式直流微电网（双极式直流馈线2）共同构成；

4、交直流微电网直接通过不同的AD固态变压器相连，便于两套直流微电网与交流微电网分别互联控制；直流微电网间通过DC/DC变流器相连，两套直流子微网即可独立运行，也可通过电力电子接口进行功率交互和控制耦合。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的交直流混合微电网拓扑设计方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为：

1、单极式直流馈线子微网其直流母线电压根据控制需求为非恒定型直流馈线，采用PN直流母线结构，该子微电网集成三种应用类型的直流微电网：城市园区型子微网、海岛型子微网、家庭型直流子微网；

2、在三个应用型子微网中，采均用光伏发电系统作为主要的可再生能源，一次电气设备包括光伏发电单元、锂电池储能单元、直/直固态变压器（DD固态变压器）、交/直固态变压器（AD固态变压器）等，二次电气设备采用分散型微网控制单元（DCU）；一次设备具有模块化扩展能力；

3、城市园区型直流子微网，采用并网运行模式，利用光伏等可再生能源为城市园区照明供能；该直流子微配备城市园区型能源路由器，集成锂电池储能单元、光伏发电单元、能量管理单元、城市园区照明负荷，该子微网通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连；

4、海岛型直流子微网，具备并/离网运行能力，微网中光伏等可再生能源优先供给本地负荷电能需求；该类型子微网装备海岛型微网路由器，集成锂电池储能单元、本地负荷、能量管理单元等设备；负荷与供电设备接入的集中柜可根据现场情况配置多路输出和分路控制，通过DD固态变压器与单极式直流馈线1相连，通过AD固态变压器与混合微网交流部分相连；

5、家庭型直流子微网以供给家庭用户照明与动力负荷为主，利用家庭型能量路由器供给用户小容量、多电压等级、交直流负荷用电需求；其中，集成能量微网路由器、光伏发电单元、储能单元、能量管理单元、负荷控制单元；

6、双极式直流微电网（双极式直流馈线2）采用PN0直流母线结构；该微电网通过双极式AC/DC变流器接入交流汇流母线并网运行；用于进行未来多电压等级微电网系统扩展实验。