基于混合储能的交直流混合模块化微电网组网结构及方法

摘要

本发明公开了一种基于混合储能的交直流混合模块化微电网组网结构及方法，包括：背靠背变流器为通过直流母线并联连接的电网侧变流器和微网侧变流器；电网侧变流器的交流侧依次经过滤波回路、隔离变压器后接入大电网中，所述微网侧变流器的三相交流输出端经LC滤波电路后作为交流母线；本发明有益效果：实现了交直流混合微电网内多类型负荷、多类型分布式电源的模块化封装，模块化微电网作为独立可控的电源/负荷单元主动参与大电网调度运行；通过混合储能系统结构及接入方式的合理设计，使得并网/孤岛双模式无缝切换成为模块化微电网的自然属性，无须复杂的控制算法。

说明书

技术领域

本发明属于微电网组网及运行控制技术领域，具体涉及一种基于混合储能技术的交直流 混合微电网模块化组网结构及方法。

背景技术

微电网是一种新型的网络结构，是实现主动配电网的一种有效方式，微电网的出现将从 根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等 方面具有巨大潜力。目前，微电网技术已经成为电力系统发展的前沿技术，开发和延伸微电 网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能电网过渡。

微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而 成的小型发配电系统。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的 小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞 轮及蓄电池等储能装置。多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成网络并通过 静态开关关联至常规电网，可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。微电网是一个能够实 现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也在电网故障或需要时 与大电网断开独立孤岛运行。对于公用电力企业，微网可视为电力系统可控的细胞，这个细 胞可以被控制为一个简单的可调度负荷，能够在数秒内做出响应以满足电网调节需求。对于 用户，微网可以作为一个定制电源，以满足用户多样化需求。微电网具有自治、稳定、兼容、 灵活、经济的特点。由于微电网中微源的多样性及其组合的灵活性，使得整个系统的运行控 制变得复杂，微电网系统的即插即用以及与大电网间的友好互动与微电网组网拓扑结构息息 相关。

典型的微电网组网结构由CERTS提出，结构中包含了两种微源连结方式，一种为所有微 源均连接在同一条馈线上，馈线始端再接至微网母线；另一种为各个微源分别与本地负荷组 成小型发电系统，共同接至微网母线上，呈并联式结构。CERTS提出的微电网概念和结构得 到了国内外的广泛承认，是目前最为流行的微电网结构。在这种结构中，微电网并网运行时 负荷、储能系统、分布式电源以电流源方式并联运行，因此由并网状态向孤岛状态转换过程 中(特别是发生非计划孤岛时)微电网母线电压的暂态震荡是难以避免的，从而导致转换过 程中负荷及分布式电源脱网，即难以实现并网/孤岛状态的无缝切换。文献《Advantages and circuit configuration of a DC microgrid》、《A benchmark LV microgrid for steady state and transient analysis》、《An update on Sendai demonstration of multiplepower quality supply system》分别提 出直流微电网、交流微电网、交直流混合微电网等组网方案。上述微电网结构基本沿袭了CERTS 的微电网组网思路，皆存在着状态转换过程中的控制难点。

清水建设株式会社和东京大学申请的发明专利“微电网系统的构筑方法”提出了一种微 电网系统的构筑方法，用于构筑将多类型分布式电源统一监控的网络，从而对特定区域供给 电力，该方法包括：测量所述特定区域的负荷变动，从而对所述负荷变动的数据进行频率分 析的步骤；基于多类型电源的各自的频率响应特性而决定各个电源分别担负的分担频率，并 据此将负荷变动的频率分析结果分配给各个电源。该方法依赖于对控制策略的优化设计来实 现微电网状态转换的平稳以及可调度性，因此对监控系统的准确性和响应速度有很高的要求。

文献《一种微源逆变器串联连接型微网特性研究》提出的串联型微电网可降低输出谐波 含量，减少对配电网和负载的影响作用，同时有效解决交、直流微网中环流、谐波、频率等 诸多问题，但该结构不能解决微电网的即插即用以及平稳可调度的问题。浙江大学申请了发 明专利《一种基于储能的微电网拓扑结构》(公开号CN103219726A)，将储能装置作为微电网 能量转换的枢纽，旨在减少消除分布式电源输出波动电能对主电网的冲击。但是，该发明专 利没有解决微电网并网/孤岛双模式无缝切换的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于混合储能的交直流混合模块化微 电网组网结构及方法，该结构利用背靠背变流器进行微电网组网，完成交直流混合微电网的 模块化封装，可实现模块化微电网出口有功、无功独立可调度，提高交直流混合微电网的整 体可控性；合理设计混合储能系统结构及接入方式，将其作为功率/能量缓冲单元，使得并网 /孤岛双模式无缝切换成为模块化微电网的自然属性。该基于混合储能的交直流混合模块化微 电网组网结构及方法为实现微电网主动参与大电网的调控运行奠定了结构基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于混合储能的交直流混合模块化微电网组网结构，包括：隔离变压器、滤波回路、 背靠背变流器、混合储能系统、直流微电网单元和交流微电网单元；

所述背靠背变流器包括通过直流母线并联连接的电网侧变流器和微网侧变流器；

所述电网侧变流器的交流侧依次经过滤波回路、隔离变压器后接入大电网中，所述微网 侧变流器的三相交流输出端经LC滤波电路后作为微电网交流母线；

所述混合储能系统和直流微电网单元分别并联接入直流母线，交流微电网单元并联接入 微电网交流母线。

所述混合储能系统包括：蓄电池组、超级电容器组以及双向DC/DC斩波器；

蓄电池组接入双向DC/DC斩波器低压侧，双向DC/DC斩波器高压侧并联接入超级电容器 组，超级电容器组为混合储能系统对外接口，直接并联接入模块化微电网中的直流母线。

所述直流微电网单元包括并联接入直流母线的若干直流分布式电源以及直流负荷。

所述交流微电网单元包括并联接入交流母线的若干交流分布式电源以及交流负荷。

所述大电网为400V以上高电压等级电网时，隔离变压器变更为与电网接入点电压相匹配 的升压变压器。

所述电网侧变流器为模块化微电网的对外唯一接口。

所述电网侧变流器以及微网侧变流器均采用三相半桥VSR拓扑。

一种基于混合储能的交直流混合模块化微电网组网结构的方法，包括：

当模块化微电网与大电网并网运行时，电网侧变流器运行于P/Q模式，控制直流母线电 压的稳定以维持直流微电网单元正常运行，微网侧变流器运行于V/F模式，控制微电网交流 母线电压稳定以维持交流微电网单元正常运行，混合储能系统通过双向DC/DC斩波器进行能 量实时补充；

模块化微电网由并网转入孤岛状态的暂态过程中，电网侧变流器停止运行，超级电容器 组快速为直流母线提供能量支撑，蓄电池组经双向斩波器控制对超级电容器组进行能量补充， 控制切换暂态过程中直流母线电压的稳定，微网侧变流器正常运行于V/F模式，最终实现直 流微电网单元、交流微电网单元在并网/孤岛切换过程中的正常运行，实现微电网并网/孤岛 双模式无缝切换；

模块化微电网处于孤岛状态时，电网侧变流器停止运行，混合储能系统通过实时功率吞 吐，控制直流母线电压的稳定，微网侧变流器仍然运行于V/F模式，最终实现直流微电网单 元、交流微电网单元在孤岛状态下的正常运行。

当模块化微电网与大电网并网运行时，电网侧变流器精确控制模块化微电网与外部大电 网间的有功/无功交换，使得模块化微电网成为独立可控的电源/负荷模块，主动参与大电网 调度运行，在这一过程中混合储能系统实时补偿电网侧变流器、交流微电网单元、直流微电 网单元三者之间的功率差额，维持模块化微电网内部能量平衡。

本发明的有益效果是：

(1)通过背靠背变流器实现交流直流混合微电网的模块化封装，微电网模块通过唯一可 控接口(电网侧变流器)可以快速、便捷的接入或者退出大电网，简化了常规微电网的组网 接入方案，且提高了交直流混合微电网的整体可控性，为实现微电网主动参与大电网的调控 运行奠定了结构基础。

(2)由于混合储能系统的快速、持续的能量/功率支撑，模块化微电网在进行并网/孤岛 双模式切换的暂态过程中能够始终维持其直流母线电压稳定，实现了模式切换对模块化微电 网内多类型分布式电源、多类型负荷“零”冲击，使得无缝切换成为模块化微电网的自然属 性，无需背靠背变流器以及各分布式电源参与控制，简化了控制逻辑，达到了模块化微电网 即插即用、无缝切换的设计目的，避免了常规微电网组网方案中实现并网/孤岛双模式无缝切 换对各类分布式电源并网变流器复杂控制算法的需求。

(3)在微电网并网运行时，电网侧变流器可对微电网出口有功功率、无功功率进行独立 双向调节，使得微电网相对于大电网成为独立可调度的多特性电源/负荷单元，主动参与电网 的电压、频率调节，实现与大电网间的“友好”互动和相互支撑。

附图说明

图1为本发明基于混合储能的交直流混合微电网模块化组网拓扑结构图；

图2为本发明电网侧/微网侧变流器结构图；

图3为本发明蓄电池-超级电容器混合储能系统结构图。

其中，1、隔离变压器(或升压变压器)，2、电网侧变流器，3、直流母线；4、滤波回路， 5、蓄电池-超级电容器混合储能系统，6、直流微电网单元，7、微网侧变流器，8、交流微电 网单元，9、蓄电池组，10、双向DC/DC斩波器，11、超级电容器组，12、直流分布式电源， 13、直流负荷，14、交流分布式电源，15、交流负荷。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，该模块化交直流混合微电网拓扑结构由隔离变压器(或升压变压器)1、电 网侧变流器2、直流母线3、滤波回路4、蓄电池-超级电容器混合储能系统5、直流微电网单 元6、微网侧变流器7、交流微电网单元8构成。

电网侧变流器2为模块化交直流混合微电网对外接口，其交流侧经滤波回路4以及隔离 变压器(或升压变压器)1与大电网并联。当模块化微电网并网运行时，电网侧变流器2控 制维持直流母线3电压的稳定，保障交流微电网单元8、直流微电网单元6的稳定运行，同 时控制模块化微电网参与大电网运行控制；当模块化微电网孤岛运行时，电网侧变流器2控 制模块化微电网与大电网解列。

微网侧变流器7交流输出作为交流微电网单元8的交流母线，交流母线与交流分布式电 源14以及交流负荷15共同组成交流微电网单元8。微网侧变流器7始终运行于V/F模式，交 流侧输出幅值、频率稳定的三相交流电压，保障交流分布式电源以及交流负荷的始终并网运 行。

电网侧变流器2与微网侧变流器7通过直流母线3连接，直流母线3中同时接入直流分 布式电源12以及直流负荷13构成直流微电网单元6。

蓄电池-超级电容器混合储能系统5作为模块化微电网能量/功率支撑与缓冲单元，并联 接入直流母线3。模块化微电网进行并网/孤岛双模式切换过程中，蓄电池-超级电容器混合储 能系统5快速提供功率支撑，维持直流母线电压3的稳定，保障并网/孤岛双模式无缝切换的 实现。模块化微电网并网运行时，蓄电池-超级电容器混合储能系统5实时补偿电网侧变流器 2、微网侧变流器7以及直流微电网单元6三者之间的功率差额，维持模块化微电网内部的能 量平衡，保障模块化微电网作为一个独立的电源/负荷模块主动参与大电网的调度运行。模块 化微电网孤岛运行时，蓄电池超级电容器混合储能系统5实时补偿直流微电网单元6与微网 侧变流器7之间的功率差额，维持直流母线电压的稳定，保障孤岛状态下直流微电网单元6、 交流微电网单元8的稳定运行。

如图2所示，电网侧变流器2与微网侧变流器7均采用三相半桥VSR拓扑。功率开关管 G1、G3、G5的漏极连接到一起接到直流侧电容C1的正极，功率开关管G1、G3、G5的源极 分别与功率开关管G2、G4、G6的漏极相连接，功率开关管G2、G4、G6的源极连接到一起 接到直流侧电容C2的负极。续流二极管D1、D3、D5、D2、D4、D6分别反并联在每个功率 开关管的漏--源极之间。L1、L2、L3为交流侧滤波电感.通过对以上各开关管进行通断控制可 以实现该变换器整流状态、逆变状态的快速灵活转换及直流侧电压、交流侧有功/无功功率的 快速精确控制。

蓄电池-超级电容器混合储能系统5采用有源并联式结构，如图3所示。蓄电池组9接入 双向DC/DC斩波器10的低压侧，超级电容器组11与双向DC/DC斩波器10的高压侧并联。 在该混合储能系统中，超级电容器组11为混合储能系统的对外输出接口，直接并联接入模块 化微电网的直流母线3，其充放电过程无需双向DC/DC斩波器10控制，可自主响应模块化微 电网内部的功率需求，提供短时的能量支撑，为模块化微电网的并网/孤岛双模式无缝切换创 造的条件，充分发挥了超级电容器充放电响应速度快、功率密度大、循环寿命长的优势。蓄 电池组9经双向DC/DC斩波器10控制对超级电容器组11进行实时的能量补充，维持直流母 线电压的稳定，保障模块化微电网在并网或孤岛状态下的长期稳定运行，使得蓄电池能量密 度大的优势得到了发挥。

蓄电池-超级电容器混合储能系统5中，双向DC/DC斩波器10采用了BUCK-BOOST型双 向DC/DC斩波器拓扑，如图3所示。双向DC/DC斩波器10由储能电感L4、功率开关管G7、 G8，续流二极管D7、D8组成。蓄电池组9正极经储能电感L4接到功率开关管G7的漏级、 功率开关管G8的源级，功率开关管G7的源极接入蓄电池组9的负极，功率开关管G8的漏 极接入超级电容器组11的正极，续流二极管D7、D8反并联到功率开关管G7、G8的漏--源级 之间。通过对功率开关管G7、G8的通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、 精确双向灵活调节。

电网侧变流器2、微网侧变流器7、双向DC/DC斩波器10的功率开关管可选用绝缘栅双 极型晶体管(IGBT)，它是一种可关断器件，具有开关响应速度快，导通压降低等特点。在实 际使用过程中可采用IPM功率模块，IPM内部在集成了IGBT及其反并联二极管的基础上还带 有驱动、逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强 了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。