基于交流母线的多能源微电网供电系统

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，具体而言，涉及一种基于交流母线的多能源微电网供电系统。

背景技术

在节能环保的政策指引下，随着新能源技术的发展，用于提供供电电源的新能源需求也越来越多，应用也越来越广，但是目前新能源作为供电电源的能源种类比较单一，工作模式也单一，能量管控和组网型的微电网系统较少，难于满足在多级负荷用电需求下对多能源微电网供电系统具有实现负载功率自适应匹配、富裕电能自适应储存、负载优先级的自适应判断、分级供电的智能化运行、分布式电能资源的最优化调度和电力系统的自适应并接等一系列智能化控制，完成区域内能源的精确管理与调度的需求。

发明内容

本发明的目的包括提供一种基于交流母线的多能源微电网供电系统，其能够集成多种新能源，具有标准化、模块化、多能源互补、并机扩容、多种工作模式可靠稳定供电等优点。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种基于交流母线的多能源微电网供电系统，基于交流母线的多能源微电网供电系统包括储能和能量管理模块、光伏模块、燃料电池模块和隐身电站模块，光伏模块、燃料电池模块和隐身电站模块均与储能和能量管理模块通讯连接，储能和能量管理模块、光伏模块、燃料电池模块和隐身电站模块均用于电力连接至交流母线。

在可选的实施方式中，基于交流母线的多能源微电网供电系统还包括第一DC/DC变流器、第一DC/AC变流器和第一切换开关，燃料电池模块、第一DC/DC变流器、第一DC/AC变流器和交流母线依次电力连接，第一DC/AC变流器、第一切换开关和交流负荷依次电力连接。

在可选的实施方式中，基于交流母线的多能源微电网供电系统还包括第二DC/DC变流器、第二DC/AC变流器和第二切换开关，光伏模块、第二DC/DC变流器、第二DC/AC变流器和交流母线依次电力连接，第二DC/AC变流器、第二切换开关和交流负荷依次电力连接。

在可选的实施方式中，基于交流母线的多能源微电网供电系统还包括第三DC/AC变流器和第三切换开关，隐身电站模块、第三DC/AC变流器和第三切换开关和交流母线依次电力连接，第三DC/AC变流器、第三切换开关和交流负荷依次电力连接。

在可选的实施方式中，基于交流母线的多能源微电网供电系统还包括AC/DC变流器，隐身电站模块、AC/DC变流器和第三DC/AC变流器依次电力连接，储能和能量管理模块包括储能电池，储能电池电连接至第三DC/AC变流器。

在可选的实施方式中，储能和能量管理模块包括储能单元和能量管理单元，储能单元用于电力连接到交流母线以及通过切换开关电力连接到交流负荷，能量管理单元用于监控各个发电模块。

在可选的实施方式中，储能单元包括锂电池组、电池管理系统和储能双向变流器，锂电池组、储能双向变流器和交流母线依次电力连接，能量管理单元包括配电系统和运行监控系统，配电系统用于控制各个发电模块的电能输出，运行监控系统包括控制模块和监控模块，控制模块用于对各个发电模块进行通讯控制和能量管理，监控模块用于人机交互。

在可选的实施方式中，储能和能量管理模块用于在检测到市电接入基于交流母线的多能源微电网供电系统的条件下，控制基于交流母线的多能源微电网供电系统进入并网运行模式；

储能和能量管理模块还用于在检测到市电未接入基于交流母线的多能源微电网供电系统的条件下，控制基于交流母线的多能源微电网供电系统进入离网运行模式。

在可选的实施方式中，在基于交流母线的多能源微电网供电系统进入并网运行模式的条件下，储能和能量管理模块用于在检测到负荷接入的条件下，控制光伏模块、燃料电池模块和隐身电站模块依次按照各自最大功率点输出功率；

在负荷功率小于光伏模块和燃料电池模块的最大功率点输出功率的条件下，检测储能单元的SOC，在SOC＜90％的条件下，对储能单元进行充电控制，且充电功率大于光伏模块和燃料电池模块的发电单元的溢出功率，在SOC≥90％的条件下，调节光伏模块和燃料电池模块的发电单元输出功率与负荷消耗功率持平，使光伏模块和燃料电池模块的发电单元不会向电网馈入能量；

在负荷功率超出光伏模块和燃料电池模块的最大功率点输出功率的条件下，打开隐身电站模块用于补充功率输出，并在SOC＜90％的条件下，对储能单元进行充电控制，在SOC≥90％的条件下，控制储能单元待机。

在可选的实施方式中，在基于交流母线的多能源微电网供电系统进入离网运行模式的条件下，储能和能量管理模块用于在负荷功率低于光伏模块和燃料电池模块的最大功率点输出功率的条件下，检测储能单元的SOC，在SOC≥90％的条件下，控制光伏模块和燃料电池模块的输出功率与负荷消耗持平；在SOC＜90％的条件下，控制光伏模块和燃料电池模块的发电单元按照最大功率点运行，以满足负荷供电的同时，对储能单元进行充电储备；

在负荷功率高于光伏模块和燃料电池模块的最大输出功率的条件下，控制光伏模块和燃料电池模块的发电单元按照最大功率点输出功率，不足的电力由储能单元提供，隐身电站模块备用，实时检测储能单元的SOC，在SOC＜50％的条件下，启动隐身电站模块，由隐身电站模块替代储能单元供电，额外多余的电力对储能单元进行充电，在SOC≥90％的条件下，关闭隐身电站模块，继续由光伏模块和燃料电池模块及储能单元满足负荷的供电需求；

在光伏模块和燃料电池模块及隐身电站模块同时按照最大功率输出，还不能满足负荷消耗功率的条件下，在隐身电站模块的油箱容量还剩有1小时满负荷供电能力时，切除三级负荷，保留二级负荷和一级负荷，不足的电力由储能单元提供，检测储能单元的SOC，在SOC＜40％的条件下，切除二级负荷，只保留一级负荷。

本发明实施例提供的基于交流母线的多能源微电网供电系统的有益效果包括：

1.通过交流母线并联的形式，并且通过储能和能量管理模块实现多种工作模式供电，集成各种新能源，在不同负荷容量情况下，高效节能，各个模块电力连接到交流母线，通过交流母线输出单相交流电，并对负荷优先级进行控制，为多级负荷提供集中供电保障以及分布式供电保障；

2.采用各模块汇流为交流母线的技术路线，具有标准化、模块化、多能源互补、并机扩容、多种工作模式可靠稳定供电等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于交流母线的多能源微电网供电系统的组成框图；

图2为本发明实施例提供的基于交流母线的多能源微电网供电系统的工作原理图。

图标：1-基于交流母线的多能源微电网供电系统；2-储能和能量管理模块；201-市电接口；202-并机接口；3-光伏模块；4-燃料电池模块；5-隐身电站模块；6-第一DC/DC变流器；7-第一DC/AC变流器；8-第一切换开关；9-第二DC/DC变流器；10-第二DC/AC变流器；11-第二切换开关；12-第三DC/AC变流器；13-第三切换开关；15-储能电池；16-AC/DC变流器；17-第四切换开关；18-交流负荷；19-一级负荷；20-二级负荷；21-三级负荷；22-交流母线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的条件下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种基于交流母线的多能源微电网供电系统1，基于交流母线的多能源微电网供电系统1包括储能和能量管理模块2、光伏模块3、燃料电池模块4和隐身电站模块5，其中，每个模块采用标准的集装箱结构形式。

光伏模块3、燃料电池模块4和隐身电站模块5均与储能和能量管理模块2通讯连接。储能和能量管理模块2用于电力连接到一级负荷19、二级负荷20和三级负荷21。

燃料电池模块4包括氢燃料储气罐、氢燃料电池和逆变器，可直接将燃料电池模块4的氢燃料发电电能逆变输出到交流母线22组成供电系统供电，也可通过切换开关电力连接到交流负荷18，使燃料电池模块4可以单独向交流负荷18供电。

光伏模块3包括半柔性太阳能电池模组、光伏并网离网一体型逆变器和储能电池15包，可直接将光伏模块3的光伏发电电能逆变输出到交流母线22组成供电系统供电，也可通过切换开关电力连接到交流负荷18，使光伏模块3可以单独向交流负荷18供电。

隐身电站模块5采用将所有部件集成到标准集装箱内，并在箱上集成红外隐身功能的技术形式，由集装箱、超静音电站单元、控制器、散热器、燃油箱和蓄电池等组成，其中，超静音电站单元内含有高速柴油机、发电机和隔音罩。隐身电站模块5可直接与交流母线22进行并联运行组成供电系统供电，也可通过切换开关电力连接到交流负荷18，使隐身电站模块5可以单独向交流负荷18供电。

储能和能量管理模块2包括储能单元和能量管理单元，储能单元用于电力连接到交流母线22以及通过切换开关电力连接到交流负荷18，使储能单元可以单独向交流负荷18供电。储能单元包括锂电池组、电池管理系统和储能双向变流器，锂电池组、储能双向变流器和交流母线22依次电力连接，可实现能量的双向流动，既可通过其它模块对锂电池组充电，又可直接输出电能至交流母线22上。

能量管理单元用于监控各个发电模块。能量管理单元包括配电系统和运行监控系统，其中，配电系统作为电力传输枢纽用于控制各个发电模块的电能输出，具体的，配电系统用于实现区域内各发电模块就地集中接入功能，负责各发电模块电能输出及区域内用电负荷的电能输送。

运行监控系统作为电力调度枢纽，负责各发电模块及负荷的供用电调度工作。运行监控系统包括控制模块和监控模块，控制模块用于对各个发电模块进行通讯控制和能量管理，具体的，控制模块采用嵌入式ARM系统，运行稳定，包括以太网、RS485、DI/DO、CAN等多种接口，满足对各个设备通讯控制及能量管理需求。监控模块用于人机交互，将系统运行信息进行友好展示。

基于交流母线22的基于交流母线的多能源微电网供电系统1的每个模块可以构成微电网系统实现整体供电，每个模块也可以独立对外供电。储能和能量管理模块2还具有市电接口201和并机接口202，具备在市电条件下可通过市电为所有负荷供电和接入其它供电系统的并机扩容功能。

请参阅图2，储能和能量管理模块2、光伏模块3、燃料电池模块4和隐身电站模块5均用于电力连接至交流母线22。

基于交流母线的多能源微电网供电系统1还包括第一DC/DC变流器6、第一DC/AC变流器7和第一切换开关8，燃料电池模块4、第一DC/DC变流器6、第一DC/AC变流器7和交流母线22依次电力连接，第一DC/AC变流器7、第一切换开关8和交流负荷18依次电力连接。

基于交流母线的多能源微电网供电系统1还包括第二DC/DC变流器9、第二DC/AC变流器10和第二切换开关11，光伏模块3、第二DC/DC变流器9、第二DC/AC变流器10和交流母线22依次电力连接，第二DC/AC变流器10、第二切换开关11和交流负荷18依次电力连接。

基于交流母线的多能源微电网供电系统1还包括第三DC/AC变流器12和第三切换开关13，隐身电站模块5、第三DC/AC变流器12和第三切换开关13和交流母线22依次电力连接，第三DC/AC变流器12、第三切换开关13和交流负荷18依次电力连接。

其中，基于交流母线的多能源微电网供电系统1还包括AC/DC变流器16，隐身电站模块5、AC/DC变流器16和第三DC/AC变流器12依次电力连接，储能和能量管理模块2包括储能电(15，储能电池15电连接至第三DC/AC变流器12。此外，隐身电站模块5还可以通过第四切换开关17电力连接到交流负荷18，使隐身电站模块5可以单独向交流负荷18供电。

本实施例提供的基于交流母线的多能源微电网供电系统1的至少包括以下工作模式：并网运行模式、离网运行模式、单模块独立供电模式和级联扩容模式，下文对各个模式进行详细介绍。

1)并网运行模式

储能和能量管理模块2在检测到市电接入基于交流母线的多能源微电网供电系统1的条件下，控制基于交流母线的多能源微电网供电系统1进入并网运行模式。

在基于交流母线的多能源微电网供电系统1进入并网运行模式的条件下，光伏模块3和燃料电池模块4作为功率输出环节，储能单元和隐身电站模块5作为后备电源，为了保证对负荷的供电能力，各部分需按照如下要求进行控制：

a)储能和能量管理模块2在检测到负荷接入的条件下，控制光伏模块3、燃料电池模块4和隐身电站模块5依次按照各自最大功率点输出功率；

b)储能和能量管理模块2在检测到负荷功率小于光伏模块3和燃料电池模块4的最大功率点输出功率的条件下，检测储能单元的SOC，在SOC＜90％的条件下，对储能单元进行充电控制，且充电功率大于光伏模块3和燃料电池模块4的发电单元的溢出功率，在SOC≥90％的条件下，调节光伏模块3和燃料电池模块4的发电单元输出功率与负荷消耗功率持平，使光伏模块3和燃料电池模块4的发电单元不会向电网馈入能量；

c)储能和能量管理模块2在检测到负荷功率超出光伏模块3和燃料电池模块4的最大功率点输出功率的条件下，打开隐身电站模块5用于补充功率输出，同时检测储能单元的SOC，并在SOC＜90％的条件下，对储能单元进行充电控制，充电功率根据SOC适当调节，在SOC≥90％的条件下，控制储能单元待机。

2)离网运行模式

储能和能量管理模块2在检测到市电未接入基于交流母线的多能源微电网供电系统1的条件下，控制基于交流母线的多能源微电网供电系统1进入离网运行模式。

在基于交流母线的多能源微电网供电系统1进入离网运行模式的条件下，储能单元既是功率调节的主要执行环节，同时也是系统电压的控制环节，光伏模块3、燃料电池模块4及隐身电站模块5是功率的输出环节，为了保证对负荷的供电能力，各部分需按照如下的要求进行控制：

a)储能和能量管理模块2在检测到负荷功率低于光伏模块3和燃料电池模块4的最大功率点输出功率的条件下，检测储能单元的SOC，在SOC≥90％的条件下，控制光伏模块3和燃料电池模块4的输出功率与负荷消耗持平；在SOC＜90％的条件下，控制光伏模块3和燃料电池模块4的发电单元按照最大功率点运行，以最大限度地发挥光伏模块3和燃料电池模块4的作用，满足负荷供电的同时，对储能单元进行充电储备；

b)储能和能量管理模块2在检测到负荷功率高于光伏模块3和燃料电池模块4的最大输出功率的条件下，控制光伏模块3和燃料电池模块4的发电单元按照最大功率点输出功率，不足的电力由储能单元提供，隐身电站模块5备用，实时检测储能单元的SOC，在SOC＜50％的条件下，启动隐身电站模块5，由隐身电站模块5替代储能单元供电，额外多余的电力对储能单元进行充电，在SOC≥90％的条件下，关闭隐身电站模块5，继续由光伏模块3和燃料电池模块4及储能单元满足负荷的供电需求；

c)储能和能量管理模块2在检测到光伏模块3和燃料电池模块4及隐身电站模块5同时按照最大功率输出，还不能满足负荷消耗功率的条件下，在隐身电站模块5的油箱容量还剩有1小时满负荷供电能力时，切除三级负荷21，保留二级负荷20和一级负荷19，不足的电力由储能单元提供，检测储能单元的SOC，在SOC＜40％的条件下，切除二级负荷20，只保留一级负荷19。

3)单模块独立供电模式

各个发电模块均通过切换开关电力连接到交流负荷18，通过储能和能量管理模块2对发电模块进行并网、离网和独立供电的工作模式的切换，实现单模块独立供电。

4)级联扩容模式

基于交流母线的多能源微电网供电系统1基于配电系统中的市电接口201和并机接口202，具备了独特的动态扩容功能，使其不仅仅可以作为一个独立的供电系统，而且可以实现与其它供电系统并机运行，可以灵活的按需增强供电能力，通过这种化零为整以及化整为零的方式，使得供电系统在极大程度上满足大功率用电的需求。

本实施例提供的基于交流母线的多能源微电网供电系统1的有益效果包括：

1.通过交流母线22并联的形式，并且通过储能和能量管理模块2实现多种工作模式供电，集成各种新能源，在不同负荷容量情况下，高效节能，输出230V、50Hz的单相交流电，并对负荷优先级进行控制，为多级负荷提供集中供电保障以及分布式供电保障；

2.采用各模块汇流为单相230V交流母线22的技术路线，具有标准化、模块化、多能源互补、并机扩容、多种工作模式可靠稳定供电等优点，适用于野外复杂等特殊使用环境。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。