一種適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統的制作方法
【專利摘要】結合我國建筑特點和需求，提出一種適用于可持續(xù)建筑的包含熱電聯產系統的雙向互動式直流極微型電網系統。極微電網采用直流母線將新能源發(fā)電、超級電容儲能系統、熱電聯產系統、負荷以及控制系統結合在一起，形成一個污染少、能源利用率高、安裝地點靈活的智能微電網，可以工作在孤島和并網兩種工作模式。極微電網可以通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器接入交流電網，實現功率的雙向流動。儲能系統采用超級電容和換電式電動汽車電池混合儲能結構，同時系統通過熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現能量的綜合管理。通過合理設計和協調控制，所提出的直流極微電網系統可以提高可持續(xù)建筑電能質量；將熱、電系統相結合提高能源利用效率；實現分布式新能源的有效利用和節(jié)能減排的功能。
【專利說明】 —種適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電力系統直流極微電網系統與熱電聯產系統相結合的供電系統。尤其是指可與交流大電網實現功率雙向流動，用于可持續(xù)建筑的，將房屋電能系統與熱能系統相結合的，具有高能量利用率的直流極微電網供電系統。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的快速發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染已成為當今世界所面臨的嚴重問題?？沙掷m(xù)建筑可以實現建筑的“零耗能”，利用新能源發(fā)電，降低有限的化石燃料的消耗，減少空氣污染，實現節(jié)能減排和城市的可持續(xù)發(fā)展，是未來城市大力發(fā)展的住宅類型。
[0003]目前，公知的可持續(xù)建筑是利用保溫材料作為墻壁、使用LED照明等方法提高節(jié)能性；利用分布式可再生能源發(fā)電提供電力。但是，與微型電網相比，分布式可再生能源發(fā)電能源利用率低，控制結構分散，用戶操作復雜。一般的可持續(xù)住宅電、熱能量系統分開管理，不能實現能量的最大化利用。
[0004]本實用新型采用極微型電網將可再生能源、儲能系統、熱電聯產系統結合起來，形成一個污染少、能源利用率高、安裝地點靈活的智能微電網，節(jié)省了輸配電資源和運行費用，減少了集中輸電的線路損耗，減少了電網總容量，改善了電網峰谷性能，提高了可靠性。同時系統通過熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現能量的綜合管理。
[0005]其中，采用直流微電網形式，它具有無集膚效應、損耗小、效率高、無需無功補償、不存在交流供電系統固有的穩(wěn)定問題、輸送距離和功率也不受電力系統同步運行穩(wěn)定性的限制以及易于控制等優(yōu)點。通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器實現與大電網功率的雙向流動。

【發(fā)明內容】

[0006]本實用新型為實現分布式能源的高效率利用，解決可持續(xù)建筑“零能耗”問題，為用戶提供方便、經濟的電力能源，提出一種符合現代建筑特點的直流極微型電網系統。該系統采用直流母線將分布式能源發(fā)電、儲能系統、熱電聯產系統、負荷以及控制系統結合在一起，使住宅電網成為大電網的一個可控負載，可以工作在孤島和并網兩種工作模式。儲能系統采用超級電容和換電式電動汽車電池混合儲能結構，同時系統通過熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現能量的綜合管理。
[0007]本實用新型采用的技術方案是:
[0008]將雙向交流-直流(AC-DC)變換器、分布式電源、包含超級電容和換電式電動汽車電池的混合儲能系統、熱電聯產系統以及負荷通過直流母線在可持續(xù)建筑內構成雙母線直流極微電網，通過微電網的控制提高電能質量。
[0009]極微電網可以通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器并聯接入交流電網。雙向交流-直流(AC-DC)變換器既可以是電壓源變換器，也可以是電流源變換器。雙向交流-直流(AC-DC)變換器若采用脈寬調制(PWM)控制，則可以減少系統諧波，提高系統的功率因數。雙向交流-直流(AC-DC)變換器也可以采用雙閉環(huán)矢量解耦PWM控制的雙向AC / DC換流器，內環(huán)電流控制，外環(huán)電壓控制。當極微電網內功率不足時，可由交流大電網提供能量；當微電網電能過剩時，直流母線電壓升高到限定閥值，功率由雙向換流器流向交流大電網，實現功率的雙向流動。
[0010]在每套房里都設置一套熱電聯產系統，系統通過直流-直流(DC-DC)變換器與直流母線相連。熱電聯產系統不僅可以提供電能，而且為用戶提供生活用水或者暖通空調用水。同時系統通過熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現能量的綜合管理。
[0011]混合儲能系統由超級電容和換電式電動汽車電池組成，通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器與直流母線相連。當極微電網系統電能過剩時，直流母線電壓升高而達到所限定的電壓閾值，混合儲能系統吸收多余的電能并通過充放電機向電動汽車動力電池充電，除此以外的多余電能通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器(此時為逆變器)回饋到交流電網，以避免直流母線電壓超過限定值；當極微電網系統電能不足時，直流母線電壓降低到所限定的電壓閾值，雙向交流-直流(AC-DC)變換器(此時為整流器)將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芟蛑绷髂妇€供電，混合儲能系統放電向直流母線供電，以避免直流母線電壓低于限定值，維持系統的功率平衡。
[0012]如果分布式電源和儲能系統容量足夠大，則極微電網不僅可以運行在并網狀態(tài)，而且可以運行在離網(或孤島)狀態(tài)。在交流供電系統故障時，可以運行在離網(或孤島)狀態(tài)，由分布式電源和儲能系統為房屋供電。
[0013]極微電網采用直流母線結構。針對未來可持續(xù)建筑，相比于交流母線，采用直流母線具有更多的優(yōu)勢，可以減少功率變流器的級數，提高整體效率，無需考慮頻率穩(wěn)定性、無功功率、集膚效應和交流損耗等問題。
[0014]系統中變換器的控制既可以采用主從控制，也可以采用對等控制或下垂控制，又可以采用分層控制。系統中控制指令可以由控制中心通過通訊系統給定，也可以根據系統的電壓和電流給定。
[0015]本實用新型與現有技術相比，具有的優(yōu)點是:
[0016]在可持續(xù)建筑中，利用直流極微電網將分布式能源發(fā)電、儲能系統、熱電聯產系統、負荷以及控制系統結合在一起，實現了分布式新能源的有效利用、提高了供電質量；采用直流母線減少功率變流器的級數、提高整體效率；利用熱電聯產系統提高能源利用效率，同時為用戶提供生活用水；通過熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現綜合能量管理；基于超級電容和換電式電動汽車電池的混合儲能系統實現了能量的回收，減小了直流母線電壓的波動；如果分布式電源和儲能系統容量足夠大，系統可以孤島運行，從而提高了可持續(xù)住宅的供電可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為含熱電聯產系統的雙母線直流極微電網系統結構圖。
[0018]圖2為混合儲能系統結構框圖。
[0019]圖3為熱電聯產系統圖。具體實施方案
[0020]下面結合附圖對本實用新型做進一步說明。
[0021]參照附圖1，本實用新型專利所公開的是一種適用于可持續(xù)建筑含熱電聯產系統的雙母線直流極微電網系統。該系統采用直流母線將光伏發(fā)電、超級電容儲能系統、熱電聯產系統、負荷以及控制系統結合在一起。并網變換器采用雙向交流-直流(AC-DC)變換器實現功率的雙向流動。每個房間都安裝一套熱電聯產系統，不僅為用戶提供電力，而且提供生活用水，提高能源利用效率。清潔能源(太陽能、風能)發(fā)電通過單向變換器為直流母線供電。
[0022]參照附圖2，為穩(wěn)定直流母線電壓，用超級電容與換電式電動汽車電池組成可與直流母線快速雙向互動的混合儲能系統。當極微電網系統電能過剩時，直流母線電壓升高而達到所限定的電壓閾值，混合儲能系統吸收多余的電能并通過充放電機向電動汽車動力電池充電，除此以外的多余電能通過雙向交流-直流(AC-DC)變換器(此時為逆變器)回饋到交流電網，以避免直流母線電壓超過限定值；當極微電網系統電能不足時，直流母線電壓降低到所限定的電壓閾值，雙向交流-直流(AC-DC)變換器(此時為整流器)將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芟蛑绷髂妇€供電，混合儲能系統放電向直流母線供電，以避免直流母線電壓低于限定值，維持系統的功率平衡。
[0023]參照附圖3，為提高系統效率，方便用戶熱水供應，同時將房屋熱能系統與電能系統相結合，實現綜合能量管理，每套住房都安裝熱電聯產系統。電加熱器可以控制水箱溫度，吸收峰值電力，在電池充滿等故障情況下保護儲能系統。電加熱器可以設置手動開關和自動開關，自動開關參考值應包括電池電量、水溫、與大電網的功率交換，根據參考值實現開關的平滑過渡，手動開關可以方便用戶的其他需求。
【權利要求】
1.一種適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統，分布式能源發(fā)電、儲能系統、負荷通過直流母線連接，其特征是:熱電聯產系統、熱水箱和電加熱器組成熱能系統接入極微型電網，雙向交流-直流(AC-DC)變換器連接常規(guī)大電網與極微型電網，超級電容和換電式電動汽車電池構成混合儲能系統。
2.根據權利要求1所述的適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統，其特征是熱電聯產系統與直流母線和熱水箱連接，電加熱器與熱水箱連接，電加熱器設置手動開關和自動開關，自動開關參考值包括儲能系統電量、水溫、與大電網的功率交換值。
3.根據權利要求1所述的適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統，其特征是雙向交流-直流(AC-DC)變換器交流側連接交流大電網，直流側連接極微型直流電網。
4.根據權利要求1所述的適用于可持續(xù)建筑的雙向互動式直流極微型電網系統，其特征是混合儲能系統由超級電容與換電式電動汽車電池組成，混合儲能系統通過雙向直流-直流(DC-DC)變換器與直流母線相連。
【文檔編號】H02J7/34GK203722319SQ201320766509
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】孟明, 原亞寧, 李琳, 郭明偉 申請人:華北電力大學（保定）