发明专利｜国家电网及能研院提出的一种微电网系统

摘要：本发明实施例提出了一种微电网系统，该微电网系统包括：多个微电网子系统，微电网子系统包括：直流微电网和至少两个柔性变电站，柔性变电站包括：高压交流系统、高压直流系统和低压直流系统，高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间分别相连;直流微电网包括：高压直流母线和低压直流母线;多个微电网子系统通过高压直流母线互联成环，高压直流母线与高压直流系统连接，微电网子系统中的各柔性变电站的低压直流系统之间通过低压直流母线相连，实现了负荷转供和环网潮流均衡，保证了配电网的持续供电能力。

申请人 全球能源互联网研究院有限公司 国家电网有限公司

发明人 邓占锋 赵国亮 杨士慧 刘海军 蔡林海 陆振纲 徐向前 于弘洋 宋洁莹 刘宗烨 尉志勇 葛菁张永征

技术领域

本发明涉及柔性配电技术领域，具体涉及一种微电网系统。

背景技术

配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。

当前，配电网建设相对滞后、调控手段有限，制约了配电网运行控制的灵活性，造成了馈线负荷不均衡、供电恢复时间长等问题;另一方面，配电网内非线性、冲击性负荷比重的增加，以及新能源渗透率的不断提高，对配电网电能质量和供电可靠性的保障手段提出了更高要求。配电网正面临用电需求定制化和多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战。

现有配电网采用机械电磁式变电站，当配电网中的某一部分发生故障，由于其他部分无法得到电力支持，会影响其他部分的正常运行，无法保证配电网的持续供电能力。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例提出了一种微电网系统，用以解决现有技术无法保证配电网的持续供电能力的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

根据第一方面，本发明实施例提供了一种微电网系统，该微电网系统包括：多个微电网子系统，微电网子系统包括：直流微电网和至少两个柔性变电站;柔性变电站包括：高压交流系统、高压直流系统和低压直流系统，高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间分别相连;直流微电网包括：

高压直流母线和低压直流母线;多个微电网子系统通过高压直流母线互联成环，高压直流母线与高压直流系统连接，微电网子系统中的各柔性变电站的低压直流系统之间通过低压直流母线相连。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，柔性变电站还包括：低压交流系统，压交流系统与低压直流系统相连，并通过机械电磁式变电站与高压交流系统相连。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，上述高压交流系统设置有第一电压变换模块，用于将高压交流电变换为高压直流电，以及将高压交流电变换为低压直流电;高压直流系统设置有第二电压变换模块，用于将高压直流电变换为低压直流电;低压直流系统设置有第三电压变换模块，用于将低压直流电变换为低压交流电;低压交

流系统设置有第四电压变换模块，用于将低压交流电变换为低压直流电;低压直流系统设置有第五电压变换模块，用于将低压直流电变换为高压直流电，以及将低压直流电变换为高压交流电;高压直流系统设置有第六电压变换模块，用于将高压直流电变换为高压交流电。

结合第一方面第一实施方式或第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，高压交流系统通过机械电磁式变电站将高压交流电变换为低压交流电，低压交流系统通过机械电磁式变电站将低压交流电变换为高压交流电。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，直流微电网还包括：直流供电装置、直流储能装置及直流负荷;直流供电装置通过第一直流变流器接入低压直流母线，通过低压直流母线将电能传输至低压直流系统或直流储能系统;直流储能装置通过第二直流变流器接入低压直流母线，通过低压直流母线接收低压直流系统或直流供电装置传输的电能，将低压直流系统或直流供电装置传输的电能进行存储;当低压直流系统发生故障时，直流供电装置或直流储能装置向直流负荷传输电能;直流负荷通过第三直流变流器接入低压直流母线，通过低压直流母线接收低压直流系统、直流供电装置或直流储能装置传输的电能。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，上述直流供电装置为光伏发电装置。

结合第一方面第四实施方式或第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，上述直流储能装置包括：固定储能装置和移动储能装置。

结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，上述微电网子系统还包括：还包括：

交流微电网，交流微电网包括：高压交流母线、低压交流母线、交流供电装置、交流储能装置及交流负荷;高压交流母线与高压交流系统相连，将高压交流电传输至高压交流系统;交流供电装置通过第一交流变流器接入低压交流母线，通过低压交流母线将电能传输至低压交流系统或交流储能系统;交流储能装置通过第二交流变流器接入低压交流母线，接收低压交流系统或交流供电装置传输的电能，将低压交流系统或交流供电装置传输的电能进行存储;当低压交流系统发生故障时，交流供电装置或交流储能装置向交流负荷传输电能;交流负荷通过第三交流变流器接入低压交流母线，接收低压交流系统、交流供电装置或交流储能装置传输的电能。

结合第一方面第七实施方式，在第一方面第八实施方式中，上述交流供电装置为风力发电装置。

本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：

本发明实施例提出了一种微电网系统，该微电网系统包括：多个微电网子系统，微电网子系统包括：直流微电网和至少两个柔性变电站，柔性变电站包括：高压交流系统、高压直流系统和低压直流系统，高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间分别相连;直流微电网包括：高压直流母线和低压直流母线;多个微电网子系统通过高压直流母线互联成环，高压直流母线与高压直流系统连接，微电网子系统中的各柔性变电站的低压直流系统之间通过低压直流母线相连。本发明实施例提出的微电网系统通过将微电网子系统中的柔性变电站的高压交流系统、高压直流系统及低压直流系统互联成环，并通过高压直流母线将各微电网子系统连接，通过低压直流母线将微电网子系统中的各柔性变电站的低压直流系统连接，从而微电网系统中的各微电网子系统互为备用，各微电网子系统中的柔性变电站互为备用，当微电网系统中的一个或者几个微电网子系统出现故障时，除出现故障的微电网子系统之外，其他微电网子系统正常工作，当微电网子系统中的一个或者几个柔性变电站出现故障时，除出现故障的柔性变电站之外，其他柔性变电站正常工作，实现了负荷转供和环网潮流均衡，保证了配电网的持续供电能力。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例中微电网系统的一个具体示例的示意图;

图2为本发明实施例中微电网系统的另一个具体示例的示意图;

图3为本发明实施例中微电网子系统的一个具体示例的示意图。

发明专利要点简析：

1.一种微电网系统，其特征在于，包括：多个微电网子系统，所述微电网子系统包括：直流微电网和至少两个柔性变电站;

所述柔性变电站包括：高压交流系统、高压直流系统和低压直流系统，所述高压交流系统与高压直流系统之间、所述高压直流系统与低压直流系统之间、所述高压交流系统与低压直流系统之间分别相连;

所述直流微电网包括：高压直流母线和低压直流母线;

所述多个微电网子系统通过高压直流母线互联成环，所述高压直流母线与所述高压直流系统连接，所述微电网子系统中的各所述柔性变电站的低压直流系统之间通过所述低压直流母线相连。

2.根据权利要求1所述的微电网系统，其特征在于，所述柔性变电站还包括：低压交流系统，所述低压交流系统与所述低压直流系统相连，并通过机械电磁式变电站与所述高压交流系统相连。

3.根据权利要求2所述的微电网系统，其特征在于，所述高压交流系统设置有第一电压变换模块，用于将高压交流电变换为高压直流电，以及将所述高压交流电变换为低压直流电;

所述高压直流系统设置有第二电压变换模块，用于将所述高压直流电变换为低压直流电;

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“ 第一”、“ 第二”、“ 第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“ 相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种微电网系统，如图1所示，该微电网系统包括：多个微电网子系统，微电网子系统包括：直流微电网1和至少两个柔性变电站2，该柔性变电站2包括：

高压交流系统21、高压直流系统22和低压直流系统23，其中，高压交流系统21与高压直流系统22之间、高压直流系统22与低压直流系统23之间、高压交流系统21与低压直流系统23之间分别相连;该直流微电网1包括：高压直流母线11和低压直流母线12;多个微电网子系统通过高压直流母线11互联成环，高压直流母线11与高压直流系统22连接，微电网子系统中的各柔性变电站2的低压直流系统23之间通过低压直流母线12相连。

本发明实施例提出的微电网系统通过将微电网子系统中的柔性变电站2的高压交流系统21、高压直流系统22及低压直流系统23互联成环，并通过高压直流母线11将各微电网子系统连接，通过低压直流母线12将各柔性变电站2的低压直流系统23连接，从而微电网系统中的各微电网子系统互为备用，各微电网子系统中的柔性变电站2互为备用，当微电网系统中的一个或者几个微电网子系统出现故障时，除出现故障的微电网子系统之外，其他微电网子系统仍能够保持正常工作，且正常工作的微电网子系统可通过高压直流母线11为出现故障的微电网子系统提供电力支持，当微电网子系统中的一个或者几个柔性变电站2出现故障时，除出现故障的柔性变电站2之外，其他柔性变电站2仍能够保持正常工作，且正常工作的柔性变电站2可通过低压直流母线12为出现故障的柔性变电站2提供电力支持，从而整个微电网系统实现了负荷转供和环网潮流均衡，保证了配电网的持续供电能力。

在具体实施例中，多个微电网子系统通过高压直流母线11互联成环，可以是通过微电网子系统中的任意两个柔性变电站2中的高压直流系统22与相邻微电网子系统中任意两个柔性变电站2中的高压直流系统22分别相连，从而将微电网子系统之间建立联系，将多个微电网子系统互联成环。

[如图2和图3所示，在一较佳实施例中，上述柔性变电站2还包括：低压交流系统24，低压交流系统24与低压直流系统23相连，并通过机械电磁式变电站4与高压交流系统21相连。高压交流系统21通过设置于高压交流系统21的第一电压变换模块将高压交流电变换为高压直流电，将高压直流电发送至高压直流系统22，以及通过该第一电压变换模块将高压交流电变换为低压直流电，将低压直流电发送至低压直流系统23;高压直流系统22通过设置于高压直流系统22的第二电压变换模块将高压直流电变换为低压直流电，将低压直流电发送至低压直流系统23;低压直流系统23通过设置于低压直流系统23的第三电压变换模块将低压直流电变换为低压交流电，将低压交流电发送至低压交流系统24;低压交流系统24通过设置于低压交流系统24的第四电压变换模块将低压交流电变换为低压直流电，将低压直流电发送至低压直流系统23;低压直流系统23通过设置于低压直流系统23的第五电压变换模块将低压直流电变换为高压直流电，将高压直流电发送至高压直流系统22，以及将低压直流电变换为高压交流电，将高压交流电发送至高压交流系统21;高压直流系统22通过设置于高压直流系统22的第六电压变换模块将高压直流电变换为高压交流电，将高压交流电发送至高压交流系统21。本发明实施例中的柔性变电站2采用模块化设计，高压交流系统21、高压直流系统22、低压直流系统23和低压交流系统24分别属于一个模块，每个模块可在其他模块正常工作时独立检修。

如图2和图3所示，可选地，在本发明的其他实施例中，高压交流系统21通过机械电磁式变电站4将高压交流电变换为低压交流电，将低压交流电发送至低压交流系统24;低压交流系统24通过机械电磁式变电站4将低压交流电变换为高压交流电，将高压交流电发送至高压交流系统21。

需要说明的是，图1和图2仅示出了微电网系统包括三个微电网子系统的情形，在实际应用中，根据实际需要，微电网系统也可包括两个或多个微电网子系统(此处多个为大于三个)，本发明不以此为限。

在一实施例中，上述直流微电网1中的高压直流母线11为10kV直流母线，上述低压直流母线12为750V直流母线，直流微电网1还包括：直流供电装置13、直流储能装置14及直流负荷15;直流供电装置13通过第一直流变流器接入低压直流母线12，通过低压直流母线12将电能传输至低压直流系统23或直流储能装置14;直流储能装置14通过第二直流变流器接入低压直流母线12，通过低压直流母线12接收低压直流系统23或直流供电装置13传输的电能，将低压直流系统23或直流供电装置13传输的电能进行存储;当低压直流系统23发生障时，直流供电装置13或直流储能装置14向直流负荷15传输电能;直流负荷15通过第三直流变流器接入低压直流母线12，通过低压直流母线12接收低压直流系统23、直流供电装置13或直流储能装置14传输的电能。

在具体实施例中，上述直流供电装置13可以是光伏发电装置，上述第一直流变流器为直流供电变流器(DC/DC)，光伏发电装置通过直流供电变流器接入上述低压直流母线12;上述直流储能装置14包括储能电池组，上述第二直流变流器为直流储能变流器(DC/DC)，该直流储能变流器为双向变流器，储能电池组通过直流储能变流器接入上述低压直流

母线12，直流储能变流器能够进行储能电池组的直流充电或直流放电，直流储能装置14可以是固定储能装置，也可以是移动储能装置，如移动储能车，移动储能车作为后备储能的装置，在固定储能装置的调节能力不足时进行能量供给，保障了重要负荷的供电可靠性，并有效消纳光伏发电装置的间歇性发电，提高了微电网系统的经济性;上述直流负荷15包括电动汽车直流充电桩，上述第三直流变流器为电动汽车直流充放电变流器(DC/DC)，电动汽车直流充放电变流器为双向变流器，电动汽车直流充电桩通过电动汽车直流充放电变流器接入上述低压直流母线12，电动汽车直流充放电变流器能够进行电动汽车电池的直流充电或直流放电，可选地，上述直流负荷15还可以是其他的重要负荷或普通负荷。

如图3所示，上述微电网子系统还包括：交流微电网3，该交流微电网3包括：高压交流母线31、低压交流母线32、交流供电装置33、交流储能装置34及交流负荷35，高压交流母线31为10kV交流母线，低压交流母线32为380V交流母线。高压交流母线31与高压交流系统21相连，将高压交流电传输至高压交流系统21;交流供电装置33通过第一交流变流器接入低压交流母线32，通过低压交流母线32将电能传输至低压交流系统24或交流储能系统34;交流储能装置34通过第二交流变流器接入低压交流母线32，接收低压交流系统24或交流供电装置33传输的电能，将低压交流系统24或交流供电装置33传输的电能进行存储;当低压交流系统24发生故障时，交流供电装置33或交流储能装置34向交流负荷35传输电能;交流负荷35通过第三交流变流器接入低压交流母线32，接收低压交流系统24、交流供电装置33或交流储能装置34传输的电能。交流微电网3充分利用分布式能源(交流供电装置33)在电网故障情况下的持续供电能力，提升了微电网系统的供电可靠性，具备孤岛运行能力且自愈性高。

需要说明的是，图3仅示出了微电网子系统包括两个柔性变电站的情形，在实际应用中，根据实际需要，微电网子系统可以包括多个柔性变电站(此处多个为大于等于两个)，本发明不以此为限。

在具体实施例中，上述交流供电装置33可以是风力发电装置，上述第一交流变流器为交流供电变流器(AC/AC)，交流供电装置通过交流供电变流器接入上述低压交流母线32;上述第二交流变流器为交流储能变流器(AC/AC)，该交流储能变流器为双向变流器，交流储能装置34通过交流储能变流器接入上述低压交流母线32，交流储能装置34可以是固定储能装置，也可以是移动储能装置，如移动储能车，移动储能车作为后备储能的装置，在固定储能装置的调节能力不足时进行能量供给，保障了重要负荷的供电可靠性;上述交流负荷35包括电动汽车交流充电桩，此时，上述第三交流变流器为电动汽车交流充放电变流器(AC/AC)，电动汽车交流充放电变流器为双向变流器，电动汽车交流充电桩通过电动汽车交流充放电变流器接入上述低压交流母线32，电动汽车交流充放电变流器能够进行电动汽车电池的交流充电或交流放电，可选地，交流负荷35还可以是其他的重要负荷或普通负荷。

在一较佳实施例中，直流微电网1和交流微电网3可分别通过上述第一直流变流器至第三直流变流器和第一交流变流器至第三交流变流器的变流器阀实现对故障电流的快速闭锁，从而切断和隔离故障电流。

在一较佳实施例中，上述高压交流系统21、高压直流系统22、低压直流系统23和低压交流系统24分别设置有高压交流接口(10kV/AC)、高压直流接口(10kV/DC)、低压直流接口(750V/DC)和低压交流接口(380V/AC)，高压交流母线31通过高压交流接口(10kV/AC)连接高压交流系统21，高压直流母线11通过高压直流接口(10kV/DC)连接高压直流系统22，低压直流母线12通过低压直流接口(750V/DC)连接低压直流系统23，低压交流母线32通过低压交流接口(380V/AC)连接低压交流系统24。

上述直流微电网1通过柔性变电站2的接口实现与交流微电网3的能量流动，具体地，直流微电网1通过高压直流接口或低压直流接口将直流电能传输至柔性变电站2，柔性变电站2通过内部各系统实现电能直流到交流的转换，然后通过高压交流接口或低压交流接口将交流电能传输至交流微电网3，或者，交流微电网3通过高压交流接口或低压交流接口将交流电能传输至柔性变电站2，柔性变电站2通过内部各系统实现电能交流到直流的转换，然后通过高压直流接口或低压直流接口将直流电能传输至直流微电网1。通过该过程，实现了直流微电网1和交流微电网3之间的能量流动，从而使得直流供电装置13能够将自身产生的电能通过柔性变电站2输送至交流微电网3中，直流储能装置14也能够将剩余的电能通过柔性变电站2输送至交流微电网3中，交流供电装置33能够将自身产生的电能通过柔性变电站2输送至直流微电网1中，交流储能装置34也能够将剩余的电能通过柔性变电站2输送至直流微电网1中，提高了微电网子系统的灵活性。

本发明实施例提供的微电网系统，采用基于柔性变电站2的环网及交直流互补型结构，实现了分布式能源、交直流多元化负荷的灵活接入，促进了分布式能源与可再生能源的大规模接入，实现了对负荷多种能源形式的高可靠供给以及可再生能源100%消纳，实现了能源的100%消纳及满足≥99.99%供电可靠性，实现了不同电压等级、不同供电区域的故障隔离，提高了微电网系统的可靠性，有效解决了现有配电网只能提供交流电压、供电模式单一的问题，提高了配电网的灵活性和可控性;微电网子系统中的柔性变电站具备网络重构与自愈、交直流分级供电和负荷控制、可再生能源“ 即插即用”等功能;柔性变电站中的高压交流系统与高压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、低压直流系统与低压交流系统之间均能够实现功率双向流动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

所述低压直流系统设置有第三电压变换模块，用于将所述低压直流电变换为低压交流电;

所述低压交流系统设置有第四电压变换模块，用于将低压交流电变换为低压直流电;

所述低压直流系统设置有第五电压变换模块，用于将所述低压直流电变换为高压直流电，以及将所述低压直流电变换为高压交流电;

所述高压直流系统设置有第六电压变换模块，用于将所述高压直流电变换为高压交流电。

4.根据权利要求2或3所述的微电网系统，其特征在于，所述高压交流系统通过所述机械电磁式变电站将高压交流电变换为低压交流电，所述低压交流系统通过所述机械电磁式变电站将低压交流电变换为高压交流电。

5.根据权利要求1所述的微电网系统，其特征在于，所述直流微电网还包括：直流供电装置、直流储能装置及直流负荷;

所述直流供电装置通过第一直流变流器接入所述低压直流母线，通过所述低压直流母线将电能传输至所述低压直流系统或直流储能系统;

所述直流储能装置通过第二直流变流器接入所述低压直流母线，通过所述低压直流母线接收所述低压直流系统或直流供电装置传输的电能，将所述低压直流系统或直流供电装置传输的电能进行存储;

当所述低压直流系统发生故障时，所述直流供电装置或直流储能装置向所述直流负荷传输电能;所述直流负荷通过第三直流变流器接入所述低压直流母线，通过所述低压直流母线接收所述低压直流系统、直流供电装置或直流储能装置传输的电能。

6.根据权利要求5所述的微电网系统，其特征在于，所述直流供电装置为光伏发电装置。

7.根据权利要求5或6所述的微电网系统，其特征在于，所述直流储能装置包括：固定储能装置和移动储能装置。

8.根据权利要求1所述的微电网系统，其特征在于，所述微电网子系统还包括：交流微电网，所述交流微电网包括：高压交流母线、低压交流母线、交流供电装置、交流储能装置及交流负荷;

所述高压交流母线与所述高压交流系统相连，将高压交流电传输至所述高压交流系统;

所述交流供电装置通过第一交流变流器接入所述低压交流母线，通过所述低压交流母线将电能传输至所述低压交流系统或交流储能系统;

所述交流储能装置通过第二交流变流器接入所述低压交流母线，接收所述低压交流系统或交流供电装置传输的电能，将所述低压交流系统或交流供电装置传输的电能进行存储;

当所述低压交流系统发生故障时，所述交流供电装置或交流储能装置向所述交流负荷传输电能;

所述交流负荷通过第三交流变流器接入所述低压交流母线，接收所述低压交流系统、交流供电装置或交流储能装置传输的电能。

9.根据权利要求8所述的微电网系统，其特征在于，所述交流供电装置为风力发电装置。