CN109120010A - 一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，主要由分布式电源（19）、储能电池（20）、交直流混合串联型能量路由器（8）、直流传感器（15）和串并联连接通道（P1‑1/2、P2、P3、P4、P5）等部分组成；并采用以串联方式接入用户侧交流母线为主、直流母线单向并联为辅的主连接架构，根据负荷重要性等级、分布式电源（19）、储能电池（20）、负载需求等综合因素，通过交直流混合串联型能量路由器（8）来执行控制策略，实现面向分级负荷和不同时段的多路径交直流混合供电，优化了通信基站的的供电结构和储能后备保障能力，提高了通信基站的清洁能源接入比例和较大程度地改善了供电可靠性。
Description
技术领域
本专利为一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，适用于已有市电供电的通信基站，可实现同时或分时与市电交流母线串联运行和基站内部直流母线并联运行的微电网复合供电***。
背景技术
微电网是基于局部配电网建设的，风、光、天然气等各类分布式能源多能互补，具备较高的新能源电力接入比例，可通过储能和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，比分布式能源具有更高的稳定性和可靠性，更为可控，也可根据需要与公共电网灵活互动，且能够相对独立运行的智慧型能源综合利用局域网。微电网可充分有效地发挥分布式清洁能源潜力，减少分布式电源（19）容量小、发电功率不稳定、独立供电可靠性低等不利因素，确保电网安全运行，是大电网的有益补充；微电网可以促进传统产业的升级换代，从经济环保的角度也可以发挥巨大作用。
微电网储能电池（20）的一个重要作用就是平滑光伏或其他发电不稳定的分布式电源（19）的电力输出，提升光伏发电电能质量；同时，在市电存在分时电价和峰谷电价合理价差的基站，可以利用低价的谷电时间段为微电网储能电池（20）充电，在高价的高峰时间段使储能电池（20）向负载放电，降低用户用电成本，减少电网峰谷时间段不平衡度，支持和改善电网分时段的经济运行能力。
目前，通信基站机房供电一般由市电提供，而市电供应的可靠性受天气变化和地理条件变化的影响较大，在地震、强风、暴雨、高温和低温、非自然性因素对供电影响等条件下，基站供电安全的响应处理工作均较为被动，很大程度上依赖事故后或故障后的代维公司响应速度和现场人员素质，巡检和应急服务成本很高；作为通信应急电源的48V通信后备电池，由于工作多年应急供电时间缩短、面临老化退服的问题，应急供电时间短，面临退服的通信后备电池已经不能满足现有电网异常工作时基站的供电需求，从而对基站通信负载的可靠运行提出了很大挑战；同时，三大运营商和铁塔公司现有机房设施相关设施大修年限、机房蓄电池定期维护程度及蓄电池寿命更新或管理，已经成为越来越迫切的影响运营商和铁塔公司服务基础安全的突出问题。
通信基站是用来建设与布置移动通信***或通信网络的核心设备的重要场所，属于国家基础战略通信设施，通过微电网技术引入更多清洁能源、改善其能源结构、增强其用电稳定性和后备电源保障能力，具有重要的社会意义和经济意义。
本专利是对目前现有通信基站供电***进行的微电网技术升级，是在原有市电供电***电路的基础上采用以串联方式接入用户侧交流母线为主、直流母线单向并联为辅的主连接架构，增加了微电网的交流串联通道和直流并联通道，强化了峰谷差效益利用，降低用电成本，延长现有通信后备电池的寿命；同时，通过最大程度地引入清洁能源，改善了基站用电的能源结构，在增强其用电稳定性和可靠性的同时，大幅度提升了面向分级负荷的分级后备电源保障能力。
现有专利及文献对比：
1.一种多能互联交直流混合微电网***：公开号CN206388228U，实用新型专利，主要强调对AC、DC母线的多能源接入主拓扑，***复杂，不具实时负载运行特性。对比本专利，重点基于能量路由器，有重要接口及功能描述，储能电池充电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，具实时监测特性，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
2.交直流混合微电网双向DC—AC互联装置智能控制方法：公开号CN106786599A，发明专利，主要强调双向AC-DC变流器的控制软件实现方法。对比本专利，重点是基于基站供电的改良，对交直流供配电的通路存在优先次序。
3.一种交直流混合微电网***：公开号CN20CN204316103U4316103U，实用新型，主要针对直流母线、交流母线外挂多种负载及能源，***复杂，应用在中压400VDC母线***，重点交直流负载供电无优先级。对比本专利，是基于能量路由器，重点针对基站低压直流48V母线***及交流220/380V母线***，其中多功能DC-DC模块（13）具有至少3个端口，对一二级直交流负荷供电存在优先次序，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
4.一种交直流混合微电网***及其控制策略：公开号CN104505867A，发明专利，主要针对直流母线、交流母线外挂多种负载及能源，***复杂，应用在中压400VDC母线***，重点交直流负载供电无优先级。对比本专利，是基于能量路由器，重点针对基站低压直流48V母线***及交流220/380V母线***，其中多功能DC-DC模块（13）具有至少3个端口，对一二级直交流负荷供电存在优先次序，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
5.基于分布式母线结构的交直流混合微电网***：公开号CN205429765U，实用新型，是一种两级直流母线、1交流母线的拓扑，通过1个2个端口的双向DC-DC进行转化，1个2口的AC-AC进行转化。对比本专利，是基于能量路由器，重点针对基站低压直流48V母线***及交流220/380V母线***，其中多功能DC-DC模块（13）具有至少3个端口，对一二级直交流负荷供电存在优先次序，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
6.一种基于交直流混合微电网的多母线居民区供电***：公开号CN205489531U，实用新型，是一种三级直流母线、1交流母线的拓扑，通过1个2个端口的双向DC-DC进行转化，1个2口的AC-AC进行转化。对比本专利，是基于能量路由器，重点针对基站低压直流48V母线***及交流220/380V母线***，其中多功能DC-DC模块（13）具有至少3个端口，对一二级直交流负荷供电存在优先次序，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
7.利用新能源汽车给通信基站供电的***及方法：公开号CN107171400A，发明专利，是利用新能源汽车给通信基站供电的***及方法，主要针对DC-DC部分的直流供电，无交流供电说明。对比本专利，重点基于能量路由器，有光储单元，对储能电池充电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，具实时监测特性，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
8.通信基站供电***：公开号CN102142793A，发明专利，负载供电不存在优先级控制，对主控单元的组成无详细说明。对比本专利，是基于能量路由器，有重要接口及功能描述，储能电池充放电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，具实时监测特性，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
9.一种通信基站储能供电***：公开号CN206506347U，实用新型，负载供电不存在优先级控制，需经过储能电池单元后再输出至负载，对交流用电有电无调峰填谷说明，并联点在基站交流侧。对比本专利，是基于能量路由器，有重要接口及功能描述，储能电池充放电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，交直流供电，并具有对交流用电有调峰填谷的功能，并联点在基站开关电源交、直流母线侧。
10.通信基站光伏双极化供电***：公开号CN206559137U，实用新型，在市电断电、光伏不工作时完全依赖现有基站的电池组，仅支持直流应急供电，应急时间受电池组影响大。对比本专利，是基于能量路由器，可外接额外的储能以支撑微电网，有重要接口及功能描述，储能电池充放电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，交直流供电并具有对交流用电有调峰填谷的功能，串联型架构在电网断电仍可实现交直流供电。
11.通信基站用混合供电及储能***：公开号CN206135525U，实用新型，新增1电源的并联点接入在交流市电侧，对风光互补控制器无具体实现框图，新增2电源并联点分别在基站低压直流48V母线、用户电表与之间交流基站开关电源前的220/380V母线。对比本专利，是基于能量路由器，有重要接口及功能描述，直流接口如储能电池充电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。串联型架构在电网断电仍可实现交直流供电。
通信基站新能源供电***优化改造实例分析：《2017年中国通信能源会议》2017/9/7中国北京TN929.5，主要对基站供电的直流母线供电及用电负载实例应用进行表述，具体对如何调配各能源无具体实现描述。对比本专利，是重点基于能量路由器，有重要接口及功能描述，储能电池充电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，具实时监测特性，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
13.分布式电源接入用户及用户侧微电网双向电能计量问题_申展：《南方电网技术》2015年底9卷第4期（https://wenku.***.com/view/293a98f66394dd88d0d233d4b14e852459fb3957.html）强调户用计量，不强电供电方式。对比本专利，是重点基于能量路由器，有重要接口及功能描述，储能电池充电、一二级直交流负荷供电存在优先次序，具实时监测特性，并具有对交流用电有调峰填谷的功能。
发明内容
一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，主要由分布式电源（19）、储能电池（20）、交直流混合串联型能量路由器（8）、直流传感器（15）和串并联连接通道（P1-1/2、P2、P3、P4、P5）等部分组成；并采用以串联方式接入用户侧交流母线为主、直流母线单向并联为辅的主连接架构，根据负荷重要性等级、分布式电源（19）、储能电池（20）、负载需求等综合因素，通过交直流混合串联型能量路由器（8）来执行控制策略，实现面向分级负荷和不同时段的多路径交直流混合供电，优化了通信基站的的供电结构和储能后备保障能力，提高了通信基站的清洁能源接入比例和较大程度地改善了供电可靠性。
其中，交直流混合串联型能量路由器（8）主要由开关2（9）、电能计量表（10、16）、二极管（11）、能量路由器控制模块（12）、多功能DC/DC模块（13）、AC/DC/AC模块（14）（包含单向AC/DC模块、单向DC/AC模块）、开关3（15）、多MPPT-DC/DC模块（17）组成，对应串并联连接通道（P1-1/2、P2、P3、P4、P5引出端线）的是单向交流功率输入接口（P1-1）、单向交流功率输出接口（P1-2）、单向直流功率输出接口（P2）、传感器信号接口（P3）、分布式电源接口（P4）、储能电池接口（P5）。
其中，原有基站的供电***包含配电网（1）、配电变压器（2）、开关1（3）、用户交流电表（4）、基站开关电源/整流模块（5）、通信后备电池（6）、多路直流负载（7-1）、其他交流负载（7-2）。其中把母线1（AC220/380V）定义在配电网（1）与配电变压器（2）之间，把母线2（AC220/380V）定义在用户交流电表（4）输出与基站开关电源/整流模块（5）、其他交流负载（7-2）的交流输入之间，把母线3（Ve/额定DC48V）定义在基站开关电源/整流模块（5）的直流输出与通信后备电池（6）之间。
其中，本专利把母线4（Vs/DC）定义在单向直流功率输出接口（P2）的输出与母线3之间，把原有用户交流电表（4）的输出与母线2断开，把单向交流功率输入接口（P1-1）连接至用户交流电表（4）输出端，把单向交流功率输出接口（P1-2）输出端连接至母线2，把单向直流功率输出接口（P2）的输出信号定义为一级负荷储能后备输出（直流），单向交流功率输出接口（P1-2）的输出信号定义为二级负荷峰谷差利用输出（交流）。
其中，直流传感器（15）串联在通信后备电池（6）与多路直流负载（7-1）之间，一级负荷储能后备输出（直流）并联在原有的直流输出母线3上，二级负荷峰谷差利用输出（交流）信号串联在原有的母线2上，即为交流母线串联、直流母线并联设计。
其中，母线4电压高于母线3，多MPPT-DC/DC（1......N）输出的端口（P5-1......N）电压高于AC/DC/AC模块（14）输出端口（P5-GC）的电压。
其中，交直流混合串联型能量路由器（8）融合了光伏等分布式电源输入、储能单元接口、用电计量单元，具备对输出的一二级负荷的交直流功率调节与控制及用电计量的功能；其单向交流功率输入接口（P1-1）为单向接口，用以从电网获取电能，实现从配电网（1）→交直流混合串联型能量路由器（8）→储能电池（14）的充电功能；单向交流功率输出接口（P1-2）为单向接口，用以由储能电池（20）→交直流混合串联型能量路由器（8）→母线2放电功能。单向直流电表（10），用于对一级负荷向直流母线3单向输电的直流电量进行计量。用户交流电表（4）用于交流配电网（1）的供电计量。单向交流电表（16）用于对向母线2交流侧放电的电量进行单向计量。
其中，交直流混合串联型能量路由器（8）的单向交流功率输入接口（P1-1）和单向交流功率输出接口（P1-2）之间存在微电网故障旁路开关3（15），当直流混合串联型微电网***故障时，可自动接通，实现原有市电供电线路的恢复接通。
本专利的优势在于：
1、通过交直流混合串联型微电网储能配置实现的缓冲作用，大幅度提高了分布式电源（19）（光伏或风力发电等）的出力稳定性，提高清洁能源资源接入比例和利用效率。
2、由于微电网在用户侧交流母线以串联方式接入，微电网***可以直接实现无逆流运行，同时由交直流混合串联型能量路由器（8）计算对储能电池（20）放电功率实施控制，可实现保证清洁能源所放电能全部被本地负载消纳或存储，实现源荷储平衡。
3、在无法引入分布式电源（19）的应用场景，可通过AC/DC/AC模块（14），实现用电峰谷差利用，可适当降低峰谷电价总体费用。
4、交直流混合串联型微电网采用的供电控制策略是，优先使用包括光伏发电在内的分布式清洁能源、其次市电谷电、必要时由储能电池（20）放电补充、分布式清洁能源发电盈余给储能电池（20）充电，根据交流负载和直流负载的情况，以供电可靠性为原则，灵活配置工作模式。
5、本发明以串联接入交流母线的形式，使原有基站供电***增加了带有储能电池（20）的交流供电能力，在市电断电时，交流电可以无缝补充和支撑全部交流负载，使供电可靠性得到显著提升；并通过交直流混合串联型能量路由器（8）增加1路直流并联供电路径，保障一级负荷以最高优先级直接使用后备电源，延长了一级直流负荷的后备时间，优化了通信基站的的供电结构，提高了通信基站的供电可靠性。
附图说明
图1为本专利所述的一种应用于基站领域的交直流混合串联型微电网***功能示意图；其中，
配电网（1） 配电变压器（2） 开关1（3）
用户交流电表（4） 基站开关电源/整流模块（5） 通信后备电池（6）
多路直流负载（7-1） 其他交流负载（7-2）
交直流混合串联型能量路由器（8） 直流直流传感器（15）
分布式电源（19） 储能电池（20）
母线1（AC220/380V） 母线2（AC220/380V）
母线3（Ve/额定DC48V） 母线4（Vs/DC）；
开关1（3） 为交流开关；
m≥2、n≥2、N≥2；
图2为交直流混合串联型能量路由器（8）的功能示意图；其中，
开关2（9） 单相直流电表（10） 二极管（11）
能量路由器控制模块（12） 多功能DC/DC（13） AC/DC/AC模块（14）
开关3（15） 单向交流电表（16） 多MPPT-DC/DC（17）
开关2（9）为直流开关，开关3（15）为微电网故障旁路交流开关；
图3为本专利对用电采用削峰填谷技术的用电改良曲线示意对比；
具体实施方式
结合附图1、图2、图3，具体实现情况如下：
其中母线1（AC220/380V）常规连接到配电网（1）—市电，也可接外接燃油机作为应急电源。母线3（Ve/额定DC48V）为通信后备电池（6）的直流母线。
现有基站的供电***采用常规配电网（1）供电，当电网停电时，基站通信后备电池（6）启动直流48V母线3供电。而目前存在的问题是，目前通信基站内作为通信应急电源的48V通信后备电池（6），由于工作多年应急供电时间缩短、面临老化退服的问题。基站通信后备电池（6）必要时可启用燃油机，但需要人工携带至基站现场并人工启动，这样存在操作不方便、应急供电反应不及时的问题。
本专利采用的光储交直流混合串联型微电网***：
在原基站供电***的基础上增加了交直流混合串联型基站微电网，增加了分布式发电与储能功能。关键点说明如下：
1.开关3（15）作为交直流混合串联型能量路由器（8）的故障旁路开关，并且开关3与开关2实现互锁，二者不同时动作。当交直流混合串联型基站微电网正常工作时开关2闭合，开关3常开。当微电网故障发生时，开关3才闭合，将自动旁路到与原有的配电网（1）—市电的连接状态，开关2断开。
2.交直流混合串联型能量路由器（8）控制母线4电压高于母线3，多MPPT-DC/DC（1......N）输出端口（P5-1......N）电压高于AC/DC/AC模块（14）输出端口（P5-GC）的电压。
3.交直流混合串联型能量路由器（8）根据光伏输入的实时功率、储能电池的实时电量、基站多路直流负载的输出、用电峰谷情况来进行不同工作模式的切换。所述工作模式包含光伏供电、储能电池放电、储能电池充电、配电网供电。最终由交直流混合串联型能量路由器（8）实现优先使用光伏发电、其次是配电网发电、必要时储能电池放电补充、光伏发电盈余储能电池充电的控制策略。且对于储能电池（20），优先光伏充电、其次配电网谷电（最低电价）充电，优先峰电（最高电价）时储能电池放电。
4.负载的供电优先采用一级负荷储能后备输出（直流），其次采用二级负荷后备输出（交流），即交直流混合串联型能量路由器（8）评估可用电能及交直流负载情况后，在电量充足时，可供应一级负荷储能后备输出（直流）、二级负荷后备输出（交流）；在电量不足时，优先一级负荷储能后备输出（直流）。
5.为确保交直流混合串联型能量路由器（8）对交直流信号的准确控制，对于直流直流传感器（15）对母线3的直流电压采集、直流负载电流采集，电压采样精度建议不低于1%，电流采样精度建议不低于1%。
6.外部条件适合安装光伏组件时，可安装光伏组件，或用风力发电机群代替，经多MPPT-DC/DC模块（17）给一级负荷储能后备输出（直流）供电，同时给储能电池（20）充电。外部条件不适合安装光伏组件时，MPPT-DC/DC模块（17）部分均可选择不安装。储能电池（20）电能仅由配电网（1）即市电提供。
7.当电网有电时：优先使用光伏发电、其次是配电网发电给一级负荷供电，当光伏发电盈余给储能电池充电，必要时通过交直流混合串联型能量路由器（12）向母线2输电给二级负荷供电，以进行峰谷电价调节。当配电网（1）断电时，优先使用光伏发电供优先一级负荷储能后备输出（直流），必要时启用储能电池（20）放电，也支持二级负荷后备输出（交流）供电（通过储能电池放电），起到UPS功能。
8.当微电网生故障时，交直流混合串联型能量路由器（8）内的开关3闭合，将自动旁路到与原有的配电网（1）—市电的连接状态，一级直流负荷、二级负荷均有配电网（1）供电。
9.从图3可以明确看出，采用削峰填谷技术，用电曲线处于平稳状态，明显降低了对电网的冲击，可适当降低峰谷电价总体费用。
由上，对于本专利所述的一种应用于基站领域的光储交直流混合串联型微电网，本领域技术人员在不脱离本专利的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，主要由分布式电源（19）、储能电池（20）、交直流混合串联型能量路由器（8）、直流传感器（15）和串并联连接通道（P1-1/2、P2、P3、P4、P5）等部分组成；并采用以串联方式接入用户侧交流母线为主、直流母线单向并联为辅的主连接架构，根据负荷重要性等级、分布式电源（19）、储能电池（20）、负载需求等综合因素，通过交直流混合串联型能量路由器（8）来执行控制策略，实现面向分级负荷和不同时段的多路径交直流混合供电，优化了通信基站的的供电结构和储能后备保障能力，提高了通信基站的清洁能源接入比例和较大程度地改善了供电可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，其特征在于，包含至少1路单向交流电源串行输入、至少1路单向交流电源串行输出和至少1路单向直流电源输出；其中，单向交流电源串行输入，从配电变压器（2）经用户交流电表（4）作为交流功率接入，至交直流混合串联型能量路由器（8）的单向交流功率输入接口（P1-1）；单向交流电源串行输出，从交直流混合串联型能量路由器（8）的单向交流功率输出接口（P1-2）,馈出到用户侧交流母线2，且交直流混合串联型能量路由器（8）的单向交流功率输入接口（P1-1）和单向交流功率输出接口（P1-2）之间存在微电网故障旁路开关3（15），当交直流混合串联型微电网故障时，可自动接通，实现原有市电供电线路的恢复接通。
3.根据权利要求1所述的一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，其特征在于，与用户侧直流母线3采用并联连接、且功率方向为单向，既可从分布式电源（19）经交直流混合串联型能量路由器（8）向用户侧直流母线3馈电，又可从储能电池（20）经交直流混合串联型能量路由器（8）向用户侧直流母线3馈电。
4.根据权利要求1所述的一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，其特征在于，交直流混合串联型能量路由器（8）包含至少2路分布式能源单向输入功率接口、至少1路单向AC/DC功率输入接口、至少1路单向DC/AC功率输出接口、至少1路单向直流输出功率接口、至少1路储能电池（20）直流连接通道；交直流混合串联型能量路由器（8）由至少1路单向AC/DC模块、至少1路单向DC/AC模块、至少2路多MPPT-DC/DC子模块和1个高频隔离型多功能DC/DC模块，并经控制总线由能量路由器控制模块（12）（包含控制器/控制策略表）进行协同控制组成。
5.根据权利要求4所述的交直流混合串联型能量路由器（8），其特征在于，多功能DC/DC模块（13）具有至少2个输入端与多MPPT-DC/DC模块（17）的输出端分别连接、至少有1个输入端与储能电池（20）连接，多功能DC/DC模块（13）的输出端经二极管（11）和开关2（9）的串联通道形成直流母线4，与用户侧直流母线3进行并联连接；多MPPT-DC/DC模块（17）的输入端与分布式电源（19）多个输出端分别连接，多MPPT-DC/DC模块（17）的多个输出端与储能电池（20）连接，且仅作为单向充电通道连接。
6.根据权利要求4所述的交直流混合串联型能量路由器（8），其特征在于，1个单向AC/DC模块和1个单向DC/AC模块可采用同一套使用相同直流母线的非隔离型电力电子装置实现，且在三相不平衡负荷条件下，单向DC/AC可采用三相四桥臂的硬件结构，实现三相不平衡输出。
7.根据权利要求5所述的多MPPT-DC/DC模块（17），其特征在于，其内部包含最多两组串联的DC/DC非隔离型BOOST或BOOST-BUCK变换器，其输入即分布式能源单向输入功率接口。
8.根据权利5要求的开关2（9）、开关3（15），其特征在于，可同时采用空气开关、继电器、电力电子开关中的任意2种或3种的串联组合，并受能量路由器控制模块（12）控制。
9.根据权利要求1所述的一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，其特征在于，储能电池（20）的电压范围是直流12~1000VDC；分布式电源（19）为可选的光伏组串或小型风力发电机群，具有直流功率输出能力，且每组串电池板的至少包含1片光伏组件，经分布式能源单向输入功率接口接入交直流混合串联型能量路由器（8）。
10.根据权利要求1所述的一种应用于通信基站领域的交直流混合串联型微电网，其特征在于，直流传感器（15）采集的是直流信号；其中，直流直流传感器（15）连接点位于基站开关电源直流输出侧的直流母线3，进行母线电压和负载电流信号采集，且电压和电流采样精度不低于1%。
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