CN112994064A - 一种分布式低压直流供电网络拓扑结构 - Google Patents

一种分布式低压直流供电网络拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，包括交流供电模块、若干个第一直流供电***、若干个第二直流供电***和若干个分布式模块，所述交流供电模块包括第一交流供电单元和第二交流供电单元，所述第一交流供电单元和第二交流供电单元之间通过交流联络开关相连；各分布式模块的第一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，第二端与第一直流供电***相连，第三端与第二直流供电***相连。本发明在交流供电模块、分布式模块和直流供电***侧均采用电源冗余、网络结构互备，提高变电站直流供电和数据中心直流供电可靠性。

Description

一种分布式低压直流供电网络拓扑结构
技术领域
本发明涉及智慧能源变电站内直流供电***领域，具体涉及一种分布式低压直流供电网络拓扑结构。
背景技术
国家电网公司目前着力建设泛在电力物联网，变电站是电网企业的核心资源，在承担电力输配和地区电力供应方面发挥着重要的枢纽作用。依托广泛分布的变电站，建设变电站、储能站、数据中心站、光伏站、充电站等多种功能模块集成的智慧能源站，是泛在电力物联网的关键组成部分。
智慧能源站在集成储能站、数据中心站、光伏站和充电站的同时面临站用电***如何合理规划的技术难题。储能站作为电网调频调压和调峰的主要能量存储介质，实际运行时大部分时间处于热备用状态，而数据中心服务器供电可靠性要求很高，在配置冗余电源的同时需要配置可靠的备用UPS电源。同时储能电站和数据中心由于采用模块化建设，不同时期建设规模不同，如采用集中式供电建设，前期投资较大。光伏站利用智慧能源站内建筑物屋顶和集装箱箱顶等分布式建设，采用分布式光伏逆变器集中接入交流侧，需要再经多级变换才能用于变电站设备、数据中心等直流负荷。储能站、数据中心站用电需求量很大，原超原变电站站用电使用规模，采用集中式供电站用电建设规模和效率都无法达到最优。
集中式供电方式面临的主要问题：
(1)数据中心单个微模块用电量较大，采用直流240供电电压，受限于容量同样需要建设多个同等规模的集中式供电模块才能满足数据中心电源需求。
(2)直流母线需要独立分配储能单元给供电***使用，不能纳入储能站整体规划，与传统的UPS方式相比，只是将原有的铅酸电池更换为同储能站一样的锂电池，没有达到储能站与数据中心UPS融合的目的。
(3)集中式方案同样需要单独配置用于数据中心的大容量站用变，与数据中心IT设备微模块的模块化建设不能合理匹配，势必造成投资的扩大，设备的利用率降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，在交流供电模块、分布式模块和直流供电单元侧均采用电源冗余、网络结构互备，提高变电站直流供电和数据中心直流供电可靠性。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，包括：
交流供电模块，包括第一交流供电单元和第二交流供电单元，所述第一交流供电单元和第二交流供电单元之间通过交流联络开关相连；
若干个第一直流供电***；
若干个第二直流供电***；
若干个分布式模块，各分布式模块的第一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，第二端与第一直流供电***相连，第三端与第二直流供电***相连。
作为本发明的进一步改进，所述第一交流供电单元包括第一主变压器和第一交流母线，所述第一主变压器的一端用于连接上级电网，从上级电网获取交流能量，另一端与所述第一交流母线相连，提供交流能量；
所述第二交流供电单元包括第二主变压器和第二交流母线，所述第二主变压器的一端用于连接上级电网，另一端与所述第二交流母线相连，提供交流能量。
作为本发明的进一步改进，所述分布式模块包括：
储能变压器，一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，用于分布式模块与交流供电模块之间交换能量；
多端口变流器，第一端与所述储能变压器相连，第二端与第一直流供电***相连，第三端与第二直流供电***相连；
储能单元，与所述多端口变流器相连，用于通过多端口变流器储能或提供直流电源。
作为本发明的进一步改进，所述第一直流供电***包括：
第一直流一段母线，与同第一交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第一直流二段母线，与同第二交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第一直流联络开关，设于所述第一直流一段母线和第一直流二段母线之间；
正常运行时，所述第一直流一段母线和第一直流二段母线分列运行，故障时合上所述第一直流联络开关，实现1个多端口变流器同时向第一直流一段母线和第一直流二段母线同时供电。
作为本发明的进一步改进，所述第二直流供电***包括：
第二直流一段母线，与同第一交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第二直流二段母线，与同第二交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第二直流联络开关，设于所述第二直流一段母线与第二直流二段母线之间；
正常运行时，所述第二直流一段母线和第二直流二段母线分列运行，故障时合上所述第二直流联络开关，实现1个多端口变流器向第二直流一段母线和第二直流二段母线同时供电。
作为本发明的进一步改进，所述多端口变流器包括AC/DC变换单元和若干个DC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元与所述储能变压器相连，各DC/DC变换单元的输入端均与所述AC/DC变换单元相连，各DC/DC变换单元的输出端分别与对应的储能单元、第一直流供电***和第二直流供电***相连。
作为本发明的进一步改进，所述分布式低压直流供电网络拓扑结构还包括分布式光伏和直流充电桩，所述分布式光伏和直流充电桩分别与对应的DC/DC变换单元相连。
作为本发明的进一步改进，所述DC/DC变换单元包括DC750V/DC220V模块、DC750V/DC240V模块、DC750V/DC600V模块；
所述DC750V/DC220V模块的220V端与所述第一直流供电***相连；
所述DC750V/DC240V模块的240V端与所述第二直流供电***相连；
所述DC750V/DC600V模块的600V端与所述储能单元相连。
作为本发明的进一步改进，所述分布式低压直流供电网络拓扑结构还包括若干个变电站直流负荷和数据中心微模块；
各变电站直流负荷分别与对应的第一直流供电***相连；
各数据中心微模块分别与对应的第二直流供电***相连。
作为本发明的进一步改进，所述储能单元包括多个锂电池，并由各锂电池经串并联组成形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提出一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，在交流供电模块、分布式模块和直流供电单元侧均采用电源冗余、网络结构互备，提高变电站直流供电和数据中心直流供电可靠性。
本发明提出一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，采用的是智慧能源站直流供电电源的分布式建设模式，可根据储能站和数据中心建设规模，匹配建设相同规模的分布式供电单元，避免采用集中供电方案时前期需按远期规模一次建设，工程初期建设减少投资。
本发明提供的分布式低压直流供电网络拓扑结构，实现了将现有技术中变电站直流电源、储能站储能电源和数据中心UPS相互融合，精简了站内供电设备和储能设备，并提高了相关设备的使用效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明中一种分布式低压直流供电网络拓扑结构示意图；
图2是本发明中多端口变流器结构示意图；
图3是本发明中第一直流供电***示意图；
图4是发明中第二直流供电***示意图；
其中：
1：交流供电模块；2：第一交流母线；3：交流联络开关；4：第二交流母线；5：分布式模块；11：第一主变压器；12：第一直流供电***；13：变电站直流负荷；21：第二主变压器；22：第二直流供电***；23：数据中心微模块；51：储能单元；52：多端口变流器；53：储能变压器；54：直流充电桩；55：分布式光伏；121：第一直流一段母线；122：第一直流联络开关；123：第一直流二段母线；221：第二直流一段母线；222：第二直流联络开关；223：第二直流二段母线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明中提供了一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，以分布式模块为核心，通过交直流变换构成智慧能源站多个分布式低压直流供电网络，用于变电站直流负荷和数据中心微模块按区域化、模块化、分布式直流供电。
如图1所示，具体包括：
交流供电模块1，包括第一交流供电单元和第二交流供电单元，所述第一交流供电单元和第二交流供电单元之间通过交流联络开关3相连；
若干个第一直流供电***12；
若干个第二直流供电***22；
若干个分布式模块5，各分布式模块5的第一端分别第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，第二端与对应的第一直流供电***12相连，第三端与对应的第二直流供电***22相连。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，采用的变电站为220KV变电站，所述第一交流供电单元包括第一主变压器11和第一交流母线2，所述第一主变压器11的一端用于连接上级电网，从上级电网获取交流能量，另一端与所述第一交流母线2相连，提供交流能量；
所述第二交流供电单元包括第二主变压器21和第二交流母线4，所述第二主变压器21的一端用于连接上级电网，另一端与所述第二交流母线4相连，提供交流能量。
在具体实施过程中，所述第一交流母线2和第二交流母线4电压等级为10kV，所述第一主变压器11和第二主变压器21均可以采用AC220kV/AC10kV一级主变压器，220kV端与变电站高压侧电网相连，10kV端接入对应的第一交流母线2或者第二交流母线4。
正常运行时，所述第一交流母线2由第一主变压器11供电，第二交流母线4由第二主变压器21供电，交流联络开关3断开。如果第一主变压器11出现故障，通过二次备自投装置合上交流联络开关3实现交流侧上级电网电源通过第二主变压器21向第一交流母线2和第二交流母线4同时供电。如果第二主变压器21出现故障，处理逻辑相同。
在本发明的一种具体实施例中，所述分布式模块5包括：
储能变压器53，一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，用于分布式模块5与交流供电模块1之间交换能量；在实际应用过程中，可以所述储能变压器53可以采用AC10kV/AC380V二级变压器，其10kV端与所述第一交流母线2或第二交流母线4连接，380V端与多端口变流器52的AC380V/DC750V模块380V端连接，AC380V/DC750V容量为4MVA，用于分布式模块5与交流供电模块1之间交换能量；
多端口变流器52，一端与所述储能变压器53相连，第二端与对应的第一直流供电***12相连，第三端与对应的第二直流供电***22相连；在实际应用过程中，所述多端口变流器52包括AC/DC变换单元和若干个DC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元与所述储能变压器53相连，各DC/DC变换单元的输入端均与所述AC/DC变换单元相连，各DC/DC变换单元的输出端分别与对应的储能单元51、第一直流供电***12和第二直流供电***22相连。所述多端口变流器52为分布式模块5的核心单元，包括多个DC/DC模块端口，其中DC750V/DC220V模块220V端连接第一直流供电***12，为第一直流供电***12提供一路DC220V电源，DC750V/DC240V模块240V端连接第二直流供电***22，为第二直流供电***22提供一路DC240V电源，DC750V/DC900V模块900V端连接分布式光伏55，可将分布式光伏55新能源转换为负荷用能，同时可在多端口变流器52的DC750V母线(如图2所示)直接接入分布式光伏55和直流充电桩54，用于能量输入和输出；
储能单元51，与所述多端口变流器52相连，用于通过多端口变流器52储能或提供直流电源；在实际应用过程中，所述储能单元51为锂电池经串并联组成的2MWh电网侧储能设备，与多端口变流器52的DC750V/DC600V模块600V端连接，通过多端口变流器52可实现储能或输出直流电能。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图3所示，所述第一直流供电***12主要用于智慧能源站变电站设备直流供电，供电电源为直流220V，根据变电站设备布局，在主控楼和高压配电楼分别布置1套第一直流供电***12，每套第一直流供电***12均包括：
第一直流一段母线121，与同第一交流供电单元相连的分布式模块5中的多端口变流器52相连；
第一直流二段母线123，与同第二交流供电单元相连的分布式模块5中的多端口变流器52相连；
第一直流联络开关122，设于所述第一直流一段母线121和第一直流二段母线123之间；
正常运行时，所述第一直流一段母线121和第一直流二段母线123分列运行，所述第一直流一段母线121从与第一交流母线2连接的分布式模块5获取电能，所述第一直流二段母线123从与第二交流母线4连接的分布式模块5获取电能；故障时，合上所述第一直流联络开关122，实现1个多端口变流器52同时向第一直流一段母线121和第一直流二段母线123同时供电，单直流电源变电站直流负荷13从第一直流一段母线121或第一直流二段母线123获取电能，双直流电源变电站直流负荷13从第一直流一段母线121和第一直流二段母线123同时获取电能。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，主要用于智慧能源站数据中心微模块23直流供电，所述数据中心微模块23的具体结构为现有技术，用于实现数据处理及存储，供电电源为直流240V，每个数据中心微模块2323包括多套服务器组成，数据中心根据需求建设多个数据中心微模块23，1个数据中心微模块23对应1套第二直流供电***22，如图4所示，所述第二直流供电***22包括：
第二直流一段母线221，与同第一交流供电单元相连的分布式模块5中的多端口变流器52相连；
第二直流二段母线223，与同第二交流供电单元相连的分布式模块5中的多端口变流器52相连；
第二直流联络开关222，设于所述第二直流一段母线221与第二直流二段母线223之间；
正常运行时，所述第二直流一段母线221和第二直流二段母线223分列运行，第二直流一段母线221从与第一交流母线2连接的分布式模块5获取电能，第二直流二段母线223从与第二交流母线4连接的分布式模块5获取电能，故障时，合上所述第二直流联络开关222，实现1个多端口变流器52向第二直流一段母线221和第二直流二段母线223同时供电，数据中心微模块23均为双电源设备，均从第一直流一段母线121和第一直流二段母线123同时获取电能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于，包括：
交流供电模块，包括第一交流供电单元和第二交流供电单元，所述第一交流供电单元和第二交流供电单元之间通过交流联络开关相连；
若干个第一直流供电***；
若干个第二直流供电***；
若干个分布式模块，各分布式模块的第一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，第二端与第一直流供电***相连，第三端与第二直流供电***相连。
2.根据权利要求1所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述第一交流供电单元包括第一主变压器和第一交流母线，所述第一主变压器的一端用于连接上级电网，从上级电网获取交流能量，另一端与所述第一交流母线相连，提供交流能量；
所述第二交流供电单元包括第二主变压器和第二交流母线，所述第二主变压器的一端用于连接上级电网，另一端与所述第二交流母线相连，提供交流能量。
3.根据权利要求1所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于，所述分布式模块包括：
储能变压器，一端与所述第一交流供电单元或第二交流供电单元相连，用于分布式模块与交流供电模块之间交换能量；
多端口变流器，第一端与所述储能变压器相连，第二端与第一直流供电***相连，第三端与第二直流供电***相连；
储能单元，与所述多端口变流器相连，用于通过多端口变流器储能或提供直流电源。
4.根据权利要求3所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于，所述第一直流供电***包括：
第一直流一段母线，与同第一交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第一直流二段母线，与同第二交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第一直流联络开关，设于所述第一直流一段母线和第一直流二段母线之间；
正常运行时，所述第一直流一段母线和第一直流二段母线分列运行，故障时合上所述第一直流联络开关，实现1个多端口变流器同时向第一直流一段母线和第一直流二段母线同时供电。
5.根据权利要求3所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于，所述第二直流供电***包括：
第二直流一段母线，与同第一交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第二直流二段母线，与同第二交流供电单元相连的分布式模块中的多端口变流器相连；
第二直流联络开关，设于所述第二直流一段母线与第二直流二段母线之间；
正常运行时，所述第二直流一段母线和第二直流二段母线分列运行，故障时合上所述第二直流联络开关，实现1个多端口变流器向第二直流一段母线和第二直流二段母线同时供电。
6.根据权利要求3所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述多端口变流器包括AC/DC变换单元和若干个DC/DC变换单元，所述AC/DC变换单元与所述储能变压器相连，各DC/DC变换单元的输入端均与所述AC/DC变换单元相连，各DC/DC变换单元的输出端分别与对应的储能单元、第一直流供电***和第二直流供电***相连。
7.根据权利要求6所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述分布式低压直流供电网络拓扑结构还包括分布式光伏和直流充电桩，所述分布式光伏和直流充电桩分别与对应的DC/DC变换单元相连。
8.根据权利要求3所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述DC/DC变换单元包括DC750V/DC220V模块、DC750V/DC240V模块、DC750V/DC600V模块；
所述DC750V/DC220V模块的220V端与所述第一直流供电***相连；
所述DC750V/DC240V模块的240V端与所述第二直流供电***相连；
所述DC750V/DC600V模块的600V端与所述储能单元相连。
9.根据权利要求1所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述分布式低压直流供电网络拓扑结构还包括若干个变电站直流负荷和数据中心微模块；
各变电站直流负荷分别与对应的第一直流供电***相连；
各数据中心微模块分别与对应的第二直流供电***相连。
10.根据权利要求1所述的一种分布式低压直流供电网络拓扑结构，其特征在于：所述储能单元包括多个锂电池，并由各锂电池经串并联组成形成。
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