CN113708425A - 直流微电网***及其智能直流柜 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种直流微电网***及其智能直流柜，智能直流柜包括直流处理装置、储能装置、交流转换装置和管理装置，直流处理装置连接管理装置、储能装置以及直流微电网***的光伏发电站，直流处理装置还用于连接负载回路，交流转换装置连接管理装置以及直流微电网***的箱式变电站，交流转换装置还用于连接负载回路。智能直流柜可根据实际需要选择接入光伏发电站或箱式变电站的电源给负载回路供电，无需一直接入交流电进行交直流转换，减少能源浪费，还提高了电网***的运行可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及电力电网技术领域，特别是涉及一种直流微电网***及其智能直流柜。
背景技术
变电站建筑密度较低，较适合建设分布式光伏，与站内照明等负荷构成分布式微网。基于此优化配置和监控策略，提升变电站智慧化运维水平。这种分布式泛新能源微网可成为变电站达到碳中和目标的重要手段之一。
一般的光伏发电经并网逆变器汇入站内市电网络，由市电配电网络统一调度与分配；照明、空调、电梯等本地负荷也是独立从市电网取交流电，经整流等变换驱动负荷运行；可达到自发自用、余电上网的效果。站内应急电源(Emergency Power Supply，简称：EPS)/不间断电源(Uninterruptible Power Supply，简称：UPS)从市电网取交流电，整流变换后为电池充电，并将电池端的直流电逆变成交流作为应急电源备用；应急照明从市电或UPS输出的应急电源取电，整流后驱动灯具。目前的新能源电网中的发电、储电、用电环节进行反复的交-直流变换，存在较大的能源浪费，并降低了电网***的运行可靠性。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可减少能源浪费，提高电网***的运行可靠性的直流微电网***及其智能直流柜。
一种直流微电网***的智能直流柜，包括直流处理装置、储能装置、交流转换装置和管理装置；所述直流处理装置连接所述管理装置、所述储能装置以及直流微电网***的光伏发电站，所述直流处理装置还用于连接负载回路，所述交流转换装置连接所述管理装置以及直流微电网***的箱式变电站，所述交流转换装置还用于连接负载回路。
在其中一个实施例中，所述直流处理装置包括第一DC/DC单元和第二DC/DC单元，所述第一DC/DC单元连接所述光伏发电站、所述储能装置和所述第二DC/DC单元，所述第二DC/DC单元用于连接负载回路；所述管理装置连接所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元。
在其中一个实施例中，所述储能装置包括BMS(Battery Management System，电池管理***)单元和电池组，所述BMS单元连接所述电池组、所述第一DC/DC单元、所述第二DC/DC单元和所述管理装置。
在其中一个实施例中，所述交流转换装置包括第一AC/DC单元，所述第一AC/DC单元连接所述管理装置、所述箱式变电站和所述负载回路。
在其中一个实施例中，所述交流转换装置还包括第二AC/DC单元，所述第二AC/DC单元连接所述箱式变电站和所述BMS单元。
在其中一个实施例中，智能直流柜还包括连接所述管理装置的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5、开关Q6和开关Q7；
所述第一DC/DC单元通过所述开关Q所述开关Q3与所述第二DC/DC单元连接；所述BMS单元通过所述开关Q2与所述第二AC/DC单元连接，所述BMS单元通过所述开关Q2、所述开关Q1与所述第一DC/DC单元连接，所述BMS单元通过所述开关Q2、所述开关Q3与所述第二DC/DC单元连接；所述第一AC/DC单元通过所述开关Q4连接负载回路，所述第一AC/DC单元通过所述开关Q5连接所述箱式变电站；所述第二DC/DC单元通过所述开关Q6连接负载回路，所述第二DC/DC单元通过所述开关Q7、所述开关Q4与所述第一AC/DC单元连接。
在其中一个实施例中，智能直流柜还包括连接所述管理装置的检测装置、通信装置和扩展接口。
在其中一个实施例中，所述检测装置包括连接所述管理装置的绝缘检测单元、电压/电流检测单元和温度检测单元中的至少一种。
在其中一个实施例中，智能直流柜还包括连接所述管理装置的直流故障电弧检测单元，所述直流处理装置通过直流故障电弧检测单元连接光伏发电站，所述直流处理装置通过直流故障电弧检测单元连接负载回路，所述交流转换装置通过直流故障电弧检测单元连接负载回路。
一种直流微电网***，包括光伏发电站、箱式变电站和上述的智能直流柜。
上述直流微电网***及其智能直流柜，智能直流柜包括直流处理装置、储能装置、交流转换装置和管理装置，直流处理装置连接管理装置、储能装置以及直流微电网***的光伏发电站，交流转换装置连接管理装置以及直流微电网***的箱式变电站。智能直流柜可根据实际需要选择接入光伏发电站或箱式变电站的电源给负载回路供电，无需一直接入交流电进行交直流转换，减少能源浪费，还提高了电网***的运行可靠性。
附图说明
图1为一实施例中直流微电网***的智能直流柜的结构框图；
图2为一实施例中直流微电网***的智能直流柜的结构示意图；
图3为另一实施例中直流微电网***的智能直流柜的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种直流微电网***的智能直流柜，包括直流处理装置110、储能装置120、交流转换装置130和管理装置140；直流处理装置110连接管理装置140、储能装置120以及直流微电网***的光伏发电站200，直流处理装置110还用于连接负载回路400，交流转换装置130连接管理装置140以及直流微电网***的箱式变电站300，交流转换装置130还用于连接负载回路400。
其中，直流处理装置110对光伏发电站200输出的直流电进行DC/DC转换，将转换后的直流电存储到储能装置120。直流处理装置110可以是直接利用储能装置120存储的电能直接给负载回路400供电，也可以是对储能装置120存储的电能再次进行DC/DC转换后给负载回路400供电，进一步提高供电稳定性。
交流转换装置130对箱式变电站300输出的交流市电进行AC/DC转换，将交流电转换为直流电给负载回路400供电。此外，交流转换装置130还可连接储能装置120，当光伏发电站200发电不足时，交流转换装置130利用转换得到的直流电给储能装置120充电。管理装置140的具体类型并不唯一，管理装置140可采用EMS(能量管理***)模块，对直流处理装置110和交流转换装置130进行控制。
负载回路400的类型也不是唯一的，可包括照明回路和其他负载回路。其中，照明回路可包括普通照明回路和应急照明回路，普通照明回路和应急照明回路中均可采用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源进行照明。当光伏发电站200发电充足时，直流处理装置110利用光伏发电给普通照明回路和应急照明回路供电。若光伏发电站200发电不足，则管理装置140可切断直流处理装置110与普通照明回路的连接，改为通过交流转换装置130将市电转换得到直流电给普通照明回路供电。
上述直流微电网***的智能直流柜，可根据实际需要选择接入光伏发电站200或箱式变电站300的电源给负载回路供电，无需一直接入交流电进行交直流转换，减少能源浪费，还提高了电网***的运行可靠性。
直流处理装置110的具体结构并不唯一，在一个实施例中，直流处理装置110包括第一DC/DC单元112和第二DC/DC单元114，第一DC/DC单元112连接光伏发电站200、储能装置120和第二DC/DC单元114，第二DC/DC单元114用于连接负载回路400；管理装置140连接第一DC/DC单元112和第二DC/DC单元114。
其中，第一DC/DC单元112采用有MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)功能的DC/DC模组，对光伏发电产生的不稳定直流电进行优化后为储能装置120充电。储能装置120存储的电能为第二DC/DC单元114提供直流电源，第二DC/DC单元114将储能装置120存储的直流电转换为稳定、可控的直流电供给负载回路400。进一步地，储能装置120的结构也并不唯一，在一个实施例中，储能装置120包括BMS单元和电池组，BMS单元连接电池组、第一DC/DC单元112、第二DC/DC单元114和管理装置140。
在一个实施例中，继续参照图2，交流转换装置130包括第一AC/DC单元132，第一AC/DC单元132连接管理装置140、箱式变电站300和负载回路400。其中，第一AC/DC单元132将箱式变电站300输出的交流电转换为直流电后给箱式变电站300供电。
进一步对，在一个实施例中，如图3所示，交流转换装置130还包括第二AC/DC单元134，第二AC/DC单元134连接箱式变电站300和BMS单元。当光伏发电站200发电不足时，还可通过第二AC/DC单元134交流电转换为直流电后输送至BMS单元，通过BMS单元给电池组充电。
在一个实施例中，智能直流柜还包括连接管理装置140的直流故障电弧检测单元，直流处理装置110通过直流故障电弧检测单元连接光伏发电站200，直流处理装置110通过直流故障电弧检测单元连接负载回路400，交流转换装置130通过直流故障电弧检测单元连接负载回路400。具体地，如图2和图3所示，第一DC/DC单元112通过直流故障电弧检测单元AFDD连接光伏发电站200，第二DC/DC单元114通过直流故障电弧检测单元AFDD连接普通照明回路和应急照明回路，第一AC/DC单元132通过直流故障电弧检测单元连接普通照明回路。
在一个实施例中，如图3所示，智能直流柜还包括连接管理装置140的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5、开关Q6和开关Q7。第一DC/DC单元112通过开关Q1、开关Q3与第二DC/DC单元114连接；BMS单元通过开关Q2与第二AC/DC单元134连接，BMS单元通过开关Q2、开关Q1与第一DC/DC单元112连接，BMS单元通过开关Q2、开关Q3与第二DC/DC单元114连接；第一AC/DC单元132通过开关Q4连接负载回路400，第一AC/DC单元132通过开关Q5连接箱式变电站300；第二DC/DC单元114通过开关Q6连接负载回路400，第二DC/DC单元114通过开关Q7、开关Q4与第一AC/DC单元132连接。管理装置140可根据实际情况控制各开关的通断，从而改变智能直流柜中回路的状态。
在一个实施例中，智能直流柜还包括连接管理装置140的检测装置、通信装置和扩展接口。其中，如图3所示，检测装置可包括连接管理装置140的绝缘检测单元、电压/电流检测单元和温度检测单元中的至少一种，可以理解，检测装置还可包括其他检测单元。通信装置可采用WIFI、蓝牙等无线通信模块，也可以是采用串口等通信模块，管理装置140可通过通信装置与后台或其它外部控制***进行数据与信息交互。管理装置140还可通过扩展接口与其它外部智能设备(如传感器、控制器)XS1/2/3互动，增强现场体验与互动。
在一个实施例中，还提供了一种直流微电网***，包括光伏发电站、箱式变电站和上述的智能直流柜。其中，光伏发电站可以是分布式光伏发电站。
为便于更好地理解上述直流微电网***及其智能直流柜，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
LED照明与光伏、电动汽车、储能锂电池均具有“新能源”属性和“直流友好型”特征，更适合采用直流配电方式。即使诸如空调、电梯这样的较大型装置，也普遍采用变频器实现有效节能，而变频器也具有“直流友好性”。若将这些设备大量接入传统交流配电网，都需要配备相应的交直流转换设备，如LED灯具需要AC/DC驱动电源、光伏发电需要DC/AC并网逆变器、电动汽车需要AC/DC充电器、电池储能需要兼顾AC/DC整流充电和DC/AC逆变并网的双向变流器。显然，在发、储、用环节进行反复的交-直流变换，存在较大的能源浪费，并增加变电设备的复杂度，影响电网***的经济性和可靠性。同时，也导致这类电气设备的使用寿命不高(主要因为交直流变换不可避免地大量使用工频滤波的电解电容等寿命有限的电子器件)。
另外，市电网规模庞大，结构复杂，极易产生各种干扰，如雷击、浪涌、谐波、电压跌落、功率因数等问题，且治理和隔离难度大。这都对设备寿命、运行稳定性、造价、维护等带了不小的负面影响。繁复的转换与臃肿的架构增加了***智能化和自动化的难度，也不可避免地限制了提升使用体验的空间和效果。
变电站运营和管理水平的不断提升，对站内电气设备及***的智慧化建设提出更高要求。与自动化、智能化、数字化不同的是，智慧化不强调单一的技术手段，而是强调***性合理与整体性协同。
***地梳理光伏发电、电池储能、LED照明、电动汽车等新能源细分产业的发展脉络，不难发现：世界各主要经济体对这类产业的扶持和刺激政策逐渐从单项向多项融合，如对光伏的补贴从单项的并网发电量转变为光储配套且与储能容量挂钩的双项补贴。根据当前各国新能源产业刺激政策的发展趋势可以预见，未来分布式新能源微网有望快速成为新的热点。分布式新能源微网含有发、储、配、用环节，涵盖前述多种新能源细分产业，具有典型的“泛新能源”多项融合特性，涉及配电方式的优化课题，必将刺激更适合新能源的直流配电技术的应用。这也是直流微网显现出多种方面更优化、更合理的智慧元素：安全、稳定、可靠、经济、灵活、简洁、智能等。
鉴于此，面向最具代表性的照明(含普通照明与应急照明)负荷，本申请提出一种分布式新能源直流微网***及其关键设备。***以分布式光伏为主要电源，结合分布式储能的蓄补能力，为站内照明提供稳定、可靠、高效、智能的低碳电力；以市电为辅助电源，当光伏及储能供电不足时保障的照明负荷用电供给。除照明外，***还可兼顾其它负荷的智能配用电需求。下面结合附图对本发明进行详细说明。
图2为本申请提出的一种分布式新能源直流微网***的原理图。其中，智能直流柜作为一种直流电力路由器(电力电子变压器)，是该***的关键设备。
当分布式光伏发电站产生不稳定直流电接入智能直流柜时，柜内具有MPPT功能的DC/DC模组优化光伏发电并为储能电池充电；而开关Q1可控制充电线路的通断。电池组及BMS单元构成储能装置，储存光伏所发出的电能，并为后级DC/DC模组提供直流电源；开关Q2控制储能是否接入充放电线路。后级DC/DC模组将储能电池组端口的直流电转换为稳定、可控的直流电供给负载，该DC/DC模组是否接入由开关Q3控制。
引自箱式变电站的交流市电经开关Q5控制供给AC/DC模组，经该AC/DC模组整流、隔离和变换后输出稳定、可控的直流电供给负载，开关Q5和开关Q4分别控制其输入端和输出端的投切。开关Q4与开关Q7不会同时开通，当新能源电量不足时，开关Q7断开而开关Q4开通，此时微网中普通照明负荷的用电来自市电。直流故障电弧检测单元AFDD用于实时监测所接回路是否有故障电弧，用以防止直流回路故障电弧引起的电气火灾。
EMS能量管理单元对***内各智能单元模块进行实时通信与控制，完成微网运行监测、能量管理、故障诊断与保护、节能与碳排监控、绝缘监察等功能。EMS经通信模块与后台或其它外部控制***进行数据与信息交互。EMS还可以通过扩展I/O口与其它外部智能设备(如传感器、控制器)XS1/2/3互动，增强现场体验与互动，达到按需照明、精准节能、合理减碳的效果。
照明负荷是由高光效LED光源和高效率直流驱动组成的直流LED灯具。用于普通照明的直流灯具为智能调光型，可由直流供电线路分回路对普通照明灯具进行按需调光控制，实现按需照明、精准节能、源储荷协同、全生命周期光衰补偿等实用功能。用于事故应急照明的直流灯具通常不需要大比例调光，目的是确保应急情况的现场照度达标，增加传统的调光模块的节能收益较差。而采用直流供电后，直流灯具可“零成本”实现无级线性调光，与LED光源的特性相匹配，在LED光源长达十年寿命期间内较好的校正和补偿光衰，在LED灯具全生命周期内准确保障应急照明亮度标准，并合理控制能耗，减少不必要的碳排放。
图3为本申请提出的分布式新能源直流微网的另一个方案。其与图2所示方案的主要区别是增加了由市电为储能电池补充充电的AC/DC模组，用于新能源发电不足(如连续阴雨天)时储能电池仍有足够的备用电量，以保障应急照明时的电源供给。
本申请提供的分布式新能源直流微网解决方案采用直流配用电技术，整体优化***发-储-配-用各环节间电能转换和智能控制的基础结构，避免反复的交-直流变换产生的不必要的能量损耗和复杂的控制线路，提升新能源利用效率和智能控制实际效用，简化强、弱电***结构，进一步提升***可靠性，降低***建设和维护成本。
该***中建了了一个直流母线联结发-储-用各环节。其中，分布式光伏发电仅须通过必要的MPPT优化控制器(一种DC/DC变换器)组即可将光伏电力简单、高效地汇入直流母线；储能电池经由BMS连接直流母线，平抑直流母线的潮流波动，使直流母线电压维持在适当的范围；直流变压器(DC/DC)组将直流母线电压整定变换为适当值供给末端直流负荷。该***方案运行稳定、可靠、高效，材料成本低，运行与维护方便。
照明负荷侧，由于回路供电是稳定、可控的直流，灯具彻底消除频闪，且效率更高，运行更稳定，使用寿命更长；直流线路干扰少，通过直流供电线路即可达到灵敏、可靠的调光等控制，简单、实用。该分布式新能源直流微网具有以下优点：
1、照明负荷用电以本地分布式光伏发电为主，市电为辅，使照明用电碳排放量明显降低。
2、直流变换器转换效率高，损耗小，温升小。
3、同型号直流变换器在直流侧并联不易产生震荡和环流，运行稳定、可靠，***扩容空间大。
4、基于直流配电拓扑的新型智能监控技术，简化智能照明控制***的构成，从多方面整体提升***综合经济性。
5、关键功能模块具有可靠冗余，任一模块因故障退出时，可确保直流供电稳定可靠。
6、普通照明回路与应急照明回路的供电可灵活分配和控制。
7、普通照明灯具与应急照明灯具型号可共用，方便采购与日常维护。
8、主照明回路零成本实现无级线性调光，按需调光、精准节能、科学减碳。
9、应急照明回路控制合理融入亮度校正和补偿能力，合理减碳。
10、节省大量智能控制电路和通讯线路，简化智能控制***结构，控制可靠、成本低廉、协同高效。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，包括直流处理装置、储能装置、交流转换装置和管理装置；所述直流处理装置连接所述管理装置、所述储能装置以及直流微电网***的光伏发电站，所述直流处理装置还用于连接负载回路，所述交流转换装置连接所述管理装置以及直流微电网***的箱式变电站，所述交流转换装置还用于连接负载回路。
2.根据权利要求1所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，所述直流处理装置包括第一DC/DC单元和第二DC/DC单元，所述第一DC/DC单元连接所述光伏发电站、所述储能装置和所述第二DC/DC单元，所述第二DC/DC单元用于连接负载回路；所述管理装置连接所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元。
3.根据权利要求2所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，所述储能装置包括BMS单元和电池组，所述BMS单元连接所述电池组、所述第一DC/DC单元、所述第二DC/DC单元和所述管理装置。
4.根据权利要求3所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，所述交流转换装置包括第一AC/DC单元，所述第一AC/DC单元连接所述管理装置、所述箱式变电站和所述负载回路。
5.根据权利要求4所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，所述交流转换装置还包括第二AC/DC单元，所述第二AC/DC单元连接所述箱式变电站和所述BMS单元。
6.根据权利要求5所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，还包括连接所述管理装置的开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5、开关Q6和开关Q7；
所述第一DC/DC单元通过所述开关Q1、所述开关Q3与所述第二DC/DC单元连接；所述BMS单元通过所述开关Q2与所述第二AC/DC单元连接，所述BMS单元通过所述开关Q2、所述开关Q1与所述第一DC/DC单元连接，所述BMS单元通过所述开关Q2、所述开关Q3与所述第二DC/DC单元连接；所述第一AC/DC单元通过所述开关Q4连接负载回路，所述第一AC/DC单元通过所述开关Q5连接所述箱式变电站；所述第二DC/DC单元通过所述开关Q6连接负载回路，所述第二DC/DC单元通过所述开关Q7、所述开关Q4与所述第一AC/DC单元连接。
7.根据权利要求1所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，还包括连接所述管理装置的检测装置、通信装置和扩展接口。
8.根据权利要求7所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，所述检测装置包括连接所述管理装置的绝缘检测单元、电压/电流检测单元和温度检测单元中的至少一种。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的直流微电网***的智能直流柜，其特征在于，还包括连接所述管理装置的直流故障电弧检测单元，所述直流处理装置通过直流故障电弧检测单元连接光伏发电站，所述直流处理装置通过直流故障电弧检测单元连接负载回路，所述交流转换装置通过直流故障电弧检测单元连接负载回路。
10.一种直流微电网***，其特征在于，包括光伏发电站、箱式变电站和权利要求1-9任意一项所述的智能直流柜。
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