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CN109687463B - 与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构 - Google Patents

与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，包括与配电变压整流器(200)输入端相连用于向配电变压整流器(200)输入高压交流电的交流配电网(100)，用于将交流配电系统(100)输入的高压交流电转化为低压交流电和低压直流电的配电变压整流器(200)，与配电变压整流器(200)交流输出端相连用于将低压交流电提供给交流负载(300)和与配电变压整流器(200)直流输出端相连用于将低压直流电提供给直流用电单元(400)；交流负载(300)和直流用电单元(400)相互隔离设置。本发明提供能够减少变换环节，提高供电可靠性、变换效率、系统稳定性、同时降低系统成本。

Description

与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构
技术领域
本发明涉及智能电网领域，具体涉及一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构。
背景技术
随着新能源的应用和储能技术的发展，直流供电的应用日渐普及，直流供电容量不断提高，逐步形成了以直流为主要供电模式的微型电网，简称直流微网。实际应用中，很少有纯直流单独运行的微网，更普遍的场合是直流和交流需要进行混合供电，才能满足交直流负载的共同需求和实现高可靠供电，这样的微电网称为交直流混合微网。
现有所有微网架构都以配电变压器的输出(交流380V)作为交流输入，其拓扑结构基本分为以下三类：
1)单向功率流动，如图1所示，配电变压器和隔离单向AC/DC表示隔离点，其特点是：不含新能源发电和储能设备；AC/DC变换器的功率单向流动；交流侧零线接地，直流侧悬浮供电。
2)双向AC/DC变换器，如图2所示，其特点是：含新能源发电和储能设备；AC/DC变换器支持双向功率流动；交流负载零线接地，直流系统与交流系统不隔离，非悬浮供电。
3)电力电子变压器，如图3所示，其特点是：含新能源发电和储能设备；以电力电子变压器为核心的电力变换，支持双向功率流动；电力电子变压器功率无法做得很大，限制了系统规模；交流负载侧零线不接地，交流和直流都为悬浮供电，交流和直流不隔离。
以上三种方案的具有以下共同点：①都需要普通配电变压器；②都以配电变压器的380V输出电压为输入进行功率变换；③都以AC/DC变换器为主要直流电源；④变换环节多，导致可靠性降低、综合效率低，系统成本高；⑤多个AC/DC和DC/DC变换设备的协同运行，带来稳定性和谐振等问题。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中微网架构变换环节多，导致可靠性降低、综合效率低，系统成本高的技术问题，提供一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，通过配电变压整流器的集成可以同时输出相互隔离的交流和直流电压，通过减少变换环节，提高供电可靠性、变换效率、系统稳定性、同时降低系统成本。
本发明提供一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，包括微网和交流配电网，其中：
微网与交流配电网之间的接口设备是一个配电变压整流器；
配电变压整流器用于将交流配电网输入的高压交流电变换为输出的低压工业用交流电和输出的低压直流电；
输出的低压工业用交流电和输出低压直流电相互隔离；
输出的低压工业用交流电用于给交流负载供电；
输出的低压直流电用于给直流用电单元供电。
本发明以配电变压整流器的输入(交流10kV)作为交流输入的微网架构，把普通的配电变压器改为配电变压整流器，该配电变压整流器的结构可以采用如申请号为CN201610989970.8公开的结构，可以同时输出相互隔离的交流和直流电压，减少变换环节，提高了供电可靠性、变换效率、系统稳定性、同时降低了系统成本。当系统只需给直流供电时(比如LED照明系统)，则交流系统也可以省略。交流系统和直流系统相互隔离设置能够使微网架构的可靠性由变压器的配电变压整流器的可靠性决定，能够大幅提高微网架构的可靠性。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，作为优选方式，直流用电单元包括并联设置的直流负载、储能电池和新能源发电组件。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，作为优选方式，直流用电单元包括与配电变压整流器直流输出端相连的直流负载，与配电变压整流器直流输出端通过双向非隔离DC/DC模块相连的储能电池和与配电变压整流器直流输出端通过非隔离DC/DC模块相连新能源发电组件。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，在交流配电网正常供电的情况下，直流用电单元的电压由配电网通过配电变压整流器所决定，在直流系统中连接储能系统的非隔离双向DC/DC变换器和连接新能源发电组件的单向DC/DC变换器都以电流源方式接入直流母线。在交流配电网断开时，直流用电单元的电压由某一组储能电池通过与之相连的非隔离双向DC/DC变换器决定，该变换器的工作模式将切换为电压源模式，与其它储能电池相连的非隔离双向DC/DC变换器和与新能源发电组件相连的非隔离单向DC/DC变换器都工作在电流源模式下。这样就解决了其它方案中可能出现的因多个变换器试图控制直流电压而带来的系统不稳定问题。在交流配电网断开后，切换到电压源模式的非隔离双向DC/DC变换器将通过微网的电能管理系统自动、任意、唯一地选定。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，作为优选方式，配电变压整流器包括一组输入和三组输出，输入为配电网电压，三组输出分别为低压交流输出端、低压直流输出端和隔离绕组。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，作为优选方式，直流用电单元还包括一个非隔离DC/AC逆变模块，非隔离DC/AC逆变模块的两端分别与直流负载和隔离绕组相连，用于将直流侧发电功率高于直流侧负载功率时产生的剩余发电功率返送入交流配电网中。非隔离DC/AC逆变模块用于当直流侧发电功率高于直流侧负载用电功率时，把剩余发电功率返送入交流电网，为了确保交流系统和直流系统的隔离，非隔离DC/AC逆变模块的输出不能直接返回到绿色的交流系统，需要在配电变压整流器中再输出一个隔离绕组，与之相连。非隔离DC/AC逆变模块不是一个一直运行的设备，仅当直流侧存在剩余发电功率时才运行，其容量由系统可能出现的最大剩余功率决定，而不是负载总功率；一旦发生故障，直接切除后不影响系统正常供电。
本发明所述的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，作为优选方式，新能源发电组件为光伏发电组件。
本发明在使用过程中，当只需要给直流供电时，可以省略交流系统；当直流侧发电功率高于直流侧负载功率时，非隔离DC/AC逆变模块运行将剩余发电功率通过隔离绕组返送入交流电网。
本发明由于在微网架构中使用配电变压整流器，可以同时输出相互隔离的交流和直流电压，减少变换环节，提高了供电可靠性、变换效率、系统稳定性、同时降低了系统成本。
本发明进一步在配电变压整流器直流输出端与直流负载间设有非隔离DC/AC逆变模块，当直流侧存在剩余发电功率时运行，将剩余发电功率送入交流电网，节省了电能。为了确保交流系统和直流系统的隔离，在配电变压整流器的输出端设置一个隔离绕组，使非隔离DC/AC逆变模块的输出安全返回交流系统，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为现有微网架构单向功率流动拓扑结构示意图。
图2为现有微网架构双向AC/DC变换器拓扑结构示意图。
图3为现有微网结构电力电子变压器拓扑结构示意图。
图4为本发明的与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构拓扑结构示意图。
图5为实施例2微网架构拓扑结构示意图。
图6为实施例3微网架构拓扑结构示意图。
附图标记：
100、交流配电网；200、配电变压整流器；300、交流负载；400、直流用电单元。
具体实施方式
实施例1
如图4所示，一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，包括：
交流配电网100：与配电变压整流器200输入端相连，用于向配电变压整流器200输入高压交流电；
配电变压整流器200：用于将交流配电网100输入的高压交流电转化为低压交流电和低压直流电；配电变压整流器200包括一个主绕组和三个副绕组，输入为配电网电压，三组输出分别为低压交流输出端、低压直流输出端和隔离绕组；
交流负载300：与低压交流输出端相连；
直流用电单元400：与低压直流输出端相连，包括通过非隔离DC/AC逆变模块与低压直流输出端相连的直流负载，与低压直流输出端通过双向非隔离DC/DC模块相连的储能电池和与低压直流输出端通过非隔离DC/DC模块相连的新能源发电组件，其中新能源发电组件为光伏发电组件；
交流负载300和直流用电单元400相互隔离设置。
实施例2
当微网架构只需提供直流输出时，如图5所示，包括：
交流配电网100：与配电变压整流器200输入端相连，用于向配电变压整流器200输入高压交流电；
配电变压整流器200：用于将交流配电网100输入的高压交流电转化为低压直流电；配电变压整流器200包括一个主绕组和一个副绕组，副绕组为低压直流输出端；
直流用电单元400：与低压直流输出端相连，用于将低压直流电提供给直流负载。
实施例3
当微网架构无需接入新能源发电组件和储能电池时，如图6所示，包括：
交流配电网100：与配电变压整流器200输入端相连，用于向配电变压整流器200输入高压交流电；
配电变压整流器200：用于将交流配电网100输入的高压交流电转化为低压交流电和低压直流电；配电变压整流器200包括一个主绕组和两个副绕组，两个副绕组分别为低压交流输出端和低压直流输出端；
交流负载300：与低压交流输出端相连；
直流用电单元400：与低压直流输出端相连，用于将低压直流电提供给直流负载；
交流系统300和直流用电单元400相互隔离设置。
以一个小型电动汽车充电站为例。当含有8台60kW充电机，系统总容量为500kVA，不含储能系统和光伏发电时，配电变压整流器的功率因数可达0.99；根据所需的整流脉波数，配电变压整流器可以把输入电流谐波限制到5％以下；配电变压整流器的转换效率为96％，直流输入的直流充电机转换效率为99％，这样系统效率为95％；500kVA的配电变压整流器约需7万元，60kW直流输入的直流充电机约需2.5万元，8台充电机为20万元，系统电气设备总造价为27万元。如果采用普通交流方案，配电变压器的转换效率为98％。交流输入的直流充电机可以做到功率因数0.99；电流谐波5％；转换效率为93％，这样系统效率为91％；500kVA的配电变压器约需5万元，60kW直流输入的直流充电机约需4.8万元，8台充电机为38.4万元，系统电气设备总造价为43.4万元。
两者比较如下表所示：
比较项目 常规交流方案 实时例3方案 比较结果
功率因数 0.99 0.99 一致
电流谐波含量 5％ 5％ 一致
系统效率 91％ 95％ 效率提高4％，损耗降低约一半
电气设备价格 43.4万 27万 成本降低38％
从表中可以看出，采用实施例3的技术方案在不影响系统的稳定性同时能够将损耗降低约一半，成本能够降低38％。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效形式都将落入发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种与配电变压整流器集成的交直流混合微网架构，包括微网和交流配电网(100)，其特征在于：
所述微网与交流配电网(100)之间的接口设备是一个配电变压整流器(200)；
所述配电变压整流器(200)用于将所述交流配电网(100)输入的高压交流电变换为输出的低压工业用交流电和输出的低压直流电；
所述输出的低压工业用交流电和输出低压直流电相互隔离；
所述输出的低压工业用交流电用于给交流负载(300)供电；
所述输出的低压直流电用于给直流用电单元(400)供电；
所述直流用电单元(400)包括与所述配电变压整流器(200)直流输出端相连的直流负载，与所述配电变压整流器(200)直流输出端通过双向非隔离DC/DC模块相连的储能电池和与所述配电变压整流器直流输出端通过非隔离DC/DC模块相连的新能源发电组件；
所述配电变压整流器(200)包括一组输入和三组相互隔离的输出；所述输入与所述交流配电网(100)电压相连；三个所述相互隔离的输出分别用于产生低压交流输出端、低压直流输出端和隔离绕组；所述配电变压整流器(200)包括一组输入和三组相互隔离的输出；所述输入与所述交流配电网(100)电压相连；三个所述相互隔离的输出分别用于产生低压交流输出端、低压直流输出端和隔离绕组；
所述直流用电单元(400)还包括一个非隔离DC/AC逆变模块，所述非隔离DC/AC逆变模块的两端分别与所述直流负载和所述隔离绕组相连，用于将直流侧发电功率高于直流侧负载功率时产生的剩余发电功率返送入所述交流配电网(100)中。
2.根据权利要求1所述的交直流混合微网架构，其特征在于：所述直流用电单元(400)包括并联设置的直流负载、储能电池和新能源发电组件。
3.根据权利要求1所述的交直流混合微网架构，其特征在于：当所述交流配电网(100)电压有效时，所述直流用电单元(400)的电压仅由所述交流配电网(100)的电压决定，所述储能电池和所述新能源发电组件都以电流源方式接入直流系统。
4.根据权利要求1所述的交直流混合微网架构，其特征在于：当所述交流配电网(100)电压断开时，与储能电池相连的其中一个双向非隔离DC/DC模块以电压源模式工作，其它与储能电池相连的双向非隔离DC/DC模块和所述新能源发电组件都以电流源方式接入直流用电单元(400)。
5.根据权利要求4所述的交直流混合微网架构，其特征在于：当所述交流配电网(100)电压断开时，所选取的工作在电压源模式下的与储能电池相连的双向非隔离DC/DC模块，是通过电能管理系统自动任意指定的。
6.根据权利要求1所述的交直流混合微网架构，其特征在于：所述新能源发电组件为光伏发电组件。
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