CN102593832A - 一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法。包括：一条直流三线制配电线路、一台柴油发电机、至少一个带相应DC/DC变流器的光伏发电装置、一组储能蓄电池及其相应的DC/DC变流器、至少一个带相应直流负载的DC/DC变流器、至少一个带相应单相工频交流负载的DC/AC逆变器、一个带相应三相交流负载的频率幅值可调的DC/AC逆变器、一个接入大电网的三相AC/DC整流/逆变装置、一个电压平衡器、一个微网控制系统。本发明能够满足微网系统长期、高效、稳定的运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种三线制直流微网系统及其控制方法，尤其是涉及一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法。
背景技术
随着现代楼宇智能化技术的推进，对用电水平和保障用电的不间断性提出了更高的要求，越来越多的有各种电平需求的弱电系统使建筑物具有安全、便利、高效、节能的特点。具体来讲，现代楼宇内主要包括数字监控及报警系统、楼宇对讲系统、门禁系统、多媒体会议系统、通讯系统等。其主要负荷为计算机及其充电设备，照明，空调，通讯负载等，它们对电平的需求主要为直流-48V，24V(±12V)，5V及交流220V等。而且随着分布式发电(DG)的应用日益广泛，采用直流微网系统可以通过连接DG中的直流输出型电源(例如光伏系统、燃料电池等)，直接给负载供给直流电能。因此采用直流配电网能更好的满足这些负荷的用电需求，而且采用直流供电，降低了从电源到负载的转换损耗，大幅提高了供电效率，更加节能环保。
在现代楼宇内，既有采用220V工频供电的交流电动机负荷，又有手机、数码相机、电脑等工作电压不同的直流负荷。应用直流微网系统，直流负荷可直接获得直流电能，省去AC/DC转换器，同时减少转换过程中的电能损耗。区别于传统的直流配电网中广泛采用的两线制(供电线路对地电压与负载额定电压相同)，三线制(正、负电源配电线，接地线)可以使配电线路的对地电压降为两线制的一半，从而提高供电质量和供电安全性。
微网的核心问题在于保证微网的稳态运行以及主网发生故障时微网能独立稳定安全的运行，即微网的控制策略问题。根据分布式电源输出功率和负荷的变化合理的运用电池充放电控制策略，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电等多种工况下交替运行，保证系统工作的连续性和稳定性。在直流微网与大电网并网运行或直流微网离网运行时分别采用钳压技术、恒压控制技术进行电压控制，在微网运行状态转换过程中采用合理的切换操作控制技术，对直流微网的构建具有重要意义。
目前，国内适用于现代楼宇的直流微网系统的建设尚属空白，直流微网与大电网并网运行以及直流微网离网运行时的控制技术还有待深入研究。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种三线双极性直流配电，降低了直流母线对地电压，并且在负载侧布置的变换器，有助于提供高质量的电能的一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可以提供各种不同的电平，而且这些变换器没有工频变压器，可以提高转换效率减小变换器的体积，并且光伏阵列产生的能量可以直接或通过DC/DC用于负载，可以提高系统效率的一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法。
本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种当大电网发生故障时，微网系统从大电网断开，无缝切换到微网内电源供电，当大电网恢复供电时，再无缝切换回大电网并网运行，并且控制策略比较简单：只需要控制有功功率的平衡和直流电压的一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统及其控制方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统，其特征在于，包括：一条直流三线制配电线路、一台柴油发电机、至少一个带相应DC/DC变流器的光伏发电装置、一组储能蓄电池及其相应的DC/DC变流器、至少一个带相应直流负载的DC/DC变流器、至少一个带相应单相工频交流负载的DC/AC逆变器、一个带相应三相交流负载的频率幅值可调的DC/AC逆变器、一个接入大电网的三相AC/DC的整流/逆变装置、一个电压平衡器以及一个控制系统；所述光伏发电装置相应的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接光伏发电装置；所述的直流电压平衡器一侧接三相AC/DC的整流/逆变装置的直流侧，另一侧接直流母线；所述的储能蓄电池相应的DC/DC变流器一侧接直流母线，另一侧接储能蓄电池；所述的直流负载的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接直流负载；所述的单相交流工频负载的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的三相频率幅值可调的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的接入大电网的三相AC/DC整流/逆变装置的直流侧接入直流母线，交流侧接大电网和柴油发电机；所述柴油发电机、三相AC/DC的整流/逆变装置、与光伏发电装置相连的DC/DC变流器、以及与储能蓄电池相连的DC/DC变流器均与所述控制系统相连。
一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时监测模块对电网状态进行实时监测，并根据电网的实时状态选择执行以下步骤，所述电网的实时状态包括并网运行和离网运行：
选择执行步骤1：实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障则由切换模块将当前电网运行状态由并网运行状态转入离网运行状态；若检测到主网并无故障则保持并网状态；
选择执行步骤2：实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电则由切换模块将当前电网运行状态由离网运行状态转入并网运行状态；若检测到主网尚未恢复供电则保持离网状态。
在上述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，所述选择步骤1中，切换模块将当前电网运行状态由并网运行状态转入离网运行状态的具体操作方法如下：
步骤3.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障后，切换模块控制三相AC/DC整流/逆变装置马上停机，并断开并网开关；
步骤3.2，切换模块控制直流储能装置的DC/DC变换器工作于钳压状态，使直流母线电压根据当前三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态钳在下限值700V或者钳在上限值800V；
步骤3.3，完成步骤3.2后逐步提升或降低直流母线电压至750V，然后转为直流电压控制，检测蓄电池端电压，若下降值超过了额定电压的12.5％，则启动柴油发电机。
在上述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，所述步骤3.2中，三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态分为整流状态或逆变状态；若三相AC/DC工作于整流状态，则使直流母线电压钳在下限值700V；若三相AC/DC工作于逆变状态，则使直流母线电压钳在上限值800V。
在上述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，所述步骤3.2中，若三相AC/DC工作于整流状态，则逐步提升直流母线电压至750V，提升速度为15V/S，若三相AC/DC工作于逆变状态，则逐步降低直流母线电压至750V，降低速度为15V/S。
在上述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，所述选择步骤2中，切换模块将当前电网运行状态由离网运行状态转入并网运行状态的具体操作方法如下：
步骤6.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电，实时监测模块实时检测三相AC/DC整流/逆变装置是否同步锁相，若是执行步骤6.2，否则保持离网状态；
步骤6.2，检测是否启用了柴油发电机，并根据柴油发电机启动状态选择执行以下步骤：
步骤6.31，若启用了柴油发电机，则断开柴油发电机，DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.32，若没有启动柴油发电机，则直接将DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.3，启动三相AC/DC整流/逆变装置，逐步提升参考电压至750V，提升速度是15V/S，实现并网运行。
在上述的一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统，所述控制系统包括依次连接的实时监测模块和切换模块。
因此，本发明具有如下优点：1.三线双极性直流配电，降低了直流母线对地电压，负载可以选375V，-375V或750V；2.在负载侧布置的变换器，有助于提供高质量的电能，例如一个负载的短路不会影响到其他负载；3.可以提供各种不同的电平，而且这些变换器没有工频变压器，提高转换效率减小变换器的体积；4.光伏阵列产生的直流能量可以直接或通过DC/DC用于负载，可以提高系统效率；5.当大电网发生故障时，微网系统从大电网断开，无缝切换到微网内电源供电，当大电网恢复供电时，再无缝切换到大电网；6.控制策略比较简单：只需要控制有功功率的平衡和直流电压。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图2是主网故障时离网运行的控制流程图。
图3是离网后再并网运行的控制流程图。
图4是本发明协调运行控制方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图1所示，三线制直流微网系统，包括：一条直流三线制配电线路、一台柴油发电机、至少一个带相应DC/DC变流器的光伏发电装置、一组储能蓄电池及其相应的DC/DC变流器、至少一个带相应直流负载的DC/DC变流器、至少一个带相应单相工频交流负载的DC/AC逆变器、一个带相应三相交流负载的频率幅值可调的DC/AC逆变器、一个接入大电网的三相AC/DC的整流/逆变装置、一个电压平衡器以及一个控制系统；所述光伏发电装置相应的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接光伏发电装置；所述的直流电压平衡器一侧接三相AC/DC的整流/逆变装置的直流侧，另一侧接直流母线；所述的储能蓄电池相应的DC/DC变流器一侧接直流母线，另一侧接储能蓄电池；所述的直流负载的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接直流负载；所述的单相交流工频负载的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的三相频率幅值可调的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的接入大电网的三相AC/DC整流/逆变装置的直流侧接入直流母线，交流侧接大电网和柴油发电机；所述柴油发电机、三相AC/DC的整流/逆变装置、与光伏发电装置相连的DC/DC变流器、以及与储能蓄电池相连的DC/DC变流器均与所述控制系统相连。
所述的三线制直流微网系统的基本运行方式为：当主网正常运行时，主要由光伏阵列给负载供电，主网可补充光伏发电与实际负荷需求之间的差额，如果光伏发电有富余，则通过双向三相AC/DC逆变回主网，如果铅酸电池剩余容量较小，由主网给蓄电池充电；微网离网运行时，主要由光伏阵列给负载供电，蓄电池可补充光伏与实际负荷需求之间的差额，如果铅酸电池剩余容量较小，由柴油发电机补充光伏与实际负荷需求之间的差额。
综合协调控制如图4所示：微网控制系统实时监控并网状态和主网运行状态，若是并网运行，并检测到主网故障则转入离网运行，否则保持并网状态；若是离网运行，并检测到主网恢复供电则转入并网运行，否则保持离网状态，具体步骤如下：
实时监测模块对电网状态进行实时监测，并根据电网的实时状态选择执行以下步骤，所述电网的实时状态包括并网运行和离网运行：
选择执行步骤1：实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障则由切换模块将当前电网运行状态由并网运行状态转入离网运行状态；若检测到主网并无故障则保持并网状态；
选择执行步骤2：实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电则由切换模块将当前电网运行状态由离网运行状态转入并网运行状态；若检测到主网尚未恢复供电则保持离网状态。
下面结合附图2、3，对本发明中由并网到离网的无缝切换(选择执行步骤1)以及由离网到并网的无缝切换(选择执行步骤2)进行说明。
(1)其中，当检测到主网发生故障，需要离网运行时的切换如图2所示：
步骤3.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障后，切换模块控制三相AC/DC整流/逆变装置马上停机，并断开并网开关；
步骤3.2，切换模块控制直流储能装置的DC/DC变换器工作于钳压状态，使直流母线电压根据当前三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态钳在下限值700V或者钳在上限值800V；
步骤3.3，完成步骤3.2后逐步提升或降低直流母线电压至750V，然后转为直流电压控制，检测蓄电池端电压，若下降值超过了额定电压的12.5％，则启动柴油发电机。本步骤中，三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态分为整流状态或逆变状态；若三相AC/DC工作于整流状态，则使直流母线电压钳在下限值700V；若三相AC/DC工作于逆变状态，则使直流母线电压钳在上限值800V；并且若三相AC/DC工作于整流状态，则逐步提升直流母线电压至750V，提升速度为15V/S，若三相AC/DC工作于逆变状态，则逐步降低直流母线电压至750V，降低速度为15V/S。
(2)其中，当检测到主网恢复供电，需要并网运行时的切换如图3所示：
步骤6.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电，切换模块实时检测三相AC/DC整流/逆变装置是否同步锁相，若是执行步骤6.2，否则保持离网状态；
步骤6.2，检测是否启用了柴油发电机，并根据柴油发电机启动状态选择执行以下步骤：
步骤6.31，若启用了柴油发电机，则断开柴油发电机，DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.32，若没有启动柴油发电机，则直接将DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.3，启动三相AC/DC整流/逆变装置，逐步提升参考电压至750V，提升速度是15V/S，实现并网运行。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统，其特征在于，包括：一条直流三线制配电线路、一台柴油发电机、至少一个带相应DC/DC变流器的光伏发电装置、一组储能蓄电池及其相应的DC/DC变流器、至少一个带相应直流负载的DC/DC变流器、至少一个带相应单相工频交流负载的DC/AC逆变器、一个带相应三相交流负载的频率幅值可调的DC/AC逆变器、一个接入大电网的三相AC/DC的整流/逆变装置、一个电压平衡器以及一个控制系统；所述光伏发电装置相应的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接光伏发电装置；所述的直流电压平衡器一侧接三相AC/DC的整流/逆变装置的直流侧，另一侧接直流母线；所述的储能蓄电池相应的DC/DC变流器一侧接直流母线，另一侧接储能蓄电池；所述的直流负载的DC/DC变流器的一侧接直流母线，另一侧接直流负载；所述的单相交流工频负载的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的三相频率幅值可调的DC/AC逆变器的直流侧接入直流母线，交流侧接交流负载；所述的接入大电网的三相AC/DC整流/逆变装置的直流侧接入直流母线，交流侧接大电网和柴油发电机；所述柴油发电机、三相AC/DC的整流/逆变装置、与光伏发电装置相连的DC/DC变流器、以及与储能蓄电池相连的DC/DC变流器均与所述控制系统相连。
2.一种权利要求1所述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时监测模块对电网状态进行实时监测，并根据电网的实时状态选择执行以下步骤，所述电网的实时状态包括并网运行和离网运行：
选择执行步骤1：实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障则由切换模块将当前电网运行状态由并网运行状态转入离网运行状态；若检测到主网并无故障则保持并网状态；
选择执行步骤2：实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电则由切换模块将当前电网运行状态由离网运行状态转入并网运行状态；若检测到主网尚未恢复供电则保持离网状态。
3.根据权利要求2所述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，所述选择步骤1中，切换模块将当前电网运行状态由并网运行状态转入离网运行状态的具体操作方法如下：
步骤3.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为并网运行状态，并检测到主网故障后，切换模块控制三相AC/DC整流/逆变装置马上停机，并断开并网开关；
步骤3.2，切换模块控制直流储能装置的DC/DC变换器工作于钳压状态，使直流母线电压根据当前三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态钳在下限值700V或者钳在上限值800V；
步骤3.3，完成步骤3.2后逐步提升或降低直流母线电压至750V，然后转为直流电压控制，检测蓄电池端电压，若下降值超过了额定电压的12.5％，则启动柴油发电机。
4.根据权利要求3所述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3.2中，三相AC/DC的整流/逆变装置的工作状态分为整流状态或逆变状态；若三相AC/DC工作于整流状态，则使直流母线电压钳在下限值700V；若三相AC/DC工作于逆变状态，则使直流母线电压钳在上限值800V。
5.根据权利要求1所述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3.2中，若三相AC/DC工作于整流状态，则逐步提升直流母线电压至750V，提升速度为15V/S，若三相AC/DC工作于逆变状态，则逐步降低直流母线电压至750V，降低速度为15V/S。
6.根据权利要求2所述的适用于现代楼宇的三线制直流微网系统的控制方法，其特征在于，所述选择步骤2中，切换模块将当前电网运行状态由离网运行状态转入并网运行状态的具体操作方法如下：
步骤6.1，实时监测模块检测当前电网运行状态若为离网运行状态，并检测到主网恢复供电，切换模块实时检测三相AC/DC整流/逆变装置是否同步锁相，若是执行步骤6.2，否则保持离网状态；
步骤6.2，检测是否启用了柴油发电机，并根据柴油发电机启动状态选择执行以下步骤：
步骤6.31，若启用了柴油发电机，则断开柴油发电机，DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.32，若没有启动柴油发电机，则直接将DC/DC变换器转入钳压控制使直流母线电压嵌在下限值700V后执行步骤6.3；
步骤6.3，启动三相AC/DC整流/逆变装置，逐步提升参考电压至750V，提升速度是15V/S，实现并网运行。
7.根据权利要求1所述的一种适用于现代楼宇的三线制直流微网系统，其特征在于，所述控制系统包括依次连接的实时监测模块和切换模块。
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