CN104485656B - 一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，包括一个含有AC/DC变流器的换流站，一个含有DC/DC变流器的小区配电箱，一个总断路器/开关，至少一个包含DC/AC变流器和双向DC/DC变流器的重要负荷用换流箱，至少一个包含断路器/开关与DC/AC变流器串联支路和双向DC/DC变流器支路的用户换流箱，至少一个重要负荷，至少一个传统负荷，至少一个电动汽车充电桩。本发明在系统发生故障时对含重要负荷的用户实行优先集中供电策略保证重要负荷用电不受故障影响，提高了重要负荷的供电可靠性，具有成本低、工程量小、可靠性高、可扩展性好等优点。

Description

一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网

技术领域

本发明属于配电网输电功率增容技术领域，具体涉及一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网。

背景技术

不可再生化石能源紧张、环境污染、全球气候变暖等问题的加剧，使得以电代油的具有节能减排、遏制气候变暖等优势的电动汽车作为新一代节能与环保的交通工具受到全世界关注，而各国政府对电动汽车发展的大力支持，加速催热了电动汽车的产业链条。在电动汽车产业化发展过程中，除其本身的技术瓶颈外，亟待解决的是配电网扩容问题以及配套充电设施问题。现有的交流配电网结构示意图如说明书附图的图1所示，当电动汽车大规模随机接入时，不仅对电动汽车充电设施的需求量大，而且会对交流配网形成较大的负荷冲击，造成配电网负荷的大幅提升，显然，现有交流配电网线路容量很难满足电动汽车大规模接入后的线路容量需求，现有充电桩也很难满足电动汽车对充电设施的需求。为了满足电动汽车数量激增对充电设施的需求，必须对现有充电设施规模进行扩建；为了适应高渗透率电动汽车接入对配电网容量的需求，必须采取措施对配电网进行扩容。目前，针对电动汽车充电设施的需求问题，主要解决方案是在城市中不断增设充电桩数量，该方案可解决电动汽车充电设施需求问题，但充电设施的分散性和电动汽车充电时间的集中性，使得充电管理繁杂多变，用户亦须掌握充电设施的实时使用状况，以减少充电等待时间。针对配电网扩容问题的解决方案主要有两种：第一种是对配电网中原输电电缆直接升级改造，将原输电电缆更换为过流能力更大的电缆，此方案可根据负荷需求大幅扩容，但工程量巨大，工期长，成本昂贵，耗材浪费严重，且输电电缆升级改造期间对居民生活影响严重；第二种是在不改变原配电网输电线路结构的情况下，采用输电线路动态增容技术，该方案具有不改变输电线路结构的优点，但需额外增加大量检测和通信设备，且输电线路实际可增加的传输容量易受自然环境影响，因此动态增容常技术常应用于高压输电线路中，在低压配电网中考虑到成本、最大输送容量增加幅度等因素而难以应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，电动汽车可灵活接入、可大幅提高输电容量、可保证重要负荷供电质量的高可靠性系统，用于应对大规模的电动汽车接入后配电网峰值负荷的增加。具有成本低、工程量小、可靠性高、可扩展性好等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，包括

一个含有AC/DC变流器的换流站，

一个含有DC/DC变流器的小区配电箱，

一个总开关件，

至少一个重要负荷用换流箱，

至少一个用户换流箱，

至少一个重要负荷，

至少一个传统负荷，

至少一个电动汽车充电桩；

所述的含有AC/DC变流器的换流站交流侧与外部交流网络相连，直流侧与小区配电箱相连；

所述的含有DC/DC变流器的小区配电箱端电压较高侧与换流站相连，端电压较低侧与总开关件相连，即所述的总开关件接于小区配电箱的出线处；

所述的总开关件一端与小区配电箱相连，另一端与小区内各用户支路相连；

所述的重要负荷用换流箱中包含DC/AC变流器和双向DC/DC变流器，其中DC/AC变流器的直流侧与总开关件相连，交流侧与重要负荷相连，而双向DC/DC变流器的端电压较高侧与总开关件相连，端电压较低侧与电动汽车充电桩相连；

所述的用户换流箱中包含两条支路，一条是支路开关件与DC/AC变流器串联的支路，一条是含双向DC/DC变流器的支路；所述的用户换流箱中，支路开关件与DC/AC变流器串联的支路，一端与总开关件相连，另一端与传统负荷相连；

所述的用户换流箱中，含双向DC/DC变流器的支路，DC/DC变流器端电压较高侧与总开关件相连，端电压较低侧与电动汽车充电桩相连；

所述的重要负荷与重要负荷用换流箱内DC/AC变流器的交流侧相连；所述的传统负荷与用户换流箱内的DC/AC变流器的交流侧相连；

所述的电动汽车充电桩与重要负荷用换流箱或用户换流箱内的双向DC/DC变流器的端电压较低侧相连。

所述总开关件为断路器或者空气开关。

所述支路开关件为断路器或者空气开关。

所述的直流配电系统中的电能传输均为直流电能形式。

所述的直流配电系统重点考虑到了小区重要负荷的供电可靠性问题，在配电网的总线路中和支路的用户换流箱中分别加装了断路器/开关，以确保重要负荷的供电可靠性。

所述的直流配电网中各用户分别装设用户换流箱或重要负荷用换流箱，而用户换流箱和重要负荷用换流箱均留有电动汽车充电桩接口，以便在电动汽车渗透率较高的情况下，仍能保证用户可方便、灵活的接入配电网并为其充电。

所述的重要负荷用换流箱和居民换流箱中的DC/DC变流器是双向的，电动汽车充电桩可通过双向DC/DC变流器反送电能。

相比于现有的提高配电网线路输电容量的技术，本发明具有如下优点：

1）、本发明无需改变原配电网线路结构，且无需更换或升级现有配电网所使用的电缆，具有工程量小、实现方便、对用户影响小的优点；

2）、本发明输电线路容量的提升幅度可以通过配电网直流线路电压的幅值进行调节，以满足不同规模的电动汽车接入后对配电线路容量的需求，设计灵活，适用范围广，通用性强。

3）、本发明中低压DC/DC变流器采用双向结构，可实现电能反送，应对故障等紧急情况下的重要负荷或传统负荷的电能需求。

4)、本发明中装设有总短路器/开关和用户支路断路器/开关，可在配网系统发生故障时，按需控制各断路器/开关的通断，以将故障对配电网的影响降至最低。

5)、本发明中用户换流箱均留有电动汽车充电桩接口，确保用户添置电动汽车后，可方便、灵活的接入配电网。

附图说明

图1是一种现有的交流配电系统的结构示意图。

图2是本发明一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，包括：一个含有AC/DC变流器的换流站1，一个含有DC/DC变流器的小区配电箱2，一个总开关件3：总开关件3为断路器或者空气开关，至少一个包含DC/AC变流器5和双向DC/DC变流器6的重要负荷用换流箱4，至少一个包含支路开关件8与DC/AC变流器9串联支路和双向DC/DC变流器10支路的用户换流箱7，至少一个重要负荷11，至少一个传统负荷12，至少一个电动汽车充电桩13；其电路连接关系为：

所述的含有AC/DC变流器的换流站1交流侧与外部交流网络相连，直流侧与小区配电箱2相连；所述的含有DC/DC变流器的小区配电箱2端电压较高侧与换流站1相连（电压等级受原配电网电缆的影响，以11kV交流配电网电缆为例，直流电压可以工作在30kV），端电压较低侧与总开关件3相连（此处电压等级受逆变器和输电容量的影响，可以设置在800V左右），即所述的总开关件3接于小区配电箱2的出线处；所述的总开关件3一端与小区配电箱2相连，另一端与小区内各用户支路相连；所述的重要负荷用换流箱4中包含DC/AC变流器5和双向DC/DC变流器6，其中DC/AC变流器5的直流侧与总开关件3相连，交流侧与重要负荷11相连，而双向DC/DC变流器6的端电压较高侧与总开关件3相连（此处电压等级受逆变器和输电容量的影响，可以设置在800V左右），端电压较低侧与电动汽车充电桩13相连（电动汽车充电桩电压，常见范围是200-450V）；所述的用户换流箱7中包含两条支路，一条是支路开关件8与DC/AC变流器9串联的支路，一条是含双向DC/DC变流器10的支路；所述的用户换流箱7中，支路开关件8与DC/AC变流器9串联的支路，一端与总开关件3相连，另一端与传统负荷12相连；所述的用户换流箱7中，含双向DC/DC变流器10的支路，DC/DC变流器10端电压较高侧与总开关件3相连（此处电压等级受逆变器和输电容量的影响，可以设置在800V左右），端电压较低侧与电动汽车充电桩13相连（电动汽车充电桩电压，常见范围是200-450V）；所述的重要负荷11与重要负荷用换流箱4内DC/AC变流器5的交流侧相连；所述的传统负荷12与用户换流箱7内的DC/AC变流器9的交流侧相连；所述的电动汽车充电桩13与重要负荷用换流箱4或用户换流箱7内的双向DC/DC变流器6或10的端电压较低侧相连。

考虑到同样绝缘厚度和芯线截面的电缆，其耐受直流电压的能力比耐受交流电压的能力约高3倍以上，图1所示的现有交流配电系统的配电线路,母线电压为10kV，因此在不改变图1所示交流配电系统线路结构的情况下，图2中所示的直流配电线路电压可达30kV以上(现在城市中压配电网多数采用电缆，给所提方案的实施提供了可行性)。进一步考虑交流输电电压峰值与有效值之间的关系及输电线路功率因数对实际输送容量的影响，在不改变图1所示的现有交流配电网电缆的前提下，采样图2所示的直流配电形式，配电线路的输电容量理论上可提高4.7倍左右(此处因考虑导线具体连接方式，10kV一般是3条配电线，此处设定双极供电方式，即两条母线电压分别为正负30kV以及一个地线，那么实际可提高容量就是4.7倍左右)。图2所示实施例中，换流站1将110kV的交流电整流成正负30kV的直流电，配电线路将电能以直流的形式输送至小区配电箱2；小区配电箱2中的DC/DC变流器将正负30kV的直流电压降至正负800V，经总开关件3送至各用户支路中；含重要负荷的用户支路中，重要负荷用换流箱4中的DC/AC变流器5将正负800V的直流电逆变为220V的交流电供重要负荷11使用，双向DC/DC变流器6将正负800V的直流电变换为400V的直流电供电动汽车充电桩13使用；不含重要负荷的用户支路中，用户换流箱7内的支路开关件8与DC/AC变流器9是串联连接的，支路开关件8控制传统负荷12的投切，DC/AC变流器9将正负800V的直流电逆变为220V的交流电供传统负荷12使用，含双向DC/DC变流器10的支路将正负800V的直流电变换为400V的直流电供电动汽车充电桩13使用。

如图2所示，重要负荷用换流箱4和用户换流箱7中分别装设双向DC/DC变流器6和10，双向DC/DC变流器6和10是否连接电动汽车充电桩负荷，可根据居民用户是否使用电动汽车具体情况而定。根据电网状态的不同，本发明的工作模式有以下3种：

1、系统正常运行时：所有直流断路器均不工作，外部交流网络的交流电经过换流站1整流为直流电，再经配电网中输电线路和变流装置：小区配电箱2、DC/AC变流器5、双向DC/DC变流器6、DC/AC变流器9、双向DC/DC变流器10将电能供给重要负荷11、传统负荷12、电动汽车充电桩13。

2、配电网的供电主线部分发生故障时：当配电网发生故障时，需根据故障点位置来控制总开关件3和用户支路中的支路开关件8。此种工作模式下，即当故障发生在配电网的供电主线部分，亦即外部交流网络、换流站1或小区配电箱2发生故障时，总开关件3立即断开，切断故障区与非故障区的联系，同时含重要负荷的支路中，电动汽车充电桩13经重要负荷用换流箱4内的双向DC/DC变流器6向重要负荷11反送电能，而不含重要负荷的支路中，电动汽车充电桩13通过用户换流箱7内的双向DC/DC变流器9向所在支路的传统负荷12供电，尽可能保证紧急情况下小区内所有负荷用电不受影响；当仅依靠重要负荷支路中的电动汽车充电桩13反送的电能不足以保证重要负荷11的用电需求时，切断不含重要负荷的用户支路中的支路开关件8，切除传统负荷12，电动汽车充电桩13中的储能供给重要负荷11，优先满足重要负荷11的用电需求，确保重要负荷11的工作状态不受影响。当故障消除时，配电网恢复正常工作，配电网的电能重新由外部网络提供，此时电动汽车充电桩13消纳和储蓄电能。

3、配电网中某用户支路发生故障时：立即断开故障所在支路的用户换流箱7内支路支路开关件8，将故障支路与配网分离，其他非故障居民用户支路则不受故障支路影响而保持正常工作状态；当故障支路的故障排除后，再通过控制支路开关件8将该支路重新投入配电网系统，以期尽可能减小故障对配网运行的影响。

图2所示的本发明具体实施例中，换流站1包含的AC/DC变流器、小区配电箱2包含的DC/DC变流器、重要负荷用换流箱4内的DC/AC变流器5和双向DC/DC变流器6、用户换流箱7内的DC/AC变流器9和双向DC/DC变流器10的电压等级均以一实例进行设计和阐述，在在实际应用中可根据实际系统容量需求来选择和确定电压等级。

综上所述，本发明的直流配电系统在不改变原配电网线路结构和不影响原居民负荷用电，且无需更换或升级电缆的情况下，仅对小区配电箱进行改造，对用户装设居民换流箱，便可保证大规模电动汽车的灵活、方便、快捷充电需求，提升配电网的线路输电容量，且所提升配电网输电容量的幅度完全能够满足大规模的电动汽车接入后对配电网传输容量的需求，具有配电线路损耗小、可实施性强、工程量小、可扩展性好、可靠性高、方便灵活的优点；另外，本发明考虑到小区内重要负荷需保证不间断供电的需求，在故障情况下以重要负荷的用电需求为首要目标，通过协调控制各断路器/开关，以保证重要负荷的供电质量。因此，本发明是一种考虑到重点负荷且具有较高可靠性的电动汽车可灵活接入的直流配电网。

本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，包括

一个含有AC/DC变流器的换流站（1），

一个含有DC/DC变流器的小区配电箱（2），

一个总开关件（3），

至少一个重要负荷用换流箱（4），

至少一个用户换流箱（7），

至少一个重要负荷（11），

至少一个传统负荷（12），

至少一个电动汽车充电桩（13）；其特征在于，

所述的含有AC/DC变流器的换流站（1）交流侧与外部交流网络相连，直流侧与小区配电箱（2）相连；

所述的含有DC/DC变流器的小区配电箱（2）端电压较高侧与换流站（1）相连，端电压较低侧与总开关件（3）相连，即所述的总开关件（3）接于小区配电箱（2）的出线处；

所述的总开关件（3）一端与小区配电箱（2）相连，另一端与小区内各用户支路相连；

所述的重要负荷用换流箱中包含DC/AC变流器（5）和双向DC/DC变流器（6），其中DC/AC变流器（5）的直流侧与总开关件（3）相连，交流侧与重要负荷（11）相连，而双向DC/DC变流器(6)的端电压较高侧与总开关件（3）相连，端电压较低侧与电动汽车充电桩（13）相连；

所述的用户换流箱（7）中包含两条支路，一条是支路开关件（8）与DC/AC变流器（9）串联的支路，一条是含双向DC/DC变流器（10）的支路；所述的用户换流箱（7）中，支路开关件（8）与DC/AC变流器（9）串联的支路，一端与总开关件（3）相连，另一端与传统负荷（12）相连；

所述的用户换流箱（7）中，含双向DC/DC变流器（10）的支路，DC/DC变流器（10）端电压较高侧与总开关件（3）相连，端电压较低侧与电动汽车充电桩（13）相连；

所述的重要负荷（11）与重要负荷用换流箱（4）内DC/AC变流器（5）的交流侧相连；所述的传统负荷（12）与用户换流箱（7）内的DC/AC变流器（9）的交流侧相连；

所述的电动汽车充电桩（13）与重要负荷用换流箱（4）或用户换流箱（7）内的双向DC/DC变流器的端电压较低侧相连。

2.根据权利要求1所述一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，其特征在于，所述总开关件（3）为断路器或者空气开关。

3.根据权利要求1所述一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，其特征在于，所述支路开关件（8）为断路器或者空气开关。

4.根据权利要求1所述一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网，其特征在于，各用户分别装设用户换流箱（7）或重要负荷用换流箱（4），而用户换流箱（7）和重要负荷用换流箱（4）均留有电动汽车充电桩接口。

5.采用如权利要求1~4所述任意一种电动汽车可灵活接入的含重要负荷直流配电网的供电方法，其特征在于，

1）、系统正常运行时：所有直流断路器均不工作，外部交流网络的交流电经过换流站（1）整流为直流电，再经配电网中输电线路和小区配电箱（2）、DC/AC变流器（5）、双向DC/DC变流器（6）、DC/AC变流器（9）、双向DC/DC变流器（10）将电能供给重要负荷（11）、传统负荷（12）、电动汽车充电桩（13）；

2）、配电网的供电主线部分发生故障时：当配电网发生故障时，需根据故障点位置来控制总开关件（3）和用户支路中的支路开关件（8），即当故障发生在配电网的供电主线部分，亦即外部交流网络、换流站（1）或小区配电箱（2）发生故障时，总开关件（3）立即断开，切断故障区与非故障区的联系，同时含重要负荷的支路中，电动汽车充电桩（13）经重要负荷用换流箱（4）内的双向DC/DC变流器（6）向重要负荷（11）反送电能，而不含重要负荷的支路中，电动汽车充电桩（13）通过用户换流箱（7）内的双向DC/DC变流器（10）向所在支路的传统负荷（12）供电，尽可能保证紧急情况下小区内所有负荷用电不受影响；当仅依靠重要负荷支路中的电动汽车充电桩（13）反送的电能不足以保证重要负荷（11）的用电需求时，切断不含重要负荷的用户支路中的支路开关件（8），切除传统负荷（12），电动汽车充电桩（13）中的储能供给重要负荷（11），优先满足重要负荷（11）的用电需求，当故障消除时，配电网恢复正常工作，配电网的电能重新由外部网络提供，此时电动汽车充电桩（13）消纳和储蓄电能；

3）、配电网中某用户支路发生故障时：立即断开故障所在支路的用户换流箱（7）内支路开关件（8），将故障支路与配网分离，其他非故障居民用户支路则不受故障支路影响而保持正常工作状态；当故障支路的故障排除后，再通过控制支路开关件（8）将该支路重新投入配电网系统。