CN106130058B - 一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统，包括双极低压直流母线Bus1、单极低压直流母线Bus2和单极低压直流母线Bus3；其中，双极低压直流母线Bus1包括L1、L2和N三条配电线路，其通过变换器Con1~Con8依次与交流电网系统S1、储能系统S2、光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6、电动汽车充电桩S7、服务器S8相连；单极低压直流母线Bus2包括L3和N两条配电线路，其直连双极低压直流母线Bus1；单极低压直流母线Bus3包括L4和L5两条配电线路，其通过变换器Con9连接单极低压直流母线Bus2。实施本发明，便于接入各类分布式电源、直流负荷，能够减少供电变换环节的设备投资和运行损耗。
Description
技术领域
本发明涉及直流配电系统技术领域，尤其涉及一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统。
背景技术
与传统配电网中主要是负荷不同，随着可再生能源技术和储能技术的发展，在现代配电网中将包含越来越多的分布式电源和储能。常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机和燃气轮机等，而这些电源产生的电能均为直流电或可经过简单整流后变为直流电，使得分布式电源和储能并入直流配电网将可以节省大量的换流环节。例如，在并入传统的交流配电网过程中，产生直流电的光伏发电等分布式电源需经过DC-DC和DC-AC两级变换，而以交流形式产生电能的风力机等分布式电源需要经过AC-DC和DC-AC两级变换，但是上述分布式电源接入直流配电网时，就可以省略上述DC-AC环节，从而减小成本、降低损耗。
现代配电网中的负荷情况也在发生改变，消费类电子（如计算机、手机、平板电脑）、LED、数据中心和电动汽车等所占比例越来越多，越来越多的负荷需要使用直流供电方式。近几年，电力电子技术得到了快速的发展，这也导致了用户的用电方式发生了较大的变化。例如，电力电子变频技术在空调、冰箱、洗衣机等产品中得到了广泛的应用。而在交流配电网中，必须通过AC-DC-AC转换才能达到变频。而对于直流配电网，则只需进行DC-AC转换，从而省略了AC-DC环节，降低了变换器损耗。另外，现在很多电气设备本质上就是采用直流电驱动的，例如，液晶电视、LED照明灯、电动车、个人电脑、手机等。而在交流配电网中，必须通过AC-DC转换才能供给电器使用。而对于直流配电网，不需要转换就可以直接给这些设备供电，节约了成本， 也降低了损耗。而对于敏感负荷供电，直流配网中通过换流器可隔离交流系统电压跌落、治理谐波、补偿无功功率，提高电能质量。
因此，在建筑物或建筑园区内采用直流配电系统，可以方便的接入各类分布式电源，灵活地提供各类交直流供电接入服务，减少供电变换环节的设备投资和运行损耗，在建筑物综合能源利用和节能减排方面具有重要的发展前景。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统，便于接入各类分布式电源、直流负荷，减少供电变换环节的设备投资和运行损耗。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统，包括双极低压直流母线Bus1、单极低压直流母线Bus2、单极低压直流母线Bus3、交流电网系统S1、储能系统S2、光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6、电动汽车充电桩S7、服务器S8以及变换器Con1~Con9；其中，
所述双极低压直流母线Bus1包括L1、L2和N三条配电线路；其中，所述双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路通过变换器Con1与所述交流电网系统S1相连，并通过变换器Con2与所述储能系统S2连接；所述双极低压直流母线Bus1的L1和L2两条配电线路还与所述光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6和电动汽车充电桩S7分别依次通过变换器Con3~Con7连接；所述双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路和N配电线路还与所述服务器S8通过变换器Con8连接；
所述单极低压直流母线Bus2包括L3和N两条配电线路；其中，所述单极低压直流母线Bus2的L3配电线路与所述双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路连接，且所述单极低压直流母线Bus2的N配电线路与所述双极低压直流母线Bus1的N配电线路连接；
所述单极低压直流母线Bus3包括L4和L5两条配电线路；其中，所述单极低压直流母线Bus3与所述单极低压直流母线Bus2通过变换器Con9连接。
其中，所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压相等且均为350V。
其中，所述单极低压直流母线Bus2的L3和N两条配电线路之间形成的直流电压为350V。
其中，所述单极低压直流母线Bus3的L4和L5两条配电线路之间形成的直流电压为48V。
其中，所述变换器Con1包括依序连接的用于将所述交流电网系统S1上高压转换至380V三相交流电压的隔离变压器、用于将所述380V三相交流电压转换至一定直流电压的PWM整流器以及用于确保所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压均相等的电压平衡器；其中，所述隔离变压器还与所述交流电网系统S1相连，所述电压平衡器还与所述双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路相连。
其中，所述PWM整流器采用三相全桥结构。
其中，所述变换器Con2包括两个双主动全桥变换器；其中，一双主动全桥变换器的两端分别与所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路相连，另一双主动全桥变换器的两端分别与所述双极低压直流母线Bus1的L2和N两条配电线路相连。
其中，所述变换器Con7、变换器Con8和变换器Con9均包括依序连接的用于完成直流电压到交流电压变换的全桥逆变器、用于提供电气隔离和电压匹配的高频隔离变压器和用于完成交流电压到直流电压变换的全桥整流器。
其中，所述交流电网系统S1为10kV三相交流电网。
其中，所述单极低压直流母线Bus2还通过变换器Con11连接空调以及通过变换器Con12连接洗衣机。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1）本发明的双极多层低压直流配电系统可以方便的接入各类分布式电源，灵活地提供各类交直流供电接入服务，减少供电变换环节的设备投资和运行损耗；
2）本发明的双极多层低压直流配电系统可以方便兼容现有的三相380V和单相220V交流设备。对于原先接入三相380V系统的大功率设备，可以考虑接入双极低压直流母线Bus1，而对于原先接入单相220V系统的小功率设备，可以考虑接入单极低压直流母线Bus2，使得系统及设备的改动较小；
3）本发明的双极多层低压直流配电系统可供各类低压电子设备接入，低压母线与上级母线直接增加隔离设计，可以大幅减小设备电源适配器的体积、成本和重量，并且具有满足安全性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统的一平面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统的另一平面结构示意图；
图3为图1和图2中变换器con1的系统结构示意图；
图4为图3中变换器con1的应用场景示意图；
图5为图1和图2中变换器con2的系统结构示意图；
图6为图5中变换器con2的应用场景示意图；
图7为图1和图2中变换器con7至con9的系统结构示意图；
图8为图7中变换器con7至con9的应用场景图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统，包括双极低压直流母线Bus1、单极低压直流母线Bus2、单极低压直流母线Bus3、交流电网系统S1、储能系统S2、光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6、电动汽车充电桩S7、服务器S8以及变换器Con1~Con9；其中，
双极低压直流母线Bus1包括L1、L2和N三条配电线路；其中，双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路通过变换器Con1与交流电网系统S1相连，并通过变换器Con2与储能系统S2连接；双极低压直流母线Bus1的L1和L2两条配电线路与光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6和电动汽车充电桩S7分别依次通过变换器Con3~Con7连接；双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路和N配电线路与服务器S8通过变换器Con8连接；
单极低压直流母线Bus2包括L3和N两条配电线路；其中，单极低压直流母线Bus2的L3配电线路与双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路连接，且单极低压直流母线Bus2的N配电线路与双极低压直流母线Bus1的N配电线路连接；
单极低压直流母线Bus3包括L4和L5两条配电线路；其中，单极低压直流母线Bus3与单极低压直流母线Bus2通过变换器Con9连接。
在本发明实施例中，双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压相等且均为350V，该电压可供原先接入单相交流系统的换流器的直流母线直接接入；单极低压直流母线Bus2的L3和N两条配电线路之间形成的直流电压为350V；单极低压直流母线Bus3的L4和L5两条配电线路之间形成的直流电压为48V，因此对于原先接入三相380V系统的大功率设备，可以考虑接入双极低压直流母线Bus1，而对于原先接入单相220V系统的小功率设备，可以考虑接入单极低压直流母线Bus2，对于接入直流电压48V的设备，可以考虑直接接入单极低压直流母线Bus3，从而使得系统及设备的改动较小。
由此可见，如图2所示，单极低压直流母线Bus2还通过变换器Con11连接空调以及通过变换器Con12连接洗衣机；双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路还通过变换器Con10与交流电网系统S11相连。
在本发明实施例中，如图3所示，变换器Con1具有双向功率流动能力，其包括依序连接的用于将交流电网系统S1上高压（如10KV）转换至380V三相交流电压的隔离变压器、用于将380V三相交流电压转换至一定直流电压（如700V）的PWM整流器以及用于确保双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压均相等（如均为350V）的电压平衡器；其中，隔离变压器还与交流电网系统S1相连，电压平衡器还与双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路相连；其中，PWM整流器采用三相全桥结构。
在一个实施例中，交流电网系统S1为10kV三相交流电网；变换器Con1中隔离变压器完成交流电10kV至380V的电压变换，PWM整流器采用三相全桥结构，完成交流电380V三相交流电压至700V直流电压变换，电压平衡器保证双极低压直流母线Bus1的配电线路L1和N之间的电压V1与N和L2之间的电压V2相等且均为350V，该变换器Con1的具体应用场景，请参见图4。
在本发明实施例中，如图5所示，变换器Con2具有双向功率流动能力，其包括两个双主动全桥变换器；其中，一双主动全桥变换器的两端分别与双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路相连，另一双主动全桥变换器的两端分别与双极低压直流母线Bus1的L2和N两条配电线路相连，该变换器Con2的具体应用场景，请参见图6，S11至S14、T以及Q11至Q14形成一个主动全桥变换器。
在本发明实施例中，如图7所示，变换器Con7、变换器Con8和变换器Con9均具有电气隔离功能，包括依序连接的用于完成直流电压到交流电压变换的全桥逆变器、用于提供电气隔离和电压匹配的高频隔离变压器和用于完成交流电压到直流电压变换的全桥整流器，该变换器Con7至con9的具体应用场景，请参见图8，S11至S14形成全桥逆变器，T形成高频隔离变压器，Q11至Q14形成全桥整流器。
应当说明的是，其它变换器，如变换器Con3和con4，以及Con10至con12等等，均采用业内常用的变换器结构，在此不再一一赘述。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1）本发明的双极多层低压直流配电系统可以方便的接入各类分布式电源，灵活地提供各类交直流供电接入服务，减少供电变换环节的设备投资和运行损耗；
2）本发明的双极多层低压直流配电系统可以方便兼容现有的三相380V和单相220V交流设备。对于原先接入三相380V系统的大功率设备，可以考虑接入双极低压直流母线Bus1，而对于原先接入单相220V系统的小功率设备，可以考虑接入单极低压直流母线Bus2，使得系统及设备的改动较小；
3）本发明的双极多层低压直流配电系统可供各类低压电子设备接入，低压母线与上级母线直接增加隔离设计，可以大幅减小设备电源适配器的体积、成本和重量，并且具有满足安全性要求。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种用于楼宇建筑的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，包括双极低压直流母线Bus1、单极低压直流母线Bus2、单极低压直流母线Bus3、交流电网系统S1、储能系统S2、光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6、电动汽车充电桩S7、服务器S8以及变换器Con1～Con9；其中，
所述双极低压直流母线Bus1包括L1、L2和N三条配电线路；其中，所述双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路通过变换器Con1与所述交流电网系统S1相连，并通过变换器Con2与所述储能系统S2连接；所述双极低压直流母线Bus1的L1和L2两条配电线路还与所述光伏系统S3、风力发电系统S4、建筑空调S5、电梯S6和电动汽车充电桩S7分别依次通过变换器Con3～Con7连接；所述双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路和N配电线路还与所述服务器S8通过变换器Con8连接；
所述单极低压直流母线Bus2包括L3和N两条配电线路；其中，所述单极低压直流母线Bus2的L3配电线路与所述双极低压直流母线Bus1的L1及L2之中任一配电线路连接，且所述单极低压直流母线Bus2的N配电线路与所述双极低压直流母线Bus1的N配电线路连接；
所述单极低压直流母线Bus3包括L4和L5两条配电线路；其中，所述单极低压直流母线Bus3通过变换器Con9与所述单极低压直流母线Bus2连接；
其中，所述变换器Con1包括依序连接的用于将所述交流电网系统S1上高压转换至380V三相交流电压的隔离变压器、用于将所述380V三相交流电压转换至一定直流电压的PWM整流器以及用于确保所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压均相等的电压平衡器；其中，所述隔离变压器还与所述交流电网系统S1相连，所述电压平衡器还与所述双极低压直流母线Bus1的L1、L2和N三条配电线路相连。
2.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路之间形成的直流电压与L2和N两条配电线路之间形成的直流电压相等且均为350V。
3.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述单极低压直流母线Bus2的L3和N两条配电线路之间形成的直流电压为350V。
4.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述单极低压直流母线Bus3的L4和L5两条配电线路之间形成的直流电压为48V。
5.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述PWM整流器采用三相全桥结构。
6.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述变换器Con2包括两个双主动全桥变换器；其中，一双主动全桥变换器的两端分别与所述双极低压直流母线Bus1的L1和N两条配电线路相连，另一双主动全桥变换器的两端分别与所述双极低压直流母线Bus1的L2和N两条配电线路相连。
7.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述变换器Con7、变换器Con8和变换器Con9均包括依序连接的用于完成直流电压到交流电压变换的全桥逆变器、用于提供电气隔离和电压匹配的高频隔离变压器和用于完成交流电压到直流电压变换的全桥整流器。
8.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述交流电网系统S1为10kV三相交流电网。
9.如权利要求1所述的双极多层低压直流配电系统，其特征在于，所述单极低压直流母线Bus2还通过变换器Con11连接空调以及通过变换器Con12连接洗衣机。
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