CN110021925A - 直流供电系统及其控制方法 - Google Patents

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CN110021925A CN201910368212.8A CN201910368212A CN110021925A CN 110021925 A CN110021925 A CN 110021925A CN 201910368212 A CN201910368212 A CN 201910368212A CN 110021925 A CN110021925 A CN 110021925A
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司鑫尧
袁宇波
陈庆
贾勇勇
杨景刚
袁栋
魏星琦
肖小龙
刘瑞煌
苏伟
杨騉
费益军
陶加贵
刘屿
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明实施例公开了一种直流供电系统及其控制方法，该系统包括第一直流断路器、第一换流器以及母线；所述第一换流器的出线端通过所述第一直流断路器连接所述母线；第二直流断路器、第二换流器、以及与所述第二换流器的进线端连接的储能单元，所述第二换流器的出线端通过所述第二直流断路器连接所述母线；主控站，所述主控站与所述第一直流断路器、所述第二直流断路器以及所述换流器通信连接，所述主控站用于在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态。本发明实施例提供的直流供电系统及其控制方法，能够有效利用储能单元，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。

Description

直流供电系统及其控制方法
技术领域
本发明实施例涉及直流供电技术，尤其涉及一种直流供电系统及其控制方法。
背景技术
直流配电网系统中广泛接入的负荷有数据中心服务器、智能家居和直流充电桩等，尤其是数据中心服务器对于供电可靠性要求较高，因此对于这一类重要负荷需要有单独的措施来保证可靠供电。
目前，直流负荷如数据中心服务器前端一般会配置UPS(Uninterruptible PowerSupply，不间断电源)作为备用电源，当直流电源发生故障时，保证服务器短时间不间断供电。
然而，UPS只能保证短时供电，且UPS所能提供的功率很小，反应速度较慢，影响重要负荷的抗暂降能力。
发明内容
本发明实施例提供一种直流供电系统及其控制方法，能够有效利用储能单元作为备用供电，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。
第一方面，本发明实施例提供了一种直流供电系统，包括：
第一直流断路器、第一换流器以及母线；所述第一换流器的出线端通过所述第一直流断路器连接所述母线；
第二直流断路器、第二换流器、以及与所述第二换流器的进线端连接的储能单元，所述第二换流器的出线端通过所述第二直流断路器连接所述母线；
主控站，所述主控站与所述第一直流断路器、所述第二直流断路器以及所述第二换流器通信连接，所述主控站用于在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电。
可选的，所述储能单元包括超级电容、锂电池以及与所述超级电容和所述锂电池分别连接的电池管理模块；
所述超级电容用于稳定所述母线上的直流电压；
所述电池管理模块用于监测所述储能单元的充放电状态。
可选的，所述主控站用于在所述母线上的电压在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；在向所述第一换流器进线端供电的电网发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态。
可选的，所述主控站用于在所述母线上的电压为工作在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；在所述母线发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并经过预设时长后所述母线上的电压还未恢复，则控制所述第二直流断路器分断。
可选的，所述直流供电系统还包括与所述母线出口端连接的限流器，所述限流器通过所述母线连接直流负荷，所述直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；
所述限流器用于在所述负荷馈线发生故障后，将所述第一换流器输出的电流限制在额定电流范围。
可选的，所述主控站用于根据有功参考值、直流电压参考值、直流电流参考值、所述储能单元输出的直流功率、所述母线的电压和所述储能单元输出的直流电流控制所述第二换流器的输出功率。
第二方面，本发明实施例还提供了一种直流供电系统的控制方法，所述直流供电系统包括：第一直流断路器、第一换流器和母线；所述第一换流器的出线端通过所述第一直流断路器连接所述母线；第二直流断路器、第二换流器，以及与所述储能换流器的进线端连接的储能单元，所述第二换流器的出线端通过所述第二直流断路器连接所述母线；主控站，所述主控站与所述第一直流断路器、所述第二直流断路器以及所述第二换流器通信连接；
所述控制方法包括：
所述主控站在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电。
可选的，所述控制方法还包括：
所述主控站在所述母线上的电压在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；
所述主控站在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电，包括：
在向所述第一换流器进线端供电的电网发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态。
可选的，所述直流供电系统还包括与所述母线出口端连接的限流器，所述限流器通过所述母线连接直流负荷，所述直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；所述控制方法还包括：
所述限流器用于在所述负荷馈线发生故障后，将所述第一换流器输出的电流限制在额定电流范围。
本发明实施例提供的直流供电系统及其控制方法，能够在直流供电系统发生故障时，通过主控站与第一直流断路器以及第二直流断路器通信连接，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态，以使储能单元为母线供电，有效利用储能单元，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种直流供电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种正常工作时的直流供电系统的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种控制策略的示意图；
图4是本发明实施例三提供的中压侧故障时的直流供电系统的结构示意图；
图5是本发明实施例四提供的负荷侧故障时的直流供电系统的结构示意图；
图6是本发明实施例五提供的低压母线故障时的直流供电系统的结构示意图；
图7是本发明实施例六提供的一种直流供电系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
基于现有的供电系统可靠性低的问题，本发明实施例提供了一种直流供电系统。示例性地，参考图1，图1为本发明实施例一提供的一种直流供电系统的结构示意图，本实施例可适用于提高配电网中直流负荷持续可靠供电的情况，该系统具体包括：第一直流断路器100、第一换流器200、母线300、第二直流断路器400、第二换流器500、储能单元600和主控站700；其中，
第一换流器200的出线端通过第一直流断路器100连接母线300；
第二换流器500的出线端通过第二直流断路器400连接母线300；
其中，储能单元600可包括超级电容、锂电池以及与超级电容和锂电池分别连接的电池管理模块；
超级电容用于稳定母线上的直流电压，即为了实现短时低压直流母线电压的稳定；
电池管理模块用于监测储能单元600的充放电状态。
主控站700与第一直流断路器100、第二直流断路器400以及第二换流器500通信连接，主控站700用于在直流供电系统发生故障时，控制第一直流断路器100分断，并控制第二直流断路器400为闭合状态，以使储能单元600为母线300供电。
本发明实施例提供的直流供电系统，是基于储能系统的低压直流无暂降系统，可应用于中低压直流配电网，在直流供电系统发生故障时，通过储能单元为母线供电，实现重要负荷的持续、可靠供电。该系统中的K1和K2即分别表示上述第一直流断路器和第二直流断路器、与K1相连的DC/DC换流器即上述第一换流器，储能换流器T1即上述第二换流器、分布式储能单元C1即上述储能单元，直流低压控制器M1即上述主控站；
具体的，在中低压直流配电网中，第一换流器200可以是DC/DC换流器，正常工作时，第一换流器200可以将中压侧±10kV母线上的直流电压变换为±375V的低压侧母线电压，为直流负荷供电，在中压侧发生故障时，主控站700控制第一直流断路器100分断，将故障隔离，并控制第二直流断路器400为闭合状态，储能单元600通过第二换流器500并通过闭合的第二直流断路器400为母线300供电，从而通过母线300将电压传输到直流负荷。
需要说明的是，图1中示出的第一直流断路器100、第一换流器200、母线300、第二直流断路器400、第二换流器500、储能单元600和主控站700等的形状、位置和结构仅用于说明本发明实施例中一种可能的实施情况，并不用于对本发明实施例进行限制，实际应用时，应结合具体情况对系统进行设置。
本发明实施例提供的直流供电系统，能够在直流供电系统发生故障时，通过主控站与第一直流断路器以及第二直流断路器通信连接，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态，以使储能单元为母线供电，有效利用储能单元，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种正常工作时的直流供电系统的结构示意图，在上述技术方案的基础上，可选的，参考图2，图2即为直流供电系统在正常工作时的示意图，该系统中母线300上的电压在正常范围内，主控站700控制第一直流断路器100以及第二直流断路器400为闭合状态即K1和K2均闭合，此时是中压侧的直流母线电压向低压侧母线输出功率，分布式储能单元处于热备用状态，储能单元中的蓄电池为满电荷状态。
其中，M1分别与K1和K2通过通信接口连接，接口通信协议为IEC61850，采用光纤通信，M1可检测直流母线电压，当检测到直流母线电压变化超过阈值后向K1发送跳闸信号，并可根据直流负荷大小调整下垂控制中的下垂系数，将调整后的下垂系数和目标功率下发到T1，T1的控制策略为基于惯性环节的P-U下垂控制，控制框图如图3所示，图3中，Pref、idcref分别为有功参考值、直流电压参考值和直流电流参考值；Pdc、udc、idc分别为储能单元输出的直流功率、直流母线电压和储能系统输出的直流电流；kpdc为P-U下垂系数，具体数值由直流低压控制器根据负荷容量情况进行下达；为一阶惯性环节；DC/DC换流器采用BUCK-BOOST结构，通过控制占空比DBUCK、DBOOST来调节输出功率。本控制策略中为三个闭环控制环节，P-U下垂控制环节根据控制器以及负荷情况为电压外环提供直流参考电压；电压外环控制环节中包括了一阶惯性环节、PI控制环节以及电流限幅环节，有效降低负荷波动对分布式储能单元的影响以及抑制故障时储能单元对故障点可能提供的最大故障电流，保证设备安全可靠运行；电流内环控制实现母线电压的快速跟踪，保证系统快速响应。
可选的，主控站700用于根据有功参考值、直流电压参考值、直流电流参考值、储能单元输出的直流功率、母线300的电压和储能单元600输出的直流电流控制第二换流器500的输出功率。
其中，第二换流器500采用P-U下垂控制策略，主控站700根据各个参考值以及直流负荷调整下垂系数并将调整后的下垂系数和目标功率发送到第二换流器500，以通过下垂控制策略控制第二换流器500的输出功率，从而稳定母线电压，保证直流负荷的可靠供电和可持续运行。
分布式储能单元C1包含超级电容、磷酸铁锂蓄电池和电池管理系统BMS，其中超级电容负责快速稳压，蓄电池负责功率一定时间的持续功率输出，BMS实现超级电容和蓄电池之间的无缝切换并防止电池过充；直流负荷在低压侧，低压侧母线电压为±375V，中压侧直流母线电压为±10kV，中压侧直流母线电压通过DC/DC换流器为低压侧的直流负荷供电，直流负荷和服务器所在的馈线均有过流脱扣能力的低压直流开关，可以在馈线上的电流过流时断开线路，实现故障隔离。
该直流供电系统适用于中低压配电网，在中低压配电网中，母线300可以为低压侧母线，低压侧母线电压可以为±375V，电压的正常范围可以是额定电压的90％-110％，如当主控站检测到母线300电压跌落10％后，向第一直流断路器100发出跳闸指令，储能单元600通过下垂控制稳定±375V直流母线电压，实现对负荷短时间的持续供电，保证负荷可以持续运行。
实施例三
图4是本发明实施例三提供的中压侧故障时的直流供电系统的结构示意图，可选的，参考图4，图4即为直流供电系统在中压侧故障时的示意图，此时，主控站700可用于在向第一换流器200进线端供电的电网发生故障时，控制第一直流断路器100分断，并控制第二直流断路器400为闭合状态。
当中压侧发生故障后，中压侧断路器跳开±10kV电源，直流低压控制器向K1发送跳闸指令，同时分布式储能单元向±375V母线放出可控电流，5ms后K1完全分断后，低压侧形成短时孤岛运行，分布式储能换流器将直流母线电压恢复到设定值，实现负载的正常供电。
实施例四
图5是本发明实施例四提供的负荷侧故障时的直流供电系统的结构示意图，可选的，参考图5，图5即为直流供电系统在负荷故障时的示意图，该系统中直流负荷f1处发生故障后，中压侧输出电流增大，此时±375V母线电压跌落，分布式储能单元开始输出功率，并向短路点提供短路电流，直流负荷馈线上的低压直流开关的过流动作时间约为10-20ms；当故障支路流过从中压侧和储能系统提供来的短路电流后，低压直流开关动作，实现故障隔离，直流供电系统将直流母线电压恢复到设定值后系统转为正常运行状态。
当低压侧直流负荷或馈线发生故障，低压直流开关直接动作隔离故障。当中压侧发生故障，±10kV AC/DC换流器闭锁，中压侧±10kV母线失电，低压±375V母线发生电压跌落，直流低压控制器检测到母线电压跌落10％后，向低压直流断路器K1发出跳闸指令，分布式储能单元通过下垂控制稳定±375V直流母线电压，实现对负荷短时间的持续供电，保证负荷可以持续运行。
可选的，直流供电系统还包括与母线出口端连接的限流器，限流器通过母线即低压直流母线连接直流负荷，直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；
限流器用于在负荷馈线发生故障后，将第一换流器200输出的电流限制在额定电流范围。
具体的，直流负荷所在的低压侧的负荷馈线发生故障后，中压侧输出的电流增大，限流器将第一换流器200输出的电流限制在额定电流范围，此时母线电压跌落，储能单元600开始输出功率，并向短路点即故障点提供短路电流，当故障支路流过从中压侧和储能单元提供来的短路电流后，直流开关动作，实现故障隔离，直流供电系统将直流母线电压恢复到设定值后系统转为正常运行状态。
实施例五
图6是本发明实施例五提供的低压母线故障时的直流供电系统的结构示意图，可选的，参考图6，图6即为直流供电系统在低压母线故障时的示意图，该系统中当±375V母线发生接地故障后，母线电压迅速跌落为0，直流控制器控制K1迅速开断，实现低压侧与中压侧的隔离。此时，分布式储能单元满功率输出，经过1s后直流母线电压还未恢复，储能单元换流器判断直流母线上发生接地故障，立即跳开K2使储能单元停止向故障点输送短路电流，实现故障隔离。排除故障后分别将K1和K2闭合，系统恢复供电。
本发明实施例提供的直流供电系统，能够在直流供电系统发生故障时，通过主控站与第一直流断路器以及第二直流断路器通信连接，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态，以使储能单元为母线供电，有效利用储能单元，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。
实施例六
本实施例还提供了一种直流供电控制方法，图7是本发明实施例提供的一种直流供电系统的控制方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤110、主控站在母线上的电压在正常范围内时，控制第一直流断路器以及第二直流断路器为闭合状态。
其中，直流供电系统包括：第一直流断路器、第一换流器和母线；第一换流器的出线端通过第一直流断路器连接母线；第二直流断路器、第二换流器，以及与储能换流器的进线端连接的储能单元，第二换流器的出线端通过第二直流断路器连接母线；主控站，主控站与第一直流断路器、第二直流断路器以及第二换流器通信连接。
步骤120、主控站在直流供电系统发生故障时，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态。
在向第一换流器进线端供电的电网发生故障时，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态，以使储能单元为母线供电；主控站在母线发生故障时，控制第一直流断路器分断，并经过预设时长后母线上的电压还未恢复，则控制第二直流断路器分断。
直流供电系统还包括与母线出口端连接的限流器，限流器通过低压直流母线连接直流负荷，直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；限流器在负荷馈线发生故障后，将第一换流器输出的的电流限制在额定电流范围。
本发明实施例提供的直流供电控制方法，能够在直流供电系统发生故障时，通过主控站与第一直流断路器以及第二直流断路器通信连接，控制第一直流断路器分断，并控制第二直流断路器为闭合状态，以使储能单元为母线供电，有效利用储能单元，提高直流负荷供电的持续性和抗电压暂降能力。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种直流供电系统，其特征在于，包括：
第一直流断路器、第一换流器以及母线；所述第一换流器的出线端通过所述第一直流断路器连接所述母线；
第二直流断路器、第二换流器、以及与所述第二换流器的进线端连接的储能单元，所述第二换流器的出线端通过所述第二直流断路器连接所述母线；
主控站，所述主控站与所述第一直流断路器、所述第二直流断路器以及所述第二换流器通信连接，所述主控站用于在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能单元包括超级电容、锂电池以及与所述超级电容和所述锂电池分别连接的电池管理模块；
所述超级电容用于稳定所述母线上的直流电压；
所述电池管理模块用于监测所述储能单元的充放电状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控站用于在所述母线上的电压在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；在向所述第一换流器进线端供电的电网发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控站用于在所述母线上的电压为工作在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；在所述母线发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并经过预设时长后所述母线上的电压还未恢复，则控制所述第二直流断路器分断。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基于储能系统的低压直流无暂降系统还包括与所述母线出口端连接的限流器，所述限流器通过所述母线连接直流负荷，所述直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；
所述限流器用于在所述负荷馈线发生故障后，将所述第一换流器输出的电流限制在额定电流范围。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控站用于根据有功参考值、直流电压参考值、直流电流参考值、所述储能单元输出的直流功率、所述母线的电压和所述储能单元输出的直流电流控制所述第二换流器的输出功率。
7.一种直流供电系统的控制方法，其特征在于，所述直流供电系统包括：第一直流断路器、第一换流器和母线；所述第一换流器的出线端通过所述第一直流断路器连接所述母线；第二直流断路器、第二换流器，以及与所述储能换流器的进线端连接的储能单元，所述第二换流器的出线端通过所述第二直流断路器连接所述母线；主控站，所述主控站与所述第一直流断路器、所述第二直流断路器以及所述第二换流器通信连接；
所述控制方法包括：
所述主控站在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
所述主控站在所述母线上的电压在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；
所述主控站在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电，包括：
在向所述第一换流器进线端供电的电网发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
所述主控站在所述母线上的电压为工作在正常范围内时，控制所述第一直流断路器以及所述第二直流断路器为闭合状态；
所述主控站在所述直流供电系统发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并控制所述第二直流断路器为闭合状态，以使所述储能单元为所述母线供电，包括：所述主控站在所述母线发生故障时，控制所述第一直流断路器分断，并经过预设时长后所述母线上的电压还未恢复，则控制所述第二直流断路器分断。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述直流供电系统还包括与所述母线出口端连接的限流器，所述限流器通过所述母线连接直流负荷，所述直流负荷所在的负荷馈线上配置有直流开关；所述控制方法还包括：
所述限流器在所述负荷馈线发生故障后，将所述第一换流器输出的电流限制在额定电流范围。
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