CN112436500A - 一种直流微电网发输配电系统 - Google Patents

一种直流微电网发输配电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种直流微电网发输配电系统，包括氢燃料发电机组、DC/DC转换装置、DC750V直流微电网和用户用电转换设备；其中，DC750V直流微电网的直流母线中设置有电池储能系统；电池储能系统包括储能电池组和双向DC/DC充放电装置；氢燃料发电机组发电经各自对应的DC/DC转换装置并入DC750V直流微电网，当DC750V直流微电网的电压发生突变，则并联于DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置动态调节DC750V直流微电网的直流母线上的电压，根据实际情况动态调节氢能输电的输出电压和功率，以维持直流微电网直流母线电压稳定，保持输出给用户用电设备的瞬时功率的稳定性。

Description

一种直流微电网发输配电系统
技术领域
本发明涉及氢燃料发输配电技术领域，具体涉及一种直流微电网发输配电系统。
背景技术
氢能以其资源丰富、应用广泛且制氢和氢燃料发电的过程无污染，被称之为世界上最清洁的新能源。氢能的应用过程一般为从氢燃料电池发电到直流微电网再到用电变流器，最后到用户用电转换设备，但氢能电池发电的输出伏安特性曲线较差，导致氢能输电的输出电压和功率不稳定，影响用户用电转换设备的正常使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是氢能电池发电的输出伏安特性曲线较差，导致氢能输电的输出电压和功率不稳定，影响用户用电转换设备的正常使用。因此，提供一种直流微电网发输配电系统，根据实际情况动态调节氢能输电的输出电压和功率，保持输出电压和功率的稳定。
本发明通过下述技术方案实现：
一种直流微电网发输配电系统，包括氢燃料发电机组、DC/DC转换装置、DC750V直流微电网和用户用电转换设备；其中，所述DC750V直流微电网的直流母线中设置有电池储能系统；所述电池储能系统包括储能电池组和双向DC/DC充放电装置；
所述氢燃料发电机组发电经各自对应的DC/DC转换装置并入DC750V直流微电网，当所述DC750V直流微电网的电压发生突变，则并联于所述DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置动态调节所述DC750V直流微电网的直流母线上的电压，维持直流母线电压稳定；同时所述DC750V直流微电网经对应的双向DC/DC充放电装置对储能电池组充电，所述储能电池组输电给用户用电转换设备。
进一步地，所述DC/DC转换装置包括第一DC/DC功率整流模块、第一均流滤波电感和第一电流传感器，所述第一DC/DC功率整流模块与所述第一均流滤波电感的一端连接，所述第一均流滤波电感的另一端与所述第一电流传感器连接。
进一步地，所述双向DC/DC充放电装置包括第二DC/DC功率整流模块、第二均流滤波电感和第二电流传感器，所述第二DC/DC功率整流模块与所述第二均流滤波电感的一端连接，所述第二均流滤波电感的另一端与所述第二电流传感器连接。
进一步地，所述第一DC/DC功率整流模块或所述第二DC/DC功率整流模块都包括前级PWM斩波升降压单元和后级双向隔离DC/DC变换单元；
所述前级PWM斩波升降压单元包括升压电路和降压电路，所述升压电路和所述降压电路并联连接；
当所述氢燃料发电机组的输出电压低于DC375V时，则所述升压电路对所述输出电压进行斩波升压到DC375V；当所述氢燃料发电机组的输出电压高于DC375V时，则所述降压电路对所述输出电压进行斩波降压到DC375V，为所述后级双向隔离DC/DC变换单元提供稳定的直流母线的电压源；
所述后级双向隔离DC/DC变换单元包括H桥PWM逆变电路、单相高频隔离整流变压器、单相桥式高频整流变换电路和LC滤波电路；
当所述后级双向隔离DC/DC变换单元接收到所述直流母线的电压源后，通过H桥PWM逆变电路处理为PWM高频交流方波脉冲，并经单相高频隔离整流变压器隔离升压，单相桥式高频整流变换电路整流，LC滤波电路滤波后得到稳定的直流母线的电压。
进一步地，所述后级双向隔离DC/DC变换单元包括2个H桥，每个H桥包括4个IGBT，所述IGBT型号选用FF300R17KE3，所述IGBT的工作频率为16KHZ、直流母线纹波系数≤2％、静态稳压控制精度≤±1％。
进一步地，所述LC滤波电路中的电容器选用2只并联的420uF/1200V的薄膜型高频滤波电容器，总电容为840uF。
进一步地，所述PWM高频交流方波脉冲的频率为16.5KHZ。
进一步地，所述第一DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压为750V；所述第二DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压根据所述用户用电转换设备需要的电压确定。
进一步地，所述用户用电转换设备为制氢电解槽、电动汽车充电桩、逆变器或三相交流电源。
进一步地，所述双向DC/DC充放电装置动态调节所述DC750V直流微电网的直流母线上的电压，包括：
当所述用户用电转换设备的负载突增时，氢燃料发电机组由于动态响应时间较慢，特性较软，所述直流微电网母线的电压下降，则所述储能电池组通过双向DC/DC充放电装置将电池能放电回馈到所述直流母线上；当所述用户用电转换设备的负载突减时，氢燃料发电机组由于动态响应时间较慢，特性较软，所述直流母线的电压上升，则所述DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置将多余的电能输出向储能电池组充电。
本发明提供的一种直流微电网发输配电系统，包括氢燃料发电机组、DC/DC转换装置、DC750V直流微电网和用户用电转换设备；其中，DC750V直流微电网的直流母线中设置有电池储能系统；电池储能系统包括储能电池组和双向DC/DC充放电装置；氢燃料发电机组发电经各自对应的DC/DC转换装置并入DC750V直流微电网，当DC750V直流微电网的电压发生突变，则并联于DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置动态调节DC750V直流微电网的直流母线上的电压；同时储能电池组通过双向DC/DC充放电装置对DC750V直流微电网馈电，并根据实际情况动态调节氢燃料发电机组氢能输电的输出电压和功率，保持输出电压和功率的稳定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种直流微电网发输配电系统的原理图。
图2为本发明DC/DC转换装置的原理图。
图3为本发明双向DC/DC充放电装置的原理图。
图4为本发明DC/DC功率整流模块的原理图。
图5为本发明一种直流微电网发输配电系统的电压波形图。
图6为本发明一种直流微电网发输配电系统的电流波形图。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种直流微电网发输配电系统，包括氢燃料发电机组、DC/DC转换装置、DC750V直流微电网和用户用电转换设备；其中，DC750V直流微电网的直流母线中设置有电池储能系统；电池储能系统包括储能电池组和双向DC/DC充放电装置；
氢燃料发电机组发电经各自对应的DC/DC转换装置并入DC750V直流微电网，当DC750V直流微电网的电压发生突变，则并联于DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置动态调节DC750V直流微电网的直流母线上的电压，维持直流母线电压稳定；同时DC750V直流微电网经对应的双向DC/DC充放电装置对储能电池组充电，储能电池组输电给用户用电转换设备。
具体地，当用户用电转换设备的负载功率突变加大时，其用户用电转换设备功率上升，直流母线的电压下降(如下降10％，为DC675V)时，则储能电池组通过双向DC/DC充放电装置将电池能放电回馈到直流母线上，以使直流母线上的电压快速回升，抑制DC750V直流微电网电压的下降；当用户用电转换设备的负载减小，其用户用电转换设备功率减小，直流母线的电压上升(如上升10％，为DC825V)时，则DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置将多余的电能输出向储能电池组充电，实现快速充电储能，以使直流母线上的电压快速下降，抑制DC750V直流微电网电压的上升，以达到动态调节直流母线上电压的稳定。
进一步地，如图2所示，DC/DC转换装置包括第一DC/DC功率整流模块、第一均流滤波电感L和第一电流传感器L ′，第一DC/DC功率整流模块与第一均流滤波电感的一端连接，第一均流滤波电感的另一端与第一电流传感器连接。
进一步地，如图3所示，双向DC/DC充放电装置包括第二DC/DC功率整流模块、第二均流滤波电感L″和第二电流传感器L″′，第二DC/DC功率整流模块与第二均流滤波电感的一端连接，第二均流滤波电感的另一端与第二电流传感器连接。
进一步地，如图4所示，第一DC/DC功率整流模块或第二DC/DC功率整流模块都包括前级PWM斩波升降压单元和后级双向隔离DC/DC变换单元；
前级PWM斩波升降压单元包括升压电路和降压电路，升压电路和降压电路并联连接；
当氢燃料发电机组的输出电压低于DC375V时，则升压电路对输出电压进行斩波升压到DC375V；当氢燃料发电机组的输出电压高于DC375V时，则降压电路对输出电压进行斩波降压到DC375V，为后级双向隔离DC/DC变换单元提供稳定的直流母线的电压源；
后级双向隔离DC/DC变换单元包括H桥PWM逆变电路、单相高频隔离整流变压器、单相桥式高频整流变换电路和LC滤波电路；
当后级双向隔离DC/DC变换单元接收到直流母线的电压源后，通过H桥PWM逆变电路处理为PWM高频交流方波脉冲，并经单相高频隔离整流变压器隔离升压，单相桥式高频整流变换电路整流，LC滤波电路滤波后得到稳定的直流母线的电压。
本实施例中的储能电池组输出电压范围较宽为500V-850V，因此，其对应的前级PWM斩波升降压单元通过升压电路对氢燃料发电机组的输出电压升压，后级双向隔离DC/DC变换单元中单相H桥组成的PWM逆变进行高频逆变，并经高频隔离变压器隔离变压，再经单相二极管整流桥整流，并经LC滤波电路得到DC750V直流电压。
本实施例中的DC750V直流微电网的直流母线上的电压范围较宽为675V-825V，因此，其对应的PWM斩波升降压单元通过升压电路对氢燃料发电机组的输出电压降压，后级双向隔离DC/DC变换单元中单相H桥组成PWM逆变进行高频逆变，并经高频隔离变压器隔离变压，再经单相二极管整流桥整流，并经LC滤波电路输出得到DC300-500V的电解槽所需要的直流电压。
进一步地，后级双向隔离DC/DC变换单元包括2个H桥，每个H桥包括4个IGBT，IGBT型号选用FF300R17KE3，IGBT的工作频率为16KHZ、直流母线纹波系数≤2％、静态稳压控制精度≤±1％。
进一步地，LC滤波电路中的电容器选用2只并联的420uF/1200V的薄膜型高频滤波电容器，总电容为840uF。采用2只420uF/1200V的电容器并联，可以有效减少母线上的分布电感，叠成母线式靠近IGBT功率斩波模块安装。
进一步地，PWM高频交流方波脉冲的频率为16.5KHZ。
进一步地，第一DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压为750V；第二DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压根据用户用电转换设备需要的电压确定。
通过上述参数的设置，可以提高直流微电网发输配电系统的可靠性和稳定性。
具体地，本实施例中的用户用电转换设备包括但不限于制氢电解槽、电动汽车充电桩、逆变器和三相交流电源，可以理解地，不同的用户用电转换设备需要的电压不同。当用户用电转换设备为制氢电解槽，其对应需要的电压为300-500V；当用户用电转换设备为电动汽车充电桩，其对应需要的电压为400-750V；当用户用电转换设备为逆变器，其对应需要的直流输入电压为DC520-750V；当用户用电转换设备为三相交流电源，其对应需要的电压为AC380V/50HZ,须通过用户用电转换设备(逆变器)为其提供三相AC380V/50HZ的交流电源。
将直流微电网发输配电系统中的参数做如下设置：
(a)氢燃料发电机组输入电源模块的直流输入电压：DC500V；
(b)DC750V直流微电网：DC750V；
(c)IGBT开关频率：10KHZ；
(d)升压斩波电感值：0.8mH；
(e)单元模块中间直流母线支撑电容器C3：1000mF；
(f)单元模块H桥逆变开关频率16KHZ；
(g)高频直流直流滤波电感：100uH；
(h)直流输出滤波支撑电容器：840uF；
(i)直流输出控制方式：恒压限流输出控制；
(j)直流输出静态压输出电压控制精度：≤±1％FS；
(k)模拟负载阻抗：18.75Ω；
(l)直流输出电压纹波系数：≤2％FS。
对上述直流微电网发输配电系统进行MATLAB进行仿真，输出电压波形结果如图5所示，电流波形如图6所示。
由图5和图6可知，直流输出电压纹波系数满足要求，实现了氢燃料发电机组氢能输电的输出电压和功率的稳定输出。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，包括氢燃料发电机组、DC/DC转换装置、DC750V直流微电网和用户用电转换设备；其中，所述DC750V直流微电网的直流母线中设置有电池储能系统；所述电池储能系统包括储能电池组和双向DC/DC充放电装置；
所述氢燃料发电机组发电经各自对应的DC/DC转换装置并入DC750V直流微电网，当所述DC750V直流微电网的电压发生突变，则并联于所述DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置动态调节所述DC750V直流微电网的直流母线上的电压；同时所述DC750V直流微电网经对应的双向DC/DC充放电装置对储能电池组充电，所述储能电池组输电给用户用电转换设备。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述DC/DC转换装置包括第一DC/DC功率整流模块、第一均流滤波电感和第一电流传感器，所述第一DC/DC功率整流模块与所述第一均流滤波电感的一端连接，所述第一均流滤波电感的另一端与所述第一电流传感器连接。
3.根据权利要求1所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述双向DC/DC充放电装置包括第二DC/DC功率整流模块、第二均流滤波电感和第二电流传感器，所述第二DC/DC功率整流模块与所述第二均流滤波电感的一端连接，所述第二均流滤波电感的另一端与所述第二电流传感器连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述第一DC/DC功率整流模块或所述第二DC/DC功率整流模块都包括前级PWM斩波升降压单元和后级双向隔离DC/DC变换单元；
所述前级PWM斩波升降压单元包括升压电路和降压电路，所述升压电路和所述降压电路并联连接；
当所述氢燃料发电机组的输出电压低于DC375V时，则所述升压电路对所述输出电压进行斩波升压到DC375V；当所述氢燃料发电机组的输出电压高于DC375V时，则所述降压电路对所述输出电压进行斩波降压到DC375V，为所述后级双向隔离DC/DC变换单元提供稳定的直流母线的电压源；
所述后级双向隔离DC/DC变换单元包括H桥PWM逆变电路、单相高频隔离整流变压器、单相桥式高频整流变换电路和LC滤波电路；
当所述后级双向隔离DC/DC变换单元接收到所述直流母线的电压源后，通过H桥PWM逆变电路处理为PWM高频交流方波脉冲，并经高频整流变压器隔离升压，单相桥式高频整流变换电路整流，LC滤波电路滤波后得到稳定的直流母线电压。
5.根据权利要求4所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述后级双向隔离DC/DC变换单元包括2个H桥，每个H桥包括4个IGBT，所述IGBT型号选用FF300R17KE3，所述IGBT的工作频率为16KHZ、直流母线纹波系数≤2％、静态稳压控制精度≤±1％。
6.根据权利要求4所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述LC滤波电路中的电容器选用2只并联的420uF/1200V的薄膜型高频滤波电容器，总电容为840uF。
7.根据权利要求4所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述PWM高频交流方波脉冲的频率为16.5KHZ。
8.根据权利要求4所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述第一DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压为750V；所述第二DC/DC功率整流模块的额定输出功率为35KW，输出电压根据所述用户用电转换设备需要的电压确定。
9.根据权利要求8所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述用户用电转换设备为制氢电解槽、电动汽车充电桩、逆变器或三相交流电源。
10.根据权利要求1所述的一种直流微电网发输配电系统，其特征在于，所述双向DC/DC充放电装置动态调节所述DC750V直流微电网的直流母线上的电压，包括：
当所述用户用电转换设备的负载突增时，氢燃料发电机组由于动态响应时间较慢，特性较软，所述直流微电网母线的电压下降，则所述储能电池组通过双向DC/DC充放电装置将电池能放电回馈到所述直流母线上；当所述用户用电转换设备的负载突减时，氢燃料发电机组由于动态响应时间较慢，特性较软，所述直流母线的电压上升，则所述DC750V直流微电网通过双向DC/DC充放电装置将多余的电能输出给储能电池组。
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