CN113489124B - 一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法 - Google Patents

一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法，包括光伏组件、汇流箱、DC‑DC变换器A、可移动式储能电池集装箱、充电桩群、DC‑DC变换器B、5G基站通信设备、储能电池A、储能电池B以及能量管理系统；本发明将日益增加的5G基站负荷与V2G技术结合，构建以能量管理系统为控制中心的直流供能系统。该系统可行性高，实用性强，可以大幅降低基站负荷耗电成本，推进电动汽车的普及，并且省去了交直流转换过程，最大限度的提高了用电效率。

Description

一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制 方法
技术领域
本发明属于基站供电技术领域与移动供电领域，特别涉及一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法。
背景技术
随着5G技术的发展，5G基站也将逐步投入使用。然而5G基站的功耗非常惊人，如果按照原有供电模式的话，运营商们甚至可能入不敷出，这显然阻碍了5G基站的推广应用，所以寻找一种新的更高效率的供电方法非常重要。随着国家“碳达峰、碳中和”政策的下达，清洁能源的使用将变得更加重要，将光储应用于基站供电以及充电桩供电，可以大大提高清洁能源的利用率，降低碳排放。
例如专利号为“CN106627202A”的专利公开了一种光伏直流充电桩系统，通过光伏直流发电为新能源充电桩进行供电；例如专利号为“CN112491127A”的专利公开了一种新型节能光伏供电一体化5G基站，将光伏发电技术与5G基站供电进行结合；但上述技术均存在一定缺陷，交直流转换过程导致供电效率较低，且存在光伏能源消纳不足的问题。因此，本专利旨在提供一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法，基站通信设备为直流负荷，充电桩充电时输出侧为直流电。使用直流供电系统可以省去交直流转换过程，最大限度的提高用电效率。此外，基站通信设备对电能质量要求较高，允许的电压纹波也较小，该系统通过高精度DC-DC变换器，保证了低压母线电压的质量，同时使用两组储能电池进行稳压，能完美的契合5G基站的用电要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统及控制方法，该申请解决了现有技术5G基站功耗过高，现有供电方式难以有效实现成本控制的问题，通过光伏发电给基站供电，减少耗电成本，通过储能电池提高系统的稳定性；光伏发电剩余电量给可移动式储能电池集装箱充电，利用可移动式储能电池集装箱的可移动性用以给充电桩群进行供电，进一步提高了用电效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，包括发电设备、储能设备和能量管理系统；发电设备和储能设备之间连接有DC-DC变换器A和DC-DC变换器B；发电设备包括光伏组件和汇流箱，DC-DC变换器A一侧通过汇流箱与光伏组件连接，另一侧连接高压直流母线；储能设备包括可移动式储能电池集装箱和储能电池，可移动式储能电池集装箱一端与高压直流母线连接，另一端与充电桩群连接；储能电池一端与低压直流母线连接，低压直流母线通过DC-DC变换器B与高压直流母线连接；5G基站通信设备与储能电池并联至低压直流母线；能量管理系统通过CAN通讯与DC-DC变换器A、DC-DC变换器B、发电设备和储能设备连接。
优选地，可移动式储能电池集装箱包括储能电池簇单元、状态监控报警单元、散热单元和外部集装箱单元；高压直流母线电压范围为110V~380V，优选300V；低压直流母线电压范围为5V~48V，优选48V。
进一步地，储能电池簇单元包括运行状态与停运状态两种状态；当储能电池处于充电模式或放电模式时，储能电池簇处于运行状态，否则，储能电池簇处于停运状态；
优选地，状态监控报警单元与储能电池簇单元配合，实时监测储能电池簇单元中单个电池的电压、电流、SOC和温度数据；状态监控报警单元通过CAN通讯与能量管理系统相连，当有电池出现异常状况时发出报警信息。
进一步地，散热单元优选水冷内循环散热，散热效果较风冷散热更好，且节能性更佳；外部集装箱单元用于整合并保护储能电池簇、状态监控与报警单元以及散热单元，同时便于运送；可移动式储能电池集装箱通常情况下用于为所述充电桩群进行供电，特殊情况下也会用于为所述5G基站通信设备进行供电。
进一步地，5G基站通信设备是指基站内直流设备，设备运行额定电压为-48V，采用正极接地方案，其他交流设备供电由市电提供。
优选地，储能电池包括储能电池A和储能电池B，储能电池A和储能电池B互为备用；储能电池A和储能电池B中，常用电池组选用循环寿命长的磷酸铁锂电池组用于循环放电，备用电池组选用经济性更佳的铅酸电池组。
优选地，DC-DC变换器A为带有MPPT的单向Buck变换器，DC-DC变换器A与汇流箱连接，将高压直流电转化为稳定的 300V直流电，同时可控制输出侧的功率大小。
优选地，MPPT控制器导入的算法为改进的变步长扰动观察法，具体方法如下：
a.根据电压、电流情况智能改变步长，快速跟踪到MPP；
b. 在追踪到MPP后停止扰动，稳定持续输出最大功率；
c. 通过检测电压、电流的突变检测环境变化，从而重新追踪新环境下的MPP。
优选地，DC-DC变换器B为双向Boost-Buck变换器。
优选地，充电桩群内部装有信号监控单元，通过CAN通讯与能量管理系统相连，可在能量管理系统后台实时监测充电桩运行状态。
优选地，能量管理系统包括数据采集系统、监控后台和远程控制系统。
优选地，数据采集系统包括设置在各支路及各储能设备中的数据采集装置，用于采集电压、电流、温度和SOC数据；监控后台用于在PC端与移动端实时观测所述直流供电系统的工作状态与各种数据；远程控制系统与监控后台配合，远程对所述各支路进行通、断操作。
优选地，上述一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统的控制方法包括以下步骤：
S1，白天光伏组件正常工作时，5G基站通信设备由光伏组件进行供电，产生的剩余电量存入储能电池A、储能电池B和可移动式储能电池集装箱组成的储能设备；
S2，夜晚光伏组件不能发电时，5G基站通信设备由储能设备中的储能电池A进行供电，储能电池B作为备用电源；
S3，出现连续阴雨天气时，储能电池A与储能电池B不足以支撑5G基站通信设备工作，此时通过可移动式储能电池集装箱进行供电。
本发明的有益效果为：
本发明通过能量管理系统即EMS的监控功能，可控制光伏组件为基站的通信设备供电，可控制光伏组件为储能电池A、储能电池B、可移动式储能电池集装箱供电，可控制储能电池A、储能电池B、可移动式储能电池集装箱为基站的通信设备供电，此外，可移动式储能电池集装箱可为充电桩群进行供电。该系统将光储与5G基站、电动汽车充电桩相结合，整个系统只有直流电，省去了交直流转换过程，最大限度的提高了用电效率，同时可移动式储能电池集装箱的加入不仅可以提高系统的稳定性，还可以更高效率的利用光伏能源，避免光伏能源的消纳不足。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明实施例中控制方法流程图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，包括发电设备、储能设备和能量管理系统；发电设备和储能设备之间连接有DC-DC变换器A和DC-DC变换器B；发电设备包括光伏组件和汇流箱，DC-DC变换器A一侧通过汇流箱与光伏组件连接，另一侧连接300V直流母线；储能设备包括可移动式储能电池集装箱和储能电池，可移动式储能电池集装箱一端与300V直流母线连接，另一端与充电桩群连接；储能电池一端与48V直流母线连接，48V直流母线通过DC-DC变换器B与300V直流母线连接；5G基站通信设备与储能电池并联至48V直流母线；能量管理系统通过CAN通讯与DC-DC变换器A、DC-DC变换器B、发电设备和储能设备连接。
优选地，可移动式储能电池集装箱包括储能电池簇单元、状态监控报警单元、散热单元和外部集装箱单元。
进一步地，储能电池簇单元包括运行状态与停运状态两种状态；当储能电池处于充电模式或放电模式时，储能电池簇处于运行状态，否则，储能电池簇处于停运状态；
优选地，状态监控报警单元与储能电池簇单元配合，实时监测储能电池簇单元中单个电池的电压、电流、SOC和温度数据；状态监控报警单元通过CAN通讯与能量管理系统相连，当有电池出现异常状况时发出报警信息。
进一步地，散热单元优选水冷内循环散热，散热效果较风冷散热更好，且节能性更佳；外部集装箱单元用于整合并保护储能电池簇、状态监控与报警单元以及散热单元，同时便于运送；可移动式储能电池集装箱通常情况下用于为所述充电桩群进行供电，特殊情况下也会用于为所述5G基站通信设备进行供电。
进一步地，5G基站通信设备是指基站内直流设备，设备运行额定电压为-48V，采用正极接地方案，其他交流设备供电由市电提供。
优选地，储能电池包括储能电池A和储能电池B，储能电池A和储能电池B互为备用；储能电池A和储能电池B中，常用电池组选用循环寿命长的磷酸铁锂电池组用于循环放电，备用电池组选用经济性更佳的铅酸电池组。
进一步地，磷酸铁锂电池组规格为3*24共72块电池，每块电池为2V500AH，24块电池一串，三串并联；铅酸电池组规格为2*24共48块电池，每块电池为2V500AH，24块电池一串，两串并联。
优选地，DC-DC变换器A为带有MPPT技术的单向Buck变换器，DC-DC变换器A与汇流箱连接，将光伏组件产生的高压直流电转化为稳定的300V直流电，同时可控制输出侧的功率大小。
优选地，MPPT控制器导入的算法为改进的变步长扰动观察法，具体方法如下：
a.根据电压、电流情况智能改变步长，快速跟踪到MPP；
b. 在追踪到MPP后停止扰动，稳定持续输出最大功率；
c. 通过检测电压、电流的突变检测环境变化，从而重新追踪新环境下的MPP。
进一步地，300V直流母线与所述可移动式储能电池集装箱连接，一方面可以为所述可移动式储能电池集装箱充电，所述可移动式储能电池集装箱运送到所述充电桩群进行供电，另一方面，当所述光伏组件供能不足，所述储能电池A、储能电池B电量不足时，所述可移动式储能电池集装箱可以维持300V直流母线电压稳定，用以给基站负荷供电。
优选地，DC-DC变换器B为双向Boost-Buck变换器，300V直流母线电压通过所述DC-DC变换器B降压为48V，并连接于48V直流母线上。
进一步地，48V直流母线与所述5G基站通信设备、储能电池A、储能电池B相连，一方面可以给基站负荷供电，给储能电池充电，另一方面，当所述光伏组件供能不足时，储能电池可以维持48V直流母线电压稳定，用以给基站负荷供电。
优选地，充电桩群内部装有信号监控单元，通过CAN通讯与能量管理系统相连，可在能量管理系统后台实时监测充电桩运行状态。
优选地，能量管理系统包括数据采集系统、监控后台和远程控制系统。
优选地，数据采集系统包括设置在各支路及各储能设备中的数据采集装置，用于采集电压、电流、温度和SOC数据；监控后台用于在PC端与移动端实时观测所述直流供电系统的工作状态与各种数据；远程控制系统与监控后台配合，远程对所述各支路进行通、断操作。
实施例2：
上述一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统的控制方法包括以下步骤：
S1，白天光伏组件正常工作时，5G基站通信设备由光伏组件进行供电，产生的剩余电量存入储能电池A、储能电池B和可移动式储能电池集装箱组成的储能设备；
S2，夜晚光伏组件不能发电时，5G基站通信设备由储能设备中的储能电池A进行供电，储能电池B作为备用电源；
S3，出现连续阴雨天气时，储能电池A与储能电池B不足以支撑5G基站通信设备工作，此时通过可移动式储能电池集装箱进行供电。
实施例3：
根据上述一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统的控制方法,如图2所示，所述分布式直流供能系统由EMS智能控制衍生出多种具体工作模式，具体工作模式的控制策略如下：
EMS的数据采集系统可以实时采集系统中的各种数据，包括所述各支路电压、电流，所述各储能单元的电压、电流、温度、SOC。由公式P=U*I，可以知道各支路功率大小；
工作模式一：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC小于90%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为储能电池B供电；
工作模式二：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC小于95%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为储能电池A供电；
工作模式三：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC大于95%，可移动式储能电池集装箱的SOC小于95%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为可移动式储能电池集装箱供电；
工作模式四：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC大于95%，可移动式储能电池集装箱的SOC大于95%时，EMS远程控制带有MPPT功能的所述DC-DC变换器A，调节其输出功率为基站负荷功率，此时光伏组件只为基站负荷供电；
工作模式五：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，且储能电池A的SOC大于10%时，光伏组件与储能电池A共同为基站负荷供电；
工作模式六：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，且储能电池A的SOC小于10%，储能电池B的SOC大于10%时，光伏组件与储能电池B共同为基站负荷供电；
工作模式七：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，储能电池A的SOC小于10%，储能电池B的SOC小于10%时，光伏组件与可移动式储能电池集装箱共同为基站负荷供电。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：包括发电设备、储能设备和能量管理系统；发电设备和储能设备之间连接有DC-DC变换器A和DC-DC变换器B；发电设备包括光伏组件和汇流箱，DC-DC变换器A一侧通过汇流箱与光伏组件连接，另一侧连接高压直流母线；储能设备包括可移动式储能电池集装箱和储能电池，可移动式储能电池集装箱一端与高压直流母线连接，另一端与充电桩群连接；储能电池一端与低压直流母线连接，低压直流母线通过DC-DC变换器B与高压直流母线连接；5G基站通信设备与储能电池并联至低压直流母线；能量管理系统通过CAN通讯与DC-DC变换器A、DC-DC变换器B、发电设备和储能设备连接；能量管理系统包括数据采集系统、监控后台和远程控制系统；所述可移动式储能电池集装箱包括储能电池簇单元、状态监控报警单元、散热单元和外部集装箱单元；高压直流母线电压范围为110V~360V；低压直流母线电压范围为 5V~48V；状态监控报警单元与储能电池簇单元配合，实时监测储能电池簇单元中单个电池的电压、电流、SOC和温度数据；状态监控报警单元通过CAN通讯与能量管理系统相连，当有电池出现异常状况时发出报警信息；储能电池包括储能电池A和储能电池B，储能电池A和储能电池B互为备用；储能电池簇单元包括运行状态与停运状态两种状态；当储能电池处于充电模式或放电模式时，储能电池簇处于运行状态，否则，储能电池簇处于停运状态；散热单元采用水冷内循环散热，外部集装箱单元用于整合并保护储能电池簇、状态监控与报警单元以及散热单元，同时便于运送；可移动式储能电池集装箱通常情况下用于为所述充电桩群进行供电，特殊情况下也会用于为所述5G基站通信设备进行供电；
上述分布式直流供能系统由EMS智能控制提供多种具体工作模式，具体工作模式的控制策略如下：
EMS的数据采集系统可以实时采集系统中的各种数据，包括各支路电压、电流，各储能单元的电压、电流、温度、SOC；由公式P=U*I，可以知道各支路功率大小；
工作模式一：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC小于90%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为储能电池B供电；
工作模式二：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC小于95%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为储能电池A供电；
工作模式三：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC大于95%，可移动式储能电池集装箱的SOC小于95%时，光伏组件为基站负荷供电，同时为可移动式储能电池集装箱供电；
工作模式四：当光伏组件发电功率PV大于基站负荷功率Pload，且储能电池B的SOC大于95%，储能电池A的SOC大于95%，可移动式储能电池集装箱的SOC大于95%时，EMS远程控制带有MPPT功能的所述DC-DC变换器A，调节其输出功率为基站负荷功率，此时光伏组件只为基站负荷供电；
工作模式五：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，且储能电池A的SOC大于10%时，光伏组件与储能电池A共同为基站负荷供电；
工作模式六：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，且储能电池A的SOC小于10%，储能电池B的SOC大于10%时，光伏组件与储能电池B共同为基站负荷供电；
工作模式七：当光伏组件发电功率PV小于基站负荷功率Pload，储能电池A的SOC小于10%，储能电池B的SOC小于10%时，光伏组件与可移动式储能电池集装箱共同为基站负荷供电。
2.根据权利要求1所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：所述DC-DC变换器A为带有MPPT控制器的单向Buck变换器，DC-DC变换器A与汇流箱连接，将高压直流电转化为稳定电压的高压直流电，同时可控制输出侧的功率大小。
3.根据权利要求2所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：所述MPPT控制器导入的算法为改进的变步长扰动观察法，具体方法如下：
a.根据电压、电流情况智能改变步长，快速跟踪到MPPT；
b. 在追踪到MPPT后停止扰动，稳定持续输出最大功率；
c. 通过检测电压、电流的突变检测环境变化，从而重新追踪新环境下的MPPT。
4.根据权利要求1所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：所述DC-DC变换器B为双向Boost-Buck变换器。
5.根据权利要求1所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：所述充电桩群内部装有信号监控单元，通过CAN通讯与能量管理系统相连，可在能量管理系统后台实时监测充电桩运行状态。
6.根据权利要求1所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统，其特征在于：所述数据采集系统包括设置在各支路及各储能设备中的数据采集装置，用于采集电压、电流、温度和SOC数据；监控后台用于在PC端与移动端实时观测所述直流供能系统的工作状态与各种数据；远程控制系统与监控后台配合，远程对所述各支路进行通、断操作。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的一种融合“光、储、充、检”技术的分布式直流供能系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，白天光伏组件正常工作时，5G基站通信设备由光伏组件进行供电，产生的剩余电量存入储能电池A、储能电池B和可移动式储能电池集装箱组成的储能设备；
S2，夜晚光伏组件不能发电时，5G基站通信设备由储能设备中的储能电池A进行供电，储能电池B作为备用电源；
S3，出现连续阴雨天气时，储能电池A与储能电池B不足以支撑5G基站通信设备工作，此时通过可移动式储能电池集装箱进行供电。
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