CN113644736B - 5g基站智能微电网多源供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G基站智能微电网多源供电系统,其中:供电侧以光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩和电动汽车作供电补充;除光伏供电外,供电侧中各供电单元均与电能变换中枢双向连通;5G基站负荷由电能变换中枢供电。本发明的系统采用光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩与电动汽车作为补充的灵活高效的供电方式。各个监控模块采集本地信息,并在本地进行分析计算,基于分析计算结果,控制本地相关设备运行状态,同时,部分本地信息以及分析计算结果通过无线通讯模块上传至云服务器,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,并发送执行指令至各个监控模块,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,实现多源供电系统安全和高效率运行。

Description

5G基站智能微电网多源供电系统
技术领域
本发明涉及5G通信设备技术领域,更具体地说,本发明涉及一种5G基站智能微电网多源供电系统。
背景技术
据工信部数据显示,截至2020年6月30日,我国已建设开通5G基站超40万个,平均每周新建5G基站超1.5万个。5G网络传输虽然快,但代价却是更高的能耗。根据运营商的统计,5G基站功耗是4G的3~4倍。而按照这个功耗对比,意味着5G基站的电费将会比4G多9~10倍,这样的电费消耗无疑是令人震惊和困扰的。
随着中国光伏发电技术不断发展,光伏发电成本逐年降低。2020年12月12日的气候雄心峰会为中国降低碳排放设定新目标,作出“到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右”等庄严承诺。2019年,中国光伏的年均利用小时数为1169小时,光伏电站建设成本为4.5元/瓦,度电成本为0.44元/度。光伏发电技术在满足5G基站负荷增长需求、提高5G基站供电可靠性、控制5G基站运营成本、提高能源综合利用效率等方面有较好的优越性。但是光伏属于间歇性能源,受自然环境影响较大,不可控因素较多,这限制了光伏发电的运行效率,削弱了其优势和潜能,且光伏发电用于基站多源性供电时,现有的控制策略无法实时根据系统以及本地设备运行状态动态调整供电方式,极易造成能源浪费,并且存在系统稳定性隐患。
因此,亟需设计一种能够有效将光伏发电技术应用于5G基站的5G基站智能供电系统。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述缺陷,并提供至少后面将说明的优点。
本发明的另一个目的是提供一种5G基站智能微电网多源供电系统,该系统以光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩与电动汽车作为补充的灵活高效的供电方式,实现多源供电系统安全和高效率运行。
本发明的另一个目的是提供一种5G基站智能微电网多源供电系统,该系统各个监控模块采集本地信息,并在本地进行分析计算,基于分析计算结果,控制本地相关设备运行状态,同时,部分本地信息以及分析计算结果通过无线通讯模块上传至云服务器,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,并发送执行指令至各个监控模块,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,实现多源供电系统安全和高效率运行。
为了保证移动通信网络的有效覆盖和服务质量,电信运营商需要在全国范围内建设数百万台无线基站。这些基站分布范围广、数量庞大,其能耗在整个移动通信网络中占有较大的比重。尤其在5G阶段,面向行业应用的场景层出不穷,数据流量呈现指数级增长,这对网络建设、运营和管理提出了新的挑战。持续深入研究5G基站节能技术,大幅降低5G单站运营成本,具有非常重要的经济价值和社会价值。
如图6所示,5G基站能耗一般包括计算能耗、传输能耗和其他能耗三部分,具体划分如下:
计算能耗:即BBU消耗的电量,包括数字部分处理、管理和控制,核心网和其他基站间通信等相关功耗。
传输能耗:即功率放大器(PA)和射频(RF)部分所消耗的电量,其主要执行基带信号与无线信号之间的信号转换,馈电线的功耗也包括在传输功耗之内。
其他能耗:主要包括机房空调、监控系统、制冷设备、供电系统所损耗的电量。
5G智能供电系统降低基站运营成本主要有两种方式,分别是基于硬件降低运营成本和基于软件降低运营成本。基于硬件降低运营成本主要依靠引入光伏电源、储能装置、和其他形式的电源组成微电网,减少对市电的依赖。基于软件降低运营成本主要依靠人工智能技术,制定供电系统运行策略,提高运行效率,降低损耗。
本案提供的一种5G基站智能微电网多源供电系统,其中:
供电侧以光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩和电动汽车作供电补充;除光伏供电外,供电侧中各供电单元均与电能变换中枢双向连通;5G基站负荷由电能变换中枢供电。
上述技术方案中,以光伏供电为主,发挥光伏电源环保且成本低的优势,同时以市电、直流远供、储能电池、充电桩和电动汽车作为供电补充,提高了供电系统的灵活性,克服光伏随机性造成的供电不稳定的技术问题。特别是在电动汽车数量日益剧增,市场占有量大幅度提升,在路电动汽车越发密集,5G基站数量大分布广的情况下,电动汽车作为移动的储能装置,应用在5G基站上,作为基站灵活的供电补充,构建绿色的稳定的基站微电网生态,减少基站故障及故障损伤,实现多方共赢,意义十分重大,应用和发展空间非常宽广。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,直流母排作为电能变换中枢;
储能电池通过电池充放电控制器连接至直流母排;
交流市电通过交流配电单元连接直流母排;
光伏电池组件通过MPPT控制器连接至第一直流配电单元,直流远供连接至第一直流配电单元,电动汽车和充电桩连接至第一直流配电单元;所述第一直流配电单元通过第一双向DC/DC变换器连接至直流母排。
上述技术方案中,以直流母排作为电能转换中枢,便于将各种供电汇总转换分配,方便进行控制调节,直流母排与各组件以及配电单元的结合保证供电系统功能稳定。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,5G基站负荷中,交流负荷连接至交流配电单元,交流市电和直流母排均能通过交流配电单元供电交流负荷;
直流负荷通过第二直流配电单元连接至直流母排。
上述连接方式方便直流母排为基站负荷供电,同时交流市电可以不经过直流母排为交流负荷供电,减少电能转换消耗。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,所述直流母排与直流滤波电路连接,用以平抑直流母排电压波动。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,所述交流配电单元包括:双向DC/AC变换器、第一交流断路器、交流过流保护器、自复式过欠压保护器、交流双向电表、第二交流断路器、孤岛检测模块、交流浪涌保护器和交流隔离开关;
所述直流母排与双向DC/AC变换器连接实现电能形式转变,双向DC/AC变换器与第一交流断路器连接,第一交流断路器与交流过流保护器连接,交流过流保护器与自复式过欠压保护器连接,自复式过欠压保护器连接至基站交流负荷同时与交流双向电表连接,交流双向电表与第二交流断路器连接,第二交流断路器连接至交流浪涌保护器同时与交流隔离开关连接,交流隔离开关与交流市电连接;
孤岛检测模块连接至第二交流断路器,用以控制第二交流断路器通断。
该技术方案的技术效果是:实现基站供电侧以光伏供电为主,市电供电为辅。当光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率,直流远供与充电桩无法充分消纳时,富余电能可以反向输送至市电;当光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率,直流远供与充电桩无法完全补充时,功率缺额可以由市电补充。孤岛检测模块实时检测市电运行状态,当市电停电时,孤岛检测模块控制第二交流断路器断开,防止电能反向输送至电网,对电网检修人员造成伤害;当市电恢复供电时,孤岛检测模块控制交流断路器延时合闸,保障系统安全运行。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,所述第一直流配电单元包括:若干直流隔离开关、若干直流浪涌保护器、若干直流断路器、若干直流过流保护器、若干双向DC/DC变换器、第二直流滤波电路和直流汇流母排;
所述MPPT控制器连接至第一直流隔离开关,第一直流隔离开关连接至第一直流浪涌保护器同时连接至第一直流断路器,第一直流断路器连接至第一直流过流保护器,第一直流过流保护器连接至直流汇流母排;
所述直流远供与第二直流隔离开关连接,第二直流隔离开关与第二直流浪涌保护器连接同时与第二直流断路器连接,第二直流断路器与第二双向DC/DC变换器连接,实现电压等级转变,第二双向DC/DC变换器与第二直流过流保护器连接,第二直流过流保护器与直流汇流母排连接;
所述充电桩与第三直流隔离开关连接,第三直流隔离开关与第三直流浪涌保护器连接同时与第三直流断路器连接,第三直流断路器与第三双向DC/DC变换器连接,第三双向DC/DC变换器与第三直流过流保护器连接,第三直流过流保护器与直流汇流母排连接;
直流汇流母排与第一双向DC/DC变换器高压侧连接;第二直流滤波电路与直流汇流母排连接用于平缓直流汇流母排电压波动。
该技术方案的技术效果是:实现基站供电侧以光伏供电为主,直流远供、充电桩和电动汽车作供电补充。当光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率时,富余的电能可以通过直流远供或者充电桩进行消纳;当光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率时,可以通过直流远供或者充电桩对基站进行补充供电。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,所述第二直流配电单元包括:
包括第四直流隔离开关、第四直流断路器、第四直流过流保护器、第五直流断路器、单向DC/DC变换器、第六直流断路器;
直流母排连接至第四直流隔离开关,第四直流隔离开关连接至第四直流断路器,第四直流断路器连接至第四直流过流保护器,第四直流过流保护器连接至第五直流断路器同时连接至第六直流断路器,第五直流断路器连接至单向DC/DC变换器,用于实现电压等级转变,单向DC/DC变换器连接至远端直流负荷,第六直流断路器连接至近端直流负荷。
该技术方案的技术效果是:满足不同位置或者电压等级的直流负荷的用能需求,降低馈电损耗。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,还包括运行监控系统,所述运行监控系统包括:
光伏电池监控模块、储能电池监控模块、交流配电单元监控模块、第一直流配电单元监控模块、第二直流配电单元监控模块、无线通讯模块和云服务器;
光伏电池监控模块采集光伏组件中的光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池温度、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流;
光伏电池监控模块基于光伏电池组串输出电压、电池组串输出电流、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,控制MPPT控制器高频开关通断,追踪最大功率点,并计算光伏电池组件输出功率与MPPT控制器输出功率;
光伏电池监控模块基于单体光伏电池输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池温度,计算单体光伏电池输出功率,并判断单体光伏电池健康状态;
光伏电池监控模块通过无线通讯模块,上传光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、光伏电池组串输出功率、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、MPPT控制器输出功率、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池输出功率、单体光伏电池温度、单体光伏电池健康状态至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向光伏电池监控模块发送执行指令,光伏电池监控模块根据执行指令调整MPPT控制器运行状态,包括但不限于控制MPPT控制器高频开关通断,从而控制MPPT控制器输出电压,以及调整MPPT控制器工作模式,包括:追踪最大功率模式、恒电压输出模式、恒功率输出模式;
所述储能电池监控模块采集储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、直流母排电压;
储能电池监控模块基于储能电池组电压、储能电池组电流,计算储能电池组剩余电量;
储能电池监控模块基于单体储能电池电压、储能电池组电流、单体储能电池温度,计算单体储能电池剩余电量,判断单体储能电池健康状态;
储能电池监控模块基于直流母排电压、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态,控制电池充放电控制器高频开关通断;
储能电池监控模块通过无线通讯模块,上传储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向储能电池监控模块发送执行指令,储能电池监控模块根据执行指令调整电池充放电控制器运行状态,包括但不限于控制电池充放电控制器各个高频开关通断,从而调整储能电池工作模式,包括:充电模式、放电模式、待机模式和隔离模式,以及控制储能电池充电功率和放电功率;
所述交流配电单元监控模块采集直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果;
交流配电单元监控模块基于直流母排电压,控制双向DC/AC变换器潮流方向;
交流配电单元监控模块基于孤岛检测结果,控制交流配电单元控制第二交流断路器开关状态;
交流配电单元监控模块基于交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率,计算交流市电传输功率,控制双向DC/AC变换器高频开关通断,使得双向DC/AC变换器交流输出与交流市电同步;
交流配电单元监控模块通过无线通讯模块,上传直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果、潮流方向、交流市电传输功率至云服务器;
通过无线通讯模块向交流配电单元监控模块发送执行指令,交流配电单元监控模块根据执行指令调整交流配电单元中第一交流断路器、第二交流断路器和双向DC/AC变换器的运行状态,包括但不限于控制第一交流断路器、第二交流断路器开关通断,控制双向DC/AC变换器各个高频开关通断,从而调整双向DC/AC变换器工作模式,包括:整流模式、逆变模式和待机模式;
所述第二直流配电单元监控模块采集直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流;
第二直流配电单元监控模块基于直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流,计算远端直流负荷功率,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,使得远端直流负荷电压跟随远端直流负荷功率变化,降低供电远端直流负荷馈电损耗;
第二直流配电单元监控模块基于近端直流负荷电压、近端直流负荷电流,计算近端直流负荷功率;
第二直流配电单元监控模块上传远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、远端直流负荷功率、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流、近端直流负荷功率至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向第二直流配电单元监控模块发送执行指令,第二直流配电单元监控模块根据执行指令调整第二直流配电单元中第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器和单向DC/DC变换器的运行状态,包括但不限于控制第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器开关通断,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整单向DC/DC变换器输出电压;
所述第一直流配电单元监控模块采集MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流、第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流;
第一直流配电单元监控模块基于MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,计算MPPT控制器输出功率;
第一直流配电单元监控模块基于第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流,计算第二双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块基于第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流,计算第三双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块基于第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流,计算第一双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块上传MPPT控制器输出功率、第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流、第二双向DC/DC变换器两侧传输功率、第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流、第三双向DC/DC变换器两侧传输功率、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧传输功率至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向第一直流配电单元监控模块发送执行指令,第一直流配电单元监控模块根据执行指令调整第一直流配电单元中第一直流断路器、第二直流断路器、第三直流断路器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第三双向DC/DC变换器运行状态,包括但不限于控制第一直流断路器、第二直流断路器和第三直流断路器通断,控制第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器和第三双向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整双向DC/DC变换器输出电压以及工作模式,包括:升压模式、降压模式和待机模式。
该技术方案的效果是:实时全方位监测系统运行状态,在某单元故障时,能够迅速与系统其他部分隔离,提高系统的可靠性,保证系统安全运行。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,所述云服务器通过无线通讯模块向各个监控模块发送指令,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,在保证供电系统安全稳定运行的前提下,以最小化运行成本为目标,实现智能调度直流远供、交流市电、电动汽车能源智能调度;
供电系统的基本运行策略如下:
光伏电源组件中的光伏电源PV能正常工作的情况下,由光伏电源PV向5G基站负荷供电,光伏电源PV工作在追踪最大功率点MPPT模式下,若监测直流母排电压Udc高于直流母排电压上限设定Uh,判断此时储能电池是否处于过充保护状态,若储能电池没有处于过充保护状态,调整储能电池工作在充电状态,基于直流母排电压与储能电池电气参数实时调控储能电池充电功率,若此时储能电池处于过充保护状态,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,调控光伏电源PV工作在恒功率CPP模式;若监测直流母排电压Udc低于直流母排电压下限设定值Ul,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,并维持直流母排电压稳定,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护状态或者其他电源恢复供电;
在光伏电源PV不能正常工作的情况下,光伏电源PV处于待机或者隔离状态,此时,判断系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护或者其他电源恢复供电。
该技术方案的主要效果是:能够适应各种复杂的运行状况,比如:光伏电源、市电、储能装置、直流远供、充电桩和电动汽车中的一个或者多个发生故障,云服务器为控制当前系统在最佳运行状态,下发指令通过各个监控模块调整系统运行模式。最佳运行状态具体指,保证系统安全稳定运行前提下,全生命周期运行成本最小的运行状态。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,运行时,若运行监控系统中的监控模块与云服务器通信中断,云服务器发出告警,监控模块基于本地信息,调控相关设备的工作状态,维持本地设备正常工作;
若是第二直流配电单元监控模块、光伏电池监控模块、储能电池监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,监控模块调控装置进入恒压输入或者输出状态,维持直流母排电压稳定;
若是其他监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,系统发出告警后,按照正常通信时的基本运行策略继续工作。
优选的是,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,在光伏供电、市电供电、直流远供和储能电池出现不正常或供电不足时,5G基站向外散布供电需求信息,电动汽车接收需求信息后前往该5G基站与充电桩连接进行供电;
在光伏供电富余时,5G基站向外散布供电盈余信息,以吸引电动汽车前往该5G基站充电;
为方便电动汽车与5G基站进行能源互动,所述5G基站包括:
基站主体和机械手,机械手可升降的设置在基站主体上以调节相对地面的高度,机械手包括若干伸缩式机械杆、电动关节和智能控制单元,伸缩式机械杆通过电动关节连接,用以实现机械手的空间位置调节,机械手的前端设置有接线部件和定位模块,电动汽车的充电口也相应设置有定位模块,基于定位模块的相互感应,智能控制单元控制机械手进行空间位置调节完成接线部件与电动汽车充电口的对接;
或所述5G基站包括:
基站主体、设置在基站主体附近的停车塔、将电动汽车引向停车塔的引桥;基站主体设置在不具有泊车条件的地方,并与停车塔电连接,停车塔具有若干停车层,每停车层均能停泊电动汽车,停车塔一端设置有电动升降支撑杆,引桥一端与电动升降杆滑动连接用于调节对接的停车层,引桥的另一端引向路边以便电动汽车从路边经引桥进入停车塔和基站主体电连接进行能源互动。
本发明具有以下有益效果:
本发明的系统采用光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩与电动汽车作为补充的灵活高效的供电方式。各个监控模块采集本地信息,并在本地进行分析计算,基于分析计算结果,控制本地相关设备运行状态,同时,部分本地信息以及分析计算结果通过无线通讯模块上传至云服务器,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,并发送执行指令至各个监控模块,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,实现多源供电系统安全和高效率运行。
本发明的5G基站智能微电网多源供电系统能实现对整个5G基站系统的功率平衡管理、经济运行调度、集中保护等高级控制、决策,并维护整个5G基站系统的平稳安全的运行,同时提高资源利用率,降低基站运营成本。
本发明的5G基站智能微电网多源供电系统运用具有信息与能量交互共享能力的智能终端,采用高速数据采集及智能推算技术,提高运行效率,确保信息传递安全。采用云服务器与运行监控系统两级联合控制方式,运行监控系统中各个监控模块对主要设备和重要节点进行高速数据采集,收集系统电气参数,用于控制、监视、分析数据;运行监控系统通过对主要设备和重要节点进行高速数据采集,同时与云服务器精准、迅速实时通信。
本发明的5G基站智能微电网多源供电系统中,各个监控模块采集本地信息,并在本地进行分析计算,基于分析计算结果,控制本地相关设备运行状态,同时,部分本地信息以及分析计算结果通过无线通讯模块上传至云服务器,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,并发送执行指令至各个监控模块,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,实现多源供电系统安全和高效率运行。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述5G基站智能微电网多源供电系统的一次侧架构图;
图2为本发明所述交流配电单元的连接框架图;
图3为本发明所述第二直流配电单元的连接框架图;
图4为本发明所述第一直流配单单元的连接框架图;
图5为本发明所述云服务器的基本运行策略图;
图6为本发明所述5G基站耗能构成图;
图7为本发明所述5G基站的第一种实施方式的结构示意图;
图8本本发明所述5G基站的第二种实施方式的结构示意图;
图9为本发明所述5G基站在绿化带的布置图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
图1~5示出了本发明5G基站智能微电网功能系统的一种实施方式。
所述5G基站智能微电网多源供电系统中,供电侧以光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩和电动汽车作供电补充;除光伏供电外,供电侧中各供电单元均与电能变换中枢双向连通;5G基站负荷由电能变换中枢供电。
进一步,在一个具体的实施方式中,如图1所示,5G基站智能微电网功能系统由19个模块组成:光伏电池组件、MPPT控制器、储能电池、电池充放电控制器、直流远供、充电桩、第一直流配电单元、交流配电单元、第二直流配电单元、第一直流滤波电路、直流母排、第一双向DC/DC变换器、光伏电池监控模块、储能电池监控模块、交流配电单元监控模块、第一直流配电单元监控模块、第二直流配电单元监控模块、无线通讯模块、云服务器。
根据系统不同功能,可将整体系统划分为两个部分:多源供电系统和运行监控系统。在多源供电系统中,系统采用光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩与电动汽车作为补充的灵活高效的供电方式。在运行监控系统中,各个监控模块采集本地信息,并在本地进行分析计算,基于分析计算结果,控制本地相关设备运行状态,同时,部分本地信息以及分析计算结果通过无线通讯模块上传至云服务器,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,并发送执行指令至各个监控模块,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,实现多源供电系统安全和高效率运行。
如图1所示,多源供电系统的架构部分包括:光伏电池组件、MPPT控制器、储能电池、电池充放电控制器、直流远供、充电桩、直流配电单元1、交流配电单元、直流配电单元2、直流滤波电路1、直流母排、第一双向DC/DC变换器。
光伏电池组件通过光电转化将光能转化为电能,输出电能至MPPT控制器,MPPT控制器连接至直流配电单元1。直流远供与直流配电单元1连接。电动汽车通过充电桩与直流配电单元1连接。储能电池与电池充放电控制器连接,电池充放电控制器与直流母排连接。交流市电与交流配电单元连接,交流配电单元连接至基站交流负荷,同时,与直流母排连接。直流母排连接至直流配电单元2,直流配电单元2连接至基站远端直流负荷和近端直流负荷。直流配电单元1与第一双向DC/DC变换器连接,实现电压等级转变,第一双向DC/DC变换器与直流母排连接。直流滤波电路1与直流母排连接,稳定直流母排电压,实现多源供电系统不同运行模式间的平滑切换。
进一步,在另一个实施方式中,如图2所示,交流配电单元包括双向DC/AC变换器、交流断路器1、交流过流保护器、自复式过欠压保护器、交流双向电表、交流断路器2、孤岛检测模块、交流浪涌保护器、交流隔离开关。
直流母排与双向DC/AC变换器连接,实现电能形式转变,双向DC/AC变换器与交流断路器1连接,交流断路器1与交流过流保护器连接,交流过流保护器与自复式过欠压保护器连接,自复式过欠压保护器连接至基站交流负荷,同时,与交流双向电表连接,交流双向电表与交流断路器2连接,交流断路器2连接至交流浪涌保护器,同时,与交流隔离开关连接,交流隔离开关与交流市电连接。孤岛检测模块连接至交流断路器2,根据市电运行状况,控制交流断路器2通断。
进一步,在另一个实施方式中,如图4所示,直流配电单元1包括:直流隔离开关1、直流浪涌保护器1、直流断路器1、直流过流保护器1、直流隔离开关2、直流浪涌保护器2、直流断路器2、双向DC/DC变换器2、直流过流保护器2、直流隔离开关3、直流浪涌保护器3、直流断路器3、双向DC/DC变换器3、直流过流保护器3、直流滤波电路2、直流汇流母排。MPPT控制器连接至直流隔离开关1,直流隔离开关1连接至直流浪涌保护器1,同时,连接至直流断路器1,直流断路器1连接至直流过流保护器1,直流过流保护器1连接至直流汇流母排。直流远供与直流隔离开关2连接,直流隔离开关2与直流浪涌保护器2连接,同时,与直流断路器2连接,直流断路器2与双向DC/DC变换器2连接,实现电压等级转变,双向DC/DC变换器2与直流过流保护器2连接,直流过流保护器2与直流汇流母排连接。充电桩与直流隔离开关3连接,直流隔离开关3与直流浪涌保护器3连接,同时,与直流断路器3连接,直流断路器3与双向DC/DC变换器3连接,双向DC/DC变换器3与直流过流保护器3连接,直流过流保护器3与直流汇流母排连接。汇流母排与第一双向DC/DC变换器高压侧连接。直流滤波电路2与直流汇流母排连接,平滑直流汇流母排电压波动。
进一步,在另一个实施方式中,如图3所示,直流配电单元2包括:直流隔离开关4、直流断路器4、直流过流保护器4、直流断路器5、单向DC/DC变换器、直流断路器6。
直流母排连接至直流隔离开关4,直流隔离开关4连接至直流断路器4,直流断路器4连接至直流过流保护器4,直流过流保护器4连接至直流断路器5,同时,连接至直流断路器6,直流断路器5连接至单向DC/DC变换器,实现电压等级转变,单向DC/DC变换器连接至远端直流负荷,直流断路器6连接至近端直流负荷。
进一步,在一种实施方式中,运行监控系统包括:光伏电池监控模块、储能电池监控模块、交流配电单元监控模块、直流配电单元2监控模块、直流配电单元1监控模块、无线通讯模块、云服务器。
光伏电池监控模块采集光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池温度、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流。
光伏电池监控模块基于光伏电池组串输出电压、电池组串输出电流、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,控制MPPT控制器高频开关通断,追踪最大功率点,并计算光伏电池组件输出功率与MPPT控制器输出功率。
光伏电池监控模块基于单体光伏电池输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池温度,计算单体光伏电池输出功率,并判断单体光伏电池健康状态。
光伏电池监控模块通过无线通讯模块,上传光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、光伏电池组串输出功率、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、MPPT控制器输出功率、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池输出功率、单体光伏电池温度、单体光伏电池健康状态至云服务器。
云服务器通过无线通讯模块向光伏电池监控模块发送执行指令,光伏电池监控模块根据执行指令调整MPPT控制器运行状态,包括但不限于控制MPPT控制器高频开关通断,从而控制MPPT控制器输出电压,以及调整MPPT控制器工作模式,包括:追踪最大功率模式、恒电压输出模式、恒功率输出模式。
执行指令可以是人为直接设定,保证供电系统稳定运行,或以最佳运行状态运行即可。也可以通过以下方法产生,比如:云服务器实时基于机器学习多目标优化算法,处理其收集到的上述有关供电系统运行的全部数据信息,计算并得出在供电系统最佳运行状态,以及最佳运行状态下对应的光伏电池组件和MPPT控制器的运行状态。(最佳运行状态具体指,保证系统安全稳定运行前提下,全生命周期运行成本最小的运行状态。)多目标优化算法可直接选用现有的算法模型。以最佳运行状态为导向,云服务器通过无线通讯模块向光伏电池监控模块发送执行指令,光伏电池监控模块根据执行指令调整MPPT控制器运行状态,包括但不限于控制MPPT控制器高频开关通断,从而控制MPPT控制器输出电压,以及调整MPPT控制器工作模式,包括:追踪最大功率模式、恒电压输出模式、恒功率输出模式,保证供电系统在最佳运行状态。
下面给出一个具体的实施细节以便本领域技术人员理解和实施,云服务器被配置为:在光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率情况下,若MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,富余电能可以被储能装置、直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,云服务器则控制MPPT控制器输出电压为最大功率输出电压,调整MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,提高能源利用效率;若MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,富余电能不能被储能装置、直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,与此同时,富余电能可以反向输送至市电,云服务器则控制MPPT控制器输出电压为最大功率输出电压,调整MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,提高能源利用效率;若MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,富余电能不能被储能装置、直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,与此同时,富余电能也无法反向输送至市电,云服务器则调整MPPT控制器工作在恒功率输出模式,维持系统功率平衡。在光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率情况下,云服务器控制MPPT控制器输出电压为最大功率输出电压,调整MPPT控制器工作在追踪最大功率模式,提高能源利用效率。
进一步,在另一种实施方式中,储能电池监控模块采集储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、直流母排电压。
储能电池监控模块基于储能电池组电压、储能电池组电流,计算储能电池组剩余电量。
储能电池监控模块基于单体储能电池电压、储能电池组电流、单体储能电池温度,计算单体储能电池剩余电量,判断单体储能电池健康状态。
储能电池监控模块基于直流母排电压、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态,控制电池充放电控制器高频开关通断。
储能电池监控模块通过无线通讯模块,上传储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态至云服务器。
云服务器通过无线通讯模块向储能电池监控模块发送执行指令,储能电池监控模块根据执行指令调整电池充放电控制器运行状态,包括但不限于控制电池充放电控制器各个高频开关通断,从而调整储能电池工作模式,包括:充电模式、放电模式、待机模式和隔离模式,以及控制储能电池充电功率和放电功率。
执行指令可以是人为直接设定,保证供电系统稳定运行,或以最佳运行状态运行即可。也可以通过以下方法产生,比如:云服务器实时基于机器学习多目标优化算法,处理其收集到的有关供电系统运行的全部数据信息,计算并得出在供电系统最佳运行状态,以及最佳运行状态下对应的储能电池与电池充放电控制器的运行状态。(最佳运行状态具体指,保证系统安全稳定运行前提下,全生命周期运行成本最小的运行状态。)以最佳运行状态为导向,云服务器通过无线通讯模块向储能电池监控模块发送执行指令,储能电池监控模块根据执行指令调整电池充放电控制器运行状态,包括但不限于控制电池充放电控制器各个高频开关通断,从而调整储能电池工作模式,包括:充电模式、放电模式、待机模式和隔离模式,以及控制储能电池充电功率和放电功率。
下面给出一个具体的实施方式以便本领域技术人员理解和实施,云服务器被配置为:在光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率的情况下,且储能电池健康状态良好,若剩余电量满足基站备用电要求,富余电能可以被直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,云服务器则调整电池充放电控制器工作在待机模式,储能电池充电功率为0;若剩余电量未触及过充保护,富余电能不能被直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,云服务器则调整电池充放电控制器工作在充电模式,控制储能电池充电功率根据电池剩余电量不断变化,电池剩余电量越低,充电功率越高,电池剩余电量越高,充电功率越低;若剩余电量触及过充保护,云服务器则调整电池充放电控制器工作在待机模式,储能电池充电功率为0。
在光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率的情况下,且储能电池健康状态良好,若剩余电量满足基站备用电要求,缺额功率可以由直流远供、充电桩和电动汽车完全补充,云服务器则调整电池充放电控制器工作在待机模式,储能电池放电功率为0;若剩余电量满足基站备用电要求,功率缺额不能由直流远供、充电桩和电动汽车完全补充,市电运行正常,云服务器则调整电池充放电控制器工作在放电模式,储能电池放电功率不大于缺额功率;若剩余电量不能满足基站备用电要求,市电运行正常,云服务器则调整电池充放电控制器工作在充电模式,储能电池充电功率根据电池剩余电量不断变化,电池剩余电量越低,充电功率越高,电池剩余电量越高,充电功率越低;若剩余电量未触及过放保护,功率缺额不能由直流远供、充电桩和电动汽车完全补充,市电停电,云服务器则调整电池充放电控制器工作在放电模式,储能电池放电功率不大于缺额功率;若剩余电量触及过放保护,云服务器则调整电池充放电控制器工作在待机模式,储能电池放电功率为0。
在任何情况下,电池处于过流、过温等故障状态,云服务器则调整电池充放电控制器工作在隔离模式。
进一步,在另一种实施方式中,交流配电单元监控模块采集直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果。
交流配电单元监控模块基于直流母排电压,控制双向DC/AC变换器潮流方向。
交流配电单元监控模块基于孤岛检测结果,控制交流配电单元控制交流断路器2开关状态。
交流配电单元监控模块基于交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率,计算交流市电传输功率,控制双向DC/AC变换器高频开关通断,使得双向DC/AC变换器交流输出与交流市电电网同步。
交流配电单元监控模块通过无线通讯模块,上传直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果、潮流方向、交流市电传输功率至云服务器。
云服务器通过无线通讯模块向交流配电单元监控模块发送执行指令,交流配电单元监控模块根据执行指令调整交流配电单元中交流断路器和双向DC/AC变换器的运行状态,包括但不限于控制交流断路器开关通断,控制双向DC/AC变换器高频开关通断,从而调整双向DC/AC变换器工作模式,包括:整流模式、逆变模式和待机模式。
执行指令可以是人为直接设定,保证供电系统稳定运行,或以最佳运行状态运行即可。也可以通过以下方法产生,比如:云服务器实时基于机器学习多目标优化算法,处理其收集到的有关系统运行的全部数据信息,计算并得出在系统最佳运行状态,以及最佳运行状态下对应的交流配电单元的运行状态。(最佳运行状态具体指,保证系统安全稳定运行前提下,全生命周期运行成本最小的运行状态。)以最佳运行状态为导向,云服务器通过无线通讯模块向交流配电单元监控模块发送执行指令,交流配电单元监控模块根据执行指令调整交流配电单元中交流断路器和双向DC/AC变换器的运行状态,包括但不限于控制交流断路器开关通断,控制双向DC/AC变换器高频开关通断,从而调整双向DC/AC变换器工作模式,包括:整流模式、逆变模式和待机模式。
下面给出一个具体的实施方式以便本领域技术人员理解和实施,云服务器被配置为:在光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率的情况下,且市电正常运行,若富余电能可以被储能电池、直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,云服务器调整双向DC/AC变换器工作在待机模式;若富余电能不能被储能电池、直流远供、充电桩和电动汽车充分消纳,云服务器调整双向DC/AC变换器工作在逆变模式,系统向市电反向输送电能。在光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率的情况下,且市电正常运行,若缺额功率可以由储能电池、直流远供、充电桩和电动汽车完全补充,云服务器调整双向DC/AC变换器工作在待机模式;若缺额功率不能由储能电池、直流远供、充电桩和电动汽车完全补充,云服务器调整双向DC/AC变换器工作在整流模式,向基站负荷输送电能。
在任何情况下,孤岛检测模块检测到市电停电,立即向交流断路器发送执行断开指令,断开市电与系统的电气连接,保证电网检修人员人身安全和系统稳定运行。
进一步,在另一种实施方式中,直流配电单元2监控模块采集直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流。
直流配电单元2监控模块基于直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流,计算远端直流负荷功率,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,使得远端直流负荷电压跟随远端直流负荷功率变化,降低供电远端直流负荷馈电损耗。
直流配电单元2监控模块基于近端直流负荷电压、近端直流负荷电流,计算近端直流负荷功率。
直流配电单元2监控模块上传远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、远端直流负荷功率、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流、近端直流负荷功率至云服务器。
云服务器通过无线通讯模块向第二直流配电单元监控模块发送执行指令,第二直流配电单元监控模块根据执行指令调整第二直流配电单元中第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器和单向DC/DC变换器的运行状态,包括但不限于控制第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器开关通断,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整单向DC/DC变换器输出电压。
执行指令可以是人为直接设定,保证供电系统稳定运行,或以最佳运行状态运行即可。也可以通过以下方法产生,比如:云服务器实时基于机器学习多目标优化算法,处理其收集到的有关系统运行的全部数据信息,计算并得出在系统最佳运行状态,及最佳运行状态下直流配电单元2的运行状态。以最佳运行状态为导向,云服务器通过无线通讯模块向第二直流配电单元监控模块发送执行指令,第二直流配电单元监控模块根据执行指令调整第二直流配电单元中第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器和单向DC/DC变换器的运行状态,包括但不限于控制第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器开关通断,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整单向DC/DC变换器输出电压。
进一步,在另一种实施方式中,直流配电单元1监控模块采集MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、双向DC/DC变换器2两侧电压、双向DC/DC变换器2两侧电流、双向DC/DC变换器3两侧电压、双向DC/DC变换器3两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流。
直流配电单元1监控模块基于MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,计算MPPT控制器输出功率。
直流配电单元1监控模块基于双向DC/DC变换器2两侧电压、双向DC/DC变换器2两侧电流,计算双向DC/DC变换器2两侧传输功率。
直流配电单元1监控模块基于双向DC/DC变换器3两侧电压、双向DC/DC变换器3两侧电流,计算双向DC/DC变换器3两侧传输功率。
直流配电单元1监控模块基于第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流,计算第一双向DC/DC变换器两侧传输功率。
直流配电单元1监控模块上传MPPT控制器输出功率、双向DC/DC变换器2两侧电压、双向DC/DC变换器2两侧电流、双向DC/DC变换器2两侧传输功率、双向DC/DC变换器3两侧电压、双向DC/DC变换器3两侧电流、双向DC/DC变换器3两侧传输功率、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧传输功率至云服务器。
云服务器通过无线通讯模块向直流配电单元1监控模块发送执行指令,直流配电单元1监控模块根据执行指令调整第一直流配电单元中直流断路器1、直流断路器2、直流断路器3、第一双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器3运行状态,包括但不限于控制直流断路器1、直流断路器2和直流断路器3通断,控制第一双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器2和双向DC/DC变换器3高频开关通断,从而调整双向DC/DC变换器工作模式,包括:升压模式、降压模式和待机模式。
执行指令可以是人为直接设定,保证供电系统稳定运行,或以最佳运行状态运行即可。也可以通过以下方法产生,比如:云服务器实时基于机器学习多目标优化算法,处理其收集到的有关系统运行的全部数据信息,计算并得出在系统最佳运行状态,及最佳运行状态下第一直流配电单元的运行状态。(最佳运行状态具体指,保证系统安全稳定运行前提下,全生命周期运行成本最小的运行状态。)以最佳运行状态为导向,云服务器通过无线通讯模块向直流配电单元1监控模块发送执行指令,直流配电单元1监控模块根据执行指令调整第一直流配电单元中直流断路器1、直流断路器2、直流断路器3、第一双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器3运行状态,包括但不限于控制直流断路器1、直流断路器2和直流断路器3通断,控制第一双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器2和双向DC/DC变换器3高频开关通断,从而调整双向DC/DC变换器工作模式,包括:升压模式、降压模式和待机模式。
下面给出一个具体的实施方式以便本领域技术人员理解和实施,云服务器被配置为:在光伏电源发电功率大于基站负荷用电功率的情况下,若富余电能可以被直流远供消纳,则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在升压模式,否则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在待机模式;若富余电能可以被充电桩和电动汽车消纳,服务器控制双向DC/DC变换器3工作在升压模式,否则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在待机模式。在光伏电源发电功率小于基站负荷用电功率的情况下,若部分或者全部缺额功率可以由直流远供补充,则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在降压模式,否则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在待机模式;若部分或者全部缺额功率可以由充电桩和电动汽车补充,云服务器控制双向DC/DC变换器3工作在降压模式,否则云服务器控制双向DC/DC变换器2工作在待机模式。
在任何情况下,光伏电源或者MPPT控制器发生故障,云服务器控制直流断路器1断开,断开光伏电源以及MPPT控制器与系统的电气连接,保证系统其他设备安全稳定运行;直流远供发生故障,云服务器控制直流断路器2断开,断开直流远供与系统的电气连接,保证系统其他设备安全稳定运行;充电桩和电动汽车发生故障,云服务器控制直流断路器3断开,断开充电桩和电动汽车与系统的电气连接,保证系统其他设备安全稳定运行。
进一步,在另一种实施方式中,具体的,多目标优化算法选用现有的算法模型,如粒子群优化算法。
全局信息指的是云服务器收集到的全部的数据信息,包括:
光伏电池组件单元:光伏电池组串的电压、电流、功率,单体光伏电池的电压、功率、温度、健康状态;
交流配电单元的电气参数包括:交流市电的电压、电流、频率、功率、孤岛检测结果;
储能电池单元的电气参数包括:储能电池组电压、电流、剩余电量,单体储能电池电压、温度、剩余电量、健康状态;
第一直流配电单元的电气参数包括:MPPT控制器输出电压、电流、功率,直流远供的电压、电流、功率,充电桩的电压、电流、功率;直流母排电压;
第二直流配电单元:远端直流负荷电压、电流、功率,近端直流负荷电压、电流、功率;
通过上述数据信息,算法模型算出供电系统的最佳运行状态(如最低运行成本下供电系统的运行状态)以及该运行状态下对应的各个电源和设备的工作状态,云服务器以此为目标,将各个电源和设备调节为对应的工作状态。
例如,云服务器基于收集到的全部数据信息,分析各个电源模块是否能够正常工作,在除储能电池之外其它电源均无法正常工作时,基于单体储能电池健康状态、储能电池组剩余电量、储能电池组输出电压,控制第二直流配电单元工作状态。若此时储能电池处于过流保护状态或过放保护状态,则停止工作且不对外输出电能,基站停电,发出告警并等待其他电源恢复正常供电。若此时储能电池处于正常工作状态,则由储能电池为基站提供电能,等待其他电源恢复正常供电,基于储能电池组剩余电量,控制直流负荷分级切断。假设基站传输设备功率为p(kW),储能电池已为基站单独供电时长为t,在电池组剩余电量下降至p*(20-t)千瓦时时,切断除基站传输设备的其它直流负荷,在储能电池组剩余电量继续下降至储能电池容量10%,或者储能电池组输出电压下降至终止电压,切断基站所有直流负荷,停止工作且不对外输出电能,进入过放保护状态。
进一步,在另一种实施方式中,云服务器实时处理多源供电系统全局信息,基于机器学习多目标优化算法(粒子群优化算法),计算智能微电网供电系统整体最佳运行状态,然后通过无线通讯模块向各个监控模块发送指令,各个监控模块调整本地相关设备运行状态。在保证供电系统安全稳定运行的前提下,以最小化运行成本为目标,实现智能调度直流远供、交流市电、电动汽车等能源智能调度。
供电系统的云服务器一种具体的基本运行策略如下:
在光伏电源PV能正常工作的情况下,由光伏电源PV向5G基站负荷供电,光伏电源PV工作在追踪最大功率点MPPT模式下,若监测直流母排电压Udc高于直流母排电压上限设定Uh,判断此时储能电池是否处于过充保护状态,若储能电池没有处于过充保护状态,调整储能电池工作在充电状态,基于直流母排电压与储能电池电气参数实时调控储能电池充电功率,若此时储能电池处于过充保护状态,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,调控光伏电源PV工作在恒功率CPP模式;若监测母排电压Udc低于母排电压下限设定值Ul,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,并维持直流母排电压稳定,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护状态或者其他电源恢复供电。
在光伏电源PV不能正常工作的情况下,光伏电源PV处于待机或者隔离状态,此时,判断系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本等为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护或者其他电源恢复供电。
系统运行时,若监控模块与云服务器通信中断,云服务器发出告警,监控模块基于本地信息,调控相关设备的工作状态,维持本地设备正常工作。若是直流配电单元2监控模块、光伏电池监控模块、储能电池监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,监控模块调控装置进入恒压输入或者输出状态,维持直流母排电压稳定。若是其他监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,系统发出告警后,可按照正常通信时运行策略继续工作。
在另一种实施方式中,本发明还提供了一种供电系统最小化运行成本的计算方法:
假设5G基站智能微电网多源供电系统输入功率为正功率,输出功率为负功率。假设5G基站与交流市电传输功率为a千瓦,与直流远供传输功率为b千瓦,与充电桩传输功率为c千瓦,供电系统缺额或者富余功率为y千瓦,其中,y=a+b+c。
5G基站能够与交流市电交互能量,基站能够为交流市电供电,u1=-1,若不能,u1=0,交流市电能够为基站供电,u2=1,若不能,u2=0;若基站能够与直流远供交互能量,基站能够为直流远供供电,v1=-1,若不能,v1=0,直流远供电够为基站供电,v2=1,若不能,v2=0;基站能够与充电桩交互能量,基站能够为充电桩供电,w1=-1,若不能,w1=0,充电桩能够为基站供电,w2=1,若不能,w2=0;假设基站与交流市电交互能量效率为η1,与直流远供交互能量效率为η2,与充电桩交互能量效率为η3。假设,直流远供基站侧电压为800V。假设交流市电为基站供电实时电价为M1元/千瓦时,基站为交流市电供电实时电价为N1元/千瓦时;直流远供为基站供电实时电价为M2元/千瓦时,基站为直流远供供电实时电价为N2元/千瓦时;充电桩为基站供电实时电价为M3元/千瓦时,基站为充电桩供电实时电价为N3元/千瓦时。
基于公式(1)和公式(2),求解基站运行用电成本最小时,a、b、c的值
I=u1*η1*a*N1+v1*η2*b*N2+w1*η2*c*N3
O=u2*a*M1/η1+v2*b*M3/η2+w2*c*M2/η3
Z=I+O(元/h) (1)(单位时间基站运营用电成本)
y=a+b+c(kW) (2)
其中,直流远供传输功率b为通信调度指令。基于粒子群算法,求解出基站运行用电成本最小时,交流市电传输功率a和充电桩传输功率c的值。发布相关指令,调整供电系统运行在最佳状态。
在另一种实施方式中,所述的5G基站智能微电网多源供电系统中,在光伏供电、市电供电、直流远供和储能电池出现不正常或供电不足时,5G基站向外散布供电需求信息,电动汽车接收需求信息后前往该5G基站进行连接供电;
在光伏供电富余时,5G基站向外散布供电盈余信息,以吸引电动汽车前往该5G基站充电;
为方便电动汽车与5G基站进行能源互动,如图7所示,本案提供了一种5G基站具体技术细节,以便实施,该5G基站可以应用在周围具有停车条件的地方,而不需要特别的设置充电桩,特别适合电动汽车15临时短暂停车与5G基站进行能源互动,不需要特别规划停车场或停车位,节省空间和成本,便于推广使用,所述5G基站包括:基站主体11和机械手13;
基站主体11是开放的,不限于结构和形式,如基站通信塔、路灯杆、电线杆、建筑外立面、桥梁和广告桩等均可以作为基站主体11,基站主体11包括5G基站智能微电网功能系统的相关模块或部件,实现5G基站的功能。
机械手13可升降的设置在基站主体11上以调节相对地面的高度;以基站通信塔为例,基站通信塔上设置有电动升降机构12,机械手13与电动升降机构12连接,在电动升降机构的控制下,机械手13实现水平升降,调节相对地面的高度,到需要时,机械手下降便于与电动汽车连接,当不需要时,机械手上升,避免占用地面空间。
机械手13包括若干电动伸缩式机械杆131、电动关节132和智能控制单元;伸缩式机械杆131通过电动关节132连接,智能控制单元与伸缩式机械杆131、电动关节132电连接,用以控制伸缩式机械杆131的伸缩和电动关节132的转动,进而实现机械手13的空间位置调节;伸缩式机械杆的设置可以使得机械手具有伸缩功能,在不使用时,机械手收回,不占用外部空间,以及避免被破坏。
机械手13的前端设置有接线部件14和定位模块;接线部件14可以是充电插头,也可以是接近式的充电器;定位模块可以是红外定位器、电磁定位器或激光定位器;电动汽车15的充电口也相应设置有定位模块,电动汽车15的定位模块可以设置成快速拆装的,以便于灵活安装;基于定位模块的相互感应,智能控制单元控制机械手13进行空间位置调节完成接线部件14与电动汽车15充电口的对接。特别是电动汽车实现无人驾驶后,机械手与电动汽车智能对接更显重要。
如图8和9所示,本案提供另一种5G基站的具体技术细节,该5G基站适用于周围没有泊车条件的位置,比如道路旁边的绿化带18、隔离带等,可以有效利用绿化带18和隔离带上方空间和5G基站旁边的空间,减少对地面空间的占用,降低规划成本;所述5G基站包括:
基站主体11、设置在基站主体11附近的停车塔16、将电动汽车引向停车塔的引桥17;基站主体11主要是通信塔、路灯杆、广告塔等,基站主体11设置在不具有泊车条件的地方,如上述的道路旁边的绿化带18、隔离带等,基站主体11与停车塔16电连接,停车塔16具有若干停车层,每停车层均能停泊电动汽车,每停车层均设置有电接口与电动汽车连接,停车塔16一端设置有电动升降支撑杆19,引桥17一端通过安装部18与电动升降杆滑动连接,在电动升降杆19的驱动下,安装部18上下移动,引桥17也跟着上下移动,用于调节对接的停车层,引桥17的另一端引向路边以便电动汽车从路边经引桥17进入停车塔16,与基站主体电连接进行能源互动;根据需要引桥17可以是弯曲、弧形的或直线型的。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改。

Claims (4)

1.一种5G基站智能微电网多源供电系统,其特征在于:
供电侧以光伏供电为主,市电供电为辅,直流远供、储能电池、充电桩和电动汽车作供电补充;除光伏供电外,供电侧中各供电单元均与电能变换中枢双向连通;5G基站负荷由电能变换中枢供电;
直流母排作为电能变换中枢;
储能电池通过电池充放电控制器连接至直流母排;
交流市电通过交流配电单元连接直流母排;
光伏电池组件通过MPPT控制器连接至第一直流配电单元,直流远供连接至第一直流配电单元,电动汽车和充电桩连接至第一直流配电单元;所述第一直流配电单元通过第一双向DC/DC变换器连接至直流母排;
5G基站负荷中,交流负荷连接至交流配电单元,交流市电和直流母排均能通过交流配电单元供电交流负荷;
直流负荷通过第二直流配电单元连接至直流母排;
所述交流配电单元包括:双向DC/AC变换器、第一交流断路器、交流过流保护器、自复式过欠压保护器、交流双向电表、第二交流断路器、孤岛检测模块、交流浪涌保护器和交流隔离开关;
所述直流母排与双向DC/AC变换器连接实现电能形式转变,双向DC/AC变换器与交流断路器连接,第一交流断路器与交流过流保护器连接,交流过流保护器与自复式过欠压保护器连接,自复式过欠压保护器连接至基站交流负荷同时与交流双向电表连接,交流双向电表与第二交流断路器连接,第二交流断路器连接至交流浪涌保护器同时与交流隔离开关连接,交流隔离开关与交流市电连接;
孤岛检测模块连接至第二交流断路器,用以控制交流断路器通断;
所述第一直流配电单元包括:若干直流隔离开关、若干直流浪涌保护器、若干直流断路器、若干直流过流保护器、若干双向DC/DC变换器、第二直流滤波电路和直流汇流母排;
所述MPPT控制器连接至第一直流隔离开关,第一直流隔离开关连接至第一直流浪涌保护器同时连接至第一直流断路器,第一直流断路器连接至第一直流过流保护器,第一直流过流保护器连接至直流汇流母排;
所述直流远供与第二直流隔离开关连接,第二直流隔离开关与第二直流浪涌保护器连接同时与第二直流断路器连接,第二直流断路器与第二双向DC/DC变换器连接,实现电压等级转变,第二双向DC/DC变换器与第二直流过流保护器连接,第二直流过流保护器与直流汇流母排连接;
所述充电桩与第三直流隔离开关连接,第三直流隔离开关与第三直流浪涌保护器连接同时与第三直流断路器连接,第三直流断路器与第三双向DC/DC变换器连接,第三双向DC/DC变换器与第三直流过流保护器连接,第三直流过流保护器与直流汇流母排连接;
直流汇流母排与第一双向DC/DC变换器高压侧连接;第二直流滤波电路与直流汇流母排连接用于平缓直流汇流母排电压波动;
所述第二直流配电单元包括:
包括第四直流隔离开关、第四直流断路器、第四直流过流保护器、第五直流断路器、单向DC/DC变换器、第六直流断路器;
直流母排连接至第四直流隔离开关,第四直流隔离开关连接至第四直流断路器,第四直流断路器连接至第四直流过流保护器,第四直流过流保护器连接至第五直流断路器同时连接至第六直流断路器,第五直流断路器连接至单向DC/DC变换器,用于实现电压等级转变,单向DC/DC变换器连接至远端直流负荷,第六直流断路器连接至近端直流负荷;
还包括运行监控系统,所述运行监控系统包括:
光伏电池监控模块、储能电池监控模块、交流配电单元监控模块、第一直流配电单元监控模块、第二直流配电单元监控模块、无线通讯模块和云服务器;
光伏电池监控模块采集光伏组件中的光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池温度、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流;
光伏电池监控模块基于光伏电池组串输出电压、电池组串输出电流、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,控制MPPT控制器高频开关通断,追踪最大功率点,并计算光伏电池组件输出功率与MPPT控制器输出功率;
光伏电池监控模块基于单体光伏电池输出电压、光伏电池组串输出电流、单体光伏电池温度,计算单体光伏电池输出功率,并判断单体光伏电池健康状态;
光伏电池监控模块通过无线通讯模块,上传光伏电池组串输出电压、光伏电池组串输出电流、光伏电池组串输出功率、MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、MPPT控制器输出功率、单体光伏电池输出电压、单体光伏电池输出功率、单体光伏电池温度、单体光伏电池健康状态至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向光伏电池监控模块发送执行指令,光伏电池监控模块根据执行指令调整MPPT控制器运行状态,包括但不限于控制MPPT控制器高频开关通断,从而控制MPPT控制器输出电压,以及调整MPPT控制器工作模式,包括:追踪最大功率模式、恒电压输出模式、恒功率输出模式;
所述储能电池监控模块采集储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、直流母排电压;
储能电池监控模块基于储能电池组电压、储能电池组电流,计算储能电池组剩余电量;
储能电池监控模块基于单体储能电池电压、储能电池组电流、单体储能电池温度,计算单体储能电池剩余电量,判断单体储能电池健康状态;
储能电池监控模块基于直流母排电压、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态,控制电池充放电控制器高频开关通断;
储能电池监控模块通过无线通讯模块,上传储能电池组电压、储能电池组电流、单体储能电池电压、单体储能电池温度、储能电池组剩余电量、单体储能电池剩余电量、单体储能电池健康状态至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向储能电池监控模块发送执行指令,储能电池监控模块根据执行指令调整电池充放电控制器运行状态,包括但不限于控制电池充放电控制器各个高频开关通断,从而调整储能电池工作模式,包括:充电模式、放电模式、待机模式和隔离模式,以及控制储能电池充电功率和放电功率;
所述交流配电单元监控模块采集直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果;
交流配电单元监控模块基于直流母排电压,控制双向DC/AC变换器潮流方向;
交流配电单元监控模块基于孤岛检测结果,控制交流配电单元控制第二交流断路器开关状态;
交流配电单元监控模块基于交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率,计算交流市电传输功率,控制双向DC/AC变换器高频开关通断,使得双向DC/AC变换器交流输出与交流市电同步;
交流配电单元监控模块通过无线通讯模块,上传直流母排电压、交流市电电压、交流市电电流、交流市电频率、孤岛检测结果、潮流方向、交流市电传输功率至云服务器;
通过无线通讯模块向交流配电单元监控模块发送执行指令,交流配电单元监控模块根据执行指令调整交流配电单元中第一交流断路器、第二交流断路器和双向DC/AC变换器的运行状态,包括但不限于控制第一交流断路器、第二交流断路器开关通断,控制双向DC/AC变换器各个高频开关通断,从而调整双向DC/AC变换器工作模式,包括:整流模式、逆变模式和待机模式;
所述第二直流配电单元监控模块采集直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流;
第二直流配电单元监控模块基于直流母排电压、远端直流负荷电压、远端直流负荷电流,计算远端直流负荷功率,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,使得远端直流负荷电压跟随远端直流负荷功率变化,降低供电远端直流负荷馈电损耗;
第二直流配电单元监控模块基于近端直流负荷电压、近端直流负荷电流,计算近端直流负荷功率;
第二直流配电单元监控模块上传远端直流负荷电压、远端直流负荷电流、远端直流负荷功率、近端直流负荷电压、近端直流负荷电流、近端直流负荷功率至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向第二直流配电单元监控模块发送执行指令,第二直流配电单元监控模块根据执行指令调整第二直流配电单元中第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器和单向DC/DC变换器的运行状态,包括但不限于控制第四直流断路器、第五直流断路器、第六直流断路器开关通断,控制单向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整单向DC/DC变换器输出电压;
所述第一直流配电单元监控模块采集MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流、第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流、第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流;
第一直流配电单元监控模块基于MPPT控制器输出电压、MPPT控制器输出电流,计算MPPT控制器输出功率;
第一直流配电单元监控模块基于第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流,计算第二双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块基于第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流,计算第三双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块基于第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流,计算第一双向DC/DC变换器两侧传输功率;
第一直流配电单元监控模块上传MPPT控制器输出功率、第二双向DC/DC变换器两侧电压、第二双向DC/DC变换器两侧电流、第二双向DC/DC变换器两侧传输功率、第三双向DC/DC变换器两侧电压、第三双向DC/DC变换器两侧电流、第三双向DC/DC变换器两侧传输功率、第一双向DC/DC变换器两侧电压、第一双向DC/DC变换器两侧电流、第一双向DC/DC变换器两侧传输功率至云服务器;
云服务器通过无线通讯模块向第一直流配电单元监控模块发送执行指令,第一直流配电单元监控模块根据执行指令调整第一直流配电单元中第一直流断路器、第二直流断路器、第三直流断路器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第三双向DC/DC变换器运行状态,包括但不限于控制第一直流断路器、第二直流断路器和第三直流断路器通断,控制第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器和第三双向DC/DC变换器高频开关通断,从而调整双向DC/DC变换器输出电压以及工作模式,包括:升压模式、降压模式和待机模式。
2.如权利要求1所述的5G基站智能微电网多源供电系统,其特征在于,所述云服务器通过无线通讯模块向各个监控模块发送指令,各个监控模块调整本地相关设备运行状态,在保证供电系统安全稳定运行的前提下,以最小化运行成本为目标,实现智能调度直流远供、交流市电、电动汽车能源智能调度;
供电系统的基本运行策略如下:
光伏电源组件中的光伏电源PV能正常工作的情况下,由光伏电源PV向5G基站负荷供电,光伏电源PV工作在追踪最大功率点MPPT模式下,若监测直流母排电压Udc高于直流母排电压上限设定Uh,判断此时储能电池是否处于过充保护状态,若储能电池没有处于过充保护状态,调整储能电池工作在充电状态,基于直流母排电压与储能电池电气参数实时调控储能电池充电功率,若此时储能电池处于过充保护状态,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,调控光伏电源PV工作在恒功率CPP模式;若监测直流母排电压Udc低于直流母排电压下限设定值Ul,判断此时系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本为目标,智能调度能源,并维持直流母排电压稳定,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护状态或者其他电源恢复供电;
在光伏电源PV不能正常工作的情况下,光伏电源PV处于待机或者隔离状态,此时,判断系统是否能够进行能源调度,若能够进行能源调度,以最小化运行成本为目标,智能调度能源,若无法进行能源调度,判断此时储能电池是否处于过放保护状态,若储能电池没有处于过放保护状态,则调整储能电池工作在放电状态,维持直流母排电压稳定,同时基于储能电池电气参数智能控制直流负荷分级切断,直至储能电池进入过放保护或者其他电源恢复供电。
3.如权利要求2所述的5G基站智能微电网多源供电系统,其特征在于,运行时,若运行监控系统中的监控模块与云服务器通信中断,云服务器发出告警,监控模块基于本地信息,调控相关设备的工作状态,维持本地设备正常工作;
若是第二直流配电单元监控模块、光伏电池监控模块、储能电池监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,运行监控系统调控装置进入恒压输入或者输出状态,维持直流母排电压稳定;
若是其他监控模块中一个或者多个模块与云服务器通信中断,系统发出告警后,按照正常通信时的基本运行策略继续工作。
4.如权利要求1所述的5G基站智能微电网多源供电系统,其特征在于,在光伏供电、市电供电、直流远供和储能电池出现不正常或供电不足时,5G基站向外散布供电需求信息,电动汽车接收需求信息后前往该5G基站进行连接供电;
在光伏供电富余时,5G基站向外散布供电盈余信息,以吸引电动汽车前往该5G基站充电;
为方便电动汽车与5G基站进行能源互动,所述5G基站包括:
基站主体和机械手,机械手可升降的设置在基站主体上以调节相对地面的高度,机械手包括若干伸缩式机械杆、电动关节和智能控制单元,伸缩式机械杆通过电动关节连接,用以实现机械手的空间位置调节,机械手的前端设置有接线部件和定位模块,电动汽车的充电口也相应设置有定位模块,基于定位模块的相互感应,智能控制单元控制机械手进行空间位置调节完成接线部件与电动汽车充电口的对接;
或所述5G基站包括:
基站主体、设置在基站主体附近的停车塔、将电动汽车引向停车塔的引桥;基站主体设置在不具有泊车条件的地方,并与停车塔电连接,停车塔具有若干停车层,每停车层均能停泊电动汽车,停车塔一端设置有电动升降支撑杆,引桥一端与电动升降杆滑动连接用于调节对接的停车层,引桥的另一端引向路边以便电动汽车从路边经引桥进入停车塔和基站主体电连接进行能源互动。
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