CN113949058A - 一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统，其中方法包括：在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。

Description

一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统
技术领域
本发明涉及电能供给技术领域，更具体地，涉及一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统。
背景技术
智慧高速、智慧河道是交通强国重要建设内容，作为支撑高速公路智能化及推进大运河绿色赋能有序发展的新基建供能关键技术，特别是针对这种狭长型场景的能源供给关键技术均处于起步甚至空白，当前，高速公路路侧高耗能5G基站、自动驾驶终端和ETC龙门架的大量铺设、大运河货轮、游轮电动化等对高速公路/运河沿线能源供给的功率密度、质量品质、可靠性提出较高要求，高速公路路侧/运河两岸能源供给和商业模式将产生巨大变革，传统的从服务区、城乡结合部或农村地区电网就近取电的能源供给方式已经远远落后于智慧高速公路/运河河道用能需求。
因此，需要一种技术，以实现对狭长区域的链式线路进行赋能。
发明内容
本发明提供了一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统，以解决如何对狭长区域的链式线路进行赋能的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法，所述方法包括：
在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；
将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。
优选地，所述能源子站包括光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；
当所述低压直流子网并网或孤岛运行时，所述光伏阵列工作在MPPT模式。
优选地，所述能源子站包括储能装置，所述储能装置通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；所述储能装置采用双向Buck-Boost电路作为所述储能装置的充放电电路。
优选地，所述储能装置为磷酸铁锂电池，储能容量为300kWh，储能DC/DC变流器功率为70kW。
优选地，所述高压交流电源电压为35kV，所述第一供电半径为不超过30kM；
所述低压交流电源电压为400V，所述第二供电半径为不超过500M；
所述低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种适用于狭长区域的链式线路的赋能系统，所述系统包括：高压交流电源、高压交流母线、低压交流电源、低压直流子网母线和能源子站；
在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；
确定低压交流电源的第二供电半径；通过双向AC/DC转换器将低压交流电源根据所述第二供电半径的间隔距离引出到低压直流子网母线；
确定能源子站的第三供电半径；根据所述第三供电半径的间隔距离将能源子站接入所述低压直流子网母线。
优选地，所述能源子站包括光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；
当所述低压直流子网并网或孤岛运行时，所述光伏阵列工作在MPPT模式。
优选地，所述能源子站包括储能装置，所述储能装置通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；所述储能装置采用双向Buck-Boost电路作为所述储能装置的充放电电路。
优选地，所述储能装置为磷酸铁锂电池，储能容量为300kWh，储能DC/DC变流器功率为70kW。
优选地，所述高压交流电源电压为35kV，所述第一供电半径为不超过30kM；
所述低压交流电源电压为400V，所述第二供电半径为不超过500M；
所述低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
本发明技术方案提供一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法及系统，其中方法包括：链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据链式输电线路的距离以及高压交流电源的第一供电半径确定设置高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。本了满足对狭长区域的链式线路的赋能，本发明技术方案构建了绿色交通能源网，为智慧高速提供绿色能源保障，开展分布式光伏发电、储能等分布式电源应用部署，就地服务于高速公路网智能设备、运河航线货轮及邮轮等，可以减少远距离输送电能的容量，减少长距离输电过程产生的功率损耗，同时减缓因经济发展交通领域负荷增加需要进行的配电扩容，配合储能设施，提高智慧交通网的供电可靠。本发明技术方案实现了路侧/河道沿线设施工业级能源供给，在传统电力系统基础上引入分布式绿色能源，建设覆盖高速公路/运河河道狭长型的绿色能源网。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法流程图；
图2为根据本发明优选实施方式的百公里级狭长区域链式赋能系统结构示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的低压直流子网拓扑结构图；
图4为根据本发明优选实施方式的光伏DC/DC变换器拓扑结构图；
图5为根据本发明优选实施方式的光伏DC/DC两种控制方式；
图6为根据本发明优选实施方式的储能变换器拓扑和控制框图；
图7为根据本发明优选实施方式的光伏接入直流子网示意图；以及
图8为根据本发明优选实施方式的储能装置接入直流子网示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法流程图。为填补针对这种狭长型场景的能源供给关键技术的空白，本发明提出针对智慧高速/运河等狭长型场景的链式赋能方案，实现路侧/河道沿线设施工业级能源供给，建设覆盖高速公路/运河河道狭长型的绿色能源网。本发明提出了一种适用于智慧高速公路/运河等狭长区域的链式赋能方案。结合高速公路/运河河道特点设计满足高速公路/运河沿线设备电能供应需求的链式赋能方案，形成系统性的模块化、标准化的电能供给方案。其特征在于该方案应用对象为高速公路路侧/运河沿线等狭长区域用电负荷，该供电方案为交流引线直流组网供电模式。通过实地调研，服务区一般间隔为30-40公里，传统电力接入电压等级供电距离一般为，0.4kV线路供电半径不宜超过500m，10kV线路供电半径不宜超过15公里，35kV线路供电半径不宜超过30公里。本方案在高速沿线引入35kV交流电源点通过传统变压器降压为400V交流，然后通过具备虚拟同步功能的AC/DC引出750V直流母线，该直流母线用于光伏、储能、5G基站等直流“源-荷”的接入。通过计算各电压等级的传输距离，给出百公里级狭长区域的链式赋能方案设计，该方案亦可根据实际需要进行缩短或延伸。
如图1所示，本发明提供一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法，方法包括：
步骤101：在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离。。
本发明首先解决狭长区域的电源点接入。根据我国电网网架规划标准，35kV线路供电半径不宜超过30公里，因此百公里路段按照2个电源点布置，通过电源点电缆连接以及配置开关柜、配电柜、断路器等装置设计35kV交流母线，从而满足百公里链式赋能需求。本发明通过各电源节点以及35kV线路开关柜，经35kV/400V变压器得出低压400V交流电源，该环节设计的优势在于避免了中压设备的引入，既减轻了技术实现难度，也大幅提高工程实施的经济性。本发明以35KV高压交流电源进行举例说明，但本发明实施方式不限制于35KV。
步骤102：将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。本发明构建750V直流母线。400VAC经双向AC/DC得出750V直流母线，该母线同样配置直流开关柜、配电柜等装备。根据线路载流量和电压考核标准确定直流母线的截面面积选取。本发明以750V直流母线，但本发明实施方式不限于750V直流母线。
本发明按照未来高速公路/运河沿线耗能将向绿色化、信息化、智慧化方向发展，绿色能源是实现信息化和智慧化的重要基础和保障，利用可再生能源满足智慧高速公路的能源需求，构建三网融合智慧高速公路，是高速公路路侧工业级能源保障解决方案制定的根本目标。图3为根据本发明优选实施方式的低压直流子网拓扑结构图。
优选地，高压交流电源电压为35kV，第一供电半径为不超过30kM；低压交流电源电压为400V，第二供电半径为不超过500M；低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
优选地，能源子站包括光伏阵列，光伏阵列通过DC/DC转换器与低压直流子网母线相连接；当低压直流子网并网或孤岛运行时，光伏阵列工作在MPPT模式。
本发明的光伏DC/DC控制策略为：将光伏阵列与低压直流子网母线相连，起到电能变换作用，其拓扑结构如图4所示。UPV、IPV分别为光伏阵列实际输出电压和电流；C1、C2分别为光伏出口侧和直流母线侧电容；LPV为光伏出口侧电感。本方案设计该变换器存在MPPT和恒压2种控制模式。当低压直流子网并网或孤岛运行时，光伏阵列始终工作在MPPT模式。如图5所示。
优选地，能源子站包括储能装置，储能装置通过DC/DC转换器与低压直流子网母线相连接；储能装置采用双向Buck-Boost电路作为储能装置的充放电电路。
优选地，储能装置为磷酸铁锂电池，储能容量为300kWh，储能DC/DC变流器功率为70kW。
储能DC/DC控制策略：采用双向Buck-Boost电路作为储能装置的充放电电路，其结构如图6所示。图6中：Iref b、Ib分别为锂电池充放电电流参考值和实际值；Dboost和Dbuck分别为变换器升压和降压PWM控制信号；Rb为锂电池内阻；Lb为锂电池出口侧电感；C3为直流侧电容。
本发明属于电气工程领域的方法类别，涉及一种适用于智慧高速公路/运河等狭长区域的链式赋能方法，为高速公路/运河等具有狭长型供电特点的区域提供链式能源互联网的能源供应和保障。本发明的链式赋能方案以可再生能源利用为基础，充分利用高速公路/运河等典型场景可接入电网的可再生能源设施，促进可再生能源的就地消纳。
本发明以百公里级高速公路/运河为设计对象，采用35kV交流引线直流组网方案，从服务区或路侧引2个电源点，考虑到轻载可形成相互备用，综合考虑经济性、负荷水平及工程方案的成熟度等要素，采用35kV/0.4kV转低压直流供电，考虑供电距离和直流负荷类型众多，涵盖光储、通信、路侧协同单元等多种直流应用场景，低压直流网络选用750V直流供电，48V等用户需自行预备低压转换装备。该方法具有较强灵活性，可根据不同场景的距离要求对该方法进行延伸或缩减。
本发明提出了一种适用于智慧高速公路/运河等狭长区域的链式赋能方案，采用从服务区向两侧延伸供电的模式，本发明具有以下效果：
本发明具备较好地可复制可推广特性；
本发明中利用了交直流混合供电模式，提高高速公路/运河沿线负荷供电可靠性；
本发明采用了35kV/0.4kV交流电源的设置，避免引入中压直流变换装备，提高了技术可靠性以及经济性；
本发明充分考虑了分布式电源的有效利用，同时也考虑了在离网状态下，光伏、储能等分布式电源的协同控制，满足在电网出现故障情况下针对重要负荷可持续供电。
以下对本发明实施方式进行举例说明：
(1)针对百公里高速公路/河道等狭长区域用电场景，选取服务区/港口作为电源点，根据我国电网网架规划标准，35kV线路供电半径不宜超过30公里，依据本方案设计思路，按照供电半径30公里来设计，百公里路段/河段只需布置2个35kV电源点，通过电源点电缆连接以及配置开关柜、配电柜、断路器等装置设计35kV交流母线，从而满足百公里链式赋能需求。
(2)通过各电源节点以及35kV线路开关柜，经35kV/400V变压器得出低压400V交流电源，该环节设计的优势在于避免了中压设备的引入，既减轻了技术实现难度，也大幅提高工程实施的经济性。
(3)750V直流母线构建。400VAC经双向AC/DC得出750V直流母线，该母线同样配置直流开关柜、配电柜等装备。根据线路载流量和电压考核标准确定直流母线的截面面积选取。
1)线路载流量分析
线路主要划分为架空线路和电缆线路，其中架空线路多采用铝绞线，20世纪七八十年代起大量应用钢芯铝绞线等复合材料导体，钢芯主要承受机械拉力，而由一层或多层铝线绞合的部分则承受导电作用。考虑示范工程位于苏州太湖新城区域，对于中压直流配电网，传输容量、传输距离计算如下：
a)传输容量
对于电压等级为UDC的直流配电网：
P＝2UDCIβ (1)
式中β为线路负载率，I为线路最大载流量。当β＝1时，可得极限传输容量：
P＝2UDCI (2)
b)传输距离
当配电网的配电距离超过某一范围时，对电压损耗的要求将约束配电网的供电半径。直流线路的电压损耗为：
Figure BDA0003243863480000081
线路的电压损耗率：
Figure BDA0003243863480000091
由式(2)(3)(4)得，
Figure BDA0003243863480000092
式中rDC为线路单位长度直流电阻，l为供电半径，当β＝1时，可得极限供电半径：
Figure BDA0003243863480000093
c)电缆选型
根据上述分析并结合典型场景，在考虑负荷65kVA的情况下，对直流电缆截面进行合理选择。直流电缆截面积选择120mm2，供电半径1公里，能够满足示范工程区域广、负荷重的供电要求。不同场景也可按照该依据进行电缆截面选取。
(4)低压直流子网构建。根据750V直流供电半径为1公里要求，每隔2公里部署一个低压直流子网，实现光伏、储能、直流负荷等的接入。
1)光伏系统接入方案
光伏组件通过DC/DC变流器接入750V直流母线，如图7所示：
通过DC/DC变流器实现光伏组件的最大功率点追踪，以保证光伏系统的最大发电量。根据公路两侧场地勘察，平均每公里可铺设光伏30kWp。
2)储能系统接入方案
储能电池通过DC/DC变流器接入750V直流母线，如图8所示：
储能DC/DC变流器按照直流子网控制系统的指令对储能电池充、放电，从而实现削峰填谷、平滑波动、应急电源等高级应用功能。为满足直流子网内负荷在孤岛运行模式下为负荷持续供电4小时，选择储能电池类型为磷酸铁锂电池，储能容量为300kWh，储能DC/DC变流器功率为70kW。
图2为根据本发明优选实施方式的百公里级狭长区域链式赋能系统结构示意图。如图2所示，本发明提供一种适用于狭长区域的链式线路的赋能系统，系统包括：高压交流电源、高压交流母线、低压交流电源、低压直流子网母线和能源子站；
在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据链式输电线路的距离以及高压交流电源的第一供电半径确定设置高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离。根据我国电网网架规划标准，35kV线路供电半径不宜超过30公里，因此百公里路段按照2个电源点布置，通过电源点电缆连接以及配置开关柜、配电柜、断路器等装置设计35kV交流母线，从而满足百公里链式赋能需求。本发明通过各电源节点以及35kV线路开关柜，经35kV/400V变压器得出低压400V交流电源，该环节设计的优势在于避免了中压设备的引入，既减轻了技术实现难度，也大幅提高工程实施的经济性。本发明以35KV高压交流电源进行举例说明，但本发明实施方式不限制于35KV。
将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。本发明构建750V直流母线。400VAC经双向AC/DC得出750V直流母线，该母线同样配置直流开关柜、配电柜等装备。根据线路载流量和电压考核标准确定直流母线的截面面积选取。本发明以750V直流母线，但本发明实施方式不限于750V直流母线。
本发明按照未来高速公路/运河沿线耗能将向绿色化、信息化、智慧化方向发展，绿色能源是实现信息化和智慧化的重要基础和保障，利用可再生能源满足智慧高速公路的能源需求，构建三网融合智慧高速公路，是高速公路路侧工业级能源保障解决方案制定的根本目标。图3为根据本发明优选实施方式的低压直流子网拓扑结构图。
优选地，能源子站包括光伏阵列，光伏阵列通过DC/DC转换器与低压直流子网母线相连接；当低压直流子网并网或孤岛运行时，光伏阵列工作在MPPT模式。
本发明的光伏DC/DC控制策略为：将光伏阵列与低压直流子网母线相连，起到电能变换作用，其拓扑结构如图4所示。UPV、IPV分别为光伏阵列实际输出电压和电流；C1、C2分别为光伏出口侧和直流母线侧电容；LPV为光伏出口侧电感。本方案设计该变换器存在MPPT和恒压2种控制模式。当低压直流子网并网或孤岛运行时，光伏阵列始终工作在MPPT模式。如图5所示。
优选地，能源子站包括储能装置，储能装置通过DC/DC转换器与低压直流子网母线相连接；储能装置采用双向Buck-Boost电路作为储能装置的充放电电路。
优选地，储能装置为磷酸铁锂电池，储能容量为300kWh，储能DC/DC变流器功率为70kW。
储能DC/DC控制策略：采用双向Buck-Boost电路作为储能装置的充放电电路，其结构如图6所示。图6中：Iref b、Ib分别为锂电池充放电电流参考值和实际值；Dboost和Dbuck分别为变换器升压和降压PWM控制信号；Rb为锂电池内阻；Lb为锂电池出口侧电感；C3为直流侧电容。
优选地，高压交流电源电压为35kV，第一供电半径为不超过30kM；低压交流电源电压为400V，第二供电半径为不超过500M；低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
本发明优选实施方式的百公里级狭长区域链式赋能系统200与本发明优选实施方式的百公里级狭长区域链式赋能方法100相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (8)

1.一种适用于狭长区域的链式线路的赋能方法，所述方法包括：
在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；
将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。
2.根据权利要求1所述的方法，所述能源子站包括光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；
当所述低压直流子网并网或孤岛运行时，所述光伏阵列工作在MPPT模式。
3.根据权利要求1所述的方法，所述能源子站包括储能装置，所述储能装置通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；所述储能装置采用双向Buck-Boost电路作为所述储能装置的充放电电路。
4.根据权利要求1所述的方法，所述高压交流电源电压为35kV，所述第一供电半径为不超过30kM；
所述低压交流电源电压为400V，所述第二供电半径为不超过500M；
所述低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
5.一种适用于狭长区域的链式线路的赋能系统，所述系统包括：高压交流电源、高压交流母线、低压交流电源、低压直流子网母线和能源子站；
在链式输电线路设置高压交流电源，构建高压交流母线；将高压交流电源经由高压交流配电室通过变压器降为低压交流电源；根据所述链式输电线路的距离以及所述高压交流电源的第一供电半径确定设置所述高压交流电源的数量，以及多个高压交流电源之间的间隔距离；
将低压交流电源经由AC/DC转变为低压直流电源；根据低压直流电源的等级确定低压直流电源的第二供电半径，根据所述第二供电半径的间隔距离将能源子站接入低压直流电源子网母线。
6.根据权利要求5所述的系统，所述能源子站包括光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；
当所述低压直流子网并网或孤岛运行时，所述光伏阵列工作在MPPT模式。
7.根据权利要求5所述的系统，所述能源子站包括储能装置，所述储能装置通过DC/DC转换器与所述低压直流子网母线相连接；所述储能装置采用双向Buck-Boost电路作为所述储能装置的充放电电路。
8.根据权利要求5所述的系统，所述高压交流电源电压为35kV，所述第一供电半径为不超过30kM；
所述低压交流电源电压为400V，所述第二供电半径为不超过500M；
所述低压直流子网母线电压为750V，供电半径为不超过1kM。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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