CN114204567A - 一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，包括光伏模块、电压暂降治理模块、变频器模块和控制模块；变频器模块采用交‑直‑交拓扑结构，交流输入端与市电连接；光伏模块将光伏电池板通过光伏DC/DC变换器后与变频器直流母线连接；电压暂降治理模块输出与变频器直流母线连接；控制模块根据监测数据控制市电、光伏模块和电压暂降治理模块给变频器供电。本发明还公开基于交直流混合供电的光储一体化供电方法。本发明优先消纳新能源发电，并以储能电池组作后备电源，实现敏感负荷电压治理同时提高系统运行经济性；主回路采用交错并联boost升压拓扑结构提高输出电压稳定性；馈出采用二极管压差导通方式提高导通速度。

Description

一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种供电系统及方法，尤其涉及一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统及方法。
背景技术
变频器在工业现场应用广泛，作为一类广泛应用于工业生产中的电气设备，当电网发生电压暂降时，接入电网的变频器电压下降，将触发低电压保护跳闸，导致整个工业过程中断，造成巨大的经济损失和人身危险。特别是发电厂一类辅机变频器一旦出现跳闸故障，可能会造成机组主燃料跳闸，对电网造成进一步冲击，严重影响电网的稳定运行。
国内目前相关的研究主要针对火电厂辅机变频器，并以提高其低电压穿越能力的措施为主。国外相关研究主要针对的变频器年代较为久远，不适用于现有变频器的实际情况。传统的包括动态调节器DVR、不间断电源UPS以及交流输出电压暂降保护器AVSP在内的传统暂降治理方案，采用交流供电技术作为解决方案，没有充分考虑变频器交-直-交的结构特性，存在转换效率低、保护范围不足、切换时间不够快等问题，如对于深度暂降或持续时间长的暂降则不能达到很好的治理效果，在使用过程中还存在耗电量大、维护成本高、故障率高等缺点，且交流技术通常采用串联模式，即将保护设备串联在被保护设备的输入端，由于治理设备也有故障的可能性，故交流解决方案会降低整个系统的可靠性。
发明内容
发明目的：本发明第一目的提供一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，解决目前变频器供电系统由于电压暂降导致的供电可靠性低的问题。
本发明的第二目的提供一种基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，解决目前变频器供电系统由于电压暂降导致的供电可靠性低的问题。
技术方案：本发明所述的一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，包括光伏模块、电压暂降治理模块、变频器模块和控制模块；
变频器模块采用交-直-交拓扑结构，交流输入端与市电连接；光伏模块将光伏电池板的输出通过光伏DC/DC变换器后与变频器交-直-交拓扑结构中直流母线连接；电压暂降治理模块的输出与变频器交-直-交拓扑结构中的直流母线连接；控制模块根据监测数据控制市电、光伏模块和电压暂降治理给变频器中的直-交单元供电。
电压暂降治理模块包括变频主回路DC/DC转换器，储能单元和充电单元；所述充电单元包括整流单元，整流单元的输入端与市电连接，输出端连接DC/DC转换器的输入端，同时与储能单元连接。
变频主回路DC/DC转换器采用交错并联BOOST升压拓扑结构；开关管Q3和二极管D3反并联连接，开关管Q4和二极管D4反并联连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端和电感L2第一端连接，电感L1的第二端同时与二极管D2的阳极和开关管Q3的第一端连接，电感L2的第二端同时与二极管D1的阳极和开关管Q4的第一端连接；电容C1的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2的第一端同时与二极管D1和二极管D2的阴极连接；电容C2的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2第一端与二极管D5阳极连接，然后与变频器的直流母线正端连接；电容C2第二端与二极管D6阴极连接，然后与变频器的直流母线负端连接；电容C1的第一端和第二端分别与储能单元输出和充电单元输出连接。
变频主回路DC/DC转换器中控制开关管Q4导通和关断时间滞后开关管Q3导通和关断时间设定相位；开关器件Q4关断时，Q3由PWM信号控制交替通断；开关器件Q3关断是，Q4由PWM信号控制交替通断。
监测市电正常且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由市电供给，同时由市电向电压暂降治理模块供电；监测市电正常但无光照时，控制模块控制市电给变频器供电，同时由市电向电压暂降治理模块供电；监测市电发生电压暂降且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由电压暂降治理模块输出的直流给变频器供电；监测市电发生电压暂降但无光照时，控制模块控制电压暂降治理模块输出的直流给变频器供电。
优选的，采用电压暂降治理模块输出的直流经过直流逆变器转换后给控制模块供电。
本发明所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，包括以下步骤：
(1)监测市电正常且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由市电给变频器供电；由市电向电压暂降治理模块中的储能单元供电；
(2)监测市电正常但无光照时，控制模块控制市电经给变频器供电；由市电向电压暂降治理模块中的储能单元供电；
(3)监测市电发生电压暂降且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由电压暂降治理模块输出直流给变频器供电；
(4)监测市电发生电压暂降但无光照时，控制模块控制电压暂降治理模块输出直流向变频器供电。
电压暂降治理模块中采用交错并联BOOST升压拓扑结构，开关管Q3和二极管D3反并联连接，开关管Q4和二极管D4反并联连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端和电感L2第一端连接，电感L1的第二端同时与二极管D2的阳极和开关管Q3的第一端连接，电感L2的第二端同时与二极管D1的阳极和开关管Q4的第一端连接；电容C1的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2的第一端同时与二极管D1和二极管D2的阴极连接；电容C2的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2第一端与二极管D5阳极连接，然后与变频器的直流母线正端连接；电容C2第二端与二极管D6阴极连接，然后与变频器的直流母线负端连接；电容C1的第一端和第二端分别与储能单元输出和充电单元输出连接；控制开关管Q4导通和关断时间滞后开关管Q3导通和关断时间设定相位；开关器件Q4关断时，Q3由PWM信号控制交替通断；开关器件Q3关断是，Q4由PWM信号控制交替通断。
步骤(1)和步骤(2)中关闭电压暂降治理模块中DC/DC转换器PWM信号；
步骤(3)和步骤(4)中开启电压暂降治理模块中DC/DC转换器PWM信号。
采用电压暂降治理模块输出的直流经过直流逆变器转换后给控制模块供电。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)针对变频器负载提供多电源供电系统，优先消纳新能源发电，并以储能电池组作为后备电源，在实现敏感负荷电压治理的同时，提高系统的运行经济性。
(2)基于交直流混合供电光储一体化电压暂降治理方法主回路采用交错并联boost升压拓扑结构，使得电感电流交错、纹波电流减小，提高输出电压的稳定性。
(3)基于交直流混合供电光储一体化电压暂降治理方法的馈出采用二极管压差导通方式，当变频器直流母线电压下降到压差设定值时，二极管自动导通，相对于机械式开关，提高了导通速度。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的系统结构拓扑图；
图3为本发明中变频器交-直-交结构示意图；
图4为本发明中电压暂降治理模块工作模式示意图；
图5为本发明工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明所示的一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，包括光伏模块、电压暂降治理模块、变频器模块和控制模块。变频器模块采用交-直-交拓扑结构，交流输入端经过QF4与市电连接；光伏模块将光伏电池板通过光伏DC/DC变换器后经过QF2与变频器交-直-交拓扑结构中直流母线连接；电压暂降治理模块经过SW2与变频器交-直-交拓扑结构中的直流母线连接；控制模块根据监测数据控制市电、光伏模块和电压暂降治理给变频器中的直-交单元供电。
如图3所示，变频器模块采用交-直-交拓扑结构，本实施例中靠IGBT开关管的开断来调整输出电源的电压和频率，根据负载电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频器属于典型的电压敏感型负载，但是生产工艺的连续性不允许变频器因故障停机，否则将意味着巨大的经济损失。因此变频类负载对供电系统的供电可靠性要求很高。变频器由于交-直-交的结构特性，存在直流母线环节，所以主回路可以由交流和直流同时供电，以保证变频器主回路的供电可靠性。而变频器的控制回路基本上为交流负荷，故本实施例中采用经过直流逆变器转换后再给控制回路供电的方法，保证其控制回路的供电可靠性，避免其受到交流系统电压暂降的影响。
光伏模块中太阳能光伏电池板输出通过光伏DC/DC变换器和变频器直流母线电压匹配。本实施例中光伏DC/DC变换器采用单向DC/DC转换器，输出端接入变频器直流母线，且工作在最大功率点。
电压暂降治理模块包括变频主回路DC/DC转换器，储能单元和充电单元。充电单元包括整流单元，整流单元的输入端通过QF1与市电连接，输出端连接变频主回路DC/DC转换器的输入端，同时通过开关SW1与储能单元连接。
储能单元利用少量蓄电池通过变频器主回路DC/DC转换器升压输出DC500V并联在变频器的直流母线上支撑电压，进行电压暂降短时中断的治理，根据短时中断事件来配置蓄电池组。
本实施例中，变频主回路DC/DC转换器采用交错并联BOOST升压拓扑结构，开关管Q3和二极管D3反并联连接，开关管Q4和二极管D4反并联连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端和电感L2第一端连接，电感L1的第二端同时与二极管D2的阳极和开关管Q3的第一端连接，电感L2的第二端同时与二极管D1的阳极和开关管Q4的第一端连接；电容C1的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2的第一端同时与二极管D1和二极管D2的阴极连接；电容C2的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2第一端通过开关SW2与二极管D5阳极连接，然后与变频器的母线的正端连接；电容C2第二端通过开关SW2与二极管D6阴极连接，然后与变频器的母线的负端连接；电容C1的第一端和第二端通过开关SW1与充电单元连接。
如图4所示，电压暂降治理模块，即VSP装置中的变频器主回路DC/DC转换器采用交错并联BOOST电路结构。图4左边为工作模式1，开关器件Q4关断，Q3由PWM信号控制交替通断，直流输出经L1、D2、Q3、C2组成的BOOST 1电路输出升压；图4右边工作模式2，开关器件Q3关断，Q4由PWM信号控制交替通断，直流输出经L2、D1、Q4、C2组成的BOOST 2电路输出升压。控制Q3和Q4的导通和关断时间，使其中一个开关的开通和关断滞后另外一个开关一定的相角，使得两路BOOST电路电感电流交错，纹波电流减少，增强装置稳定性。本实施例中馈出采用二极管压差导通方式，当变频器直流母线电压下降到压差设定值时，二极管自动导通。
本发明所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，包括以下步骤：
由控制模块控制光伏模块、电压暂降治理模块、变频器模块工作如下模式：
(1)监测市电正常且有光照时，光伏模块的直流输出先给变频器主回路供电，不足部分由市电供给。储能单元由市电经充电单元供电，处于浮充状态。
(2)监测市电正常但无光照时，由市电单独给变频器主回路、控制模块供电。储能单元由市电经充电单元供电，处于浮充状态。
(3)监测市电发生电压暂降且有光照时，光伏直流输出先给变频器主回路供电，并经直流逆变后给变频器控制电路供电，不足部分由储能单元补充。
(4)监测市电发生电压暂降但无光照时，储能单元向变频器主回路供电，并经直流逆变后向控制模块供电。
如图5所示，电压暂降治理模块具体的控制过程如下：
变频器正常状态由交流或光伏供电带负载运行，当光伏不足且电网电压发生跌落时，变频器直流侧母线电压也会随着降低。当母线电压低于设定值，本实施例中设定值为DC480V时，直流供电系统开始对变频器直流母线供电，以保证变频器部分工作正常，进而保证其所带负载的稳定运行，避免因电压暂降而造成的装置停车事故。
系统实时检测变频器母线电压，当变频器母线电压正常时，关闭电压暂降治理模块中DC/DC转换器PWM信号，压差二极管D5和D6自动截止，VSP装置进入热备用状态，变频器由三相交流或光伏正常供电。当交流电压出现暂降且光伏不足时，VSP装置检测到变频器母线电压下降且满足压差二极管导通条件时，则自动投入运行，即开启DC/DC转换器PWM信号，通过DC/DC升压单元对蓄电池电压进行升压，输出稳定的DC500V并联至变频器的直流母线，为其提供电压支撑，确保变频器逆变部分正常工作，从而使得变频器后端的电机正常工作，待电网恢复正常后，压差二极管截止，升压DC/DC单元PWM信号关闭，VSP装置自动退出支撑，再次进入热备用状态。

Claims (10)

1.一种基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：包括光伏模块、电压暂降治理模块、变频器模块和控制模块；
所述变频器模块采用交-直-交拓扑结构，交流输入端与市电连接；
所述光伏模块将光伏电池板的输出通过光伏DC/DC变换器后与变频器交-直-交拓扑结构中直流母线连接；
所述电压暂降治理模块的输出与变频器交-直-交拓扑结构中的直流母线连接；
所述控制模块根据监测数据控制市电、光伏模块和电压暂降治理给变频器中的直-交单元供电。
2.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：所述电压暂降治理模块包括变频主回路DC/DC转换器，储能单元和充电单元；所述充电单元包括整流单元，整流单元的输入端与市电连接，输出端连接DC/DC转换器的输入端，同时与储能单元连接。
3.根据权利要求2所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：所述变频主回路DC/DC转换器采用交错并联BOOST拓扑结构；
开关管Q3和二极管D3反并联连接，开关管Q4和二极管D4反并联连接；
电容C1的第一端与电感L1的第一端和电感L2第一端连接，电感L1的第二端同时与二极管D2的阳极和开关管Q3的第一端连接，电感L2的第二端同时与二极管D1的阳极和开关管Q4的第一端连接；电容C1的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；
电容C2的第一端同时与二极管D1和二极管D2的阴极连接；电容C2的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；
电容C2第一端与二极管D5阳极连接，然后与变频器的直流母线正端连接；电容C2第二端与二极管D6阴极连接，然后与变频器的直流母线负端连接；
电容C1的第一端和第二端分别与储能单元输出和充电单元输出连接。
4.根据权利要求3所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：所述变频主回路DC/DC转换器中控制开关管Q4导通和关断时间滞后开关管Q3导通和关断时间设定相位；开关器件Q4关断时，Q3由PWM信号控制交替通断；开关器件Q3关断是，Q4由PWM信号控制交替通断。
5.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：
监测市电正常且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由市电供给；同时由市电向电压暂降治理模块供电；
监测市电正常但无光照时，控制模块控制市电给变频器供电；同时由市电向电压暂降治理模块供电；
监测市电发生电压暂降且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由电压暂降治理模块输出的直流给变频器供电；
监测市电发生电压暂降但无光照时，控制模块控制电压暂降治理模块输出的直流给变频器供电。
6.根据权利要求1所述的基于交直流混合供电的光储一体化供电系统，其特征在于：采用电压暂降治理模块输出的直流经过直流逆变器转换后给控制模块供电。
7.一种基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)监测市电正常且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由市电给变频器供电；由市电向电压暂降治理模块中的储能单元供电；
(2)监测市电正常但无光照时，控制模块控制市电经给变频器供电；由市电向电压暂降治理模块中的储能单元供电；
(3)监测市电发生电压暂降且有光照时，控制模块控制光伏模块的直流输出先给变频器供电，不足部分由电压暂降治理模块输出直流给变频器供电；
(4)监测市电发生电压暂降但无光照时，控制模块控制电压暂降治理模块输出直流向变频器供电。
8.根据权利要求7所示的基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，其特征在于：电压暂降治理模块中采用交错并联BOOST拓扑结构，开关管Q3和二极管D3反并联连接，开关管Q4和二极管D4反并联连接；电容C1的第一端与电感L1的第一端和电感L2第一端连接，电感L1的第二端同时与二极管D2的阳极和开关管Q3的第一端连接，电感L2的第二端同时与二极管D1的阳极和开关管Q4的第一端连接；电容C1的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2的第一端同时与二极管D1和二极管D2的阴极连接；电容C2的第二端同时与开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接；电容C2第一端与二极管D5阳极连接，然后与变频器的直流母线正端连接；电容C2第二端与二极管D6阴极连接，然后与变频器的直流母线负端连接；电容C1的第一端和第二端分别与储能单元输出和充电单元输出连接；
控制开关管Q4导通和关断时间滞后开关管Q3导通和关断时间设定相位；开关器件Q4关断时，Q3由PWM信号控制交替通断；开关器件Q3关断是，Q4由PWM信号控制交替通断。
9.根据权利要求8所示的基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，其特征在于：
步骤(1)和步骤(2)中关闭电压暂降治理模块中DC/DC转换器PWM信号；
步骤(3)和步骤(4)中开启电压暂降治理模块中DC/DC转换器PWM信号。
10.根据权利要求7所示的基于交直流混合供电的光储一体化供电方法，其特征在于：采用电压暂降治理模块输出的直流经过直流逆变器转换后给控制模块供电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115514074A (zh) * 2022-10-18 2022-12-23 广州地铁设计研究院股份有限公司 一种采用超级电容作为储能装置的电压暂降治理设备
WO2024008696A1 (de) * 2022-07-04 2024-01-11 Sma Solar Technology Ag Leistungswandler, verfahren zum betrieb eines leistungswandlers und system mit einer dc-energiequelle, einem dc-netz und einem leistungswandler

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