CN115117914A - 一种直流真双极系统及功率控制方法 - Google Patents

一种直流真双极系统及功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流真双极系统及功率控制方法，系统包括双极输电线路、交流电网模块、光伏发电模块、控制单元和双向储能模块，所述双极输电线路上设置有电流传感器，电流传感器与控制单元电连接，所述控制单元与双向储能模块电连接，所述双向储能模块、光伏发电模块和交流电网模块均与双极输电线路电连接，方法为控制单元通过电流传感器实时检测中线上电流的大小和方向；并实时评估电流是否为平衡状态，电流为平衡状态时，系统正常运行；电流不平衡时，控制单元计算出电流达到平衡状态所需转换的电流值，并断开储能单元与系统的连接，系统运行更加高效、灵活。

Description

一种直流真双极系统及功率控制方法
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种直流真双极系统及功率控制方法。
背景技术
随着新能源发电比例的逐步提升，直流系统由于其在电能质量、转换效率、传输损耗等方面的优势逐步进入业内人士的视野。现有直流系统的接线形式整体上分为单极和双极两种，单极接线结构简单，控制和保护相对容易，但存在灵活性不足，多电压等级需要不同类型变换装置通过电压变换获得；双极接线较单极复杂，灵活性更高，并具备多个电压等级，但现有系统往往存在两极功率无法平衡的情况，影响系统运行，目前已有的解决方案包括在正零和负零之间跨接双有源桥DAB变换装置实现功率平衡控制，但无疑增加了系统设备类型和控制的难度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种直流真双极系统及功率控制方法。
具体方案如下：
一种直流真双极系统，包括双极输电线路、交流电网模块、光伏发电模块、控制单元和双向储能模块，所述双极输电线路上设置有电流传感器，所述电流传感器与控制单元电连接，所述控制单元与双向储能模块电连接，所述双向储能模块、光伏发电模块和交流电网模块均与双极输电线路电连接。
所述双极输电线路包括直流正极输电线、直流负极输电线和中线，所述直流正极输电线和直流负极输电线共用同一中线，所述电流传感器设置在中线上，所述电流传感器为霍尔传感器。
所述双向储能模块包括第一储能双向DC/DC变换器、第二储能双向DC/DC变换器和储能装置，所述储能装置上设置有开关器件，所述储能装置通过开关器件与第一储能双向DC/DC变换器连接，所述第一储能双向DC/DC变换器分别与直流正极输电线和中线连接，所述储能装置还通过开关器件与第二储能双向DC/DC变换器连接，所述第二储能双向DC/DC变换器分别与直流负极输电线和中线连接。
所述第一储能双向DC/DC变换器、第二储能双向DC/DC变换器、储能装置和开关器件均与控制单元连接，所述控制单元包括控制器、485通讯接口、CAN通讯接口、ETH通讯接口，电流信号检测端口，开关器件驱动端口和故障记录FLASH/TF，所述控制器通过电流信号检测端口电流传感器连接，所述控制器通过开关器件驱动端口与储能装置连接，所述控制器通过485通讯接口、CAN通讯接口或ETH通讯接口分别与第一储能双向DC/DC变换器和第二储能双向DC/DC变换器通讯连接，所述控制器为单片机。
所述第一储能双向DC/DC变换器和第二储能双向DC/DC变换器上均设置有电压传感器和第二电流传感器，所述控制单元中还包括LPF低通滤波器和运算放大器，所述电压传感器和第二电流传感器均通过LPF低通滤波器与运算放大器电连接，所述运算放大器与控制器电连接。
所述开关器件为MOS管、断路器或继电器中的任意一种，所述储能装置为蓄电池组，所述第一储能双向DC/DC变换器和第二储能双向DC/DC变换器均为推挽全桥双向DC/DC变换器。
所述交流电网模块包括交流电网、第一双向AC/DC变换器和第二双向AC/DC变换器，所述交流电网通过第一双向AC/DC变换器与直流正极输电线电连接，所述交流电网通过第二双向AC/DC变换器与直流负极输电线电连接，第一双向AC/DC变换器的负极与第二双向AC/DC变换器的正极共地连接，且第一双向AC/DC变换器的负极和第二双向AC/DC变换器的正极均与所述中线连接。
所述光伏发电模块包括光伏第一DC/DC变换器、光伏第二DC/DC变换器和光伏板，所述直流正极输电线和中线均与光伏第一DC/DC变换器连接，所述直流负极输电线和中线均与光伏第二DC/DC变换器连接，所述光伏第一DC/DC变换器和光伏第二DC/DC变换器均与光伏板连接。
一种直流真双极系统的功率控制方法，包括如下步骤，
S1）：控制单元通过电流传感器实时检测中线上电流的大小和方向；所述中线上的电流包括正极系统电流I+和负极系统电流I-，定义正极系统电流I+的方向为电流正方向；
S2）：控制单元实时评估电流是否为平衡状态，电流为平衡状态时，系统正常运行；电流不平衡时，控制单元计算出电流达到平衡状态所需转换的电流值，并断开储能单元与系统的连接。
控制单元评估电流是否为平衡状态的方法为，控制器单元比较正极系统电流I+的电流值与负极系统电流I-的电流值是否相等，若相等，即I+=I-，则为平衡状态，若不相等，即I+≠I-，则为不平衡状态；
计算电流达到平衡状态所需转换的电流值包括如下步骤，
S21）：计算电流不平衡度I，所述电流不平衡度I=|I+|-|I-|；
S22）：判断不平衡度I是否为正值，若为正值，则第二储能双向DC/DC变换器连接向第一储能双向DC/DC变换器充电，直至功率平衡；
若为负值，则第一储能双向DC/DC变换器连接向第二储能双向DC/DC变换器充电。
本发明公开了一种直流真双极系统及功率控制方法，包含光伏、储能、交流电网等网源要素，可通过相应的变换装置实现各类要素的灵活互动。此外，通过两台DC/DC储能变换设置跨接在正零和负零之间，实现功率不平衡时的功率转移，解决了传统双极系统中功率不平衡时系统运行问题，且相对于增加双有源桥DAB的方式，本发明的装置配置更少，系统运行更加高效、灵活。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构示意图。
图2是控制单元原理示意图。
图3是推挽全桥双向DC/DC变换器的原理示意图。
图4是双极输电线路上电流的流向示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种带功率不平衡校正的直流真双极系统。系统内包含第一双向AC/DC变换器4和第二双向AC/DC变换器5，实现系统与传统电网的交互；光伏第一DC/DC变换器2和光伏第二DC/DC变换器3，均具备最大功率点跟踪MPPT功能，实现光伏向电能的高效转化；第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10，实现储能与直流系统之间的互动，两台储能双向DC/DC变换器跨接在正零和负零之间，实现功率不平衡时的功率转移。
如图1，一种直流真双极系统，包括双极输电线路、交流电网模块、光伏发电模块、控制单元11和双向储能模块，所述双极输电线路上设置有电流传感器6，所述电流传感器6与控制单元11电连接，所述控制单元11与双向储能模块电连接，所述双向储能模块、光伏发电模块和交流电网模块均与双极输电线路电连接。
所述双极输电线路包括直流正极输电线12、直流负极输电线14和中线13，所述直流正极输电线12和直流负极输电线14共用同一中线13，所述电流传感器6设置在中线13上，所述电流传感器6为霍尔传感器。
所述双向储能模块包括第一储能双向DC/DC变换器7、第二储能双向DC/DC变换器10和储能装置9，所述储能装置9上设置有开关器件8，所述储能装置9通过开关器件8与第一储能双向DC/DC变换器7连接，所述第一储能双向DC/DC变换器7分别与直流正极输电线12和中线13连接，所述储能装置9还通过开关器件8与第二储能双向DC/DC变换器10连接，所述第二储能双向DC/DC变换器10分别与直流负极输电线14和中线13连接。
所述第一储能双向DC/DC变换器7、第二储能双向DC/DC变换器10、储能装置9和开关器件8均与控制单元11连接，如图2所示，所述控制单元11包括控制器17、485通讯接口20、CAN通讯接口19、ETH通讯接口18，电流信号检测端口15，开关器件驱动端口16和故障记录FLASH/TF21，所述控制器17通过电流信号检测端口15电流传感器6连接，所述控制器17通过开关器件驱动端口16与储能装置9连接，所述控制器17通过485通讯接口20、CAN通讯接口19或ETH通讯接口18分别与第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10通讯连接，所述控制器17为单片机，所述单片机的型号优选为STM32F4系列CPU，故障记录FLASH/TF21存储系统运行中的故障信息。
所述485通讯接口20、CAN通讯接口19或ETH通讯接口18配置三种不同类型，是为了提高连接的兼容性，因为不同双向DC/DC变换器的通信接口类型可能有差异，此时从三种不同类型的接口中选定一个类型的接口就可以。
控制单元11具备485通讯接口20、CAN通讯接口19和ETH通讯接口18等多种通讯接口，可以实现与第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10的运行参数采集和指令下发；霍尔传感器采集的电流信号通过电压信号的方式传送至控制单元11 ，控制单元11通过内部CPU运算确定下一步执行的指令。
所述第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10上均设置有电压传感器和第二电流传感器，所述控制单元11中还包括LPF低通滤波器和运算放大器，所述电压传感器和第二电流传感器均通过LPF低通滤波器与运算放大器电连接，所述运算放大器与控制器17电连接；LPF低通滤波器分别与电压传感器和第二电流传感器连接，实现第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10的电流信号的采集，以及第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10电压信号的采集，再通过运算放大器将信号放大，LPF低通滤波器与运算放大器组成了信号调理电路，将调理后的信号传递给控制器17处理。
所述开关器件8为MOS管、断路器或继电器中的任意一种，所述开关器件8可以为半导体开关，也可以为机械开关，半导体开关如MOS管、IGBT或双向晶闸管等，机械开关如断路器或继电器等，所述储能装置9为蓄电池组，所述第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10均为推挽全桥双向DC/DC变换器。
第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10均接于储能装置9和直流母线之间，可以实现对储能装置9的充放电管理控制，如图3所示，推挽全桥双向 DC/DC变换器内部有高频隔离变压器T1、隔直电容Cr、谐振电感L1、滤波电感Lr、滤波电容CH、MOS管Q1~Q6以及其寄生二极管D1~D6和寄生电容C1~C6，高频变压器T1实现了原副边的电气隔离，同时实现了直流母线BUS和蓄电池组BAT的电气隔离，即直流母线BUS的接地故障不能传递到蓄电池组BAT的一侧，蓄电池组BAT的一侧的接地故障也不能传递到直流母线BUS的一侧。
储能装置9通过开关器件8分别连接至第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10，实现储能与直流系统之间的互动，第一储能双向DC/DC变换器7跨接在直流正极输电线12“DC+”和中线13 “0”之间，第二储能双向DC/DC变换器10跨接在中线13 “0”以及直流负极输电线14“DC-”之间，在中线13上配置电流传感器6，检测电流大小及方向，检测值传送至控制单元11，控制单元11同时连接第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10，分别获取第一储能双向DC/DC变换器7和第二储能双向DC/DC变换器10的输出电压、电流大小，并根据程序给出相应的控制指令，以实现系统功率平衡的控制。
所述交流电网模块包括交流电网、第一双向AC/DC变换器4和第二双向AC/DC变换器5，所述交流电网通过第一双向AC/DC变换器4与直流正极输电线12电连接，所述交流电网通过第二双向AC/DC变换器5与直流负极输电线14电连接，第一双向AC/DC变换器4的负极与第二双向AC/DC变换器5的正极共地连接，且第一双向AC/DC变换器4的负极和第二双向AC/DC变换器5的正极均与所述中线13连接。
交流电网通过第一双向AC/DC变换器4和第二双向AC/DC变换器5实现与双极直流系统的连接，第一双向AC/DC变换器4的负极与第二双向AC/DC变换器5的正极共地连接，形成直流真双极系统，本实施例中所述直流双极系统的电压等级可以为±110V、±375V、±750V等，按需设计。
所述光伏发电模块包括光伏第一DC/DC变换器2、光伏第二DC/DC变换器3和光伏板1，所述直流正极输电线12和中线13均与光伏第一DC/DC变换器2连接，所述直流负极输电线14和中线13均与光伏第二DC/DC变换器3连接，所述光伏第一DC/DC变换器2和光伏第二DC/DC变换器3均与光伏板1连接。
光伏发电模块通过光伏第一DC/DC变换器2和光伏第二DC/DC变换器3分别连接至直流正极输电线12“DC+”、中线13 “0”以及直流负极输电线14“DC-”，光伏第一DC/DC变换器2和光伏第二DC/DC变换器3均具备最大功率点跟踪MPPT功能，实现光伏向电能的高效转化，MPPT即为最大功率点跟踪，是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。
直流真双极系统的功率控制方法，包括如下步骤，
S1：控制单元11通过电流传感器6实时检测中线13上电流的大小和方向；所述中线13上的电流包括正极系统电流I+和负极系统电流I-，定义正极系统电流I+的方向为电流正方向，如图4所示；
S2：控制单元11实时评估电流是否为平衡状态，电流为平衡状态时，系统正常运行；电流不平衡时，控制单元11计算出电流达到平衡状态所需转换的电流值，并断开储能单元与系统的连接。
控制单元11评估电流是否为平衡状态的方法为，控制器17单元比较正极系统电流I+的电流值与负极系统电流I-的电流值是否相等，若相等，即I+=I-，则为平衡状态，若不相等，即I+≠I-，则为不平衡状态。
计算电流达到平衡状态所需转换的电流值包括如下步骤，
S21：计算电流不平衡度I，所述电流不平衡度I=|I+|-|I-|；
S22：判断不平衡度I是否为正值，若为正值，则第二储能双向DC/DC变换器10连接向第一储能双向DC/DC变换器7充电，直至功率平衡；
若为负值，则第一储能双向DC/DC变换器7连接向第二储能双向DC/DC变换器10充电。
所述直流双极系统运行时，会通过电流传感器6实时检测中线13上电流的大小和方向，然后将电流传感器6采集到的电流信息发给内部控制器17进行处理，经过控制器17的分析之后，控制器17会实时评估电流不平衡状态，电流平衡时，系统正常运行；电流不平衡时，控制器17计算出电流达到平衡状态所需转换的电流值，并断开储能单元与系统的连接；
具体计算方式为，正极系统电流为I+，负极系统电流为I-，以I+的方向为正方向，当双极系统功率平衡时，I+=I-，电流传感器6中无电流；
当双极系统功率不平衡时，I+≠I-，电流不平衡度为I=|I+|-|I-|，需将不平衡功率进行转移，本实施例中，转移的电流大小为I/2，电流不平衡度为正时，说明正极系统功率较大，此时第二储能双向DC/DC变换器10连接向第一储能双向DC/DC变换器7充电，直至功率平衡，充电功率为UI/2的绝对值，U为系统单极电压；反之，第一储能双向DC/DC变换器7连接向第二储能双向DC/DC变换器10充电，直至功率平衡；此时再投入储能，系统正常运行。
正极系统功率大时，如果再向负极系统充电，则会进一步加大正极系统负载功率，不平衡度会进一步增大，不可取；所以此时，需要第二储能双向DC/DC变换器10连接向第一储能双向DC/DC变换器7充电，加大负极系统的负载功率，减小不平衡度，同时承担正极系统的负载，减轻正极系统的功率压力。
本发明公开了一种直流真双极系统及功率控制方法，包含光伏、储能、交流电网等网源要素，可通过相应的变换装置实现各类要素的灵活互动。此外，通过两台DC/DC储能变换设置跨接在正零和负零之间，实现功率不平衡时的功率转移，解决了传统双极系统中功率不平衡时系统运行问题，且相对于增加双有源桥DAB的方式，本发明的装置配置更少，系统运行更加高效、灵活。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流真双极系统，其特征在于：包括双极输电线路、交流电网模块、光伏发电模块、控制单元（11）和双向储能模块，所述双极输电线路上设置有电流传感器（6），所述电流传感器（6）与控制单元（11）电连接，所述控制单元（11）与双向储能模块电连接，所述双向储能模块、光伏发电模块和交流电网模块均与双极输电线路电连接。
2.根据权利要求1所述的直流真双极系统，其特征在于：所述双极输电线路包括直流正极输电线（12）、直流负极输电线（14）和中线（13），所述直流正极输电线（12）和直流负极输电线（14）共用同一中线（13），所述电流传感器（6）设置在中线（13）上，所述电流传感器（6）为霍尔传感器。
3.根据权利要求2所述的直流真双极系统，其特征在于：所述双向储能模块包括第一储能双向DC/DC变换器（7）、第二储能双向DC/DC变换器（10）和储能装置（9），所述储能装置（9）上设置有开关器件（8），所述储能装置（9）通过开关器件（8）与第一储能双向DC/DC变换器（7）连接，所述第一储能双向DC/DC变换器（7）分别与直流正极输电线（12）和中线（13）连接，所述储能装置（9）还通过开关器件（8）与第二储能双向DC/DC变换器（10）连接，所述第二储能双向DC/DC变换器（10）分别与直流负极输电线（14）和中线（13）连接。
4.根据权利要求3所述的直流真双极系统，其特征在于：所述第一储能双向DC/DC变换器（7）、第二储能双向DC/DC变换器（10）、储能装置（9）和开关器件（8）均与控制单元（11）连接，所述控制单元（11）包括控制器（17）、485通讯接口（20）、CAN通讯接口（19）、ETH通讯接口（18），电流信号检测端口（15），开关器件驱动端口（16）和故障记录FLASH/TF（21），所述控制器（17）通过电流信号检测端口（15）电流传感器（6）连接，所述控制器（17）通过开关器件驱动端口（16）与储能装置（9）连接，所述控制器（17）通过485通讯接口（20）、CAN通讯接口（19）或ETH通讯接口（18）分别与第一储能双向DC/DC变换器（7）和第二储能双向DC/DC变换器（10）通讯连接，所述控制器（17）为单片机。
5.根据权利要求4所述的直流真双极系统，其特征在于：所述第一储能双向DC/DC变换器（7）和第二储能双向DC/DC变换器（10）上均设置有电压传感器和第二电流传感器，所述控制单元（11）中还包括LPF低通滤波器和运算放大器，所述电压传感器和第二电流传感器均通过LPF低通滤波器与运算放大器电连接，所述运算放大器与控制器（17）电连接。
6.根据权利要求4所述的直流真双极系统，其特征在于：所述开关器件（8）为MOS管、断路器或继电器中的任意一种，所述储能装置（9）为蓄电池组，所述第一储能双向DC/DC变换器（7）和第二储能双向DC/DC变换器（10）均为推挽全桥双向DC/DC变换器。
7.根据权利要求2所述的直流真双极系统，其特征在于：所述交流电网模块包括交流电网、第一双向AC/DC变换器（4）和第二双向AC/DC变换器（5），所述交流电网通过第一双向AC/DC变换器（4）与直流正极输电线（12）电连接，所述交流电网通过第二双向AC/DC变换器（5）与直流负极输电线（14）电连接，第一双向AC/DC变换器（4）的负极与第二双向AC/DC变换器（5）的正极共地连接，且第一双向AC/DC变换器（4）的负极和第二双向AC/DC变换器（5）的正极均与所述中线（13）连接。
8.根据权利要求2所述的直流真双极系统，其特征在于：所述光伏发电模块包括光伏第一DC/DC变换器（2）、光伏第二DC/DC变换器（3）和光伏板（1），所述直流正极输电线（12）和中线（13）均与光伏第一DC/DC变换器（2）连接，所述直流负极输电线（14）和中线（13）均与光伏第二DC/DC变换器（3）连接，所述光伏第一DC/DC变换器（2）和光伏第二DC/DC变换器（3）均与光伏板（1）连接。
9.根据权利要求1至7所述的直流真双极系统的功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1）：控制单元（11）通过电流传感器（6）实时检测中线（13）上电流的大小和方向；所述中线（13）上的电流包括正极系统电流I+和负极系统电流I-，定义正极系统电流I+的方向为电流正方向；
S2）：控制单元（11）实时评估电流是否为平衡状态，电流为平衡状态时，系统正常运行；电流不平衡时，控制单元（11）计算出电流达到平衡状态所需转换的电流值，并断开储能单元与系统的连接。
10.根据权利要求8所述的直流真双极系统的功率控制方法，其特征在于：控制单元（11）评估电流是否为平衡状态的方法为，控制器（17）单元比较正极系统电流I+的电流值与负极系统电流I-的电流值是否相等，若相等，即I+=I-，则为平衡状态，若不相等，即I+≠I-，则为不平衡状态；
计算电流达到平衡状态所需转换的电流值包括如下步骤，
S21）：计算电流不平衡度I，所述电流不平衡度I=|I+|-|I-|；
S22）：判断不平衡度I是否为正值，若为正值，则第二储能双向DC/DC变换器（10）连接向第一储能双向DC/DC变换器（7）充电，直至功率平衡；
若为负值，则第一储能双向DC/DC变换器（7）连接向第二储能双向DC/DC变换器（10）充电。
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