CN116231616A - 一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源利用以及电解铝技术领域，尤其涉及一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统。包括：多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜，其中多个光伏直流智能汇流箱通过DC1300V线路与直流电能路由器柜的一端连接，直流电能路由器柜的另一端通过桥架铝排与母线直流隔离开关柜连接；母线直流隔离开关柜中的母线直流隔离开关分别与电解铝主线和电解铝母线连接，电解铝主线和电解铝母线连接多个铝电解槽。本发明通过开展分布式光伏直流接入电解铝供电技术研究，建设光伏电解铝直流微电网，实现电解槽与光伏直流互联供电，省去传统大电网供电中电能变换环节，减少电能变换损耗。

Description

一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统
技术领域
本发明属于新能源利用以及电解铝技术领域，尤其涉及一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统。
背景技术
作为我国重要的基础产业，电解铝生产过程中耗电等级较高，历来被称为“高耗能产业”，因此也是国家重点调控的产业之一。目前，我国电解铝企业多采用大电网向电解槽供电，电能变换环节多且复杂，电能损耗严重；此外，电解铝企业的用电来源仍以火电为主，占比达到80％以上，电解铝企业使用火电生产一吨铝大约排放二氧化碳11.2吨，不利于企业的可持续发展与环境友好性提升。
随着国内新能源飞速发展，以有色金属行业为主的一些高耗能生产企业为降低用电成本、有效提升企业竞争力，计划或者已经开始建设大量新能源发电，选择自建机组或者由联网运行转入孤网运行。对于电解铝、电解制氢等直流供电的高耗能工业负荷，其消耗功率范围较宽，拥有较好的控制特性，适合新能源直流接入同时不影响电力系统的稳定性。
目前国内外电解铝及电解制氢行业对于新能源的接入主要采用并网的模式，在离网运行以及直流供电方面尚无成熟的案例。此外，由于光伏发电具有随机性、间歇性和波动性，大规模接入会影响直流微电网的安全稳定性。现有研究或工程未能充分发挥光伏在电解铝企业供电中的潜力，且现有大电网整流供电方式中的电能变换过程造成了严重的电能损耗和资源浪费。此外，电解铝系统和分布式光伏直流接入的直流微网工程建设未见报道。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明通过开展分布式光伏直流接入电解铝供电技术研究，建设光伏电解铝直流微电网，将分布式光伏直流接入电解铝直流母排，由光伏发电直接向电解槽供电，实现电解槽与光伏直流互联供电。
本发明的目的是提供一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统，包括：
多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜，其中所述多个光伏直流智能汇流箱分别通过DC1300V线路与所述直流电能路由器柜的一端连接，所述直流电能路由器柜的另一端通过桥架铝排与所述母线直流隔离开关柜连接；所述母线直流隔离开关柜中的母线直流隔离开关分别与电解铝主线和电解铝母线连接，所述电解铝主线和电解铝母线连接多个铝电解槽。
优选地，所述光伏直流智能汇流箱包括多个并联的光伏直流断路器形成的光伏组件串，所述光伏直流断路器包括多个入口，分别与光伏组件连接，所述光伏直流断路器包括一个多切开关，每个光伏直流断路器的多切开关通过DC1300V线缆相连；所述光伏组件分别通过主线和母线与光伏直流断路器的入口连接。
优选地，所述直流电能路由器柜为DCPET-PV系列直流电能路由器柜。
优选地，所述直流电能路由器柜包括电能模块、滤波模块以及保护模块，所述电能模块包括串联的预充电模块、隔离型DC/DC模块以及电抗模块；所述滤波模块为EMI滤波模块，所述电能模块通过主母线的方式与所述滤波模块连接，所述主母线之间跨接电容；所述保护模块包括第一防逆流保护、第一快速熔断器和输出直流断路器，所述第一防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第一快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述输出直流断路器包括上口和下口的可关断阀。
优选地，所述隔离型DC/DC模块为高频隔离的DC/DC变换器结构，具有直流电流源输出特性，其输出电压可自动跟随铝电解槽母线电压变化。
优选地，所述母线直流隔离开关柜包括两个并联的第二母线直流隔离开关、第二防逆流保护和第二快速熔断器，所述第二防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第二快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述母线直流隔离开关包括上口和下口的可关断阀。
优选地，所述电解铝主线和电解铝母线均分别连接多个AC/DC整流电源和铝电解槽。
优选地，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间采用光纤隔离。
优选地，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装有防雷保护装置。
优选地，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装设过电流保护、过电压保护、短路保护、温度超限保护、IGBT驱动故障保护、光纤通讯故障保护、开关反馈异常保护。
本发明提供的系统，具有如下有益的技术效果：
本申请通过开展分布式光伏直流接入电解铝供电技术研究，建设光伏电解铝直流微电网，将分布式光伏直流接入电解铝直流母排，由光伏发电直接向电解槽供电，实现电解槽与光伏直流互联供电。一方面可以省去传统大电网供电中电能变换环节，减少电能变换损耗，另一方面可提高光伏发电在生产用电中的占比，对于推进绿色能源与绿色先进制造业深度融合，打造绿色能源融合创新典范具有重要意义。
附图说明
图1为一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
参见图1，一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统，包括：
多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜，其中所述多个光伏直流智能汇流箱分别通过DC1300V线路与所述直流电能路由器柜的一端连接，所述直流电能路由器柜的另一端通过桥架铝排与所述母线直流隔离开关柜连接；所述母线直流隔离开关柜中的母线直流隔离开关QS1分别与电解铝主线和电解铝母线连接，所述电解铝主线和电解铝母线连接多个铝电解槽。
作为优选的实施方式，所述光伏直流智能汇流箱包括多个并联的光伏直流断路器形成的光伏组件串，所述光伏直流断路器包括多个入口(本实施例为16个)，分别与PV1,PV2…PV16连接，所述光伏直流断路器包括一个多切开关OF，每个光伏直流断路器的多切开关OF通过DC1300V线缆连接；所述PV1,PV2…PV16分别通过主线和母线与光伏直流断路器的入口连接。
作为优选的实施方式，所述直流电能路由器柜为DCPET-PV系列直流电能路由器柜。
作为优选的实施方式，所述直流电能路由器柜包括电能模块、滤波模块以及保护模块，所述电能模块包括串联的预充电模块、隔离型DC/DC模块以及电抗模块；所述滤波模块为EMI滤波模块，所述电能模块通过主母线的方式与所述滤波模块连接，所述主母线之间跨接电容；所述保护模块包括第一防逆流保护、第一快速熔断器和输出直流断路器，所述第一防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第一快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述输出直流断路器包括上口和下口的可关断阀。
作为优选的实施方式，所述隔离型DC/DC模块为高频隔离的DC/DC变换器结构，具有直流电流源输出特性，其输出电压可自动跟随铝电解槽母线电压变化。
作为优选的实施方式，所述母线直流隔离开关柜包括两个并联的母线直流隔离开关、第二防逆流保护和第二快速熔断器，所述第二防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第二快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述母线直流隔离开关包括上口和下口的可关断阀。
作为优选的实施方式，所述电解铝主线和电解铝母线均分别连接多个AC/DC整流电源和铝电解槽。
作为优选的实施方式，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间采用光纤隔离。
作为优选的实施方式，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装有防雷保护装置。
作为优选的实施方式，多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装设过电流保护、过电压保护、短路保护、温度超限保护、IGBT驱动故障保护、光纤通讯故障保护、开关反馈异常保护的软硬件故障保护功能。
本实施例中，根据现场调查情况，屋顶光伏已按照每个组串26块545组件串联，1MW共72串的接线方式将光伏出线敷设至海力整流变并网逆变器，72组接线安装MC4接头。先开展300kW试验样机的验证，即光伏接入电解铝试验采用32组接线经MC4接头接入300kW隔离型DC/DC变流器(直流电能路由器)，通过直流电缆接入电解槽直流铝排，输出电压跟随电解槽直流母线电压，最高输出1200VDC。后期通过2个1MW隔离型直流电能路由器将全部2MW光伏串通过直流方式接入电解铝槽直流母线。
第一阶段300kW直流电能路由器(隔离型DC/DC变换装置)直流接入投运试验。本次投运试验中，32路光伏组件串通过光伏智能直流汇流箱连入300kW直流电能路由器，其输出侧经过二极管防逆流保护电路、直流熔断器、直流断路器保护后，连入桥架式直流铝排，再经过设有带二极管防逆流保护电路、直流熔断器、直流隔离开关的母线直流隔离开关柜连入300kA铝电解槽母线。
300kW直流电能路由器采用高频隔离的DC/DC变换器结构，具有直流电流源输出特性，其输出电压可自动跟随铝电解槽母线电压变化。其具备光伏最大功率点追踪能力，在额定电流、额定功率以下，可按照当前光照条件下光伏组件的最大功率进行能量变换与输出。
其主电路与控制电路之间采用光纤隔离，装有防雷保护、防逆流保护、短路熔断保护等保护设备，设有过电流保护、过电压保护、短路保护、温度超限保护、IGBT驱动故障保护、光纤通讯故障保护、开关反馈异常保护等软硬件故障保护功能。
300kW直流电能路由器样机验证接线示意图如图1所示。
本项目的研究成果可用于光伏电解铝直流微电网建设，为分布式光伏直流接入电解铝直流母排提供可行方案，有效解决电能损耗问题，实现时空互济、能量均衡等效果。
通过本实施例的成功实施，可产生以下效益：(1)降低电能变换过程中的损耗。基于柔性直流接入装备集成技术，由光伏发电直接向电解槽供电，通过电解槽与光伏直流互联供电，省去逆变、整流等环节，减少电能损耗。(2)通过开展云铝直流供电技术示范应用，为向电解铝以及电解行业企业大用户推广光伏直流供电技术提供支持。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，包括：
多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜，其中所述多个光伏直流智能汇流箱分别通过DC1300V线路与所述直流电能路由器柜的一端连接，所述直流电能路由器柜的另一端通过桥架铝排与所述母线直流隔离开关柜连接；所述母线直流隔离开关柜中的母线直流隔离开关分别与电解铝主线和电解铝母线连接，所述电解铝主线和电解铝母线连接多个铝电解槽。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述光伏直流智能汇流箱包括多个光伏直流断路器并联形成的光伏组件串，每个所述光伏直流断路器包括多个入口，分别与光伏组件连接，每个所述光伏直流断路器包括一个多切开关，每个所述光伏直流断路器的多切开关通过DC1300V线缆相连；所述光伏组件分别通过主线和母线与光伏直流断路器的入口连接。
3.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述直流电能路由器柜为DCPET-PV系列直流电能路由器柜。
4.根据权利要求1或3所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述直流电能路由器柜包括电能模块、滤波模块以及保护模块，所述电能模块包括串联的预充电模块、隔离型DC/DC模块以及电抗模块；所述滤波模块为EMI滤波模块，所述电能模块通过主母线的方式与所述滤波模块连接，所述主母线之间跨接电容；所述保护模块包括第一防逆流保护、第一快速熔断器和输出直流断路器，所述第一防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第一快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述输出直流断路器包括上口和下口的可关断阀。
5.根据权利要求4所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述隔离型DC/DC模块为高频隔离的DC/DC变换器结构，具有直流电流源输出特性，其输出电压可自动跟随铝电解槽母线电压变化。
6.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述母线直流隔离开关柜包括两个并联的母线直流隔离开关、第二防逆流保护和第二快速熔断器，所述第二防逆流保护包括两个相互并联的二极管防逆流保护电路，作为正向截止阀和反向截止阀，所述第二快速熔断器具有相互并联的两个熔断器，所述母线直流隔离开关包括上口和下口的可关断阀。
7.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述电解铝主线和电解铝母线均分别连接多个AC/DC整流电源和铝电解槽。
8.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间采用光纤隔离。
9.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装有防雷保护装置。
10.根据权利要求1所述的分布式光伏直流接入电解铝供电系统，其特征在于，所述多个光伏直流智能汇流箱、直流电能路由器柜以及母线直流隔离开关柜之间装设过电流保护、过电压保护、短路保护、温度超限保护、IGBT驱动故障保护、光纤通讯故障保护、开关反馈异常保护。
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