CN116231833B - 一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，包括市电电源单元、发电机单元、储能单元、新能源发电单元和测控系统，市电电源单元连接有市电配电单元，市电配电单元和发电机单元通过双电源转换单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，双电源转换单元用于市电电源单元和发电机单元的供电模式的切换，储能单元和新能源发电单元通过直流配电单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，测控系统用于根据市电电源单元、发电机单元、储能单元和新能源发电单元的运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换并保持无扰动用电单元不间断用电。本发明实现了市电、发电机、新能源发电和储能组成的多能源耦合的灵活调配、协同及运行。

Description

一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统

技术领域

本发明涉及配电技术领域，更为具体来说，本发明为一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统。

背景技术

随着电气技术的不断进步，用电负荷对供电可靠性的要求在不断提高。由开关电源供电的计算机及控制系统，供电电压的波动和闪变可能导致其瞬间失电而丢失数据，此类负荷可定义为电压敏感负荷。市电供电虽然可靠性高，但对于电压敏感负荷，无法保证将其隔离于市电的电压波动，不能实现无扰动供电。对于重要用电负荷，例如数据中心类型的负荷，属于重要用电负荷，电压波动导致数据丢失，可能造成重大经济损失。对于这样重要的用电负荷一般会配置备用发电机，可随时起动，在市电失电时应急运行。然而，发电机的运行需完成一些必要的电气倒闸操作，会导致短时断电。发电机独立供电时对负荷的动态响应能力差，供电不稳定，随时可能导致负荷失电。实际上，如采用燃气发电机，辅以冷热联供的方式，其运行的经济性可能会优于市电。

新能源发电，即可再生能源发电，如太阳能光伏、风能、生物质能、地热能等等，为间歇式发电，一般需要市电或储能做支撑。随着新能源发电和电化学储能技术的发展，用电负荷不仅有交流供电，也出现了直流供电的形式。直流用电负荷自身具备功率调节能力，即用电负荷的柔性调节。储能系统在夜间市电电价谷值时充电，白天电价峰值时放电，达到削峰填谷的效果，也可能实现一定的经济性。但数据中心的不间断电源供电系统很难直接与新能源发电以及直流配电技术相结合。

因此，如何将多种能源进行耦合并将耦合后形成供电系统进行合理的控制，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明创新地提供了一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其可实现市电、发电机、新能源发电和储能组成的多能源耦合的灵活调配、协同及运行。

为实现上述的技术目的，本发明实施例公开了一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，包括市电电源单元、发电机单元、储能单元、新能源发电单元和测控系统，所述市电电源单元连接有市电配电单元，所述市电配电单元和发电机单元通过双电源转换单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，所述双电源转换单元用于市电电源单元和发电机单元的供电模式的切换，所述储能单元和新能源发电单元通过直流配电单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，所述测控系统用于根据市电电源单元、发电机单元、储能单元和新能源发电单元的运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换并保持无扰动用电单元不间断用电。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中所述交直流变流单元包括整流器、逆变器、变压器和静态开关，所述储能单元通过整流器储存市电电源单元或发电机单元产生的电能，所述储能单元和新能源发电单元通过逆变器和变压器为无扰动用电单元供电，所述市电电源单元和发电机单元通过静态开关为无扰动用电单元供电。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中所述测控系统包括就地测控单元、后台监控单元和能源主控单元，所述就地测控单元用于获取常规供电模式和应急供电模式下供电系统的运行数据，所述后台监控系统用于存储并以可视化的方式展示运行数据，所述能源主控单元用于根据运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中所述常规供电模式包括市电供电模式、发电机供电模式和微网供电模式，在市电供电模式下由能源主控单元控制市电电源单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；在发电机供电模式下由能源主控单元控制发电机单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；在微网供电模式下由能源主控单元控制储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；所述应急供电模式包括无扰动应急供电模式、无扰动及微网应急供电模式和市电应急供电模式，当能源主控单元判断直流配电单元或储能单元故障时进入无扰动应急供电模式，在无扰动应急供电模式下由市电电源单元或发电机单元为无扰动用电单元供电；当能源主控单元判断交直流变流单元故障时进入无扰动及微网应急供电模式，在无扰动及微网应急供电模式下由市电电源单元或发电机单元为无扰动用电单元供电，由储能单元和新能源发电单元组成直流微网供电系统为直流用电单元单独供电；当能源主控单元判断市电电源单元故障时进入市电应急供电模式，在市电应急供电模式下由发电机单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在常规供电模式下，能源主控单元优先选择微网供电模式，并由能源主控单元控制储能单元在市电电源单元的电价谷值时充电，电价峰值时放电。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在微网供电模式下，当储能单元的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元自主切换至市电供电模式或发电机供电模式。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在市电供电模式或发电机供电模式下，当储能单元的电量高于设置的高电量阈值时，由能源主控单元从市电供电模式或发电机供电模式切换至微网供电模式。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在无扰动应急供电模式下，由能源主控单元优先选择市电电源单元进行供电；当市电电源单元失电时，由能源主控单元选择发电机单元进行供电；当直流配电单元或储能单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在无扰动及微网应急供电模式下，当储能单元的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元控制直流微网供电系统退出运行；当交直流变流单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式。

进一步的，本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其中在市电应急供电模式下，由能源主控单元优先选择储能单元和新能源供电单元进行供电；当储能单元的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元控制发电机单元进行供电；当市电电源单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式。

本发明的有益效果为：通过设置市电电源单元和发电机单元，通过双电源转换单元可以实现市电和发电机两种供电模式的灵活切换，切换过程相对无扰动用电单元是无扰动的，保证无扰动用电单元中的重要负荷和电压敏感负荷的不间断供电。同时，新能源发电单元与储能单元配合，通过测控系统可以实现对直流用电单元和无扰动用电单元的独立供电。新能源发电单元、储能单元和直流用电单元可以组成柔性的直流微网供电系统。当在市电全部失电的应急工况下，可以利用测控系统控制储能单元、新能源发电单元和发电机单元持续供电，保障重要负荷的用电需求。实现了市电、发电机、新能源发电和储能组成的多能源耦合的灵活调配、协同工作及经济运行。

附图说明

图1为本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统的结构框图；

图2为本发明一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统中供电模式切换的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统进行详细的解释和说明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，包括市电电源单元100、发电机单元200、储能单元300、新能源发电单元400和测控系统500，市电电源单元100连接有市电配电单元110，市电配电单元110和发电机单元200通过双电源转换单元600和交直流变流单元700与无扰动用电单元800连接，双电源转换单元600用于市电电源单元100和发电机单元200的供电模式的切换，储能单元300和新能源发电单元400通过直流配电单元900和交直流变流单元700与无扰动用电单元800连接，测控系统500用于根据市电电源单元100、发电机单元200、储能单元300和新能源发电单元400的运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换并保持无扰动用电单元800不间断用电。

具体地，市电单元单元100和市电配电单元110可以配置为经典的双路市电供配电方式，并采用分段母线的形式，每路市电电源分别对一段母线供电，分段母线间设置母联开关，在正常情况下母联开关断开，此时每路市电负责相应的母线段负荷，当任一路市电电源失电时，母联开关闭合由另外一路市电电源对两段的市电用电单元111(即市电用电负荷)供电。

发电机单元200可以配置为发电机以及与其配套的控制开关(或者是测控装置用于控制发电机的运行)，其中发电机采用多种形式的发电机，如柴油发电机、燃气发电机等，特别是燃气发电机，应用于冷热电联供时，与市电相比，长期运行可具备经济性。

储能单元300可以配置为储能变流器和储能电池组。储能变流器用于控制储能电池组的充电和放电，将储能电池组接线端的不定电压直流电变换成稳定的直流电。

新能源发电单元400可以配置为光伏、风电、生物质能或其他新能源发电设备以及配套的变流器，通过变流器将不定电压的直流电变换成稳定的直流电与储能单元300配合进行供电。

双电源转换单元600可以配置为具有互锁功能的转换开关，转换开关具备两个状态，其中一个状态为将市电电源单元接入供电系统的状态，另外一个状态为将发电机单元接入供电系统的状态，并且这两种状态不能同时存在。其切换过程可自动控制，自动控制可以通过远程控制就地安装的测控装置的方式实现。

无扰动用电单元800为供电系统中一经通电就不能断电的电压敏感负荷。

直流配电单元900包括直流母线，以及连接在直流母线上的各支路开关，通过直流母线分配储能单元300和新能源发电单元400产生的直流电。

在本实施例中，通过设置市电电源单元100和发电机单元200，通过双电源转换单元600可以实现市电和发电机两种供电模式的灵活切换，切换过程相对无扰动用电单元800是无扰动的，保证无扰动用电单元800中的重要负荷和电压敏感负荷的不间断供电。同时，新能源发电单元400与储能单元300配合，通过测控系统500可以实现对直流用电单元910和无扰动用电单元800的独立供电。新能源发电单元400、储能单元300和直流用电单元910可以组成柔性的直流微网供电系统。当在市电全部失电的应急工况下，可以利用测控系统500控制储能单元300、新能源发电单元400和发电机单元200持续供电，保障重要负荷的用电需求，实现了市电、发电机、新能源发电和储能组成的多能源耦合的灵活调配、协同工作及经济运行。

在本发明一实施例中，交直流变流单元700包括整流器、逆变器、变压器和静态开关，整流器可将市电电源单元100或发电机单元200产生的交流单转换为直流电，使得储能单元300可以通过整流器储存市电电源单元100或发电机单元200产生的电能，储能单元300和新能源发电单元400通过逆变器和变压器为无扰动用电单元800供电，逆变器可以将储能单元300或新能源发电单元400产生的直流电转换为交流电，通过变压器可以将逆变器转换的交流电变换为无扰动用电单元800所需的工作电压；市电电源单元100和发电机单元200通过静态开关为无扰动用电单元800供电，也就是说市电电源单元100和发电机单元200产生的交流电可以与储能单元300和新能源发电单元400产生的直流电进行有效隔离，保证用电安全。

在本发明一实施例中，测控系统500包括就地测控单元510、后台监控单元520和能源主控单元530，就地测控单元510用于获取常规供电模式和应急供电模式下供电系统的运行数据，后台监控系统用于存储并以可视化的方式展示运行数据，能源主控单元530用于根据运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换。

能源主控单元530包括能源主控制装置EMS，用于实施本供电系统整体的控制策略并在不同的运行模式之间切换。考虑到能源主控装置530在本供电系统中的重要性，可以按照冗余设计，设计至少两套能源主控制装置同时工作，在一套退出运行时保证整个供电系统的正常运行。能源主控单元530与就地测控单元510之间均通过数据总线连接。数据总线包括但不限于RS485总线、硬接线或专用总线。监控后台单元520用来实现运行数据监控、存储、本地和远程浏览等功能，包括网络交换机、数据服务器、工作站、防火墙和远程云平台；能源主控装置、数据服务器、工作站、防火墙通过网络交换机连接，相关数据通过防火墙上传至远程云平台。

上述的常规供电模式包括市电供电模式、发电机供电模式和微网供电模式，在市电供电模式下由能源主控单元530控制市电电源单元100、储能单元300或新能源发电单元400为无扰动用电单元800供电；在发电机供电模式下由能源主控单元530控制发电机单元200、储能单元300或新能源发电单元400为无扰动用电单元800供电；在微网供电模式下由能源主控单元530控制储能单元300或新能源发电单元400为无扰动用电单元800供电。

在常规供电模式下可以提供三种供电模式，利用能源主控单元530可以在三种供电模式下相互切换，其切换过程相对与无扰动用电单元800是无扰动的，因此这三种供电模式均能保证无扰动用电单元800供电的不间断性。

上述的应急供电模式包括无扰动应急供电模式、无扰动及微网应急供电模式和市电应急供电模式，当能源主控单元530判断直流配电单元900或储能单元300故障时进入无扰动应急供电模式，在无扰动应急供电模式下由市电电源单元100或发电机单元200为无扰动用电单元800供电；当能源主控单元530判断交直流变流单元700故障时进入无扰动及微网应急供电模式，在无扰动及微网应急供电模式下由市电电源单元100或发电机单元200为无扰动用电单元800供电，由储能单元300和新能源发电单元400组成直流微网供电系统为直流用电单元910单独供电；当能源主控单元530判断市电电源单元100故障时进入市电应急供电模式，在市电应急供电模式下由发电机单元200、储能单元300或新能源发电单元400为无扰动用电单元800供电。

在应急供电模式下，设置了三种故障的应对策略，产生了三种应急供电模式，利用能源主控单元530可以在三种应急供电模式下相互切换，其切换过程相对与无扰动用电单元800是无扰动的，因此这三种应急供电模式均能保证无扰动用电单元800供电的不间断性。

如图2所示，通过就地测控单元510采集运行数据，能源主控单元530根据当前的运行模式进行模式转换。能源主控单元530的具体控制原则如下：

在常规供电模式下，能源主控单元530优先选择微网供电模式，并由能源主控单元530控制储能单元300在市电电源单元100的电价谷值时充电，电价峰值时放电。

微网供电模式的供电时长由能源主控单元530根据储能单元300的电量和新能源发电单元400与直流用电单元910和无扰动用电单元800的配比，以及新能源发电单元400总体发电量和用电负荷的用电量进行预测，从而优化储能单元300的充电和放电节点，平衡供电系统的供需。新能源发电单元400作为间歇性电源其供电的优先级最高；发电机单元200，尤其是发电机采用冷热电联供的燃气发电机的情况下，其能源利用效率高，与市电电源单元100相比，特别是市电峰值电价时，具备运行的经济性；市电供电模式下，储能单元300可在夜间电价谷值时充电，白天电价峰值时放电，达到削峰填谷的效果；市电电源单元100或发电机单元200对直流配电单元900和无扰动用电单元800的供电根据经济性和用户需求来确定。

在微网供电模式下，当储能单元300的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元530自主切换至市电供电模式或发电机供电模式。

当能源主控单元530监控到储能单元300的电量高于设置的高电量阈值时，由能源主控单元530通过交直流变流单元700控制新能源发电单元400进行供电，当储能单元300的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元530自主切换至市电供电模式或发电机供电模式。使得整体供电系统的发电和用电保持平衡。

在市电供电模式或发电机供电模式下，当储能单元300的电量高于设置的高电量阈值时，由能源主控单元530从市电供电模式或发电机供电模式切换至微网供电模式。

在无扰动应急供电模式下，由能源主控单元530优先选择市电电源单元100进行供电；当市电电源单元100失电时，由能源主控单元530选择发电机单元200进行供电；当直流配电单元900或储能单元300恢复正常时，由能源主控单元530切换至常规供电模式。

在无扰动及微网应急供电模式下，当储能单元300的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元530控制直流微网供电系统退出运行；当交直流变流单元700恢复正常时，由能源主控单元530切换至常规供电模式。

在市电应急供电模式下，由能源主控单元530优先选择储能单元300和新能源供电单元进行供电；当储能单元300的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元530控制发电机单元200进行供电；当市电电源单元100恢复正常时，由能源主控单元530切换至常规供电模式。

在本实施例中，采用以上控制策略，可以使得本发明的供电系统可以灵活控制市电、发电机、新能源发电和储能组成的多能源耦合供电系统，并且在各种供电模式转换过程中可以保证无扰动用电设备的不间断供电。通过优先利用微网供电模式供电，可以大幅提高新能源发电的供电占比，降低供电成本。通过配合储能单元可以达到对市电削峰填谷的目的，进一步的降低供电成本。其控制流程可控合理，可将交直流供电系统的过供电性能调整至最佳状态。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其特征在于，包括市电电源单元、发电机单元、储能单元、新能源发电单元和测控系统，所述市电电源单元连接有市电配电单元，所述市电配电单元和发电机单元通过双电源转换单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，所述双电源转换单元用于市电电源单元和发电机单元的供电模式的切换，所述储能单元和新能源发电单元通过直流配电单元和交直流变流单元与无扰动用电单元连接，所述测控系统用于根据市电电源单元、发电机单元、储能单元和新能源发电单元的运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换并保持无扰动用电单元不间断用电；所述测控系统包括就地测控单元、后台监控单元和能源主控单元，所述就地测控单元用于获取常规供电模式和应急供电模式下供电系统的运行数据，所述后台监控单元用于存储并以可视化的方式展示运行数据，所述能源主控单元用于根据运行数据控制常规供电模式与应急供电模式的相互切换；所述常规供电模式包括市电供电模式、发电机供电模式和微网供电模式，在市电供电模式下由能源主控单元控制市电电源单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；在发电机供电模式下由能源主控单元控制发电机单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；在微网供电模式下由能源主控单元控制储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；所述应急供电模式包括无扰动应急供电模式、无扰动及微网应急供电模式和市电应急供电模式，当能源主控单元判断直流配电单元或储能单元故障时进入无扰动应急供电模式，在无扰动应急供电模式下由市电电源单元或发电机单元为无扰动用电单元供电；当能源主控单元判断交直流变流单元故障时进入无扰动及微网应急供电模式，在无扰动及微网应急供电模式下由市电电源单元或发电机单元为无扰动用电单元供电，由储能单元和新能源发电单元组成直流微网供电系统为直流用电单元单独供电；当能源主控单元判断市电电源单元故障时进入市电应急供电模式，在市电应急供电模式下由发电机单元、储能单元或新能源发电单元为无扰动用电单元供电；在无扰动应急供电模式下，由能源主控单元优先选择市电电源单元进行供电；当市电电源单元失电时，由能源主控单元选择发电机单元进行供电；当直流配电单元或储能单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式；在无扰动及微网应急供电模式下，当储能单元的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元控制直流微网供电系统退出运行；当交直流变流单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式；在市电应急供电模式下，由能源主控单元优先选择储能单元和新能源供电单元进行供电；当储能单元的电量低于设置的低电量阈值时，由能源主控单元控制发电机单元进行供电；当市电电源单元恢复正常时，由能源主控单元切换至常规供电模式。

2.根据权利要求1所述的一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其特征在于，所述交直流变流单元包括整流器、逆变器、变压器和静态开关，所述储能单元通过整流器储存市电电源单元或发电机单元产生的电能，所述储能单元和新能源发电单元通过逆变器和变压器为无扰动用电单元供电，所

述市电电源单元和发电机单元通过静态开关为无扰动用电单元供电。

3.根据权利要求1所述的一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其特征在于，在常规供电模式下，能源主控单元优先选择微网供电模式，并由能源主控单元控制储能单元在市电电源单元的电价谷值时充电，电价峰值

时放电。

4.根据权利要求3所述的一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其特征在于，在微网供电模式下，当储能单元的电量低于设置的低电量阈值

时，由能源主控单元自主切换至市电供电模式或发电机供电模式。

5.根据权利要求4所述的一种多能耦合无扰动不间断交直流供电系统，其特征在于，在市电供电模式或发电机供电模式下，当储能单元的电量高于设置的高电量阈值时，由能源主控单元从市电供电模式或发电机供电模式切

换至微网供电模式。