CN117955074A - 一种直流电能远距离接入供电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电能远距离接入供电系统及其控制方法，包括与电能产生侧连接的直流升压变换单元，以及与负载侧连接的直流降压变换单元，直流升压变换单元与直流降压变换单元之间通过中压直流传输线路连接；电能产生侧用于产生直流电能，直流升压变换单元用于将输出的直流电压升至中压直流；中压直流电能通过中压直流传输线路与直流降压变换单元连接，直流降压变换单元对其输入端的中压直流电能进行主动闭环控制，并对输出的负荷电压进行降压控制；本发明采用中压直流点对点耦合的方式，直流升压变换单元形成的中压直流能够沿着中压直流传输线路长距离传输，无需多次交直流转换，系统简单，且降低传输过程中的电能损耗，经济性好。

Description

一种直流电能远距离接入供电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，具体涉及一种直流电能远距离接入供电系统及控制方法。
背景技术
电解铝生产线直流负荷耗能大，现有技术中为电解铝生产线提供电能的供电侧大多利用光伏发电供能，而在负载侧，较大功率的电解铝生产线的工作电压一般为1100-1600V。
由于光伏发电侧与电解铝生产线之间存在一定的传输距离，因此现有的供电系统的供电方式大多分为以下几种方式：
（1）光伏发电侧经过交直流转换后接入公共电网，再由公共电网经过交直流转换为电解铝生产线供电，导致交直流转换环节多，转换效率低，且电解铝生产线的生产过程对公共电网有影响；
（2）光伏发电侧通过低压直流网接入，由于光伏发电侧生成的电压低，电流大，导致光伏发电侧的传输距离短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流电能远距离接入供电系统及其控制方法，以解决现有技术中的交直流转换环节多，转换效率低，且电解铝生产线的生产过程对公共电网有影响，光伏发电侧通过低压直流网接入，由于光伏发电侧生成的电压低，电流大，导致光伏发电侧的传输距离短的 技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种直流电能远距离接入供电系统，包括，
与电能产生侧连接的直流升压变换单元，以及与负载侧连接的直流降压变换单元，所述直流升压变换单元与直流降压变换单元之间通过中压直流传输线路连接；
所述电能产生侧用于产生直流电能，所述直流升压变换单元用于将输出的直流电压升至中压直流；
中压直流电能通过中压直流传输线路与直流降压变换单元连接，所述直流降压变换单元对其输入端的中压直流电能进行主动闭环控制，并对输出的负荷电压进行降压控制，以满足所述负载侧的电能需求。
作为本发明的一种优选方案，所述直流升压变换单元与直流降压变换单元的数量相同，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元一一匹配连接；
所述直流升压变换单元与直流降压变换单元之间采用光纤通讯连接，且所述直流降压变换单元与负载侧之间采用光纤通讯连接。
作为本发明的一种优选方案，所述直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用电力电子直流变压器；
所述直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用高压侧串联、低压侧并联的电力电子直流变压器的组合结构。
作为本发明的一种优选方案，所述电能产生侧为光伏电能，所述电能产生侧包括多组光伏组串，以及与多组所述光伏组串连接的光伏汇流装置，所述光伏汇流装置用于对多组所述光伏组串的电流进行汇集和保护。
作为本发明的一种优选方案，所述光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱或集散式MPPT汇流箱，其中，所述光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱时，所述直流升压变换装置能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制；
所述光伏汇流装置为集散式MPPT汇流箱时，所述集散式MPPT汇流箱能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制。
作为本发明的一种优选方案，所述直流降压变换单元基于所述负载侧的需求电能进行限幅控制，所述直流降压变换单元对所述负载侧的需求电能进行换算和闭环调节，得到所述直流降压变换单元的输入功率给定值；
所述直流升压变换装置或所述集散式MPPT汇流箱基于所述直流降压变换单元的输入功率给定值控制直流降压变换单元的输出功率限幅。
作为本发明的一种优选方案，所述光伏汇流装置与所述直流升压变换单元之间设有光伏辅助供电装置，所述光伏辅助供电装置将所述光伏汇流装置输出的直流电变换为所述直流升压变换装置所需的控制电源；
所述直流升压变换单元、光伏辅助供电装置以及光伏汇流装置之间均通过通讯线路连接，使得所述直流升压变换单元能够采集与所述光伏汇流装置连接的多组所述光伏组串的电流数据。
作为本发明的一种优选方案，所述直流升压变换单元的输出端以及所述直流降压变换单元的输入端均安装有避雷保护器；
所述直流降压变换装置与负载侧之间设有负荷母线保护装置，所述负荷母线保护装置用于短路保护和检修隔离。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流电能远距离接入供电系统的控制方法，包括：
直流升压变换单元判断启动条件，且在满足启动条件时，所述直流升压变换单元先启动，所述直流降压变换单元后启动；
所述直流升压变换单元判断停机条件，且在满足停机条件时，所述直流升压变换单元停机，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机；
在工作过程中，所述负载侧要求停机时，所述直流降压变换单元停机，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机，且直流升压变换单元或直流降压变换单元因故障问题停机时，向对方发送停机指令。
作为本发明的一种优选方案，所述启动条件为电能产生侧生成的电压超过1200V且持续120秒，且所述直流升压变换单元启动，并在其输出电压大于所述直流降压变换单元的启动阈值后，所述直流降压变换单元启动；
所述停机条件是为电能产生侧生成的电压低于500V持续30秒。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明采用中压直流点对点耦合的方式，直流升压变换单元形成的中压直流能够沿着中压直流传输线路长距离传输，再由直流降压变换单元将中压直流电能降压至符合负载侧需求的电压，无需多次交直流转换，系统简单，且降低传输过程中的电能损耗，经济性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例的远距离接入供电系统的拓扑结构图；
图2为本发明实施例的直流升压变换单元的拓扑结构图；
图3为本发明实施例的直流降压变换单元的拓扑结构图；
图4为本发明实施例的直流降压变换单元以及直流升压变换单元的内部结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种直流电能远距离接入供电系统，包括与电能产生侧连接的直流升压变换单元，以及与负载侧连接的直流降压变换单元，直流升压变换单元与直流降压变换单元之间通过中压直流传输线路连接，中压直流传输线路为中压直流电缆或者架空线，对电能进行传输。
电能产生侧用于产生直流电能，直流升压变换单元用于将输出的直流电压升至中压直流。
中压直流电能通过中压直流传输线路与直流降压变换单元连接，直流降压变换单元对其输入端的中压直流电能进行主动闭环控制，优选的，对中压直流电压进行主动的比例-积分闭环控制，并对输出的负荷电压进行降压和控制。
直流升压变换单元的输出端以及直流降压变换单元的输入端均安装有避雷保护器。
直流降压变换装置与负载侧之间设有负荷母线保护装置，负荷母线保护装置用于短路保护和检修隔离。
对于相同的电能传输线路，电流的传输损耗正比于电流平方，而对于相同的传输功率，电流反比于电压，因此长距离传输情况下，如果将电压升高10倍，传输损耗将降低至原先的1/100，因此本实施方式将电能产生侧产生的直流电能升压后传输，能够降低传输损耗。
作为本实施方式的优选，直流升压变换单元与直流降压变换单元的数量相同，且直流升压变换单元与直流降压变换单元一一匹配连接，直流升压变换单元与直流降压变换单元之间采用光纤通讯连接，因此，直流升压变换单元与直流降压变换单元之间能够控制协同。
本实施方式采用中压直流点对点耦合的方式，直流升压变换单元形成的中压直流能够沿着中压直流传输线路长距离传输，再由直流降压变换单元将中压直流电能降压至符合负载侧需求的电压，无需多次交直流转换，系统简单，且降低传输过程中的电能损耗，经济性好。
直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用电力电子直流变压器，能够对高压侧的短路等故障进行快速保护，因此省去了昂贵的中压直流断路器等外部保护装置，具有较好的经济性。
优选的，直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用高压侧串联、低压侧并联的电力电子直流变压器的组合结构，其中，直流升压变换单元的组成结构如图2所示，直流降压变换单元的组成结构如图3所示。
其中，直流升压变换单元将光伏侧产生的低压电流进行升压处理，形成中压电流，中压电流沿着中压直流传输线路进行传输，相对来说，能够降低传输损耗，同时中压电流的传输线缆的成本相对较低，降低远距离传输供电的成本。
具体的，直流升压变换单元包括多个低压模块和多个高压模块，每个低压模块与高压模块之间通过隔离器连接，且多个低压模块之间相互并联形成的输入端口与电能产生侧的正负极连接，多个高压模块之间串联形成的输出端口与中压直流传输线路连接。
同样的，直流降压变换单元包括多个高压模块和多个低压模块，每个低压模块与高压模块之间通过隔离器连接，且多个高压模块之间串联形成的输入端口与中压直流传输线路连接，多个低压模块之间相互并联形成的输出端口与负载侧连接。
上述直流升压变换单元和直流降压变换单元中的高压模块和低压模块的内部结构图如图4所示，高压模块和低压模块均由多个电力电子直流变压器结构组成，其中，高压模块的电力电子直流变压器为串联连接，而低压模块的电力电子直流变压器为并联连接。
作为本实施方式的一种实施例，电能产生侧为光伏电能，电能产生侧包括多组光伏组串，以及与多组光伏组串连接的光伏汇流装置，光伏汇流装置用于对多组光伏组串的电流进行汇集和保护。
光伏电能的开路电压为1500V、工作电压为1200V，直流升压变换单元对光伏电能升压后形成的中压直流传输电压为20kV。
光伏汇流装置与直流升压变换单元之间设有光伏辅助供电装置，光伏辅助供电装置将光伏汇流装置输出的直流电变换为直流升压变换装置所需的控制电源。
直流升压变换单元、光伏辅助供电装置以及光伏汇流装置之间均通过通讯线路连接，使得直流升压变换单元能够采集与光伏汇流装置连接的多组光伏组串的电流数据。
在本实施方式中，光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱或集散式MPPT汇流箱，其中，光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱时，直流升压变换装置能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制。
光伏汇流装置为集散式MPPT汇流箱时，集散式MPPT汇流箱能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制。
直流降压变换单元基于负载侧的需求电能进行限幅控制，直流降压变换单元对负载侧的需求电能进行换算和闭环调节，得到直流降压变换单元的输入功率给定值。
直流升压变换装置或集散式MPPT汇流箱基于直流降压变换单元的输入功率给定值控制直流降压变换单元的输出功率限幅。
上述直流电能远距离接入供电系统的控制方法，包括：
（1）直流升压变换单元判断启动条件，且在满足启动条件时，直流升压变换单元先启动，直流降压变换单元后启动。
启动条件为电能产生侧生成的电压超过1200V且持续120秒，且直流升压变换单元启动，并在其输出电压大于直流降压变换单元的启动阈值后，直流降压变换单元启动。
直流降压变换单元可提前进行软启动，以加快启动流程，减少软启动过程对直流升压变换单元的电流冲击。
（2）直流升压变换单元判断停机条件，且在满足停机条件时，直流升压变换单元停机，且直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机。
停机条件是为电能产生侧生成的电压低于500V持续30秒，具备停机条件后，直流升压变换单元停机，同时直流升压变换单元向直流降压变换单元发出停机命令，直流降压变换单元同时停机。
（3）在工作过程中，负载侧要求停机时，直流降压变换单元停机，且直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机。
另外，直流升压变换单元或直流降压变换单元有一个发生故障或需要紧急停机的事件时，直流升压变换单元或直流降压变换单元执行停机，并向对方发出停机命令。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，包括，
与电能产生侧连接的直流升压变换单元，以及与负载侧连接的直流降压变换单元，所述直流升压变换单元与直流降压变换单元之间通过中压直流传输线路连接；
所述电能产生侧用于产生直流电能，所述直流升压变换单元用于将输出的直流电压升至中压直流；
中压直流电能通过中压直流传输线路与直流降压变换单元连接，所述直流降压变换单元对其输入端的中压直流电能进行主动闭环控制，并对输出的负荷电压进行降压控制，以满足所述负载侧的电能需求。
2.根据权利要求1所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述直流升压变换单元与直流降压变换单元的数量相同，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元一一匹配连接；
所述直流升压变换单元与直流降压变换单元之间采用光纤通讯连接，且所述直流降压变换单元与负载侧之间采用光纤通讯连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用电力电子直流变压器；
且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元均采用高压侧串联、低压侧并联的电力电子直流变压器的组合结构。
4.根据权利要求1所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述电能产生侧为光伏电能，所述电能产生侧包括多组光伏组串，以及与多组所述光伏组串连接的光伏汇流装置，所述光伏汇流装置用于对多组所述光伏组串的电流进行汇集和保护。
5.根据权利要求4所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱或集散式MPPT汇流箱，其中，所述光伏汇流装置为集中式光伏汇流箱时，所述直流升压变换装置能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制；
所述光伏汇流装置为集散式MPPT汇流箱时，所述集散式MPPT汇流箱能够对光伏电能进行最大功率追踪控制和功率限幅控制。
6.根据权利要求5所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述直流降压变换单元基于所述负载侧的需求电能进行限幅控制，所述直流降压变换单元对所述负载侧的需求电能进行换算和闭环调节，得到所述直流降压变换单元的输入功率给定值；
所述直流升压变换装置基于所述直流降压变换单元的输入功率给定值对所述直流升压变换装置的输出功率进行限幅，或所述集散式MPPT汇流箱基于所述直流降压变换单元的输入功率给定值对所述集散式MPPT汇流箱的输出功率进行限幅。
7.根据权利要求4所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述光伏汇流装置与所述直流升压变换单元之间设有光伏辅助供电装置，所述光伏辅助供电装置将所述光伏汇流装置输出的直流电变换为所述直流升压变换装置所需的控制电源；
所述直流升压变换单元、光伏辅助供电装置以及光伏汇流装置之间均通过通讯线路连接，使得所述直流升压变换单元能够采集与所述光伏汇流装置连接的多组所述光伏组串的电流数据。
8.根据权利要求1所述的一种直流电能远距离接入供电系统，其特征在于，
所述直流升压变换单元的输出端以及所述直流降压变换单元的输入端均安装有避雷保护器；
所述直流降压变换装置与负载侧之间设有负荷母线保护装置，所述负荷母线保护装置用于短路保护和检修隔离。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述直流电能远距离接入供电系统的控制方法，其特征在于，包括：
直流升压变换单元判断启动条件，且在满足启动条件时，所述直流升压变换单元先启动，所述直流降压变换单元后启动；
所述直流升压变换单元判断停机条件，且在满足停机条件时，所述直流升压变换单元停机，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机；
在工作过程中，所述负载侧要求停机时，所述直流降压变换单元停机，且所述直流升压变换单元与直流降压变换单元通过信息通讯同时停机，且直流升压变换单元或直流降压变换单元因故障问题停机时，向对方发送停机指令。
10.根据权利要求9所述的一种直流电能远距离接入供电系统的控制方法，其特征在于，
所述启动条件为电能产生侧生成的电压超过1200V且持续120秒，且所述直流升压变换单元启动，并在其输出电压大于所述直流降压变换单元的启动阈值后，所述直流降压变换单元启动；
所述停机条件是为电能产生侧生成的电压低于500V持续30秒。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106787707A (zh) * 2017-02-24 2017-05-31 上海交通大学 内嵌储能型多模块串联式光伏直流升压变换器及应用方法
CN209298898U (zh) * 2018-11-15 2019-08-23 西安西电电气研究院有限责任公司 一种分布式光伏远距离直流输电系统
CN113098276A (zh) * 2021-03-10 2021-07-09 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种光伏直流变压器拓扑结构及不闭锁故障穿越控制方法
CN114552631A (zh) * 2021-11-26 2022-05-27 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司 一种无低压式光伏直流升压汇集系统及其故障切换方法
CN115537834A (zh) * 2022-09-15 2022-12-30 清华大学 一种新能源离网制氢系统及方法

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