CN209805420U - 一种高兼容性楼宇直流配电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高兼容性楼宇直流配电系统，包括直流母线和通信总线，直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，交流大电网通过整流变换器与直流母线连接，分布式光伏发电设备通过光伏变换器与直流母线连接，储能设备通过电池管理系统与直流母线连接；用电单元中，用电设备分别通过一体化直流配电单元、隔离变换器以及逆变器与直流母线连接；通信总线上连接有主监控模块和电池巡检仪；光伏变换器采用BOOST升压电路对分布式光伏发电设备的输出电压进行升压。本系统中540V直流母线可实现对原使用540V三相交流供电负荷的电力供应；220VDC母线则可实现对原使用220V AC电压等级交流负荷对应的直流负荷的供电，对于少数不能采用直流供电的负荷，则使用逆变器供电，因此该系统实现了对楼宇内所有负荷的高兼容性供电。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高兼容性楼宇直流配电系统，属于电力自动化领域。
背景技术
目前楼宇配电几乎全部采用交流方式，整个配电系统的运行稳定性全部依赖于大电网，供电可靠性较差。此外，交流配电在吸纳可能生能源发电方面存在着诸多问题，会明显降低能源转换效率并增加系统的复杂度。而随着风电、光伏等可再生能源、储能系统等新能源技术的不断发展，直流配电的优越性愈发明显。由于直流电本身特点及电源转换环节的减少，相对于交流供电而言，楼宇采用直流配电具有线路成本低、输电损耗小、便于新能源接入、供电可靠性高等优点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高兼容性楼宇直流配电系统，三相交流电整流电压为540V，540VDC直流母线可实现对原使用三相交流供电负荷的电力供应；220VDC母线则可实现对原使用220VAC电压等级交流负荷对应的直流负荷的供电，对于少数不能采用直流供电的负荷，则使用逆变器供电，因此该系统实现了对楼宇内所有负荷的高兼容性供电。
本身实用新型系统可满足楼宇内几乎所有办公和生活必备负荷的供电需求，并有效利用分布式光伏，节约电能；同时使用了电池巡检仪和主监控模块，并集成监控系统，可实时监控系统运行状态，有效提高系统的可观性和可控性。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：
一种高兼容性楼宇直流配电系统，包括直流母线和通信总线，所述直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，交流大电网通过整流变换器与直流母线连接，分布式光伏发电设备通过光伏变换器与直流母线连接，储能设备通过电池管理系统与直流母线连接；用电单元中，用电设备分别通过一体化直流配电单元、隔离变换器以及逆变器与直流母线连接；所述通信总线上连接有主监控模块和电池巡检仪；所述光伏变换器采用BOOST升压电路对分布式光伏发电设备的输出电压进行升压。
其中，所述直流母线通过直流变换器分为高压直流母线和低压直流母线，所述高压直流母线通过所述直流变换器向所述低压直流母线单向馈电。所述隔离变换器和逆变器连接所述低压直流母线，供电单元设备以及一体化直流配电单元连接高压直流母线。
其中，所述电池巡检仪通过采样电缆连接所述储能设备输出端。所述主监控模块信号采样端通过采样电缆分别连接所述交流大电网、高压直流母线和低压直流母线。
其中，所述逆变器采用全桥逆变拓扑，并通过隔离变压器输出交流电压。
其中，所述电池管理系统中含有控制单元和推挽移相全桥双向DC/DC变换器，推挽移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接储能设备蓄电池组；所述推挽移相全桥双向DC/DC变换器的控制端连接控制单元的控制信号输出端；所述推挽移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器，高频隔离变压器两端分别连接高压侧和低压侧，变压器低压侧两端分别串联有MOS管Q1和MOS管Q2；变压器低压侧中间引线串联有电感L1，变压器低压侧还并联有滤波电容CL；变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q3、Q4、Q5、Q6，变压器高压侧两端分别连接串联MOS管的中间位置；变压器高压侧还并联有滤波电容CH；变压器高压侧一端还串联有谐振电感Lr和隔直电容Cr。
其中，所述通信总线采用485总线或以太网总线。
其中，所述直流变换器采用BUCK降压拓扑并包含可控开关器件。所述高压直流母线电压采用540V电压，所述低压直流母线电压采用220V电压。
相比于现有技术，本实用新型技术方案具有的有益效果为：
本实用新型采用540V和220V两级直流电压等级和220V交流电压等级，满足楼宇内几乎所有办公和生活必备负荷的供电需求，并有效利用分布式光伏，节约电能；三路电源实现了楼宇直流系统的冗余供电，任一电源丢失都不会造成系统的停运，极大提高了系统的供电可靠性。540V直流母线通过降压变换器与220V直流母线连接，并给楼宇的直流中央空调供电，220V直流母线除通过隔离变换器为直流负荷供电外，还通过逆变器给少部分交流负荷供电，从而可以实现楼宇负荷的全兼容供电模式。
光伏变换器集成最大功率点跟踪(MPPT)和DC/DC变换功能，简化了传统的两级实现(一级实现MPPT跟踪，一级实现电力电子变换)方案，使得光伏变换模块更加经济、紧凑。系统二次设备使用了电池巡检仪和主监控模块，并集成监控系统，可实时监控系统运行状态，有效提高系统的可观性和可控性。采用boost升压的光伏变换器结构简单转换效率高。
附图说明
图1为本实用新型高兼容性楼宇直流配电系统的结构示意图；
图2为本实用新型高兼容性楼宇直流配电系统光伏变换器电路原理图；
图3为本实用新型高兼容性楼宇直流配电系统直流变换器电路原理图；
图4为本实用新型高兼容性楼宇直流配电系统逆变器电路原理图；
图5为本实用新型电池管理系统中推挽移相全桥双向DC/DC变换器的电路原理图；
图6为本实用新型电池管理系统中控制单元的电路原理图；
图7为本实用新型高兼容性楼宇直流配电系统运行策略流程图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。
如图1～7所示，系统主要包括电源、电力电子变换器、直流母线、二次设备和直流负荷5个部分，如图1所示，其中电源分为3种：交流大电网、储能系统以及分布式光伏发电设备。电力电子变换器包括整流变换器(交直变换器)、光伏升压变换器(光伏变换器)、降压变换器(直流变换器)、隔离变换器、逆变器。大电网通过整流变换器将交流电整为直流电馈入540V直流母线，储能装置可通过储能管理系统实现电能的馈入和馈出，即可以通过540V直流母线充电，也可以向540V直流母线馈电。
如图1所示，整流变换器、光伏变换器、以及储能单元通过并联连接在540V直流母线上，540V直流母线通过降压变换器与220V直流母线连接，并给楼宇的直流中央空调供电，220V直流母线除通过隔离变换器为直流负荷供电外，还通过逆变器给少部分交流负荷供电，从而可以实现楼宇负荷的全兼容供电模式。
分布式光伏发电可以通过光伏升压变换器向540V直流母线馈电，540V直流母线上的主要负荷为空调，光伏升压变换器拓扑如图2所示。光伏变换器采用最大功率点跟踪控制方法配合BOOST升压电路，完成光伏组件的发电升压。
540V直流母线通过降压变换器与220V直流母线连接，并向220V直流母线单向馈电，降压变换器拓扑如图3所示。降压变换器采用BUCK降压拓扑，通过控制开关器件的占空比调节输出电压。
220V直流母线通过隔离变换器为楼宇内常用负荷供电，包括冰箱、电脑、电视、空气净化器、LED、投影仪、摄像头、门禁系统、饮水机等，对于少部分交流负荷，如打印机等，则采用逆变器为其供电，从而实现楼宇内所有办公和家用设备的全兼容供电，逆变器拓扑如图4所示。逆变器采用全桥逆变拓扑，采用SPWM调制方式，将直流逆变为工频交流，并通过隔离变压器输出。
电池管理系统采用推挽移相全桥双向DC/DC变换器对储能设备状态进行管理。当直流母线电压大于充电阈值时，电池管理系统通过推挽移相全桥双向DC/DC变换器对储能设备进行充电；当直流母线电压小于放电阈值时，电池管理系统通过推挽移相全桥双向DC/DC变换器使储能设备对直流母线放电，实现电池管理系统对电网供电的智能补充。
推挽移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器T1，变压器T1两端分别连接高压侧和低压侧，低压侧两端分别串联有MOS管Q1和MOS管Q2；变压器低压侧中间引线串联有电感L1，低压侧还并联有滤波电容CL；高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q3、Q4、Q5、Q6，变压器高压侧两端分别连接串联MOS管的中间位置。高压侧还并联有滤波电容CH；变压器高压侧一端还串联有谐振电感Lr和隔直电容Cr。
如图5所示，其中UL为低压侧电压，CL为低压侧滤波电容，L1为低压侧电感，功率管Q1、Q2选用MOS管，D1、D2为MOS管寄生的二极管，C1、C2为MOS管的寄生电容；UH为高压侧电压，T1为高频隔离变压器，CH为滤波高压侧滤波电容，功率管Q3、Q4、Q5和Q6选用MOS管，D3、D4、D5、D6为MOS管寄生的二极管，C3、C4、C5和C6为MOS管的寄生电容，Lr为谐振电感、Cr为隔直电容。推挽移相全桥双向DC/DC变换器的MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的型号为SPW17N80C3，滤波电容CL的型号为CD135 450V/3000uF，隔直电容Cr的型号为TC86-305K。
高频隔离变压器T1实现了原副边的电气隔离(变压器的输出电压就叫副边电压，变压器的输入方(接电源方)叫原边电压)，同时实现了直流母线和蓄电池组的电气隔离，即直流母线的接地故障不能传递到蓄电池一侧，蓄电池组一侧的接地故障也不能传递到直流母线一侧。
其中，控制单元包含ARM处理器。ARM处理器的型号为STM32F101RC，晶振频率为16M。ARM处理器PWM信号输出端口分别连接MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制端，ARM处理器的模拟信号采样端分别通过电阻分压的形式连接蓄电池组电流传感器、蓄电池组电压采样点、直流母线电流传感器、直流母线电压采样点。其中，电流传感器的型号为LT108-S7。
如图6所示，UL为低压侧电压采样，IL为低压侧电流，LEM1、LEM2为电流传感器，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，R1、R2、R3、R4、R5、R6为采样电阻，ARM处理器的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6信号通过图4的驱动电路来控制推挽移相全桥双向DC/DC变换器的六个MOS管，ARM处理器的AD采样端口AN0、AN1、AN2、AN3分别采集直流双向变换器的低压侧电压、高压侧电压、高压侧电流和低压侧电流。
系统二次设备使用了电池巡检仪和主监控模块，并集成监控系统，可实现系统状态观测和系统参数在线设置。电池巡检仪和主监控模块均连接485通信总线，通过通信总线进行相互通信并与外部设备通信，实现监控数据共享，通信协议采用MODBUS通信协议。
系统内所有变换器采用抽屉式结构，并具备热插拔功能，通过标准柜体可实现系统容量的实时组合，系统结构紧凑的同时，灵活度高。
电池巡检仪通过采样电缆连接储能设备输出端。主监控模块信号采样端通过采样电缆分别连接交流大电网、光伏发电设备输出端、高压直流母线和低压直流母线。系统通过主监控模块检测大电网、光伏发电设备和直流母线上的馈入、馈出功率来判断具体的运行模式：
(1)当光伏发电功率大于负载消耗功率时，光伏给负载供电，多余的光伏功率给储能单元充电，与大电网连接的整流变换器处于不工作状态；
(2)当光伏发电功率小于负载消耗功率时，判断储能状态，若储能单元正常，则储能和光伏共同给负载供电，若储能故障或者功率不足时，则整流变换器投入工作，将大电网电能馈入540V直流母线。
即光伏发电量大于负荷消耗量的情况下，则由光伏为系统内负荷供电，多余电量对储能设备进行充电；光伏发电量不足时，储能单元投入为负荷供电；如果光伏及储能均不能满足负荷需求，则由大电网通过整流为负荷供电。在利用分布式电源节约电能的同时，极大的提高了系统供电的可靠性。
Claims (7)
1.一种高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：包括直流母线和通信总线，所述直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，交流大电网通过整流变换器与直流母线连接，分布式光伏发电设备通过光伏变换器与直流母线连接，储能设备通过电池管理系统与直流母线连接；用电单元中，用电设备分别通过一体化直流配电单元、隔离变换器以及逆变器与直流母线连接；所述通信总线上连接有主监控模块和电池巡检仪；所述光伏变换器采用BOOST升压电路对分布式光伏发电设备的输出电压进行升压。
2.根据权利要求1所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述直流母线通过直流变换器分为高压直流母线和低压直流母线，高压直流母线通过直流变换器向低压直流母线单向馈电；隔离变换器和逆变器连接低压直流母线，供电单元设备以及一体化直流配电单元连接高压直流母线。
3.根据权利要求1所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述电池巡检仪通过采样电缆连接储能设备输出端；所述主监控模块信号采样端通过采样电缆分别连接交流大电网、高压直流母线和低压直流母线。
4.根据权利要求1所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述逆变器采用全桥逆变拓扑，并通过隔离变压器输出交流电压。
5.根据权利要求1所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述电池管理系统中含有控制单元和推挽移相全桥双向DC/DC变换器，推挽移相全桥双向DC/DC变换器的高压侧连接直流母线，低压侧连接储能设备蓄电池组；所述推挽移相全桥双向DC/DC变换器的控制端连接控制单元的控制信号输出端；所述推挽移相全桥双向DC/DC变换器包含高频隔离变压器，高频隔离变压器两端分别连接高压侧和低压侧，变压器低压侧两端分别串联有MOS管Q1和MOS管Q2；变压器低压侧中间引线串联有电感L1，变压器低压侧还并联有滤波电容CL；变压器高压侧设有两两串联后再并联的四个MOS管Q3、Q4、Q5、Q6，变压器高压侧两端分别连接串联MOS管的中间位置；变压器高压侧还并联有滤波电容CH；变压器高压侧一端还串联有谐振电感Lr和隔直电容Cr。
6.根据权利要求1所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述通信总线采用485总线或以太网总线。
7.根据权利要求2所述的高兼容性楼宇直流配电系统，其特征在于：所述直流变换器采用BUCK降压拓扑并包含可控开关器件；所述高压直流母线电压为540V电压，所述低压直流母线电压为220V电压。
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