CN220711129U - 基于智能并网光储的交直流负载供电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于智能并网光储的交直流负载供电系统，包括多个供电组、双向变流器(PCS)、控制系统和继电器(Relay)；多个供电组均与双向变流器相连，多个供电组至少与直流电源接口或交流电源接口中的一个相连并进行供电，控制系统包括能量管理系统(EMS)，能量管理系统根据发电侧功率变化输出指令，通过直流母线电压值的高低进而控制继电器、双向变流器和供电组的动作,其中能量管理系统和双向变流器通信；能量管理系统发出指令控制双向变流器,将直流电变为交流电或将交流电变为直流电。
Description
技术领域
本实用新型属于智能配电网双向切换系统。
背景技术
由于可再生能源随外界环境影响较大，具有随机性和波动性强的特定，给用户侧配电网的安全运行带来了很大风险，因此一般需要通过调控储能来平抑波动，保证用户侧配电网的功率稳定。可再生能源、储能、负载及能量管理系统，共同组成配电网能源系统。配电网能源系统存在单个或多个应急供电接口。
对于配电网能源系统来说，可能有多种类型负载会接入到应急供电接口，包括交流负载、直流负载；其中交流负载如传统交流设备，直流负载如直流变频器、直流充电桩、直流空调、直流照明等。
一般来说，应急供电接口仅能支持交流供电，无法满足直流负载的需求。随着节能改造需求的增加，去掉交流转换环节的直流场景越来越多，如直流变频器、直流LED灯、直流发电机等，应急供电接口不支持直流负载的接入，会给储能应急备电的应用带来很大的不便利性。
实用新型内容：
本实用新型的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种智能配电网双向切换系统，通过光伏直流系统或储能电池系统对直流负载、交流负载、应急电源供电，电网/交流侧的应急电源经双向变流器进行交流电转为直流电后通过直流母线对直流负载进行供电，在光储以及电网断电的情况下，直流母线上的应急电源通过直流电源接口对直流负载供电，以免造成直流用电的重要负载由于断电带来严重损失。
基于智能并网光储的交直流负载供电系统，包括多个供电组、双向变流器PCS、控制系统和继电器；
多个供电组均与双向变流器PCS相连，所述的多个供电组至少与直流电源接口或交流电源接口中的一个相连并进行供电，控制系统包括能量管理系统EMS，能量管理系统EMS根据发电侧功率变化输出指令，通过直流母线电压值的高低进而控制继电器、双向变流器PCS和供电组的动作；
双向变流器PCS将直流电变为交流电或将交流电变为直流电，其中直流电源接口与直流负载连接，交流电源接口与交流负载连接；
工作原理：通过多个供电组与直流电源接口和交流电源接口相连作为应急，这种系统可以为直流负载和交流负载供电，在满足交流负载供电的同时，也满足直流负载供电，多个供电组存在的情况下，可以保证直流负载供电的稳定性。
当下应用较多且稳定的发电源就是光伏发电、蓄电池和电网，因此所述的多个供电组包括光伏直流系统、储能电池组和电网组，其中光伏直流系统和储能电池组输出的为直流电，电网组输出的为交流电；
光伏发电是由多个光伏直流系统件通过电气连接组成光伏电池阵列，因此光伏直流系统包括光伏直流系统件和光伏DC/DC变换器，光伏直流系统件用于吸收太阳能量并将能量转换为直流电，直流电输出给光伏DC/DC变换器，利用光伏DC/DC变换器将光伏直流系统件输出的直流电转换为恒定的直流电并输出至直流母线；
光伏直流系统与光伏DC/DC变换器相连，且光伏直流系统件和光伏DC/DC变换器之间设有光伏开关，光伏直流系统件用于提供直流电，光伏DC/DC变换器与直流电源接口相连，并通过双向变流器PCS与交流电源接口和电网组相连，光伏直流系统为直流电源接口和交流电源接口供电，并向电网组进行馈电，光伏DC/DC变换器由能量控制系统EMS控制；
光伏直流系统由单个或多个光伏组串组成，与光伏DC/DC变换器相连，且光伏直流系统和光伏DC/DC变换器之间设有光伏开关K2，光伏直流系统用于提供直流电，直流电经光伏DC/DC变换器后汇至直流母线，所述直流母线通过直流电源接口对外部直流负载和/或应急电源供电。
经过光伏DC/DC变换的直流电分成两路，一路直接通向直流电源接口给直流负载供电，一路经过双向变流器PCS，由直流电转换为交流电，再分为两路，一路通向交流电源接口给交流负载供电，一路通向电网，给电网馈电。
通常储能电池系统作为蓄电池既可以进行供电也可以接收其他的馈电来进行充电，因此储能电池组包括储能电池系统和电池双向DC/DC变换器，电池双向DC/DC变换器经能量控制系统EMS控制调整允许电流通过的方向，电池双向DC/DC变换器与直流电源接口相连，并通过双向变流器PCS与电网组和交流电源接口相连，储能电池组为直流电源接口和交流电源接口供电，并向电网组进行馈电，或接受电网组的馈电；
电池双向DC/DC变换器接收所述PCS控制系统的指令，通过所述直流母线接收光伏直流系统或电网组的能量，或者通过所述直流母线对直流负载或应急电源供电、以及通过双向变流器完成直流转交流变换后对交流负载或应急电源供电、或向电网组馈电。
储能电池系统与电池双向DC/DC变换器连接，其中电池双向DC/DC变换器经能量控制系统EMS控制允许电流由电池侧流向电源接口或电网，电流分成两路，一路直接通向直流电源接口给直流负载供电，一路通向双向变流器PCS，通过双相变流器有直流电转化为交流电给交流负载供电，或给电网馈电；
经能量控制系统EMS控制电池双向DC/DC变换器允许电流由电网处流向储能电池系统，电网端发出交流电经过双向变流器PCS，经能量控制系统EMS控制通过双向变流器PCS将交流电变为直流电，再经过电池双向DC/DC给储能电池进行充电。
为了对储能电池的各个指标进行监控，所述的储能电池设有BMS，BMS用于采集储能电池的电信号，并上传数据给EMS，BMS监控储能电池的各项指标上传给EMS，从而判断储能电池的情况，以便发出指令使电池放电还是充电；
同时EMS与BMS模块通过通讯模块实现数据的传输、与交流侧智能电表通过RS485通信，EMS并输出指令给PCS，PCS输出PWM信号控制所述电池双向DC/DC变换器、光伏DC/DC变换器、双向变流器PCS的状态转换，以及用于控制直流负载、交流负载侧各继电器的得失电。
为了防止电池故障而导致电路损坏或电路故障导致电池损害，储能电池与电池双向DC/DC变换器之间设有保护开关K0，保护开关K0由BMS进行控制，BMS监控电池的状态来控制保护开关K0的开合。
电网为市电且为交流电，电网组包括电网，电网与双向变流器PCS和交流电源接口相连，电网为交流电源接口供电，或通过双向变流器PCS为储能电池组的储能电池系统进行充电，或通过双向变流器PCS为直流电源接口供电；
电网发出交流电分成两路，一路通向交流电源接口，一路通向双向变流器PCS，通过双向变流由交流电变为直流电，并且分成两路，一路通向直流电源接口为直流负载供电，一路经过电池双向DC/DC变换器为储能电池充电。
为了保护各个电路的安全运行，所述的继电器包括RelayⅠ、RelayⅡ、RelayⅢ、RelayⅣ，所述RelayⅠ布置于直流电源接口处，RelayⅠ闭合时，直流母线提供直流电给直流负载；
所述RelayⅡ设置于双向变流器PCS与交流电源接口之间，RelayⅡ闭合交流负载取电于双向变流器PCS直流转交流所提供的能量；
所述RelayⅢ设置于双向变流器PCS与电网之间，RelayⅢ闭合并配合双向变流器PCS的工作，实现DC/AC向电网馈电，或AC/DC向直流负载供电，或AC/DC为储能电池充电；
所述RelayⅣ布置于电网与交流电源接口之间，RelayⅣ闭合，交流负载取电于电网；
EMS根据发电侧功率、负载功率实施分配发电配置：
EMS内部设置负载功率的两个阈值T1、T2，T1>T2，
光伏发电最大功率，Pt、Pt+Δt，
EMS控制PCS给出光伏供电指令，此时，直流电源接口和交流电源接口处的继电器闭合，储能电池处于充电状态；
当PCS根据EMS的指令，控制直流电源接口和交流电源接口处的继电器闭合，储能电池和光伏共同供电；
市电与交流电源接口之间的继电器闭合、市电向双向变流器PCS供电线路上的继电器闭合以及直流电源接口处的继电器闭合，此时采用市电为负载供电。
EMS还根据直流母线电压的高低变化做出供电切换的指令：
设定直流母线电压的三个等级，分别为UA、UB、UC，当双向变流器工作在DC/AC模式且满负荷运行时，直流母线电压处于UA等级；当双向变流器工作在DC/AC模式且功率限制情况下，若是电池组具备功率调节的能力，由光伏和电池共同为负荷供电，此时的直流母线电压为UB；若是双向变流器工作在DC/AC模式且功率限制情况下，且电池组不具备功率调节的能力，此时直流母线电压为UC，直流负载优先使用直流母线的电量，交流负载则加入电网的能量，关于该技术的描述，记录在专利申请CN202211514568.6中。
为了监控电网的状态，电网设有采样单元，采样单元与EMS通过串口通信，EMS接收数据后进行分析，判别电网进行供电还是接收馈电。
所述交流电源接口和直流电源接口均采用具有防呆结构的接口，通过互锁式设计或智能插座，给EMS提供接口接入负载的类型，从而智能切换继电器。
例如，通过采用外部旋转开关，在不同的状态位置下会分别阻挡直流负载接口和交流负载接口的接入，在负载接入过程中，旋转开关的位置状态被EMS感知，从而控制继电器RelayⅠ、RelayⅡ进行切换。
又例如，通过智能开关与EMS的通讯，智能感知负载接入的插座，实现智能感知。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型采用光伏、储能和电网混合供电，可以支持交流负载或直流负载都能通过同一个接口接入配电网能源系统内，负载在接入系统之后能够根据负载特征，智能接入正确的线路；解决了目前配电网能源系统不支持直流负载接入，而给直流负载的普及带来很大的不便利性的问题。
附图说明
图1是基于智能并网光储的交直流负载供电系统流程示意图。
具体实施方式
为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。
基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其中系统组成结构包括控制系统和三个供电组，三个供电组分别是光伏直流系统、储能电池组和电网组，这三个供电组由控制系统控制给交流负载和直流负载进行供电或三个供电组彼此之间进行馈电。
具体的来说，光伏直流系统包括光伏直流系统件和光伏DC/DC变换器，光伏直流系统件产生直流电，经由光伏DC/DC变换器发出恒定的直流电，储能电池组包括储能电池系统和电池双向DC/DC变换器，储能电池与电池双向DC/DC变换器相连发出直流电，电网组包括电网，电网发出的为交流电。
并且光伏DC/DC变换器、电池双向DC/DC变换器和电网均与双向变流器PCS相连，并且在光伏直流系统件和光伏DC/DC变换器之间、储能电池和电池双向DC/DC变换器之间设有开关，储能电池与电池双向DC/DC之间还设有保护开关K0，保护开关K0受储能电池中BMS控制，并且在直流电源接口、交流电源接口、双向变流器PCS与电网之间、电网与交流电源接口之间均设有相应的继电器。
控制系统包括能量控制系统EMS，能量控制系统EMS根据实际情况发出相应的指令给PCS，PCS输出PWM信号控制所述电池双向DC/DC变换器、光伏DC/DC变换器、双向变流器PCS的状态转换，以及用于控制直流负载、交流负载侧各继电器的得失电。
该智能切换系统的工作流程如下：
光伏直流系统件发出直流电，经光伏DC/DC变换器转化为恒定的直流电，由此分为两路，一路通向直流电源接口为直流负载供电，一路经过双向变流器PCS，由直流电转化为交流电在分为两路，一路通向交流电源接口为交流负载供电，一路通向电网向其馈电。
储能电池发出直流电，经过电池双向DC/DC变换器分为两路，一路通向直流电源接口为直流负载供电，一路经过双向变流器PCS，有直流电转化为交流电，并再分为两路，一路通向交流电源接口为交流负载供电，一路通向电网为其馈电。
电网发出交流电，分为两路，一路直接通向交流电源接口为交流负载供电，一路通过双向变流器PCS有交流电转为直流电，并分为两路，一路通向直流电源接口为直流负载供电，一路经过电池双向DC/DC变换器为储能电池充电。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，包括多个供电组、控制系统、功率电路和Relay；
多个供电组均与功率电路中的双向变流器相连，多个供电组包含：至少一个通过直流母线连接在双向变流器直流侧的直流供电单元、至少一个连接在双向变流器交流侧的交流供电单元；
所述控制系统包括：EMS、与所述EMS通信的BMS、与所述EMS通信的PCS控制系统，EMS根据发电侧功率变化、以及直流母线电压值的高低，输出控制指令给所述PCS控制系统，通过PCS控制系统控制所述双向变流器对交、直流电的切换，以及控制多个Relay的吸合，实现对负载供电过程中多个供电组的切换；所述的多个供电组包括：位于所述双向变流器直流侧的光伏直流系统、储能电池组和位于双向变流器交流侧的电网组，其中光伏直流系统和储能电池组输出的为直流电，电网组输出的为交流电；
所述的储能电池组包括储能电池系统和电池双向DC/DC变换器，所述的电池双向DC/DC变换器一侧连接储能电池、另一侧经直流母线连接所述双向变流器，所述的电池双向DC/DC变换器接收所述PCS控制系统的指令，通过所述直流母线接收光伏直流系统或电网组的能量，或者通过所述直流母线对直流负载或应急电源供电、以及通过双向变流器完成直流转交流变换后对交流负载或应急电源供电、或向电网组馈电。
2.根据权利要求1所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，所述的光伏直流系统包括：光伏直流系统和光伏DC/DC变换器，
光伏直流系统由单个或多个光伏组串组成，与光伏DC/DC变换器相连，且光伏直流系统和光伏DC/DC变换器之间设有光伏开关K2，光伏直流系统用于提供直流电，直流电经光伏DC/DC变换器后汇至直流母线，所述直流母线通过直流电源接口对外部直流负载和/或应急电源供电；所述直流母线还连接在所述双向变流器的直流侧，并通过所述双向变流器完成直流转交流变换，并通过交流电源接口对交流负载供电、以及通过交流母线向电网组馈电，所述的光伏DC/DC变换器通过所述PCS控制系统响应能量管理系统EMS的控制。
3.根据权利要求2所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，所述的储能电池系统设有与所述EMS通信的BMS，BMS用于采集储能电池系统的电信号，并上传数据给EMS。
4.根据权利要求3所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，储能电池与电池双向DC/DC变换器之间设有保护开关K0，所述保护开关K0由所述BMS进行控制。
5.根据权利要求1所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，所述电网组包括电网，电网连接在所述双向变流器的交流侧，所述电网通过交流电源接口对外部交流负载供电、通过所述双向变流器完成交流转直流后对所述储能电池组充电和/或应急电源提供直流负载的电力需求。
6.根据权利要求5所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，所述多个Relay包括RelayⅠ、RelayⅡ、RelayⅢ、RelayⅣ，RelayⅠ布置于直流电源接口处，RelayⅠ闭合时，直流母线提供直流电给直流负载；
RelayⅡ设置于双向变流器与交流电源接口之间，RelayⅡ闭合时，交流负载取电于双向变流器直流转交流所提供的能量；
RelayⅢ设置于双向变流器交流侧的电网电力线上，RelayⅢ闭合并配合双向变流器的工作，实现光伏直流系统直流转交流后向电网馈电，或电网组交流转支流后向直流负载供电和/或向储能电池组充电；
RelayⅣ布置于电网与交流电源接口之间，RelayⅣ闭合，交流负载取电于电网。
7.根据权利要求5所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，电网设有采样单元，采样单元与EMS通过串口通信。
8.根据权利要求6所述的基于智能并网光储的交直流负载供电系统，其特征在于，交流电源接口和直流电源接口均采用具有防呆结构的接口，使直流负载接口和交流负载接口连接的供电组路径不同。
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