基于能源云互聯(lián)的光儲市電交直混聯(lián)計量型自動轉換配電系統(tǒng)的設計

黃和平 顧章平 楊劍平

（1.浙江正泰儀器儀表有限責任公司 2.上海正泰電源系統(tǒng)有限公司）

0 引言

直流電網(wǎng)由于輸送距離短，變壓不方便，保護措施不充分，導致被后來的交流電網(wǎng)替代。隨著可再生能源大規(guī)模利用作為世界能源的主要發(fā)展方向，電源側和負荷側推動分布式新能源的大量推廣，電力電子電能變換效率和可靠性的提高，電器設備直流化和電動汽車的使用，直流電網(wǎng)的穩(wěn)定性、充放電方便與接入性，線損優(yōu)于交流電網(wǎng)，及隨著雙碳進程的深入發(fā)展和國家大力發(fā)展縣域分布式光儲能源政策，使直流電網(wǎng)強勢回歸大電網(wǎng)，目前配電電網(wǎng)進入交直流混聯(lián)時代。

高效率、高可靠性地接納大規(guī)模直流型分布式電源成為挑戰(zhàn)，如何管理和有效兼容這些交直流異質(zhì)負荷，將顯著影響系統(tǒng)用電的效率和穩(wěn)定性。如何實現(xiàn)微電網(wǎng)中的交直流混聯(lián)解決不同電源，不同負荷友好接入面臨以下關鍵技術難題需要解決。

1）光儲分布式發(fā)電技術為負荷提供能量，屬于電力配電系統(tǒng)中的獨立單元［1］，該技術可提高電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性，降低配電網(wǎng)損耗［2］。但現(xiàn)有的光儲伏分布式發(fā)電產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，其與電網(wǎng)間的頻率、電壓不兼容，協(xié)調(diào)運行較為困難，同時安裝和運行成本較高，其無序的接入會降低市電網(wǎng)的質(zhì)量［3］。

2）市電交直流混聯(lián)面臨缺少交流與直流不同質(zhì)和不同權項的電能的高級計量系統(tǒng)，弱電網(wǎng)系統(tǒng)等因素導致分布式電源并網(wǎng)與過網(wǎng)時的直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題、低慣性電力電子裝置引發(fā)的直流電壓暫降問題、現(xiàn)有雙電源切換不同電路引發(fā)的尖峰電壓電流問題，交直流功率轉換與耦合及支撐管理、混合母線多模式轉換引發(fā)潮流轉移等問題。

3）分布式光儲市電交直流混聯(lián)在微電網(wǎng)下實現(xiàn)就地消納和調(diào)控，車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)電動車的友好接入，本地與外地多能互補在能源云互聯(lián)實現(xiàn)多種分布式的自制管理和綜合能源的優(yōu)化。

本文光伏逆變技術以文獻［4］和文獻［5］為基礎，提出“面向能源云互聯(lián)，光儲市電交直流混聯(lián)計量型自動轉換系統(tǒng)”設計方案，克服以上問題，實現(xiàn)以不限于電動汽車云充電為例的多種能源，多種分布式光儲市電交直流混聯(lián)接入用戶側和負荷側配電系統(tǒng)，構建未來新型分布式智能能源云配電綜合系統(tǒng)。

1 面向能源云互聯(lián)的光儲市電交直流混用方案

面向能源云互聯(lián)的光儲市電交直流混用系統(tǒng)主要由一對平行布設的交流市電為第一組交流母線供電、第二市電或光伏為發(fā)電機供電，發(fā)電機發(fā)電和第二市電為第二組母線供電、多個光伏逆變組件為第一母線供電、第一母線上接入站用電機房和多個儲能組件、儲能組件為多個直流母線供電、多個直流母線上接入多組直流充電樁、多組負載直流配電柜、多組通訊控制柜和多組消防柜。所有電器通過公共接入點接入市電線路、第一組交流母線、第二組交流母線、多組直流母線，并通過通訊線路與對應組的消防柜和通訊控制柜連接；第二組交流母線接入電動車的多組的（鋰充機和交流樁）、n＋1組的交流控制柜和多組的通訊柜。

第一市電與第二市電通過公共接入點，接入?yún)?shù)控制一致的一對配電變壓器，一對配電變壓器由通訊控制柜控制，為第一組母線、第二組母線、發(fā)電機組、第一自動轉換開關、第二自動轉換開關、第三自動轉換開關提供與直流母線組等值的供電電壓。直流配電供電電壓±280V，線電壓560V。560VDC與380VAC驅動電源兼容，可直連380VAC設備；280 VDC與220VAC驅動電源兼容，可直連220VAC照明等設備（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)結構拓撲框圖

如圖2和圖3所示，為了對策直流母線雙電電源智能切換供電，二極管D1和并聯(lián)電阻R1，串接電容C2和并接電容C1，電容C2和并接電容C1接在新型三極管IGCT集電極和發(fā)射極兩端，接在第一直流母線組成電壓尖峰吸收電路，在電壓尖峰吸收電路中間并聯(lián)在第一直流母線上的新型三極管IGCT組成起動／切換限流單元，在起動／切換限流單元輸出端，IGCT發(fā)射極右端接入輸入電流采集信號和直流母線負載，IGCT集電極左端接入在一組供電直流母線上有兩路儲能／直流輸入電源Ⅰ和儲能／直流輸入電源Ⅱ，通過并聯(lián)的接觸器I和接觸器II，電源Ⅰ電壓采集信號、電源Ⅱ電壓采集信號、第一電感L1和第二電感L2。給直流負載（例如直流控制柜、直流充電樁）供電組成。采集兩個直流電源的輸出電壓信號，一對接觸器狀態(tài)反饋信號到控制算法電路，控制算法電路產(chǎn)生接觸器控制信號輸送到限流電路和接觸器控制電路，輸入電流信號送到限流電路，限流電路產(chǎn)生IGCT控制信號，到起動和切換限流單元，通過控制IGCT和接觸器的開關動作，協(xié)調(diào)抑制起動和切換電源產(chǎn)生的沖擊電流。

圖2 直流母線供電電容限流穩(wěn)壓電路圖

圖3 直流母線供電電容限流穩(wěn)壓電路控制算法圖

市電交直流混聯(lián)云互聯(lián)是由與消防柜和通訊控制柜連接的操作工作站、工程師站、環(huán)境與消防探測站、與交換機連接的光儲控制管理系統(tǒng)，能源互聯(lián)接入能源管理云平臺組成（見圖1和圖4）。

圖4 能源網(wǎng)互聯(lián)云平臺圖

在面向能源云互聯(lián)的光儲市電交直流混用系統(tǒng)的電源、電器的公共接入點儲分別接入能源管理云平臺中對應層級能源供應、能運管理、設備管理層、能耗分析中所用設備的線路中，分別接入電力物聯(lián)儀表、網(wǎng)絡電力儀表、智慧用電檢測裝置、智慧用電監(jiān)控裝置、多用戶電能表、電氣防火限流式保護器、基站直流計量模塊、三相電能表、無線測溫傳感器、無線通訊終端、電氣火災監(jiān)控探測器，數(shù)據(jù)網(wǎng)關等設備，構成能源網(wǎng)互聯(lián)云平臺。

1.1 自動轉換開關部分

1.1.1 電源自動轉換開關的控制器的結構設計

交流電源自動轉換開關是由并聯(lián)在常用電源進線與備用電源進線上的，電源模塊和驅動電路的控制模塊及執(zhí)行檢測開關體，執(zhí)行檢測開關體通過執(zhí)行連接線與控制模塊的接口J203和接口J204串接；電源模塊通過電源連接線與控制模塊DC／DC變換電路連接，控制模塊通過連接線與顯示模塊連接；通訊電路將顯示模塊、電源模塊與控制模塊實現(xiàn)智能連接。

圖5 電源自動轉換開關的控制器的結構框圖

電源模塊按電流進出方向，依次由常用保護電路與備用保護電路接入電源輸入接口，常用保護電路與變壓器T401串連，變壓器T401與整流及指示電路串接；備用保護電路與變壓器T402串連，變壓器T401與整流及指示電路串接；整流及指示電路與電源輸出接口串接，電源連接線把電源輸出接口與控制模塊接口串接。

控制模塊常用采集線與備用采集線分別與接口J201和接口J202串接，接口J201與常用電壓采集電路串接，常用電壓采集電路串接與單片機串接；接口J202與備用電壓采集電路串接，備用電壓采集電路串接與單片機；接口J203與繼電器電路串接，繼電器電路串接與單片機；接口J204與位置檢測電路串接，位置檢測電路與單片機串接；單片機輸出與交互接口和通訊電路連接；交互接口和通訊電路通過連接線與顯示模塊的驅動電路連接，驅動電路分別與顯示屏和按鍵電路連接組成。

1.1.2 控制器的電源模塊的電路結構設計

如圖6所示，控制器的電源模塊是由一對保護電路＋一對降壓器＋整流＋指示電路組成；接口A1與接口N1與共膜扼流線圈A1和共膜扼流線圈N1連接（具有EMC保護作用），供膜扼流線圈A1與供膜扼流線圈N1中間聯(lián)接濾波電容，濾波電容另一端與共膜扼流線圈N1共接N10接點；在接濾波電容的接點A10上方串接保險管（防浪涌），保險管輸出端與變壓器T401及壓敏電阻上端共接A1′接點；共接A1′接點引出線與接口J402A1′接口連接。

圖6 控制器的電源模塊電路結構圖

壓敏電阻下端與變壓器下端及共膜扼流線圈N1輸出端共接N1′接點，壓敏電阻起到防過壓保護；另一組保護電路與第一組相同組成，不再描述。保護電路把交流變?yōu)橹绷?，?jīng)變壓器T401降壓，輸入到整流橋交流端Z11和交流端Z13，負極端整流輸出直流正極Z14與另一組整流橋負極端整流輸出直流正極Z24，共同接直流電源地極；正極端整流輸出直流負極Z12與另一組整流橋正極端整流輸出直流負極Z22，共同接地直流電源正極VCC，經(jīng)兩個整流橋整流后，與并聯(lián)的濾波電容經(jīng)濾波后，輸出直流電到接口J403；電阻R401和發(fā)光二極管H401組成直流電源地極。電源模塊將交流電經(jīng)降壓整流輸出到接口J403，為控制電路DC／DC變換電路提供直流電。DC／DC變換電路為單片機供電。

1.1.3 控制器的常用（備用）電壓采樣電路結構設計

常用和備用電壓采樣電路結構相同，A1，B1，C1三相結構相同，僅以A1相和中性極N1描述，見圖7。

圖7 控制器的控制模塊的常用電壓采樣電路結構圖（備用）

常用電壓采樣電路由分壓電阻R1，并聯(lián)電容C101（電容C101接地）與電阻R110節(jié)點，與運放U101同相端U3連接，運放異相端U101相端U2與運放101輸出端U4短接，運放正極與直流電源正極VCC連接，運放負極與直流電源地極連接，運放輸出端U1向單片機輸出電壓信號。

中性線電壓采樣電路由分壓電阻R1，光耦U102，并聯(lián)電容C105、電容C104、電容C106，與電阻R117、電阻R118，電阻R116連接；運放U101D同相端U5連接，運放異相端U101D輸出端與運放101D輸出端U4連接，電阻R116輸出端向單片機輸出電壓信號。

1.1.4 控制器的通信控制器結構的設計

指示燈和繼電器輸入控制器DO，電壓采樣輸入DI，儲能組件與串行協(xié)議CAN雙向接入，整流器、溫度檢測、光伏逆變器、空調(diào)、負載雙向電表與RS485協(xié)議雙向接入，顯示器與RS232協(xié)議雙向接入，見圖8。

圖8 通信示意圖

2 負載雙向電能表部分結構設計

該電能表是由主電源、儲能電路、第一電池電路和第二電池電路與工作電路組成。儲能電路在主電源斷電后供電，第一電池電路是在主電源與儲能電路不能供電時供電、第二電池電路是在第一電池電路不能供電時供電（見圖9）。

圖9 負載雙向電能表結構圖

控制芯片包括CPU或soc芯片及其外圍電路，時鐘電路是Rx8025T，抄表電路包括外部存儲器、液晶顯示、紅外收發(fā)電路和計量芯片。在第一電池電路供電時，儲能電路通過主電路充電，三個供電電路對供電電能互補，不需要更換電路器件，供電經(jīng)濟可靠，實現(xiàn)不斷電運行。

2.1 雙電平充電儲能電路結構設計

雙電平充電儲能電路是由第一開關電路121和第二開關電路及儲能電路123組成。當?shù)谝婚_關電路121電平cr11為高電平時，三極管V4和三極管V2導通，主電源11為電容C94和電容C101充電；當?shù)谝婚_關電路121電平cr11為低電平時，三極管V4和三極管V2關斷，主電源11停止為電容C94和電容C101充電；設計三極管V2和三極管V4的兩級開關控制結構，使得導通和關斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定。當?shù)诙_關電路122電平cr12為高電平時，三極管V14和三極管V12導通，主電源211為電容C94和電容C101充電；當?shù)诙_關電路122電平cr12為低電平時，三極管V14和三極管V12關斷，主電源211停止為電容C94和電容C101充電；通過三極管V14和三極管V12的兩級開關控制結構，使得導通和關斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定。二極管D31的設置可以防止工作電路211的電流倒灌，提高電路可靠性。電容C102可以過濾來自電容充放電路123的供電電壓抖動，提高供電穩(wěn)定性（見圖10）。

圖10 雙電平充電儲能電路拓撲結構圖

2.2 第一電池電路結構設計

第一電池電路由電壓調(diào)整電路132和第三控制開關電路131組成；電壓調(diào)整器U4可以采用XC6413／14系列。第三控制電平crl3為高電平時，電壓調(diào)整器U4正常工作，輸出可靠電源為電池G2充電；第三控制電平crl3為低電平時，電壓調(diào)整器U4關閉，停止輸出電源為電池G2充電。由于電容C61并聯(lián)在電壓調(diào)整器U4的輸出端OUT和接地端GND之間，這樣可以濾除電壓調(diào)整器U4輸出電源電壓的波動，提高供電穩(wěn)定性。

在主電源11斷電并且儲能電路12不能供電時使第四控制電平crl4為高電平，三極管V10導通，并且三極管V23導通，電壓調(diào)整電路132給工作電路211供電；第四控制電平crl4為低電平時，三極管V10關斷，并且三極管V23關斷，電壓調(diào)整電路132停止給工作電路211供電。通過三極管V23和三極管V10的兩級開關控制結構，使得導通和關斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定（見圖11）。

圖11 第一電池電路結構圖

2.3 第二電池電路結構設計

第二電池電路由電池電壓電路141和第四控制開關電路142組成；具體地是連接第一電池電路13的電壓調(diào)整電路132的電壓調(diào)整器U4的輸出端OUT，二極管D34陽極連接主電源11。其中電壓檢測器U15可以采用HT70系列。在主電源11斷電并且儲能電路12不能供電、第一電池電路13不能供電時，第一電池電路13和主電源11的供電電壓都低于電壓檢測器U15的可檢測電壓VDET（可檢測電壓VDET是電壓檢測器U15的參數(shù)），電壓檢測器U15輸出低電平，場效應管V22導通，電池G1給工作電路211供電，從而提高電能表供電可靠性（見圖12）。

圖12 第二電池電路結構圖

3 光儲市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運行

結合圖1和圖13所示，光儲市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運行，按光伏發(fā)電和光伏不發(fā)電分，市電第一交流母線、第二交流母線、光伏余電并網(wǎng)、光伏逆變后整流成直流送往直流母線供電和儲能充電、儲能放電為直流樁、直流母線供電樁為負載直流柜、消防柜供電、第一交流母線接入光伏逆變系統(tǒng)、電池儲能整流系統(tǒng)、站用電房、第二交流母線為鋰充機和交流充電樁、交流柜、通訊柜供電；第一市電和第二市電為第一交流母線和第二交流母線供電、光伏逆變電和第一市電和第二市電為發(fā)電機供電，以上兩路電路、交流、直流的自動切換、功率的轉移均由交流第一到第三轉換開關、直流雙電源轉換組成。交流、直流、市電、光伏和儲能的用電均通過直流電能表和雙向交流表計量。

圖13 光儲市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運行圖

4 基于能源云互聯(lián)光儲交直混用新一代能源體系關鍵新技術與未來展望

本文設計的“基于能源云互聯(lián)的光儲市電交直混聯(lián)計量型自動轉換配電系統(tǒng)”是目前最新采用多個限流穩(wěn)壓雙電源切換＋直流／交流電能用電分類計量，替代價格昂貴開關電源變流的電流變換技術，是以車聯(lián)網(wǎng)驅動的多電源，云網(wǎng)上管理光儲交直流混用為電動車充電為實例，說明基于能源云互聯(lián)的光儲市電交直混聯(lián)計量型自動轉換配電系統(tǒng)是可行的。在此基礎上展望未來配電網(wǎng)，提出圖14所示先進傳感和高級測量體系、配電測儲能技術、微電網(wǎng)交直流混合配電技術等10項關鍵新技術，構建能源云互聯(lián)新一代綜合能源系統(tǒng)。

圖14 新一代能源云互聯(lián)交直混用系統(tǒng)關鍵技術架構圖

以清潔、綠色、高效為原則，以本地資源光儲等優(yōu)先消納，外來能源優(yōu)化利用為指導，實現(xiàn)調(diào)控技術手段，以區(qū)域向廣域，從單向到雙向，從單一能源到多能源互補轉變。以基于能源云互聯(lián)的光儲市電交直混聯(lián)計量型自動轉換配電系統(tǒng)廣泛推廣和應用。

5 結束語

本文提出了基于能源云互聯(lián)的光儲市電交直混聯(lián)計量型自動轉換配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)光儲有無電、市電交流、光儲整流后直流屬性，采用限流穩(wěn)壓雙電源實現(xiàn)電源和功率的自動轉換，克服了現(xiàn)有技術采用功率組件電源變換帶來的電壓暫降、穩(wěn)定性等問題，實現(xiàn)電動車等負載交直流混用，基于能源云互聯(lián)管理的不同電源在不同系統(tǒng)，無擾、不斷電、無失電、無沖擊，安全平滑、無縫自由切換。實現(xiàn)不同權項和不同電質(zhì)的用電和發(fā)電供電的有效計量和接觸器不帶電流閉合和脫開，工作可靠，具有良好的應用前景。