面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统

1.本实用新型属于配电网技术领域，具体涉及一种面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统。


背景技术：

2.近年来，随着社会经济的高速发展和现代城市的快速建设，城市配电网中负荷的大小和种类不断增多，传统交流配电网面临着许多新的问题。传统的交流配电进线电源为10kv电源，通过配电变压器得到三相四线380v的低压交流电，再通过交流220v的配电网络供给用电负荷。一方面，城市规模的迅速增长导致城市配电网供电范围不断扩大，使得传统配电网面临着线路损耗加大和电压波动加剧的问题。同时，供电线路的日益紧张也对线路的输电能力提出了更高的要求。另一方面，随着电力电子技术的快速发展，效率提升、控制灵活的直流负荷不断增加，如计算机，led照明、电动汽车等均为直流负荷。在实际情况下，这些负荷都需要多级换流器才能接入交流电网；另外，在分布式发电系统中，光伏电池板的输出都是直流电，需要经过多级换流器才能并入交流配网。因此，在目前传统的交流配电网中存在着大量的换流过程，而这些换流器的大量使用会降低用电效率，增加设备投资，同时也会产生大量的谐波污染，对配电网的电能质量造成影响。最后，交流220v配电也存在人身触电的风险，特别是极端情况下难以保证用电安全。
3.因此，目前交流配网中存在多级电能变换损耗高、配用电灵活性差、电能质量难以保证。采用交直流混合配用电技术能够有效减少配用电过程中交直流转化的中间环节，提高配用电的效率、可靠性和灵活性，妥善解决分布式新能源和储能系统接入以后的系统稳定问题。
4.与交流配网相比，直流配电网具有供电容量大，线路损耗小、电能质量高，以及便于各类电源和负载接入等优点，具有广泛的应用前景。但是从我国配电网发展现状来看，直流配电网短时间内还无法完全取代交流配电网，因此，在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网更符合实际。
5.针对分布式电源的涌现、电器装备的直流化以及电动汽车的大量使用等现象，我国各大企业和高校对配电网进行了有效研究：广东电网有限责任公司东莞供电局和广东电网有限责任公司的专利《一种应用于办公生活园区的交直流混合配电网系统》(申请号：202011008078.x)、浙江大学《一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器》(申请号：201710414906.1)两篇专利都对交直流配电网的进行了进一步探索。
6.专利《一种应用于办公生活园区的交直流混合配电网系统》里配网的结构中包括电力电子变压器、负荷侧和综合能源侧。其电力电子变压器有多个端口，电源侧通过10kv交流电源与之连接，负载侧通过380v交流母线和
±
375v直流母线与之连接，电力电子变压器通过判断潮流方向对综合能源侧进行调控。虽然电力电子变压器可以对故障时电力系统的功率需求给予补偿，但是电力电子变压器受制于目前电力电子器件耐压和耐流能力不足，需要多个电力电子模块经过级联、并联再经过交直之间的多次电能变换才能得到需要的电
压,因此该方案需要大量电力电子器件，导致其价格较常规隔离变压器要贵，同时器件数量过多降低了其可靠性，最后多级的电能变换导致其损耗高、效率低。以上的成本、可靠性及效率不足将直接影响将其推广到实际应用。
7.专利《一种应用于低压配电终端的自组织电能路由器》中提出由多个h桥变换器组成的变换器组、内部功率总线、设备接口、功率开关阵列和控制单元组成的电能路由器。通过控制功率开关将设备接口分别与功率总线和变换器相连，变换器的另一侧端口通过功率总线与其他设备相连，以实现线路重构，控制单元通过控制变换器决定外部设备的供电与受电。该实用新型具有可复用的功率电路，稳定性好，容错性好，设备接口可“即插即用”。但是该方案中需要采用功率开关阵列来对h桥变换器进行功能重构实现dc-dc、dc-ac和ac-dc变换，为了提升灵活性而使用的大量功率开关导致其系统复杂度增加、成本过高和可靠性降低，难以满足实际的应用需求。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，提供一种面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，本实用新型采用了如下技术方案：
9.本实用新型提供了一种面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，其特征在于，包括：交流电源、工频变压器、至少一组交直流变换电路、复数个第一直流母线、两个第二直流母线、变流器模块、直流负荷模块以及交流负荷模块，其中，工频变压器与交流电源一一对应设置，该工频变压器的高压侧采用三角形接法与交流电源连接，低压侧采用三个单相独立绕组，且低压侧分别与交直流变换电路和交流负荷模块连接，直流负荷模块具有高压负荷单元和低压负荷单元，交直流变换电路的交流侧与工频变压器的低压侧连接，直流侧依次通过第一直流母线以及变流器模块与高压负荷单元连接，变流器模块至少具有母线变流器和充电变流器，母线变流器的输入侧与第一直流母线连接，输出侧通过第二直流母线与低压负荷单元连接，充电变流器的输入侧与第一直流母线连接，输出侧与高压负荷单元连接。
10.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，其特征在于，还包括：能源模块，该能源模块具有分布式能源单元以及储能单元，其中，变流器模块还具有光伏变流器以及储能变流器，分布式能源单元与光伏变流器的输出侧连接，储能单元与储能变流器的输出侧连接。
11.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，分布式能源单元为分布式光伏或分布式风电，储能单元为锂电池、超级电容或氢燃料电池。
12.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，光伏变流器、储能变流器以及母线变流器均为dc/dc变流器，光伏变流器为单向dc/dc变流器，储能变流器以及母线变流器均为隔离型双向dc/dc变流器。
13.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，充电变流器为隔离型双向dc/dc变流器或dc/ac变流器。
14.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，隔离型双向dc/dc变流器的电路为双有源桥(dab)拓扑结构。
15.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，交流电源的线电压为10kv，工频变压器的低压侧三个单相绕组的电压为交流220v，相邻两个第一直流母线间的电压为375v，两个第二直流母线间的电压为48v。
16.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，交直流变换电路为三相h桥变流器电路。
17.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，低压负荷单元具有多个it负载接口，用于对直流电压为48v的it负载供电，交流负荷模块具有至少一个交流负荷接口，用于对交流电压为220v的负荷供电。
18.本实用新型提供的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，还可以具有这样的特征，其中，高压负荷单元为电动车充电桩，用于为电动车供电。
19.实用新型作用与效果
20.根据本实用新型的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，通过交流电源、工频变压器、至少一组交直流变换电路、复数个第一直流母线、两个第二直流母线、变流器模块、直流负荷模块以及交流负荷模块，形成一种多电压等级输出的交直流混合配电网系统。该交直流混合配电网系统克服了现有技术中能量变换损耗高、系统成本高、可靠性低、能源就地消纳率低、用电灵活性差的技术问题，本实用新型的交直流混合配电网系统能够有效减少能源浪费、提高用电灵活性。本实用新型通过工频变压器及交直流变换电路实现了交流电源和直流电网的互联，工频变压器高压侧采用三角形接法，低压侧采用三个单相独立绕组，低压侧三个单相绕组相互独立不连接为三相h桥变流器提供相间隔离。该变压器可以采用常见的三相三柱式dy11配电变压器进行改造，在本实用新型中具有电压耦合以及相间隔离的作用，减少了装置成本。
附图说明
21.图1是本实用新型实施例一中交直流多端口配电系统的整体框图；
22.图2是本实用新型实施例一中的h桥变流器的结构图；
23.图3是本实用新型实施例一中的dc/dc变流器拓扑图；
24.图4是本实用新型实施例二中交直流多端口配电系统的整体框图；
25.图5是本实用新型实施例三中交直流多端口配电系统的整体框图；
26.图6是本实用新型实施例四中交直流多端口配电系统的整体框图。
具体实施方式
27.以下结合附图以及实施例来说明本实用新型的具体实施方式。
28.《实施例一》
29.本实施例提供一种交直流多端口配电系统100，用于为办公居住园区供电。
30.图1是本实用新型实施例一中交直流多端口配电系统的整体框图。
31.如图1所示，交直流多端口配电系统100包括一个10kv交流电源10、一个工频变压器20、直流负荷模块30、能源模块40、变流器模50、一组交直流变换电路60、交流负荷模块70、两个第一直流母线80以及两个第二直流母线90。
32.工频变压器20为三相三柱式，与交流电源10一一对应设置。该工频变压器20的高
压侧采用三角形接法与交流电源10连接，低压侧采用三个单相独立绕组，且低压侧分别与交直流变换电路30和交流负荷模块80连接。工频变压器20高压侧电压等级为10kv，低压侧每相独立绕组电压为交流220v。
33.直流负荷模块30具有高压负荷单元31和低压负荷单元32。在本实施例中，高压负荷单元31为电动车充电桩，用于为电动车供电，在其他实施例中还可以为空调等大功率的直流负荷。低压负荷单元32具有多个it负载端口，用于对直流电压为48v的it负载供电。
34.能源模块40具有分布式能源单元41以及储能单元42。本实施例中分布式能源单元41为分布式光伏。储能单元42为锂电池。
35.变流器模块50具有光伏变流器51、储能变流器52、母线变流器53以及充电变流器54。光伏变流器51一侧接入第一直流母线，另一侧接入分布式能源单元41(光伏电池板)。光伏变流器51能量流动方向单向，为从光伏电池流向直流母线，使其能够控制光伏板运行在最大功率跟踪点。储能变流器52一侧接入第一直流母线，另一侧接入储能单元42(锂电池)。储能变流器52的能量流动方向为双向，既可从第一直流母线流向储能单元42，也可以从储能单元42流向第一直流母线母线。母线变流器53的输入侧与第一直流母线80连接，输出侧通过第二直流母线90与低压负荷单元32连接。母线变流器53的能量流动方向为双向，既可从第一直流母线80流向第二直流母线90，也可以从第二直流母线90流向第一直流母线80。充电变流器54的输入侧与第一直流母线80连接，输出侧与高压负荷单元31连接。两个第一直流母线80间的电压为375v，两个第二直流母线90间的电压为48v。
36.光伏变流器51、储能变流器52以及母线变流器53均为dc/dc变流器。光伏变流器51为单向dc/dc变流器。储能变流器52以及母线变流器53均为隔离性型双向dc/dc变流器。充电变流器54为隔离性型双向dc/dc变流器或dc/ac变流器。本实施例中的充电变流器54的数量为两个，分别为dc/dc变流器和dc/ac变流器。通过dc/dc充电变流器和dc/ac充电变流器可满足电动车不同充电需求，当电动车需要进行快速充电时，可使用dc/dc充电变流器进行直流充电，当不需要快速充电，更多考虑车辆使用寿命，可选择dc/ac充电变流器进行交流充电。
37.交直流变换电路60的交流侧与工频变压器20的低压侧连接，直流侧依次通过第一直流母线80以及变流器模块50与高压负荷单元31连接。交直流变换电路60为三相h桥变流器电路，具有一个三相h桥变流器。三相h桥变流器的逆变电路为三相h桥结构。
38.图2是本实用新型实施例一中的h桥变流器的结构图。
39.交流电源10的10kv交流电经工频变压器20降压经h桥变流器逆变成直流电，逆变电路采用三相h桥，单个h桥结构如图2所示。l1是变压器的漏感，作为逆变器lcl滤波器的网侧电感，l2是逆变器侧滤波电感，c1是交流滤波电容，c2是直流滤波电容，q1、q2、q3、q4均为电力电子开关器件，可以是基于硅材料的igbt/二极管模块、mosfet，也可以是基于碳化硅或者氮化镓的开关器件。d1～d4分别为s1～s4的反并联二极管。
40.图3是本实用新型实施例一中的dc/dc变流器拓扑图。
41.通过变流器模块50中的dc/dc变流器将经h桥变流器逆变成的直流电整流为能源模块40以及直流负荷模块30所需电压等级的直流电。整流电路采用dab拓扑结构，dab拓扑结构如图3所示。电路拓扑由高频变压器t、电感lr、输入电容cin、输出电容cout、全桥h1和全桥h2组成。其中变压器变比为n:1，n的具体值可根据负荷需要进行调节。全桥h1和全桥h2
中的s1～s8均为电力电子开关器件，可以是基于硅材料的igbt/二极管模块、mosfet，也可以是基于碳化硅或者氮化镓的开关器件；d1～d8分别为s1～s8的反并联二极管。
42.交流负荷模块70具有至少一个交流负荷端口，与工频变压器20的低压侧连接，用于对交流电压为220v的负荷供电。本实施例中的交流负荷端口为1个。
43.交直流多端口配电系统100的具体实施方式如下：
44.10kv交流电压侧为电网电源进线，直接接入工频变压器高压侧，工频变压器为三相三柱式，其高压侧采用三角形接法，低压侧采用三相独立绕组；变压器低压侧可引出交流220v的出线端以接入交流220v的负荷。同时，三相h桥变流器各相输入端分别与工频变压器低压侧出线端相连接，三相h桥变流器的直流侧连接在一起，形成一个375v的第一直流母线。375v的第一直流母线连接4类dc/dc变流器以及1种dc/ac变流器。其中一类dc/dc变流器为光伏变流器，光伏发电产生的电能通过这个变流器进入第一直流母线侧为负载供电。一类dc/dc变流器为储能双向变流器，输入侧连接375v直流母线，输出侧用于连接储能单元。一类dc/dc变流器为母线变流器，输入侧连接375v第一直流母线，输出侧连接经此变流器变换形成的48v第二直流母线；另一类dc/dc变流器的输出侧则连接电动车，作为电动车的直流充电桩。储能单元中的能源和分布式能源单元(光伏)分别通过光伏变流器和储能变流器经第一直流母线和充电变流器对不同电压需求的电动车进行充电。同样地，dc/ac变流器的输入侧连接375v第一直流母线，而输出侧连接电动车，作为电动车的交流充电桩。形成的48v第二直流母线可以同时为办公生活必需的多个it负载供电，实现it负载的“即插即用”。
45.本实用新型的交直流混合配电网系统共分为4个电压等级，其中10kv交流电压为整个交直流配电系统的输入，直接接入工频变压器高压侧。而输出则有375v直流电压，48v直流电压，220v交流电压。375v第一直流电压母线通过变流器模块接入光伏发电的电能和电动车以及储能单元。48v第二直流电压母线可同时接入多个it负载。220v交流电压母线接入交流负荷。根据不同的负荷和电源的需求，电能可以流入到不同的母线，接入的能源模块以及直流负荷模块可以在低压配电端进行功率的流动，实现能源的就地消纳。
46.《实施例二》
47.本实施例提供一种交直流多端口配电系统200。
48.图4是本实用新型实施例二中交直流多端口配电系统的整体框图。
49.如图4所示，本实施例的系统与实施例一的系统结构基本相同，不同之处在于，本实施例的三相h桥变流器的直流侧级联在一起，形成4根第一直流母线。相邻的两个第一母线间电压为375v。
50.交直流多端口配电系统200的具体实施方式如下：
51.10kv交流电压侧为电网电源进线，直接接入工频变压器高压侧，工频变压器为三相三柱式，其高压侧采用三角形接法，低压侧采用三相独立绕组；工频变压器低压侧可引出交流220v的出线端以接入交流220v的负荷。同时，三相h桥变流器各相输入端分别与变压器低压侧出线端相连接，三相h桥变流器的直流侧级联在一起，形成4根第一直流母线，相邻母线间电压为375v。在第一直流母线上引出出线，分别通过不同的变流器接入储能单元、分布式能源单元以及不同电压需求的负荷：储能单元通过储能变流器接入配网系统中；分布式能源(光伏)通过光伏变流器接入配电网系统中；经h桥变流器得到的直流电压再经母线变流器变换为48v直流电压，进一步，将多个it负荷同时接入48v第二直流电压母线上，实现it
负荷的“即插即用”；电动车可以通过dc/dc变流器和dc/ac变流器进行直流充电和交流充电。另外，光伏发电产生的能源以及储能单元中的能源通过光伏变流器和储能变流器、直流电压母线以及其他的变流器为电动车和其他负荷供电，实现能源的就地消纳。
52.《实施例三》
53.本实施例提供一种交直流多端口配电系统300。
54.图5是本实用新型实施例三中交直流多端口配电系统的整体框图。
55.如图5所示，本实施例的系统与实施例一的系统结构基本相同，不同之处在于：本实施例的三相h桥变流器的直流侧级联在一起，形成
±
375v的dc+\dc0\dc-的三根第一直流母线80。交直流变换电路60的数量为两组。交流负荷模块70具有两个交流负荷端口。两个充电变流器均为dc/dc变流器。
56.交直流多端口配电系统300的具体实施方式如下：
57.10kv交流电压侧为电网电源进线，直接接入工频变压器高压侧，变压器为三相三柱式，其高压侧采用三角形接法，低压侧有两组三相低压绕组，每个三相绕组都采用三相绕组独立；每个三相低压绕组可引出交流220v的出线端以接入交流220v的负荷。同时，2个三相h桥变流器各相输入端分别与两组变压器低压侧出线端相连接，2个三相h桥变流器的直流侧级联在一起，形成
±
375v的dc+\dc0\dc-的三根第一直流母线。可以通过将dc/dc变流器输入侧连接dc+和dc-第一直流母线，变流器输出侧连接电动车，对电动车进行直流充电。也通过将dc/dc变流器输入侧连接dc0和dc+(或dc-)直流母线，输出侧连接电动车，对电动车进行直流充电。如此，可以满足电动车充电的不同需求。另外，通过将dc/dc光伏变流器输入侧连接dc0和dc+(或dc-)第一直流母线，输出侧连接分布式能源(光伏)进行光伏发电，这样的光伏发电系统在该实施例中有两组。此外，通过将dc/dc储能变流器输入侧连接dc0和dc+(或dc-)第一直流母线，输出侧连接分布式储能进行电能储能。再者，可通过将dc/dc母线变流器输入侧连接dc+和dc-第一直流母线，输出侧形成电压为48v的第二直流母线，再通过第二直流母线的出线接入办公必需的it负载，同时为办公必需的多个it负载供电，实现it负载的“即插即用”。
58.《实施例四》
59.本实施例提供一种交直流多端口配电系统400。
60.图6是本实用新型实施例四中交直流多端口配电系统的整体框图。
61.如图6所示，本实施例的系统与实施例一的系统结构基本相同，不同之处在于：本实施例中包括10kv交流电源10、工频变压器20、交直流变换电路60以及交流负荷模块70的数量均设置为两个。并将三相h桥变流器的直流侧连接在一起，形成
±
375v和0v的三个第一直流母线80。
62.交直流多端口配电系统400的具体实施方式如下：
63.10kv交流电压侧为电网电源进线，直接接入工频变压器高压侧，变压器为三相三柱式，其高压侧采用三角形接法，低压侧采用三相独立绕组；变压器低压侧可引出交流220v的出线以接入交流220v的负荷。同时，2组三相h桥变流器各相输入端分别与变压器低压侧出线端相连接，三相h桥变流器的直流侧连接在一起，形成
±
375v和0v的第一直流母线。通过将dc/dc变流器输入侧连接+375v和0v第一直流母线，输出侧连接分布式能源(光伏)进行光伏发电。另外，通过将dc/dc变流器输入侧连接+375v和0v第一直直流母线，输出侧连接电
动车，对电动车进行直流充电。
64.实施例一至四的作用与效果
65.根据上述实施例一至四的面向办公居住园区用的交直流多端口配电系统，通过交流电源、工频变压器、至少一组交直流变换电路、复数个第一直流母线、两个第二直流母线、变流器模块、直流负荷模块以及交流负荷模块，形成一种多电压等级输出的交直流混合配电网系统。该交直流混合配电网系统克服了现有技术中能量变换损耗高、系统成本高、可靠性低、能源就地消纳率低、用电灵活性差的技术问题，本实用新型的交直流混合配电网系统能够有效减少能源浪费、提高用电灵活性。本实用新型通过工频变压器及交直流变换电路实现了交流电源和直流电网的互联，工频变压器高压侧采用三角形接法，低压侧采用三个单相独立绕组，低压侧三个单相绕组相互独立不连接为三相h桥变流器提供相间隔离。该变压器可以采用常见的三相三柱式dy11配电变压器进行改造，在本实用新型中具有电压耦合以及相间隔离的作用，减少了装置成本。
66.另外，上述实施例的交直流多端口配电系统能够给负荷和分布式电源提供灵活的配电。可以同时为不同的交直流电源和交直流负荷直接提供接口，其中变压器的低压侧可以输出交流220v，三相交流输入经过3相h桥变流器在变流器直流侧得到直流375v接口，直流375v经过dc-dc变流器后得到直流48v电压接口。传统的交流负荷可以接入交流220v接口，分布式光伏电源、分布式储能接入到直流375v母线，大功率的直流负荷如电动车、空调也接入直流375v母线，而it负载和照明等直流负荷接入到直流48v实现“即插即用”，且直流48v电压具有本质安全性，没有触电导致的人身伤亡风险。
67.另外，上述实施例的交直流多端口配电系统通过直流的方式接入能源模块和直流负荷模块，能源模块和直流负荷模块通过一级能量变换既可以并网进行能量交换，实现分布式能源的就地消纳，减少电能变换的次数，提升系统的能量利用效率。
68.另外，上述实施例的交直流多端口配电系统的交直流变换电路中采用了三相h桥变流器，其h桥主电路为两电平电路，每个桥臂只有两个电力电子开关器件串联，拓扑结构简单，控制简便，变流器可靠性高。
69.另外，上述实施例的交直流多端口配电系统的三相h桥变流器，采用单极性pwm调制方法，其交流侧输出等效开关频率是器件实际开关频率的两倍，同时交流输出滤波器采用lcl滤波器，可以有效降低对交流电网的谐波污染。
70.上述实施例仅用于举例说明本实用新型的具体实施方式，而本实用新型不限于上述实施例的描述范围。
71.上述实施例的储能单元为锂电池，分布式能源单元为分布式光伏，在其他实施例中储能单元和分布式能源单元还可以为其他种类的电池和分布式电源，储能单元和分布式能源单元的种类不受限制。