一种交直流混合供电系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种交直流混合供电系统和方法。所述系统包括变流器C1、C2、C3、C4和C5，二极管D1、D2和D3，智能控制开关S1、S2、S3和直流母线。以优先利用本地DG为原则，采用基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略，根据直流母线电压信号的状态自动控制三相交流电网、本地DG和本地储能的智能控制开关S1、S2和S3，实现对三相交流电网、本地DG、本地储能和负荷用电之间供需功率平衡的有效调控。该方法对传统交流系统有很好的兼容性，避免了本地DG以交流形式并网的交流稳定、电压和频率同步、无功功率等问题，可实现对本地负荷的连续、高可靠性供电，减小对用户侧电能质量的影响，提高本地DG的能源利用效率，具有良好的环境友好性。
【专利说明】
一种交直流混合供电系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力系统运行与控制领域，特别是涉及适用于包含分布式发电系统的交直流混合供电方法。
【背景技术】
[0002]电力电子技术、信息技术以及变频技术的应用，使得城市配电网中诸如电动汽车、信息设备、半导体照明系统等的直流负荷日益增多。很多现有用电设备如电脑、电视机以及电子通信设备等本质为直流负荷，需通过配置电源适配器进行交流供电，不仅造成了能量损耗，也增加了设备制造成本。此外，柴油发电机、风力发电机等电能输出形式为交流，而光伏、燃料发电等分布式电源的电能输出形式为直流。在传统交流供配电系统中，对负荷的供电需经过多重转换，造成了大量转换损耗，同时也增加了系统结构和控制的复杂性。
[0003]直流供电由于不存在频率、相位和无功功率控制等问题，可方便接入直流性质的负荷和分布式电源，与交流供电相比，效率得到了提升。但是，仍需多重AC/DC、DC/AC功率转换才能实现交流分布式电源的并网和对交流负荷的供电，不仅造成了额外的能量损耗，同时也增加了设备复杂性和制造成本。
[0004]考虑分布式电源的发电特性和负荷发展，结合交流供电和直流供电各自优点的交直流供电方式开始受到国内外的重视。目前提出的交直流混合供电系统中交、直流母线共存，交、直流分布式电源和负荷分别连接于交、直流母线，系统通过交流母线并网，在对交、直流侧分别进行控制时，还需考虑交、直流侧之间的功率平衡关系，系统结构和控制复杂。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种交直流混合供电系统和方法。该方法对传统的交流系统有很好的兼容性，避免了本地分布式发电(D i s t r i b u t e dGenerat1n，DG)以交流形式并网的交流稳定、电压和频率同步、无功功率等问题，可实现对本地负荷的连续、高可靠稳定供电，减小对用户侧电能质量的影响，提高本地DG的能源利用效率，具有更好的环境友好性。
[0006]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0007]—种交直流混合供电系统，包括DC/DC变流器C^AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器C5，二极管D1、二极管02和二极管D3，智能控制开关S1、智能控制开关S2、智能控制开关S3和直流母线；
[0008]AC/DC变流器C2和智能控制开关5!串联组成支路I，二极管D3、DC/DC变流器C1、二极管02和智能控制开关52串联组成支路Π，DC/AC变流器C3所在支路为支路m，DC/DC变流器C4所在支路为支路IV，DC/DC变流器(:5和智能控制开关S3串联组成支路V ;
[0009]支路I与支路π并联于连接点P点，支路m、支路IV和支路V并联于公共连接点PCC点;连接点P点与二极管0工的阳极连接，公共连接点PCC点与二极管0工的阴极连接。
[0010]在上述方案的基础上，所述支路I中，AC/DC变流器C2的输入端与三相交流电网连接，AC/DC变流器C2的输出端与连接点P点之间设有智能控制开关Si。
[0011 ]在上述方案的基础上，所述支路Π中，二极管D3的阳极与本地DG连接，二极管D3的阴极与DC/DC变流器C1的输入端连接，DC/DC变流器C1的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管02的阴极与连接点P点之间设有智能控制开关S2。
[0012]在上述方案的基础上，所述支路m中，DC/AC变流器C3的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/AC变流器C3的输出端与交流负荷连接。
[0013]在上述方案的基础上，所述支路IV中，DC/DC变流器C4的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/DC变流器C4的输出端与直流负荷连接。
[0014]在上述方案的基础上，所述支路V中，DC/DC变流器C5的一端与公共连接点PCC点之间设有智能控制开关S3，DC/DC变流器C5的另一端与本地储能连接。
[0015]在上述方案的基础上，所述DC/DC变流器C1、AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器C5分别用于本地DG、三相交流电网、交流负荷、直流负荷和本地储能的直流整合。
[0016]在上述方案的基础上，所述二极管D1、二极管出和二极管D3用于实现三相交流电网和本地DG向交流负荷、直流负荷和本地储能供电的单向功率流，避免反向潮流现象。
[0017]在上述方案的基础上，所述智能控制开关S1和智能控制开关32分别用于控制三相交流电网和本地DG是否向交流负荷和直流负荷供电，S3用于控制本地储能是否充放电。
[0018]在上述方案的基础上，所述直流母线基于直流技术整合本地DG、本地储能和三相交流电网，以交、直流混合方式向交流负荷、直流负荷供电。
[0019]—种交直流混合供电方法，包括以下步骤:
[0020]以优先利用本地DG为原则，采用基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略，根据直流母线电压信号的状态自动控制三相交流电网、本地DG、本地储能的智能控制开关S1、智能控制开关SdP智能控制开关S3，实现对三相交流电网、本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷之间供需功率平衡的有效调控。
[0021]在上述方案的基础上，所述基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略具体如下:
[0022 ] 设定直流母线电压临界值Ulciwl、Ulow2、Uhignl和Uhign2 ；
[0023]I)当Ui—OJpccOJhigni时为正常波动，Pdg = Pi—dc+Pi—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，本地储能处于待机状态，智能控制开关SdP智能控制开关S3断开，智能控制开关S2闭合；
[0024]2)当Ui?2〈UPCC < Uiciwl时为小幅度波动，PDG〈Pi—DC+Pi—Ac，短缺功率由本地储能提供，gpPDG+Ps=Pl—DC+Pl—AC，智能控制开关&断开，智能控制开关&和智能控制开关S3闭合，本地储能处于放电状态；
[0025]3)当UPCd Ui?2时为大幅度波动，PDG〈Pi—DC+Pi—AC，短缺功率由三相交流电网提供，PWPgrid = P1-Dc+Pi—AC，智能控制开关SjP智能控制开关S2闭合，智能控制开关S3断开，本地储能处于待机状态；
[0026]4)当Uhignl < UpCC〈Uhign2时为小幅度波动，Pdg>Pi—DC+Pl—AC，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，多余功率由本地储能吸收，智能控制开关Si断开，智能控制开关S2和智能控制开关S3闭合;本地储能处于充电状态，达到荷电状态时，待机，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率；
[0027]5)当Upcc > Uhign2时为大幅度波动，Pdg>Pi—dc+Pi—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，智能控制开关&断开，智能控制开关S2闭合，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率;或者，闭合智能控制开关S1，将多余功率馈送到三相交流电网；
[0028]6)当本地DG、三相交流电网、本地储能都无法满足交流负荷和直流负荷需求时，采取负荷切除策略，以保障对敏感性或重要负荷的不间断供电；
[0029]7)完全由本地DG向交流负荷和直流负荷供电时，本地子系统满足自主运行条件，实现离网运行，即完全的自主运行；
[0030]其中，Uic^Uhignl*别为正常波动时的直流母线电压上、下限值;Ui?2、Uhign:^别为小波动时的直流母线电压上、下限值;Upcc为公共连接点的直流母线电压值;Pdg为本地DG的发电功率;Pgrid为三相交流电网的发电功率;Pi—DC为直流负荷功率;Pi—AC为交流负荷功率;Ps为本地储能的充放电功率，充电时为负值，放电时为正值。
[0031 ]在上述方案的基础上，所述本地子系统包括本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷。
[0032]在上述方案的基础上，所述自主运行条件为:本地子系统具有电压、频率支撑单元，且确保本地DG发电功率与交流负荷和直流负荷需求之间的功率平衡，即PDG = Pi—DC+
Pi—ACo
[0033]本发明所述的交直流混合供电方法，对传统交流系统有很好的兼容性，避免了本地DG以交流形式并网的交流稳定、电压和频率同步、无功功率等问题，可实现对本地负荷的连续、高可靠性供电，减小了对用户侧电能质量的影响，极大地提高了本地DG的能源利用效率，具有更好的环境友好性。
【附图说明】
[0034]本发明有如下附图:
[0035]图1交直流混合供电系统示意图。
[0036]图2基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略示意图。
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0038]一种交直流混合供电系统，包括DC/DC变流器C^AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器C5，二极管D1、二极管02和二极管D3，智能控制开关S1、智能控制开关S2、智能控制开关S3和直流母线；
[0039]AC/DC变流器C2和智能控制开关5!串联组成支路I，二极管D3、DC/DC变流器C1、二极管02和智能控制开关52串联组成支路Π，DC/AC变流器C3所在支路为支路m，DC/DC变流器C4所在支路为支路IV，DC/DC变流器(:5和智能控制开关S3串联组成支路V ;
[0040]支路I与支路π并联于连接点P点，支路m、支路IV和支路V并联于公共连接点PCC点;连接点P点与二极管阳极连接，公共连接点PCC点与二极管阴极连接。
[0041]在上述方案的基础上，所述支路I中，AC/DC变流器C2的输入端与三相交流电网连接，AC/DC变流器C2的输出端与连接点P点之间设有智能控制开关Si。
[0042]在上述方案的基础上，所述支路Π中，二极管D3的阳极与本地DG连接，二极管D3的阴极与DC/DC变流器C1的输入端连接，DC/DC变流器C1的输出端与二极管D2的阳极连接，二极管02的阴极与连接点P点之间设有智能控制开关S2。
[0043]在上述方案的基础上，所述支路ΙΠ中，DC/AC变流器C3的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/AC变流器C3的输出端与交流负荷连接。
[0044]在上述方案的基础上，所述支路IV中，DC/DC变流器C4的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/DC变流器C4的输出端与直流负荷连接。
[0045]在上述方案的基础上，所述支路V中，DC/DC变流器C5的一端与公共连接点PCC点之间设有智能控制开关S3，DC/DC变流器C5的另一端与本地储能连接。
[0046]在上述方案的基础上，所述DC/DC变流器C^AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器C5分别用于本地DG、三相交流电网、交流负荷、直流负荷和本地储能的直流整合。
[0047]在上述方案的基础上，所述二极管D1、二极管出和二极管D3用于实现三相交流电网和本地DG向交流负荷、直流负荷和本地储能供电的单向功率流，避免反向潮流现象。
[0048]在上述方案的基础上，所述智能控制开关S1和智能控制开关32分别用于控制三相交流电网和本地DG是否向交流负荷和直流负荷供电，S3用于控制本地储能是否充放电。
[0049]在上述方案的基础上，所述直流母线基于直流技术整合本地DG、本地储能和三相交流电网，以交、直流混合方式向交流负荷、直流负荷供电。
[0050]—种交直流混合供电方法，包括以下步骤:
[0051]以优先利用本地DG为原则，采用基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略，根据直流母线电压信号的状态自动控制三相交流电网、本地DG、本地储能的智能控制开关S1、智能控制开关SdP智能控制开关S3，实现对三相交流电网、本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷之间供需功率平衡的有效调控。
[0052]在上述方案的基础上，所述基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略具体如下:
[0053 ] 设定直流母线电压临界值Ulciwl、Ulow2、Uhignl和Uhign2 ；
[0054]I)当Ui—OJpccOJhigni时为正常波动，Pdg = Pi—dc+Pi—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，本地储能处于待机状态，智能控制开关SdP智能控制开关S3断开，智能控制开关S2闭合；
[0055]2)当Ui?2〈UPCC < Uiciwl时为小幅度波动，PDG〈Pi—DC+Pi—Ac，短缺功率由本地储能提供，gpPDG+Ps=Pl—DC+Pl—AC，智能控制开关&断开，智能控制开关&和智能控制开关S3闭合，本地储能处于放电状态；
[0056]3)当Upcc < Uiciw2时为大幅度波动，PDG〈Pi—DC+Pi—AC，短缺功率由三相交流电网提供，PWPgrid = P1-Dc+Pi—AC，智能控制开关SjP智能控制开关S2闭合，智能控制开关S3断开，本地储能处于待机状态；
[0057]4)当Uhignl < UpCC〈Uhign2时为小幅度波动，Pdg>Pi—DC+Pl—AC，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，多余功率由本地储能吸收，智能控制开关Si断开，智能控制开关S2和智能控制开关S3闭合;本地储能处于充电状态，达到荷电状态时，待机，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率；
[0058]5)当Upcc > Uhign2时为大幅度波动，Pdg>Pi—dc+Pi—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，智能控制开关&断开，智能控制开关S2闭合，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率;或者，闭合智能控制开关S1，将多余功率馈送到三相交流电网；
[0059]6)当本地DG、三相交流电网、本地储能都无法满足交流负荷和直流负荷需求时，采取负荷切除策略，以保障对敏感性或重要负荷的不间断供电；
[0060]7)完全由本地DG向交流负荷和直流负荷供电时，本地子系统满足自主运行条件，实现离网运行，即完全的自主运行；
[0061 ] 其中，Ulowl、Uhignl分别为正常波动时的直流母线电压上、下限值;Ulow2、Uhign2分别为小波动时的直流母线电压上、下限值;Upcc为公共连接点的直流母线电压值;Pdg为本地DG的发电功率;Pgrid为三相交流电网的发电功率;Pi—DC为直流负荷功率;Pi—AC为交流负荷功率;Ps为本地储能的充放电功率，充电时为负值，放电时为正值。
[0062]在上述方案的基础上，所述本地子系统包括本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷。
[0063]在上述方案的基础上，所述自主运行条件为:本地子系统具有电压、频率支撑单元，且确保本地DG发电功率与交流负荷和直流负荷需求之间的功率平衡，即PDG = Pi—DC+
Pi—AC。
[0064]以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或装饰，均落在本发明的保护范围内。
[0065]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种交直流混合供电系统，其特征在于:包括DC/DC变流器C1、AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器C5，二极管D1、二极管02和二极管D3,智能控制开关S1、智能控制开关S2、智能控制开关S3和直流母线； AC/DC变流器C2和智能控制开串联组成支路I，二极管D3、DC/DC变流器C1、二极管D2和智能控制开关32串联组成支路Π，DC/AC变流器C3所在支路为支路ΙΠ，DC/DC变流器C4所在支路为支路IV，DC/DC变流器(:5和智能控制开关S3串联组成支路V; 支路I与支路Π并联于连接点P点，支路m、支路IV和支路V并联于公共连接点PCC点；连接点P点与二极管0:的阳极连接，公共连接点PCC点与二极管阴极连接。2.如权利要求1所述的交直流混合供电系统，所述支路I中，AC/DC变流器C2的输入端与三相交流电网连接，AC/DC变流器C2的输出端与连接点P点之间设有智能控制开关S1; 所述支路Π中，二极管D3的阳极与本地DG连接，二极管D3的阴极与DC/DC变流器C1的输入端连接，DC/DC变流器C1的输出端与二极管02的阳极连接，二极管02的阴极与连接点P点之间设有智能控制开关S2; 所述支路m中，DC/AC变流器C3的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/AC变流器C3的输出端与交流负荷连接； 所述支路IV中，DC/DC变流器C4的输入端与公共连接点PCC点连接，DC/DC变流器C4的输出端与直流负荷连接； 所述支路V中，DC/DC变流器C5的一端与公共连接点PCC点之间设有智能控制开关S3，DC/DC变流器(:5的另一端与本地储能连接。3.如权利要求1所述的交直流混合供电系统，所述DC/DC变流器C^AC/DC变流器C2、DC/AC变流器C3、DC/DC变流器C4和DC/DC变流器(:5分别用于本地DG、三相交流电网、交流负荷、直流负荷和本地储能的直流整合。4.如权利要求1所述的交直流混合供电系统，所述二极管D1、二极管DdP二极管D3用于实现三相交流电网和本地DG向交流负荷、直流负荷和本地储能供电的单向功率流，避免反向潮流现象。5.如权利要求1所述的交直流混合供电系统，所述智能控制开关SjP智能控制开关S2分别用于控制三相交流电网和本地DG是否向交流负荷和直流负荷供电，S3用于控制本地储能是否充放电。6.如权利要求1所述的交直流混合供电系统，所述直流母线基于直流技术整合本地DG、本地储能和三相交流电网，以交、直流混合方式向交流负荷、直流负荷供电。7.—种交直流混合供电方法，应用权利要求1 - 6任一权利要求所述的交直流混合供电系统，其特征在于包括以下步骤: 以优先利用本地DG为原则，采用基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略，根据直流母线电压信号的状态自动控制三相交流电网、本地DG、本地储能的智能控制开关S1、智能控制开关S4P智能控制开关S3，实现对三相交流电网、本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷之间供需功率平衡的有效调控。8.如权利要求7所述的交直流混合供电方法，所述基于直流母线电压信号的自适应功率控制策略具体如下: 设定直流母线电压临界值Ulowl、Ulow2、Uhignl、Uhign2 ； 1)当Ul。wl〈UPCC〈Uhignl时为正常波动，PDG= Pl—Dc+Pl—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，本地储能处于待机状态，智能控制开关SjP智能控制开关S3断开，智能控制开关S2闭合； 2)当Ui?2〈UPCC< Uiciwl时为小幅度波动，PDG〈Pi—dc+Pi—ac，短缺功率由本地储能提供，即Pdg+Ps = Pi—dc+Pi—AC，智能控制开关Si断开，智能控制开关S2和智能控制开关S3闭合，本地储能处于放电状态； 3)当Upcc< Ui?2时为大幅度波动，Pdg〈Pi—dc+Pi—Ac，短缺功率由三相交流电网提供，Pdg+Pgrid = Pl—DC+Pl—AC，智能控制开关Si和智能控制开关S2闭合，智能控制开关S3断开，本地储能处于待机状态； 4)当Uhignl< UpCC〈Uhign2时为小幅度波动，PDG>Pl—DC+Pl—AC，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，多余功率由本地储能吸收，智能控制开断开，智能控制开关S2和智能控制开关S3闭合;本地储能处于充电状态，达到荷电状态时，待机，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率； 5)当Upcc> Uhign2时为大幅度波动，Pdg>Pi—dc+Pi—Ac，由本地DG向交流负荷和直流负荷供电，智能控制开断开，智能控制开关S2闭合，采用功率削减策略，减少本地DG的发电功率;或者，闭合智能控制开关S1，将多余功率馈送到三相交流电网； 6)当本地DG、三相交流电网、本地储能都无法满足交流负荷和直流负荷需求时，采取负荷切除策略，以保障对敏感性或重要负荷的不间断供电； 7)完全由本地DG向交流负荷和直流负荷供电时，本地子系统满足自主运行条件，实现离网运行，即完全的自主运行； 其中，1]1。》1、1]一1分别为正常波动时的直流母线电压上、下限值;111。》2、1^112分别为小波动时的直流母线电压上、下限值;Upcc为公共连接点的直流母线电压值;Pdg为本地DG的发电功率;Pgrid为三相交流电网的发电功率;P1dc为直流负荷功率;Piac为交流负荷功率;Ps为本地储能的充放电功率，充电时为负值，放电时为正值。9.如权利要求8所述的交直流混合供电方法，所述本地子系统包括本地DG、本地储能、交流负荷和直流负荷。10.如权利要求8所述的交直流混合供电方法，所述自主运行条件为:本地子系统具有电压、频率支撑单元，且确保本地DG发电功率与交流负荷和直流负荷需求之间的功率平衡，使 Pdg = Pi—dc+Pi—AC。
【文档编号】H02J3/38GK105846465SQ201610318687
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】叶林, 苗丽芳, 滕景竹, 赵永宁
【申请人】中国农业大学