基于光储直流微电网的高压直流供电系统及其能量管理方法

1.本发明涉及直流供电技术领域，具体涉及一种基于光储直流微电网的高压直流供电系统及其能量管理方法。


背景技术：

2.随着大数据、5g等智能产业迅速发展，产生数量庞大的数据，处理这些需要建立庞大的数据中心。然而数据中心的能耗问题也是当今的重要关注点。在考虑承载高速信息化发展的基础上，进一步寻求更节能的供电方式是当前数据中心亟待解决的问题。目前数据中心传统-48v直流电源系统是通过交流/直流的转换后为it系统供电，其典型特点采用-48v直流供电，电压等级低，电流大，供电距离短，电压波动小；而 220vups系统是在ac/dc和dc/ac转换后为it系统设备供电，它的典型特点是使用220v 交流供电，电压等级更高，电流更小，供电距离更长。
3.当前使用的ups主机主要为在线的双变换型，当负载率逐渐地提高时，这一开关的转换效率就会和电源的开关达到相似的效果，但是在具体的应用以及再操作当中，往往会受到一些波动，再通常情况下，ups的单机设计的最大的负载率为百分之三十到百分之四十，但随着后端设备的影响，系统通常到达中期以及后期才会达到相应的负载率，如果长期再负载率极低的情况下运行，那么转换效率就会达到百分之八十，还可能会达到更低的水平。ups供电系统的基本架构就是会依靠系统总体的可靠性，同时总体的可靠性会低于单个配件的可靠性，故为了能够解决可靠性不高等问题，需要采用一种能够多机并联的供电模式，解决系统运行成本较高的问题，同时也要解决一些具体的供给以及负载的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于光储直流微电网的高压直流供电系统，集中了ups电源系统的优点，能够降低运行成本、降低能耗；大幅度提高效率、提高供电系统的安全性和可靠性。
5.本发明采取的技术方案为：
6.基于光储直流微电网的高压直流供电系统，该系统包括：光伏发电模块、交流电网、混合储能模块；
7.光伏发电模块通过第一dc/dc变换器连接直流母线l0；
8.交流电网通过双向ac/dc变换器连接直流母线l0；
9.混合储能模块包括蓄电池、超级电容，蓄电池、超级电容分别通过第二dc/dc变换器、第三dc/dc变换器连接直流母线l0，蓄电池采用锂电池。
10.直流母线连接负载。
11.所述光伏发电模块包括多个光伏发电发电单元，多个光伏发电发电单元以并联的形式组成光伏阵列，该光伏阵列通过升压型dc/dc变换器接入336v的直流母线。
12.所述负载包括cpu、硬盘、风扇、空调；
13.直流母线l0通过第四dc/dc变换器连接；
14.直流母线l0通过第五dc/dc变换器连接硬盘；
15.直流母线l0通过第六dc/dc变换器连接风扇；
16.直流母线l0通过dc/ac变换器连接空调。
17.本发明一种基于光储直流微电网的高压直流供电系统及其能量管理方法，技术效果如下：
18.1)大幅度地减少了中间的环节，这样就能够大幅度地减少了能源的损耗，会使工作的效率大幅度的提高，而且本发明供电系统在操作过程中，操作并不困难，还能够并联大量的模块，这也就提高了其他模块的利用率。并且，高压直流电的系统不存在静态的旁路开关，以及一些具体的处理器，这就使主机上的器件减少，使主机的性能大幅度的提高，降低了运行的成本。
19.2)本发明高压直流供电系统，出现系统的故障时，还可以依靠蓄电池组进行再负载情况下的使用，这就能够再技术上大幅度的来提高供电系统的安全性以及可靠性。
20.3)本发明高压直流供电系统由于采用模块化的结构，在具体的操作当中能够使设备的转换效率保持较高水平。
21.4)本发明采用多源供电模式，优先采用可再生能源发电和电网供电，以混合储能模块作为备用，还可与三相交流电网相连，能够大大提升数据中心供电的可靠性。
22.5)将锂电池与超级电容结合作为混合储能模块投入使用，即可以发挥锂电池大容量的优势，也可以最大程度利用超级电容的高功率密度。在微电网负荷发生变动时，混合储能模块将投入工作，首先由超级电容进行快速响应，在短时间内提供高额功率，保证系统电压的稳定，随后由锂电池进行功率支撑，承担全额负荷功率的变动。
附图说明
23.图1为本发明供电系统结构示意图。
24.图2为本发明供电系统能量管理控制示意图。
25.图3(1)为光伏模块控制部分示意图；
26.图3(2)为混合储能控制部分示意图；
27.图3(3)为电网接口控制部分示意图。
28.图4(1)为电网接口单元变换器控制电路示意图；
29.图4(2)为光伏发电模块接口变换器控制电路示意图；
30.图4(3)为混合储能单元变换器控制电路示意图。
具体实施方式
31.高压直流供电是一种基于-48v直流电源系统的新型电源系统，并集中了ups电源系统的优点。并集中了ups电源系统的根据其电压等级分为336v高压直流(highvoltage direct current，hvdc)系统和240v hvdc系统。336v与240v hvdc具有相似的原理，只是在电压等级上有所区别，二者节能效率方面由于336v直流psu(powersupply unit，电源装置)相比240v直流psu少一个整流环节，因此，供电效率更高。但由于336v高压直流电压等级更高，在相同功率情况下，336v hvdc系统运行电流比 240v hvdc低40％左右，因此可节省有色金属用量及能量损耗及机占地面积。
32.如图1所示，基于光储直流微电网的高压直流供电系统，该系统包括：光伏发电模块a、交流电网b、混合储能模块c、负载d。交流电网b、混合储能模块c和光伏发电模块a以及负载d的正极和负极分别共节点，且阳极的共节点为a；阴极极的共节点为 b，共节点电极的电势相同，具体连接方式如下：
33.光伏发电模块a通过第一dc/dc变换器1连接直流母线l0，光伏发电模块a包括多个光伏发电发电单元a，多个光伏发电发电单元a以并联的形式组成光伏阵列，该光伏阵列通过升压型dc/dc变换器接入336v的直流母线。图1中p
pv
表示光伏阵列的能量流动。
34.交流电网b通过双向ac/dc变换器2连接直流母线l0。当光伏发电模块a发电、混合储能模块c储能的能量不能满足负载d的需求时，该双向ac/dc变换器2处于整流模式；当光伏发电模块a发电的能量远远大于负载d的需求时，该双向ac/dc变换器2 处于逆变模式，将多余的能量送入大电网中。p
grid
表示电网与直流母线交换功率。
35.混合储能模块c包括蓄电池3、超级电容4，蓄电池3、超级电容4分别通过第二 dc/dc变换器5、第三dc/dc变换器6连接直流母线l0。这种结构可以更好的控制混合储能模块c，外部的功率需求也可以达到满足。p
bat
、p
sc
分别表示蓄电池、超级电容与直流母线的交换功率。
36.直流母线连接数据中心的负载d，负载d包括cpu、硬盘d1、风扇d2、空调d3；
37.直流母线l0通过第四dc/dc变换器7连接cpu；母线电压首先通过第四dc/dc变换器7将+336v降低至+24v左右，其次通过分压器将至+1.2v左右，给cpu供电。
38.直流母线l0通过第五dc/dc变换器8连接硬盘d1。硬盘d1的供电方式也是通过两级电能变换将+336v降至+12v或者+5v。
39.直流母线l0通过第六dc/dc变换器9连接风扇d2。风扇d2的供电方式是通过第六 dc/dc变换器9将+336v降至+220v左右。
40.直流母线l0通过dc/ac变换器10连接空调d3。空调d3供电供电方式则是通过 dc/ac变换器10将+336v逆变为单相交流220v左右。
41.图1中，#1、#2、#3......#13分别表示功率计量器，便于实时监测各路的电压、电流、以及功率大小。
42.336v直流高压直流供电系统的能量管理方法，如图2所示，它包括光伏发电模块a、交流电网b、混合储能模块c的能量管理方式，各个模块采用合适的控制模式，使直流母线l0电压稳定，协调系统整体能量供电系统的稳定，以及可靠运行。
43.图2中，包括控制模块e，控制模块e包括光伏模块控制部分、混合储能控制部分、电网接口控制部分。光伏模块控制部分、混合储能控制部分、电网接口控制部分示意图分别如图3(1)、图3(2)、图3(3)所示。
44.开关s1～s3都采用滞环控制，防止各个控制部分在不同模式的频繁切换。
45.控制过程：
46.336v直流母线上接入光伏发电模块a、混合储能模块c以及交流电网b，母线电压的大小以及变换趋势可以大致反应系统的能量状况。若直流母线l0电压升高，则系统输入能量大于输出能量；反之系统输入能量小于输出能量。因此可以通过控制母线电压来实现系统能量的平衡。
47.本发明供电系统的能量来源有三个：交流电网b、混合储能模块c(锂电池和超级电
容4)和光伏阵列。直流母线l0电压的稳定需要各个电源部分的协调控制。
48.按照系统在并网和孤岛运行状态、系统负荷需求和混合储能状态，将供电系统分为8 种工作状态：
49.工作模式1：交流电网b发生故障，光伏发电模块a和蓄电池3同时工作不能提供负载d 所需的能量，此时超级电容4工作于恒电压模式，提供稳定直流侧电压所需要的高频功率，快速稳定直流侧电压，蓄电池3进行功率支撑，承担全额负荷的波动；
50.工作模式2：交流电网b正常工作，光伏发电模块a和蓄电池3同时运行不足以提供负载d所需的能量，在此模式下，电网接口单元变换器工作在整流模式下，稳定直流母线 l0电压；光伏发电模块接口变换器工作在最大功率跟踪模式，蓄电池接口单元工作在升压模式或者待机，超级电容储能单元变换器不工作。
51.工作模式3：交流电网b正常工作，光伏发电模块a和蓄电池3同时运行能满足负载d 所需能量，此时电网接口单元变换器工作在限流模式或者不工作；光伏发电模块接口变换器工作在最大功率跟踪模式，蓄电池接口单元工作在升压模式，稳定直流母线l0电压；
52.工作模式4：光伏发电模块a运行足以提供负载d所需能量，多余能量给蓄电池3充电。在该模式下，电网接口单元变换器不工作；光伏发电模块接口变换器工作在最大功率追踪模式，蓄电池接口单元工作在降压模式，稳定直流母线l0电压。为了防止蓄电池3出现过充的现象，此时超级电容4也投入运行；
53.工作模式5：光伏发电模块a运行足以提供负载d所需能量，同时蓄电池3已充满电，剩余能量回馈到交流电网b，在该模式下，电网接口单元变换器运行在逆变模式，稳定直流母线l0电压；光伏发电模块接口变换器工作在mppt模式，蓄电池接口单元限流充电或者待机；
54.工作模式6：交流电网b发生故障，光伏发电模块a运行足以提供负载d所需能量，同时蓄电池3已充满电，在该模式下，电网接口单元变换器不工作；光伏发电模块接口变换器退出mppt模式，稳定直流母线l0电压；蓄电池接口单元、超级电容接口单元不工作；
55.工作模式7：交流电网b发生故障，光伏发电模块a发电不足提供负载d所需能量，光伏发电模块a工作在mppt模式，混合储能模块c工作在放电稳压。
56.工作模式8：交流电网b发生故障，光伏发电模块a发电足以提供负载d所需能量，光伏发电模块a工作在mppt模式，混合储能模块c工作在充电稳压。
57.电网接口单元变换器控制电路示意图如图4(1)所示，电网通过三相降压变压器，经过 rlc并联支路滤波后，由双向ac/dc变换器2接入直流母线l0。
58.光伏发电模块接口变换器控制电路示意图采用的升压斩波电路(boost电路)与直流母线 l0连接，boost电路的结构如图4(2)所示。
59.混合储能单元变换器控制电路示意图如图4(3)所示，本发明中，蓄电池3与超级电容 4都使用buck-boost双向dc/dc变换器，由boost和buck变换器构成，该结构图如图4 (3)所示，开关管s1和s2采用的是全控型绝缘双极晶体管(insulated gate bipolartransistor,igbt),d1和d2续流二极管，u
dc
为直流母线电压，c为输出侧电容，l为储能电感。
60.此外，在各个对电源部分、变换器部分以及负载、母线都安装智能传感器以及功率测量器，能实际监测节点的电压大小和功率大小以及流动方向，通过5g技术将数据上传到云端，便于运行人员的监测与管理。
61.考虑到该系统的复杂性，智能传感器主要为母线、电缆温度监测器，当温度过高时，智能传感器将采集的数据通过无线方式传送给智能终端，系统接收到温度数据分析后，启动告警流程，并通知相关工作人员。智能传感器型号为：hih-3602，具有实时传输温度信息的功能。