黃和平 顧章平 楊劍平

（1.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)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(hù)措施不充分，導(dǎo)致被后來(lái)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(cè)和負(fù)荷側(cè)推動(dòng)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(shè)備直流化和電動(dòng)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(jìn)程的深入發(fā)展和國(guó)家大力發(fā)展縣域分布式光儲(chǔ)能源政策，使直流電網(wǎng)強(qiáng)勢(shì)回歸大電網(wǎng)，目前配電電網(wǎng)進(jìn)入交直流混聯(lián)時(shí)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(fù)荷，將顯著影響系統(tǒng)用電的效率和穩(wěn)定性。如何實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的交直流混聯(lián)解決不同電源，不同負(fù)荷友好接入面臨以下關(guān)鍵技術(shù)難題需要解決。

1）光儲(chǔ)分布式發(fā)電技術(shù)為負(fù)荷提供能量，屬于電力配電系統(tǒng)中的獨(dú)立單元［1］，該技術(shù)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(chǔ)伏分布式發(fā)電產(chǎn)生的諧波對(duì)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(yùn)行較為困難，同時(shí)安裝和運(yùn)行成本較高，其無(wú)序的接入會(huì)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(quán)項(xiàng)的電能的高級(jí)計(jì)量系統(tǒng)，弱電網(wǎng)系統(tǒng)等因素導(dǎo)致分布式電源并網(wǎng)與過(guò)網(wǎng)時(shí)的直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題、低慣性電力電子裝置引發(fā)的直流電壓暫降問(wèn)題、現(xiàn)有雙電源切換不同電路引發(fā)的尖峰電壓電流問(wèn)題，交直流功率轉(zhuǎn)換與耦合及支撐管理、混合母線多模式轉(zhuǎn)換引發(fā)潮流轉(zhuǎn)移等問(wèn)題。

3）分布式光儲(chǔ)市電交直流混聯(lián)在微電網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)就地消納和調(diào)控，車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的友好接入，本地與外地多能互補(bǔ)在能源云互聯(lián)實(shí)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(shù)以文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］為基礎(chǔ)，提出“面向能源云互聯(lián)，光儲(chǔ)市電交直流混聯(lián)計(jì)量型自動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”設(shè)計(jì)方案，克服以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)以不限于電動(dòng)汽車云充電為例的多種能源，多種分布式光儲(chǔ)市電交直流混聯(lián)接入用戶側(cè)和負(fù)荷側(cè)配電系統(tǒng)，構(gòu)建未來(lái)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(chǔ)市電交直流混用方案

面向能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直流混用系統(tǒng)主要由一對(duì)平行布設(shè)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(jī)供電，發(fā)電機(jī)發(fā)電和第二市電為第二組母線供電、多個(gè)光伏逆變組件為第一母線供電、第一母線上接入站用電機(jī)房和多個(gè)儲(chǔ)能組件、儲(chǔ)能組件為多個(gè)直流母線供電、多個(gè)直流母線上接入多組直流充電樁、多組負(fù)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(guò)公共接入點(diǎn)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(guò)通訊線路與對(duì)應(yīng)組的消防柜和通訊控制柜連接；第二組交流母線接入電動(dòng)車的多組的（鋰充機(jī)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(guò)公共接入點(diǎn)，接入?yún)?shù)控制一致的一對(duì)配電變壓器，一對(duì)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(jī)組、第一自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、第二自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、第三自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)電源兼容，可直連380VAC設(shè)備；280 VDC與220VAC驅(qū)動(dòng)電源兼容，可直連220VAC照明等設(shè)備（見(jiàn)圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)淇驁D

如圖2和圖3所示，為了對(duì)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(dòng)／切換限流單元，在起動(dòng)／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(hào)和直流母線負(fù)載，IGCT集電極左端接入在一組供電直流母線上有兩路儲(chǔ)能／直流輸入電源Ⅰ和儲(chǔ)能／直流輸入電源Ⅱ，通過(guò)并聯(lián)的接觸器I和接觸器II，電源Ⅰ電壓采集信號(hào)、電源Ⅱ電壓采集信號(hào)、第一電感L1和第二電感L2。給直流負(fù)載（例如直流控制柜、直流充電樁）供電組成。采集兩個(gè)直流電源的輸出電壓信號(hào)，一對(duì)接觸器狀態(tài)反饋信號(hào)到控制算法電路，控制算法電路產(chǎn)生接觸器控制信號(hào)輸送到限流電路和接觸器控制電路，輸入電流信號(hào)送到限流電路，限流電路產(chǎn)生IGCT控制信號(hào)，到起動(dòng)和切換限流單元，通過(guò)控制IGCT和接觸器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，協(xié)調(diào)抑制起動(dòng)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(cè)站、與交換機(jī)連接的光儲(chǔ)控制管理系統(tǒng)，能源互聯(lián)接入能源管理云平臺(tái)組成（見(jiàn)圖1和圖4）。

圖4 能源網(wǎng)互聯(lián)云平臺(tái)圖

在面向能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直流混用系統(tǒng)的電源、電器的公共接入點(diǎn)儲(chǔ)分別接入能源管理云平臺(tái)中對(duì)應(yīng)層級(jí)能源供應(yīng)、能運(yùn)管理、設(shè)備管理層、能耗分析中所用設(shè)備的線路中，分別接入電力物聯(lián)儀表、網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智慧用電檢測(cè)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(hù)器、基站直流計(jì)量模塊、三相電能表、無(wú)線測(cè)溫傳感器、無(wú)線通訊終端、電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，構(gòu)成能源網(wǎng)互聯(lián)云平臺(tái)。

1.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)部分

1.1.1 電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

交流電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是由并聯(lián)在常用電源進(jìn)線與備用電源進(jìn)線上的，電源模塊和驅(qū)動(dòng)電路的控制模塊及執(zhí)行檢測(cè)開(kāi)關(guān)體，執(zhí)行檢測(cè)開(kāi)關(guān)體通過(guò)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(guò)電源連接線與控制模塊DC／DC變換電路連接，控制模塊通過(guò)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(shí)現(xiàn)智能連接。

圖5 電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的控制器的結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊按電流進(jìn)出方向，依次由常用保護(hù)電路與備用保護(hù)電路接入電源輸入接口，常用保護(hù)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(hù)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(jī)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(jī)；接口J203與繼電器電路串接，繼電器電路串接與單片機(jī)；接口J204與位置檢測(cè)電路串接，位置檢測(cè)電路與單片機(jī)串接；單片機(jī)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(guò)連接線與顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路連接，驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，控制器的電源模塊是由一對(duì)保護(hù)電路＋一對(duì)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(hù)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(diǎn)；在接濾波電容的接點(diǎn)A10上方串接保險(xiǎn)管（防浪涌），保險(xiǎn)管輸出端與變壓器T401及壓敏電阻上端共接A1′接點(diǎn)；共接A1′接點(diǎn)引出線與接口J402A1′接口連接。

圖6 控制器的電源模塊電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)，壓敏電阻起到防過(guò)壓保護(hù)；另一組保護(hù)電路與第一組相同組成，不再描述。保護(hù)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(fù)極端整流輸出直流正極Z14與另一組整流橋負(fù)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(fù)極Z12與另一組整流橋正極端整流輸出直流負(fù)極Z22，共同接地直流電源正極VCC，經(jīng)兩個(gè)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(jī)供電。

1.1.3 控制器的常用（備用）電壓采樣電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用和備用電壓采樣電路結(jié)構(gòu)相同，A1，B1，C1三相結(jié)構(gòu)相同，僅以A1相和中性極N1描述，見(jiàn)圖7。

圖7 控制器的控制模塊的常用電壓采樣電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)，與運(yùn)放U101同相端U3連接，運(yùn)放異相端U101相端U2與運(yùn)放101輸出端U4短接，運(yùn)放正極與直流電源正極VCC連接，運(yùn)放負(fù)極與直流電源地極連接，運(yùn)放輸出端U1向單片機(jī)輸出電壓信號(hào)。

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(yùn)放U101D同相端U5連接，運(yùn)放異相端U101D輸出端與運(yùn)放101D輸出端U4連接，電阻R116輸出端向單片機(jī)輸出電壓信號(hào)。

1.1.4 控制器的通信控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

指示燈和繼電器輸入控制器DO，電壓采樣輸入DI，儲(chǔ)能組件與串行協(xié)議CAN雙向接入，整流器、溫度檢測(cè)、光伏逆變器、空調(diào)、負(fù)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(jiàn)圖8。

圖8 通信示意圖

2 負(fù)載雙向電能表部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電能表是由主電源、儲(chǔ)能電路、第一電池電路和第二電池電路與工作電路組成。儲(chǔ)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(chǔ)能電路不能供電時(shí)供電、第二電池電路是在第一電池電路不能供電時(shí)供電（見(jiàn)圖9）。

圖9 負(fù)載雙向電能表結(jié)構(gòu)圖

控制芯片包括CPU或soc芯片及其外圍電路，時(shí)鐘電路是Rx8025T，抄表電路包括外部存儲(chǔ)器、液晶顯示、紅外收發(fā)電路和計(jì)量芯片。在第一電池電路供電時(shí)，儲(chǔ)能電路通過(guò)主電路充電，三個(gè)供電電路對(duì)供電電能互補(bǔ)，不需要更換電路器件，供電經(jīng)濟(jì)可靠，實(shí)現(xiàn)不斷電運(yùn)行。

2.1 雙電平充電儲(chǔ)能電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙電平充電儲(chǔ)能電路是由第一開(kāi)關(guān)電路121和第二開(kāi)關(guān)電路及儲(chǔ)能電路123組成。當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)電路121電平cr11為高電平時(shí)，三極管V4和三極管V2導(dǎo)通，主電源11為電容C94和電容C101充電；當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)電路121電平cr11為低電平時(shí)，三極管V4和三極管V2關(guān)斷，主電源11停止為電容C94和電容C101充電；設(shè)計(jì)三極管V2和三極管V4的兩級(jí)開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定。當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)電路122電平cr12為高電平時(shí)，三極管V14和三極管V12導(dǎo)通，主電源211為電容C94和電容C101充電；當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)電路122電平cr12為低電平時(shí)，三極管V14和三極管V12關(guān)斷，主電源211停止為電容C94和電容C101充電；通過(guò)三極管V14和三極管V12的兩級(jí)開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定。二極管D31的設(shè)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(guò)濾來(lái)自電容充放電路123的供電電壓抖動(dòng)，提高供電穩(wěn)定性（見(jiàn)圖10）。

圖10 雙電平充電儲(chǔ)能電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 第一電池電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一電池電路由電壓調(diào)整電路132和第三控制開(kāi)關(guān)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(shí)，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(shí)，電壓調(diào)整器U4關(guān)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(dòng)，提高供電穩(wěn)定性。

在主電源11斷電并且儲(chǔ)能電路12不能供電時(shí)使第四控制電平crl4為高電平，三極管V10導(dǎo)通，并且三極管V23導(dǎo)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(shí)，三極管V10關(guān)斷，并且三極管V23關(guān)斷，電壓調(diào)整電路132停止給工作電路211供電。通過(guò)三極管V23和三極管V10的兩級(jí)開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的切換更為穩(wěn)定（見(jiàn)圖11）。

圖11 第一電池電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 第二電池電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二電池電路由電池電壓電路141和第四控制開(kāi)關(guān)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(yáng)極連接主電源11。其中電壓檢測(cè)器U15可以采用HT70系列。在主電源11斷電并且儲(chǔ)能電路12不能供電、第一電池電路13不能供電時(shí)，第一電池電路13和主電源11的供電電壓都低于電壓檢測(cè)器U15的可檢測(cè)電壓VDET（可檢測(cè)電壓VDET是電壓檢測(cè)器U15的參數(shù)），電壓檢測(cè)器U15輸出低電平，場(chǎng)效應(yīng)管V22導(dǎo)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(jiàn)圖12）。

圖12 第二電池電路結(jié)構(gòu)圖

3 光儲(chǔ)市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運(yùn)行

結(jié)合圖1和圖13所示，光儲(chǔ)市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)能充電、儲(chǔ)能放電為直流樁、直流母線供電樁為負(fù)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(chǔ)能整流系統(tǒng)、站用電房、第二交流母線為鋰充機(jī)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(jī)供電，以上兩路電路、交流、直流的自動(dòng)切換、功率的轉(zhuǎn)移均由交流第一到第三轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、直流雙電源轉(zhuǎn)換組成。交流、直流、市電、光伏和儲(chǔ)能的用電均通過(guò)直流電能表和雙向交流表計(jì)量。

圖13 光儲(chǔ)市電交直流混用充電樁系統(tǒng)運(yùn)行圖

4 基于能源云互聯(lián)光儲(chǔ)交直混用新一代能源體系關(guān)鍵新技術(shù)與未來(lái)展望

本文設(shè)計(jì)的“基于能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直混聯(lián)計(jì)量型自動(dòng)轉(zhuǎn)換配電系統(tǒng)”是目前最新采用多個(gè)限流穩(wěn)壓雙電源切換＋直流／交流電能用電分類計(jì)量，替代價(jià)格昂貴開(kāi)關(guān)電源變流的電流變換技術(shù)，是以車聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的多電源，云網(wǎng)上管理光儲(chǔ)交直流混用為電動(dòng)車充電為實(shí)例，說(shuō)明基于能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直混聯(lián)計(jì)量型自動(dòng)轉(zhuǎn)換配電系統(tǒng)是可行的。在此基礎(chǔ)上展望未來(lái)配電網(wǎng)，提出圖14所示先進(jìn)傳感和高級(jí)測(cè)量體系、配電測(cè)儲(chǔ)能技術(shù)、微電網(wǎng)交直流混合配電技術(shù)等10項(xiàng)關(guān)鍵新技術(shù)，構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)圖

以清潔、綠色、高效為原則，以本地資源光儲(chǔ)等優(yōu)先消納，外來(lái)能源優(yōu)化利用為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控技術(shù)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(bǔ)轉(zhuǎn)變。以基于能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直混聯(lián)計(jì)量型自動(dòng)轉(zhuǎn)換配電系統(tǒng)廣泛推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于能源云互聯(lián)的光儲(chǔ)市電交直混聯(lián)計(jì)量型自動(dòng)轉(zhuǎn)換配電系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)光儲(chǔ)有無(wú)電、市電交流、光儲(chǔ)整流后直流屬性，采用限流穩(wěn)壓雙電源實(shí)現(xiàn)電源和功率的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，克服了現(xiàn)有技術(shù)采用功率組件電源變換帶來(lái)的電壓暫降、穩(wěn)定性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車等負(fù)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(wú)擾、不斷電、無(wú)失電、無(wú)沖擊，安全平滑、無(wú)縫自由切換。實(shí)現(xiàn)不同權(quán)項(xiàng)和不同電質(zhì)的用電和發(fā)電供電的有效計(jì)量和接觸器不帶電流閉合和脫開(kāi)，工作可靠，具有良好的應(yīng)用前景。