基于能源云互联的光储市电交直混联计量型自动转换配电系统的设计

黄和平 顾章平 杨剑平

（1.浙江正泰仪器仪表有限责任公司 2.上海正泰电源系统有限公司）

0 引言

直流电网由于输送距离短，变压不方便，保护措施不充分，导致被后来的交流电网替代。随着可再生能源大规模利用作为世界能源的主要发展方向，电源侧和负荷侧推动分布式新能源的大量推广，电力电子电能变换效率和可靠性的提高，电器设备直流化和电动汽车的使用，直流电网的稳定性、充放电方便与接入性，线损优于交流电网，及随着双碳进程的深入发展和国家大力发展县域分布式光储能源政策，使直流电网强势回归大电网，目前配电电网进入交直流混联时代。

高效率、高可靠性地接纳大规模直流型分布式电源成为挑战，如何管理和有效兼容这些交直流异质负荷，将显著影响系统用电的效率和稳定性。如何实现微电网中的交直流混联解决不同电源，不同负荷友好接入面临以下关键技术难题需要解决。

1）光储分布式发电技术为负荷提供能量，属于电力配电系统中的独立单元［1］，该技术可提高电力系统的灵活性和可靠性，降低配电网损耗［2］。但现有的光储伏分布式发电产生的谐波对电网的污染，其与电网间的频率、电压不兼容，协调运行较为困难，同时安装和运行成本较高，其无序的接入会降低市电网的质量［3］。

2）市电交直流混联面临缺少交流与直流不同质和不同权项的电能的高级计量系统，弱电网系统等因素导致分布式电源并网与过网时的直流配电网的稳定性问题、低惯性电力电子装置引发的直流电压暂降问题、现有双电源切换不同电路引发的尖峰电压电流问题，交直流功率转换与耦合及支撑管理、混合母线多模式转换引发潮流转移等问题。

3）分布式光储市电交直流混联在微电网下实现就地消纳和调控，车联网实现电动车的友好接入，本地与外地多能互补在能源云互联实现多种分布式的自制管理和综合能源的优化。

本文光伏逆变技术以文献［4］和文献［5］为基础，提出“面向能源云互联，光储市电交直流混联计量型自动转换系统”设计方案，克服以上问题，实现以不限于电动汽车云充电为例的多种能源，多种分布式光储市电交直流混联接入用户侧和负荷侧配电系统，构建未来新型分布式智能能源云配电综合系统。

1 面向能源云互联的光储市电交直流混用方案

面向能源云互联的光储市电交直流混用系统主要由一对平行布设的交流市电为第一组交流母线供电、第二市电或光伏为发电机供电，发电机发电和第二市电为第二组母线供电、多个光伏逆变组件为第一母线供电、第一母线上接入站用电机房和多个储能组件、储能组件为多个直流母线供电、多个直流母线上接入多组直流充电桩、多组负载直流配电柜、多组通讯控制柜和多组消防柜。所有电器通过公共接入点接入市电线路、第一组交流母线、第二组交流母线、多组直流母线，并通过通讯线路与对应组的消防柜和通讯控制柜连接；第二组交流母线接入电动车的多组的（锂充机和交流桩）、n＋1组的交流控制柜和多组的通讯柜。

第一市电与第二市电通过公共接入点，接入参数控制一致的一对配电变压器，一对配电变压器由通讯控制柜控制，为第一组母线、第二组母线、发电机组、第一自动转换开关、第二自动转换开关、第三自动转换开关提供与直流母线组等值的供电电压。直流配电供电电压±280V，线电压560V。560VDC与380VAC驱动电源兼容，可直连380VAC设备；280 VDC与220VAC驱动电源兼容，可直连220VAC照明等设备（见图1）。

图1 系统结构拓扑框图

如图2和图3所示，为了对策直流母线双电电源智能切换供电，二极管D1和并联电阻R1，串接电容C2和并接电容C1，电容C2和并接电容C1接在新型三极管IGCT集电极和发射极两端，接在第一直流母线组成电压尖峰吸收电路，在电压尖峰吸收电路中间并联在第一直流母线上的新型三极管IGCT组成起动／切换限流单元，在起动／切换限流单元输出端，IGCT发射极右端接入输入电流采集信号和直流母线负载，IGCT集电极左端接入在一组供电直流母线上有两路储能／直流输入电源Ⅰ和储能／直流输入电源Ⅱ，通过并联的接触器I和接触器II，电源Ⅰ电压采集信号、电源Ⅱ电压采集信号、第一电感L1和第二电感L2。给直流负载（例如直流控制柜、直流充电桩）供电组成。采集两个直流电源的输出电压信号，一对接触器状态反馈信号到控制算法电路，控制算法电路产生接触器控制信号输送到限流电路和接触器控制电路，输入电流信号送到限流电路，限流电路产生IGCT控制信号，到起动和切换限流单元，通过控制IGCT和接触器的开关动作，协调抑制起动和切换电源产生的冲击电流。

图2 直流母线供电电容限流稳压电路图

图3 直流母线供电电容限流稳压电路控制算法图

市电交直流混联云互联是由与消防柜和通讯控制柜连接的操作工作站、工程师站、环境与消防探测站、与交换机连接的光储控制管理系统，能源互联接入能源管理云平台组成（见图1和图4）。

图4 能源网互联云平台图

在面向能源云互联的光储市电交直流混用系统的电源、电器的公共接入点储分别接入能源管理云平台中对应层级能源供应、能运管理、设备管理层、能耗分析中所用设备的线路中，分别接入电力物联仪表、网络电力仪表、智慧用电检测装置、智慧用电监控装置、多用户电能表、电气防火限流式保护器、基站直流计量模块、三相电能表、无线测温传感器、无线通讯终端、电气火灾监控探测器，数据网关等设备，构成能源网互联云平台。

1.1 自动转换开关部分

1.1.1 电源自动转换开关的控制器的结构设计

交流电源自动转换开关是由并联在常用电源进线与备用电源进线上的，电源模块和驱动电路的控制模块及执行检测开关体，执行检测开关体通过执行连接线与控制模块的接口J203和接口J204串接；电源模块通过电源连接线与控制模块DC／DC变换电路连接，控制模块通过连接线与显示模块连接；通讯电路将显示模块、电源模块与控制模块实现智能连接。

图5 电源自动转换开关的控制器的结构框图

电源模块按电流进出方向，依次由常用保护电路与备用保护电路接入电源输入接口，常用保护电路与变压器T401串连，变压器T401与整流及指示电路串接；备用保护电路与变压器T402串连，变压器T401与整流及指示电路串接；整流及指示电路与电源输出接口串接，电源连接线把电源输出接口与控制模块接口串接。

控制模块常用采集线与备用采集线分别与接口J201和接口J202串接，接口J201与常用电压采集电路串接，常用电压采集电路串接与单片机串接；接口J202与备用电压采集电路串接，备用电压采集电路串接与单片机；接口J203与继电器电路串接，继电器电路串接与单片机；接口J204与位置检测电路串接，位置检测电路与单片机串接；单片机输出与交互接口和通讯电路连接；交互接口和通讯电路通过连接线与显示模块的驱动电路连接，驱动电路分别与显示屏和按键电路连接组成。

1.1.2 控制器的电源模块的电路结构设计

如图6所示，控制器的电源模块是由一对保护电路＋一对降压器＋整流＋指示电路组成；接口A1与接口N1与共膜扼流线圈A1和共膜扼流线圈N1连接（具有EMC保护作用），供膜扼流线圈A1与供膜扼流线圈N1中间联接滤波电容，滤波电容另一端与共膜扼流线圈N1共接N10接点；在接滤波电容的接点A10上方串接保险管（防浪涌），保险管输出端与变压器T401及压敏电阻上端共接A1′接点；共接A1′接点引出线与接口J402A1′接口连接。

图6 控制器的电源模块电路结构图

压敏电阻下端与变压器下端及共膜扼流线圈N1输出端共接N1′接点，压敏电阻起到防过压保护；另一组保护电路与第一组相同组成，不再描述。保护电路把交流变为直流，经变压器T401降压，输入到整流桥交流端Z11和交流端Z13，负极端整流输出直流正极Z14与另一组整流桥负极端整流输出直流正极Z24，共同接直流电源地极；正极端整流输出直流负极Z12与另一组整流桥正极端整流输出直流负极Z22，共同接地直流电源正极VCC，经两个整流桥整流后，与并联的滤波电容经滤波后，输出直流电到接口J403；电阻R401和发光二极管H401组成直流电源地极。电源模块将交流电经降压整流输出到接口J403，为控制电路DC／DC变换电路提供直流电。DC／DC变换电路为单片机供电。

1.1.3 控制器的常用（备用）电压采样电路结构设计

常用和备用电压采样电路结构相同，A1，B1，C1三相结构相同，仅以A1相和中性极N1描述，见图7。

图7 控制器的控制模块的常用电压采样电路结构图（备用）

常用电压采样电路由分压电阻R1，并联电容C101（电容C101接地）与电阻R110节点，与运放U101同相端U3连接，运放异相端U101相端U2与运放101输出端U4短接，运放正极与直流电源正极VCC连接，运放负极与直流电源地极连接，运放输出端U1向单片机输出电压信号。

中性线电压采样电路由分压电阻R1，光耦U102，并联电容C105、电容C104、电容C106，与电阻R117、电阻R118，电阻R116连接；运放U101D同相端U5连接，运放异相端U101D输出端与运放101D输出端U4连接，电阻R116输出端向单片机输出电压信号。

1.1.4 控制器的通信控制器结构的设计

指示灯和继电器输入控制器DO，电压采样输入DI，储能组件与串行协议CAN双向接入，整流器、温度检测、光伏逆变器、空调、负载双向电表与RS485协议双向接入，显示器与RS232协议双向接入，见图8。

图8 通信示意图

2 负载双向电能表部分结构设计

该电能表是由主电源、储能电路、第一电池电路和第二电池电路与工作电路组成。储能电路在主电源断电后供电，第一电池电路是在主电源与储能电路不能供电时供电、第二电池电路是在第一电池电路不能供电时供电（见图9）。

图9 负载双向电能表结构图

控制芯片包括CPU或soc芯片及其外围电路，时钟电路是Rx8025T，抄表电路包括外部存储器、液晶显示、红外收发电路和计量芯片。在第一电池电路供电时，储能电路通过主电路充电，三个供电电路对供电电能互补，不需要更换电路器件，供电经济可靠，实现不断电运行。

2.1 双电平充电储能电路结构设计

双电平充电储能电路是由第一开关电路121和第二开关电路及储能电路123组成。当第一开关电路121电平cr11为高电平时，三极管V4和三极管V2导通，主电源11为电容C94和电容C101充电；当第一开关电路121电平cr11为低电平时，三极管V4和三极管V2关断，主电源11停止为电容C94和电容C101充电；设计三极管V2和三极管V4的两级开关控制结构，使得导通和关断状态的切换更为稳定。当第二开关电路122电平cr12为高电平时，三极管V14和三极管V12导通，主电源211为电容C94和电容C101充电；当第二开关电路122电平cr12为低电平时，三极管V14和三极管V12关断，主电源211停止为电容C94和电容C101充电；通过三极管V14和三极管V12的两级开关控制结构，使得导通和关断状态的切换更为稳定。二极管D31的设置可以防止工作电路211的电流倒灌，提高电路可靠性。电容C102可以过滤来自电容充放电路123的供电电压抖动，提高供电稳定性（见图10）。

图10 双电平充电储能电路拓扑结构图

2.2 第一电池电路结构设计

第一电池电路由电压调整电路132和第三控制开关电路131组成；电压调整器U4可以采用XC6413／14系列。第三控制电平crl3为高电平时，电压调整器U4正常工作，输出可靠电源为电池G2充电；第三控制电平crl3为低电平时，电压调整器U4关闭，停止输出电源为电池G2充电。由于电容C61并联在电压调整器U4的输出端OUT和接地端GND之间，这样可以滤除电压调整器U4输出电源电压的波动，提高供电稳定性。

在主电源11断电并且储能电路12不能供电时使第四控制电平crl4为高电平，三极管V10导通，并且三极管V23导通，电压调整电路132给工作电路211供电；第四控制电平crl4为低电平时，三极管V10关断，并且三极管V23关断，电压调整电路132停止给工作电路211供电。通过三极管V23和三极管V10的两级开关控制结构，使得导通和关断状态的切换更为稳定（见图11）。

图11 第一电池电路结构图

2.3 第二电池电路结构设计

第二电池电路由电池电压电路141和第四控制开关电路142组成；具体地是连接第一电池电路13的电压调整电路132的电压调整器U4的输出端OUT，二极管D34阳极连接主电源11。其中电压检测器U15可以采用HT70系列。在主电源11断电并且储能电路12不能供电、第一电池电路13不能供电时，第一电池电路13和主电源11的供电电压都低于电压检测器U15的可检测电压VDET（可检测电压VDET是电压检测器U15的参数），电压检测器U15输出低电平，场效应管V22导通，电池G1给工作电路211供电，从而提高电能表供电可靠性（见图12）。

图12 第二电池电路结构图

3 光储市电交直流混用充电桩系统运行

结合图1和图13所示，光储市电交直流混用充电桩系统运行，按光伏发电和光伏不发电分，市电第一交流母线、第二交流母线、光伏余电并网、光伏逆变后整流成直流送往直流母线供电和储能充电、储能放电为直流桩、直流母线供电桩为负载直流柜、消防柜供电、第一交流母线接入光伏逆变系统、电池储能整流系统、站用电房、第二交流母线为锂充机和交流充电桩、交流柜、通讯柜供电；第一市电和第二市电为第一交流母线和第二交流母线供电、光伏逆变电和第一市电和第二市电为发电机供电，以上两路电路、交流、直流的自动切换、功率的转移均由交流第一到第三转换开关、直流双电源转换组成。交流、直流、市电、光伏和储能的用电均通过直流电能表和双向交流表计量。

图13 光储市电交直流混用充电桩系统运行图

4 基于能源云互联光储交直混用新一代能源体系关键新技术与未来展望

本文设计的“基于能源云互联的光储市电交直混联计量型自动转换配电系统”是目前最新采用多个限流稳压双电源切换＋直流／交流电能用电分类计量，替代价格昂贵开关电源变流的电流变换技术，是以车联网驱动的多电源，云网上管理光储交直流混用为电动车充电为实例，说明基于能源云互联的光储市电交直混联计量型自动转换配电系统是可行的。在此基础上展望未来配电网，提出图14所示先进传感和高级测量体系、配电测储能技术、微电网交直流混合配电技术等10项关键新技术，构建能源云互联新一代综合能源系统。

图14 新一代能源云互联交直混用系统关键技术架构图

以清洁、绿色、高效为原则，以本地资源光储等优先消纳，外来能源优化利用为指导，实现调控技术手段，以区域向广域，从单向到双向，从单一能源到多能源互补转变。以基于能源云互联的光储市电交直混联计量型自动转换配电系统广泛推广和应用。

5 结束语

本文提出了基于能源云互联的光储市电交直混联计量型自动转换配电系统，该系统根据光储有无电、市电交流、光储整流后直流属性，采用限流稳压双电源实现电源和功率的自动转换，克服了现有技术采用功率组件电源变换带来的电压暂降、稳定性等问题，实现电动车等负载交直流混用，基于能源云互联管理的不同电源在不同系统，无扰、不断电、无失电、无冲击，安全平滑、无缝自由切换。实现不同权项和不同电质的用电和发电供电的有效计量和接触器不带电流闭合和脱开，工作可靠，具有良好的应用前景。