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基于數(shù)據(jù)多站融合的直流供電系統(tǒng)的研究

更新時間:2020-12-08 點擊次數(shù): 1192次

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

 

摘  要:針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)站配電效率低、經(jīng)濟性差等問題,結(jié)合儲能站、變電站的勢,提出了基于儲能變流器(PCS)的多站融合直流吸引供電系統(tǒng)方案,搭建套統(tǒng)、合理的信息統(tǒng)管理體化直流供電系統(tǒng),通過多端口低壓直流電源系統(tǒng)電路拓撲及其控制技術(shù)研究,實現(xiàn)三站之間信息統(tǒng)管理、能量統(tǒng)控制功能,根據(jù)與傳統(tǒng)高壓直流方案對比,本方案具有運行可靠性高、建設(shè)成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高勢,給多站融合建設(shè)提供理論上的借鑒。

關(guān)鍵詞:PCS;數(shù)據(jù)站;直流供電系統(tǒng);多站融合

0引言

       在傳統(tǒng)電網(wǎng)中,變電站只負責能量的單向輸送,整個電網(wǎng)的電能由發(fā)電廠供應,調(diào)度的調(diào)度控制相對簡單。隨著分布式電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展,變電站的功能還將包括儲能、電力變換,能量的傳輸也從單向變成了雙向,電力的調(diào)度就變得非常復雜,所需要采集的數(shù)據(jù)劇烈增加,因此,在儲能站的基礎(chǔ)之上進行數(shù)據(jù)站的建設(shè),除了要對變電站和儲能站進行各項數(shù)據(jù)采集、發(fā)送外,還要根據(jù)電網(wǎng)的需要,實現(xiàn)在電力過剩時向儲能裝置充電,當電網(wǎng)電力不足時,由儲能裝置向電網(wǎng)供電的功能。

本文基于數(shù)據(jù)站高壓直流供電方案提出種數(shù)據(jù)、儲能、變電站多站融合方案,在能耗、性、可靠性、后期維護還有工作效率以及環(huán)保方面具有很大勢。

1系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)方案設(shè)計

       同里綜合能源服務采用PCS和電力電子變壓器構(gòu)造低壓直流電網(wǎng),但大容量PCS和電力電子變壓器所需占地面積大,投資高,安裝困難、調(diào)試難度大,不適用于能源站。

       儲能、數(shù)據(jù)和變電站共站建設(shè)后,能夠融合三者的個體勢,符合綠色數(shù)據(jù)建設(shè)的發(fā)展方向,可以為泛在物聯(lián)網(wǎng)提供有力保障。

       三者融合具備以下勢:

       (1)儲能能夠為數(shù)據(jù)提供備用電源,減少數(shù)據(jù)UPS的配置容量,降低數(shù)據(jù)占地及建設(shè)成本。

       (2)儲能PCS長時間處于低功率運行狀態(tài),若可復用其構(gòu)造直流配電網(wǎng),則能夠大幅提高站內(nèi)設(shè)備利用率,進步節(jié)約資源。

       基于上述考慮,提出了利用儲能電站PCS的冗余容量的直流數(shù)據(jù)供電策略。具體方案如下:

 

圖1 多站融合直流供電方案系統(tǒng)圖

       如圖所示,供電方案為由多組PCS和DC/DC組成的獨立低壓直流微電網(wǎng),具備以下特點:

       (1)各PCS提供120kW的直流負荷,占PCS總?cè)萘康?0%,各儲能集裝箱內(nèi)2個PCS的直流側(cè)分別接入兩路750V直流母線,形成雙電源。

       (2)PCS供給的直流功率在儲能集裝箱附近由750V母線匯集,通過根直流電纜輸送至數(shù)據(jù)樓內(nèi)。方案中組數(shù)N根據(jù)750V電纜的載流能力確定,N=載流能力/120kW。

       (3)為防止PCS直流送出線的功率倒送,各送出線配置二極管作為單向?qū)ā?/p>

       (4)數(shù)據(jù)站每兩個120kW的DC/DC組成組供電電源分別接至數(shù)據(jù)側(cè)的750V直流母線上,供給120kW的數(shù)據(jù)機柜,當路電源故障時,機柜內(nèi)部可以自動切換至另路電源,形成數(shù)據(jù)雙電源供電模式。

       (5)對于A類數(shù)據(jù)負荷,還需要配置第三路電源,第三路電源可由附近站引入10kV電纜經(jīng)過10MVA的10kV/400V變壓器形成400V交流母線,由其引出多條出線接入PCS的交流側(cè)。

       (6)在該方案中,每組DC/DC供電負荷形成個小型的220V局部直流微網(wǎng),同時多組儲能PCS供給N組DC/DC直流負荷,形成個獨立的750V直流微網(wǎng)。根據(jù)直流負荷總?cè)萘浚梢詷?gòu)建多個相互獨立的低壓直流微網(wǎng)。這種各直流低電壓等級局部成網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)具有較高的供電可靠性,是低壓直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢,具有很好的工程示范意義。

1.2系統(tǒng)運行方式

       PCS直流供電方案共有三種運行方式:

       (1)蓄電池放電方式,蓄電池的部分功率供給DC/DC直流負荷,另部分經(jīng)由PCS流入電網(wǎng)。用電高峰時采用該運行方式。

       (2)蓄電池充電方式,功率由PCS分別供給蓄電池和DC/DC直流負荷。用電低谷時采用該運行方式。

       (3)蓄電池不充不放方式,功率由PCS供給DC/DC直流負荷。平時用電采用該運行方式。以上三種運行方式下,DC/DC是穩(wěn)定的直流負荷,其只需要高壓側(cè)定功率,低壓側(cè)定電壓輸出即可,無需根據(jù)其他設(shè)備的運行狀態(tài)來改變策略;PCS需要根據(jù)DC/DC功率調(diào)節(jié)直流側(cè)功率參考值,從而定功率輸出;蓄電池可以采用定電壓的控制策略,根據(jù)PCS的功率情況進行充放電。三者采用上述控制策略可以在不需要協(xié)調(diào)控制下達到功率平衡狀態(tài),符合直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

1.3可靠性分析

       鑒于數(shù)據(jù)的供電可靠性要求,本站需設(shè)置第三路電源作為備用,以防止變電站內(nèi)兩路主供電源失電后可以及時切換。正常工作情況下,兩路工作電源互為冗余且熱備用。其中任意個元件的故障或檢修都不方案數(shù)據(jù)的正常供電,僅需要正常的電源切換就可以保證數(shù)據(jù)的不掉電運行。

       在兩路主供電源消失的時候,服務器需要瞬間切換至儲能電池供電,在此期間第三路電源需要進行切換操作,并在有限的時間內(nèi)替代電池,防止儲能電池過放電。本方案考慮利用1路10kV專線作為本數(shù)據(jù)的第三路電源。

2與HVDC供電方案對比

       目前數(shù)據(jù)采用HVDC高壓直流供電方式,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示,先10kV線路經(jīng)過變壓器降壓至AC380V形成交流母線,然后通過HVDC系統(tǒng)進行整流變換。其中HVDC實際為AC/DC和DC/DC拓撲的級聯(lián),即先由AC380V變換至DC700V,然后經(jīng)由DC/DC變換至240V[7],拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示,除此之外HVDC的DC240V還并聯(lián)了蓄電池作為后備,而本文提出的基于儲能PCS直流供電方式是通過儲能系統(tǒng)經(jīng)DC/DC給IT負荷供電。

 

圖2 HVDC供電方案

 

圖3 (a)AC/DC變換

 

圖3 (b)DC/DC變換

圖3 HVDC供電拓撲圖

       直流供電方案里的儲能PCS和DC/DC電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)[8],如圖4所示。由圖拓撲結(jié)構(gòu)對圖可知,直流供電方案里的儲能PCS等同于HVDC供電拓撲的AC/DC變換,而DC/DC電力電子變壓器等同于HVDC供電拓撲的DC/DC變換。

 

圖4 (a)PCS變換環(huán)節(jié)拓撲

 

圖4(b)DC/DC電力電子變壓器拓撲

圖4 基于PCS直流供電方案拓撲圖

       由此可以將兩種方案對比如下:

       (1)供電效率方面,目前調(diào)研結(jié)果,變壓器效率約為98%,PCS約為98%,帶隔離的DC/DC約為97%,HVDC效率約為96%,兩種方案供電效率基本致。

       (2)設(shè)備數(shù)量方面,直流方案能夠節(jié)省變壓器,AC/DC變換,同樣儲能可以作為UPS,從而節(jié)省部分蓄電池,占地和設(shè)備數(shù)量相比HVDC方案具有較大勢。

       (3)設(shè)備使用率方面,直流方案復用了儲能PCS作為AC/DC變換,使用儲能作為定的UPS,提高了蓄電池的利用率,因此直流方案設(shè)備使用率方面占。

       (4)可靠性方面,DC/DC的直流電壓供電質(zhì)量如供電穩(wěn)定性、電壓紋波、抗交流電壓暫降能力更高。

       (5)經(jīng)濟性方面,基于儲能PCS供電方案中的蓄電池可在用電高峰向DC/DC直流負荷供電,在用電低谷回充電量,具有較好的經(jīng)濟性。

3安科瑞ANDPF列頭柜介紹

3.1產(chǎn)品介紹

       隨著數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)能耗問題也越來越突出,可靠的數(shù)據(jù)配電系統(tǒng)方案,是提高數(shù)據(jù)電能使用效率,降低設(shè)備能耗的有效方式。

       AMC系列數(shù)據(jù)配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的,能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng),為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息,并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理,為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

3.2安科瑞配電產(chǎn)品解決方案

       1)交流系統(tǒng)

       功能要求

       遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度;

遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,頻率過高/過低,輸入分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計,實現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報警功能。

配置方案如圖5,

 

圖5 交流系統(tǒng)配置方案

       2)直流系統(tǒng)

       功能要求

       遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;

       遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計,實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

配置方案如圖6,

 

圖6 直流系統(tǒng)配置方案

3.3產(chǎn)品選型

 表1 列頭柜產(chǎn)品選型表

4 安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹

4.1產(chǎn)品介紹

       針對數(shù)據(jù)智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案,該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)控,發(fā)生故障則進行告警,以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

       AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設(shè)計的產(chǎn)品,該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內(nèi)部,插接箱/始端箱采用特別的方式與母線連通,它集成全部電力參數(shù)的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù))以及電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度,配合2路Rs45通訊接口(1進1出)或LORA無線通訊,采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng),保證系統(tǒng)可靠運行。

4.2產(chǎn)品選型

安科瑞智能母線測控儀表選型如表2,

 

表2 安科瑞智能母線測控儀表選型表

注:AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器,顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數(shù)。

5結(jié)束語

       本文通過研究多組儲能電池系統(tǒng)并聯(lián)組成的低壓直流母線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),通過雙電源系統(tǒng)、核心裝置多冗余配置以及能量流傳輸保護策略掌握,多端口低壓直流電源系統(tǒng)可靠性設(shè)計;構(gòu)建多端口低壓直流電源系統(tǒng)的總體控制體系,設(shè)計電源測端口、負荷測端口、母線雙向能量的控制策略,結(jié)合各控制策略提出的多端口低壓直流電源協(xié)調(diào)控制方法,實現(xiàn)能源利用;通過對比拓撲結(jié)構(gòu)驗證方案的可行性、有效性。

 

【參考文獻】

[1]林波.淺談UPS不間斷電源工作原理及在電力系統(tǒng)中的應用[J].科技風,2013(23):92-92.

[2][2]王佰超,陳彥奎,劉玉振,王浩,徐利凱,李柱,詹金果.基于多站融合的直流供電系統(tǒng)的研究[J].專題技術(shù),2020,(02):75-76.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2020.06版.

 

作者簡介:

劉細鳳,女,本科安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為數(shù)據(jù)配電監(jiān)控系統(tǒng)

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