基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统及方法与流程

1.本发明涉及光伏发电接入电解铝直流母线技术领域，具体涉及基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统及方法，属于电解铝供电新能源应用的技术领域。


背景技术：

2.电解铝企业作为高耗能企业，其能源消耗一直是各地区的用电大户。加之提升电解铝行业持续提升能源利用效率、降低碳排放强度，也为更好的适应未来清洁能源转型发展，利用新能源参与电解铝生产的方式是目前迫在眉睫的趋势。
3.专利(cn202210267727.0)分布式光伏发电用于电解铝厂供电整流系统的方法，存在如下问题：(1)光伏供电专用35kv配电装置、光伏供电专用供电整流机组、光伏供电专用直流汇流支母线必须设在供电整流系统的邻侧，一是占地面积大，已投运多数电解铝企业面临无地可用的窘境；二是该方案距离电解槽大母线距离较远，不利于做好绝缘措施，减少接地、短路等事故的发生。(2)光伏发电交流送出，经光伏供电专用35kv配电装置后直接输入整流系统，由于光伏发电受环境因素的影响，其供电方式表现为波动频繁，波动较大的特性，系统中在没有储能的前提下，无法提供稳定的电压源，纯光伏发电在无稳定电压源支撑的情况下，电压控制难度很大，会造成光伏直流侧能量不稳定，在接入电解铝直流母线后无法应对电网干扰及发生电解阳极效应时的电磁冲击等情况，且当光伏容量越大，其影响越大。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统及方法。
5.本发明保护基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，包括电网供电系统、光伏供电系统、综合监控及能量管理系统、光储总控制系统、稳流系统、电网电流信号采集模块1、光伏电流信号采集模块2、汇流母线3及直流母线4；
6.所述电网供电系统接入汇流母线3用于为直流母线4提供电网电流；
7.所述光伏供电系统接入汇流母线3用于为直流母线4提供光伏电流；
8.所述综合监控及能量管理系统用于监视光伏供电系统工作状态、输出功率及储能的运行情况；
9.所述光储总控制系统用于控制储能的启动和停止、孤网运行、光伏供电系统的启动和停止工作，以及光伏供电系统与其配套设备的协调；
10.所述稳流系统用于对输入直流母线4的目标电流进行稳流控制；
11.所述电网电流信号采集模块1用于采集汇流母线实时电流信号；
12.所述光伏电流信号采集模块2用于采集光伏实时电流信号。
13.进一步的，所述电网供电系统与光伏供电系统并行接入汇流母线3。
14.进一步的，所述电网供电系统包括依次连接的电网供电整流变压器、饱和电抗器、
电网供电整流机组及整流柜，所述整流柜通过汇流母线3与直流母线4连接，所述汇流母线3与直流母线4之间设置有电网电流信号采集模块1；所述电网电流信号采集模块1的一端与稳流系统的一端连接；所述稳流系统的另一端与饱和电抗器连接。
15.进一步的，所述光伏供电系统包括依次连接的光伏发电及升压模块和整流模块；所述的光伏发电及升压模块包括分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)及升压变压器；所述整流模块包括光伏供电整流变压器和光伏供电整流机组；所述光伏供电整流机组通过汇流母线3与直流母线4连接，所述光伏供电整流机组与汇流母线3之间设置有光伏电流信号采集模块2；所述光伏电流信号采集模块2的一端与稳流系统连接。
16.优化的，所述整流模块输出端和汇流母线3接入端之间的连接距离小于10米，采用硬质铝材裸露导线架空输送，导线电压为1.3kv的低压直流。
17.优化的，所述升压变压器与光伏供电整流变压器之间通过高压电缆传输。
18.进一步的，所述综合监控及能量管理系统与分别与分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)、升压变压器、光伏供电整流变压器、光伏供电整流机组及光储总控制系统连接。
19.进一步的，所述逆变器(dc/ac)与升压变压器之间连接有电压源，所述电压源的另一端与综合监控及能量管理系统连接。
20.本发明还保护一种基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统的供电方法，具体步骤包括如下：
21.步骤1，电网供电依次接入电网供电整流变压器、饱和电抗器、电网供电整流机组、整流柜，将输入的交流电经整流后输出直流电接入汇流母线3，然后从汇流母线3接入直流母线4；
22.步骤2，串联组成光伏发电阵列的分布式光伏组件其输出直流；
23.步骤3，分布式光伏组件输出的直流电，输入逆变器(dc/ac)，经逆变器(dc/ac)转换后输出交流电；
24.步骤4，经逆变器(dc/ac)转换后的交流输入升压变压器完成升压；
25.步骤5，将升压后的高压电经远距传输后输入光伏供电整流变压器，输出与电解系列电压相适应的低压交流电；
26.步骤6，光伏供电整流变压器输出的低压交流电输入光伏供电整流机组，经光伏整流机组整流后输出同等级的直流电；
27.步骤7，光伏整流机组输出的直流电，用硬质铝材裸露导线架空输送接入汇流母线3，然后从汇流母线3接入直流母线4；
28.步骤8，综合监控及能量管理系统监视光伏供电系统工作状态并实时反馈至光储总控制系统，光储总控制系统根据实时监视到的光伏供电系统的运行情况控制光伏供电系统的运行状态；
29.步骤9，电网电流信号采集模块1将检测到的汇流母线实时电流信号，光伏电流信号采集模块2将检测到的光伏电流信号均反馈至稳流系统；
30.步骤10，稳流系统中的目标电流调整程序根据检测到的汇流母线实时电流信号及光伏电流信号形成电网供电整流机组调整后的目标电流；其中，目标电流为接入汇流母线3的电网电流与接入汇流母线3的光伏电流之差；
31.步骤11，稳流系统根据上述目标电流通过调整饱和电抗器的输出形成电网供电整
流机组调整后的总目标电流，实现对电网供电整流机组输出的总目标电流的自动稳流控制。
32.进一步的，所述的升压变压器根据输送的电量及距离选择适当的变压等级及高压输送电缆型号。
33.与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
34.(1)在光伏供电系统的发电侧实现稳压。
35.在光伏供电系统侧逆变器与升压变压器之间并入储能装置电压源(电化学储能)，电压源支撑交流系统正常运行，稳定电压。
36.(2)在光伏供电系统的整流侧进一步做稳流控制，实现电网侧供电根据光伏发电供电的启停及波动完成自动切换。
37.在电网供电系统中的稳流系统中新增了目标电流值调整程序(电流值由光伏发电的容量决定)，在光伏供电整流机组输出侧设置了光伏实时电流信号采集模块，并将采集到的实时电流信号接入稳流系统。当稳流系统检测光伏供电系统接入汇流母线的实时直流电流信号时，在总的输出电流中减去光伏电流，形成电网供电整流机组调整后的总目标电流，稳流系统根据新的目标电流通过调整饱和电抗器的输出实现自动稳流调整控制。
38.(3)可实现大容量光伏供电给汇流母线供电。
39.在光伏供电系统接入汇流母线后，实际电流由电网供电电流及光伏供电供电电流组成，电解槽正常生产时，需要的电流是相对稳定的一个定值(电流值变化大小不超过
±
0.5％)，其生产所需的输入直流母线的电流必须保持相对稳定，当输入的光伏供电供电电流占比越大，电网供电电流占比相应的减少，由于电解铝企业对供电负荷要求极高，需要稳定的电流输入直流母线。但是光伏供电受到自身特点的限制，很难应用到电解铝直流母线中，而且由于其供电的波动性，供给汇流母线的电流越多，对电解生产影响越大，本发明能够有效降低光伏供电的波动性，可实现大容量光伏发电给电解铝直流母线供电。
40.(4)可实现远距离光伏供电。
41.根据光伏发电的占地面积需求量很大的特性，本发明升压变压器与光伏供电整流变压器之间采用高压电缆传输的方式，实现光伏供电的远距离传输供电，不受制于光伏供电的安装位置影响。
42.(5)光伏整流模块现场安装占地面积小，可行性高。
43.整流模块输出端和汇流母线接入端之间的连接距离小于10米，接入距离近，有利于做好绝缘措施，减少接地、短路等事故发生率低；现场安装占地面积小，有利于在已投运的电解铝企业供电系统的现场布置安装。
44.综上所述，本发明通过使用新能源发电能够降低生产成本，减少环境污染，提高绿电比例，改善能源利用效率，在光伏发电系统侧通过配储能建立运行所需的电压，在整流模块侧做稳流处理，进一步做好输入汇流母线的稳流、稳压，确保电解生产安全的可靠性；由于在光伏供电系统的发电侧实现稳压处理和整流侧的稳流处理，可实现大容量光伏发电接入汇流母线供电，也可实现电网侧供电根据光伏发电供电的启停及波动完成自动切换；还可实现光伏供电的远距离传输供电；另外，光伏整流模块占地面积小，现场布置容易实现，其中光伏整流模块输出端距汇流母线小于10米的要求有利于做好绝缘措施，减少接地、短路等事故的发生。
附图说明
45.图1为本发明系统的整体结构示意图；
46.图2为本发明系统的供电工作流程图。
47.图中：1、电网电流信号采集模块；2、光伏电流信号采集模块；3、汇流母线；4、直流母线。
具体实施方式
48.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.实施例1
50.本发明系统优化改进的过程
51.(1)原方案：原有汇流母线供电全部由电网供电，电解槽实际用电等于电网供电。
52.(2)方案一：以降低电网供电为目标，设计了方案一，在汇流母线处并行接入光伏发电，这样一来汇流母线目标电流＝电网电流+光伏电流；而测量电网电流＝汇流母线目标电流-光伏电流，使用自备光伏发电替代一部分电网用电，在供给汇流母线的电流不变的前提下，减少了电网供电的用电量，此时，电量计量点相应的减少了，从而达到了降低铝液综合交流电耗目的。
53.(3)方案二：以光伏发电20mw容量，用35kv等级电压传输为例：光伏发电为直流电，输出直流电压小于dc1500v，输出的直流电输入光伏逆变器(dc/ac)后输出交流电，光伏逆变器输出的交流电压在ac800v左右，输出的交流电输入升压变压器输出ac35kv交流电，升压的目的是为了实现远距离传输，然后输入整流变压器，输出ac1320v交流电，然后输入到整流机组，整流后输出通过升压变压器进行升压，升压至35kv后送入整流变输出1320v交流送入整流机组(ac/dc)，完成整流后输出约1320v直流电接入汇流母线，其中在光伏逆变器和升压变之间并入电压源(电化学储能)，电压源支撑交流系统正常运行，稳定电压，当光伏发电系统出现波动时进行补偿输出。
54.其中光伏分为光伏发电、升压部分与整流模块，其中升压变到整流变用高压电缆链接，发电部分可实现远距离布置，整流部分需布置在汇流母线附近，且整流机组输出端至汇流母线接入点的距离要小于10米，因整流机组输出直流母线为硬质铝材裸露导线，短距离布置有利于做好绝缘措施，减少接地、短路等事故的发生。
55.但是上述方案存在一个问题：电解生产中对供电系统的稳定性要求极高，加上光伏发电存在稳定性不够的问题。借此设计了方案三。
56.(4)方案三：为了确保光伏发电的供电可靠性，在光伏发电系统中接入了综合监控及能量管理系统和光储总控制系统电气二次设备。系统综合监控及能量管理系统监视光伏发电系统工作状态、输出功率及储能的运行情况；光储总控制系统控制储能的启动和停止、孤网运行、光伏发电的启动和停止工作，光伏发电与整流机组的协调。
57.综合考虑到光伏发电接入汇流母线需解决以下两个问题，设计了第四个方案：
58.问题一：光伏发电主要在白天，其运行方式为白天供电，夜间停止供电，因此，原供
电系统操作人员需根据光伏供电特性，每天根据光伏供电情况进行相应的调压工作。
59.问题二：光伏发电系统接入汇流母线后，由于其波动性，虽然有电化学储能的补偿，但是还会有微小的波动，这种波动会对原控制系统(电网供电)的稳流系统造成一定的影响。
60.(5)方案四：在光伏发电系统的直流测设置一个电流信号采集点，采集集光伏发电系统接入汇流母线的实时直流电流，将采集到的信号接入原控制系统中的稳流系统中，当稳流系统检测到光伏系统接入汇流母线的实时直流电流，在总的输出电流中减去光伏电流，形成整流机组调整后的总目标电流，会在整流机组中进行分配，然后发出控制命令通过调整饱和电抗器实现对汇流母线的稳流控制，因此需要对原稳流系统进行升级改造，新增电流目标值调整程序，实现自动稳流调整控制。
61.例如，并入光伏前，电网电流信号采集模块采集到的电流信号假设是240ka，其稳流控制会以240ka为基准进行控制，并入光伏后电网电流信号采集模块采集到的电流信号假设是240ka，光伏电流信号采集模块采集到的电流信号假设是40ka，其稳流控制会以新形成的目标电流进行控制，目标电流＝电网电流信号值减去光伏电流信号值＝200ka，也就是稳流系统会以200ka为目标电流进行控制。
62.综上，就得到了本技术所保护的系统，详见实施例2和3。
63.实施例2
64.请参阅附图1，本发明的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，包括电网供电系统、光伏供电系统、综合监控及能量管理系统、光储总控制系统、稳流系统、电网电流信号采集模块1、光伏电流信号采集模块2、汇流母线3及直流母线4；电网供电系统接入汇流母线3用于为直流母线4提供电网电流；光伏供电系统接入汇流母线3用于为直流母线4提供光伏电流；综合监控及能量管理系统用于监视光伏供电系统工作状态、输出功率及储能的运行情况；光储总控制系统用于控制储能的启动和停止、孤网运行、光伏供电系统的启动和停止工作，以及光伏供电系统与其配套设备的协调；稳流系统用于对输入直流母线4的目标电流进行稳流控制；电网电流信号采集模块1用于采集汇流母线实时电流信号；光伏电流信号采集模块2用于采集光伏实时电流信号。
65.优化的，电网供电系统与光伏供电系统并行接入汇流母线3。
66.优化的，电网供电系统包括依次连接的电网供电整流变压器、饱和电抗器、电网供电整流机组及整流柜，整流柜通过汇流母线3与直流母线4连接，汇流母线3与直流母线4之间设置有电网电流信号采集模块1；电网电流信号采集模块1的一端与稳流系统的一端连接；稳流系统的另一端与饱和电抗器连接。
67.优化的，光伏供电系统包括依次连接的光伏发电及升压模块和整流模块；光伏发电及升压模块包括分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)及升压变压器；整流模块包括光伏供电整流变压器和光伏供电整流机组；光伏供电整流机组通过汇流母线3与直流母线4连接，光伏供电整流机组与汇流母线3之间设置有光伏电流信号采集模块2；光伏电流信号采集模块2的一端与稳流系统连接。
68.优化的，整流模块输出端和汇流母线3接入端之间的连接距离小于10米，采用硬质铝材裸露导线架空输送，导线电压为1.3kv的低压直流。
69.优化的，升压变压器与光伏供电整流变压器之间通过高压电缆传输。
70.优化的，综合监控及能量管理系统与分别与分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)、升压变压器、光伏供电整流变压器、光伏供电整流机组及光储总控制系统连接。
71.优化的，逆变器(dc/ac)与升压变压器之间连接有电压源，所述电压源的另一端与综合监控及能量管理系统连接。
72.实施例3
73.基于实施例1，请参阅附图1-2，基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统的供电方法，具体步骤包括如下：
74.步骤1，电网供电依次接入电网供电整流变压器、饱和电抗器、电网供电整流机组、整流柜，将输入的交流电经整流后输出直流电接入汇流母线3，然后从汇流母线3接入直流母线4；
75.步骤2，串联组成光伏发电阵列的分布式光伏组件其输出直流；
76.步骤3，分布式光伏组件输出的直流电，输入逆变器(dc/ac)，经逆变器(dc/ac)转换后输出交流电；
77.步骤4，经逆变器(dc/ac)转换后的交流输入升压变压器完成升压；
78.步骤5，将升压后的高压电经远距传输后输入光伏供电整流变压器，输出与电解系列电压相适应的低压交流电；
79.步骤6，光伏供电整流变压器输出的低压交流电输入光伏供电整流机组，经光伏整流机组整流后输出同等级的直流电；
80.步骤7，光伏整流机组输出的直流电，用硬质铝材裸露导线架空输送接入汇流母线3，然后从汇流母线3接入直流母线4；
81.步骤8，综合监控及能量管理系统监视光伏供电系统工作状态并实时反馈至光储总控制系统，光储总控制系统根据实时监视到的光伏供电系统的运行情况控制光伏供电系统的运行状态；
82.步骤9，电网电流信号采集模块1将检测到的汇流母线实时电流信号，光伏电流信号采集模块2将检测到的光伏电流信号均反馈至稳流系统；
83.步骤10，稳流系统中的目标电流调整程序根据检测到的汇流母线实时电流信号及光伏电流信号形成电网供电整流机组调整后的目标电流；其中，目标电流为接入汇流母线3的电网电流与接入汇流母线3的光伏电流之差；
84.步骤11，稳流系统根据上述目标电流通过调整饱和电抗器的输出形成电网供电整流机组调整后的总目标电流，实现对电网供电整流机组输出的总目标电流的自动稳流控制。
85.优化的，升压变压器根据输送的电量及距离选择适当的变压等级及高压输送电缆型号。
86.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：包括电网供电系统、光伏供电系统、综合监控及能量管理系统、光储总控制系统、稳流系统、电网电流信号采集模块(1)、光伏电流信号采集模块(2)、汇流母线(3)及直流母线(4)；所述电网供电系统接入汇流母线(3)用于为直流母线(4)提供电网电流；所述光伏供电系统接入汇流母线(3)用于为直流母线(4)提供光伏电流；所述综合监控及能量管理系统用于监视光伏供电系统工作状态、输出功率及储能的运行情况；所述光储总控制系统用于控制储能的启动和停止、孤网运行、光伏供电系统的启动和停止工作，以及光伏供电系统与其配套设备的协调；所述稳流系统用于对输入直流母线(4)的目标电流进行稳流控制；所述电网电流信号采集模块(1)用于采集汇流母线实时电流信号；所述光伏电流信号采集模块(2)用于采集光伏实时电流信号。2.根据权利要求1所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述电网供电系统与光伏供电系统并行接入汇流母线(3)。3.根据权利要求1所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述电网供电系统包括依次连接的电网供电整流变压器、饱和电抗器、电网供电整流机组及整流柜，所述整流柜通过汇流母线(3)与直流母线(4)连接，所述汇流母线(3)与直流母线(4)之间设置有电网电流信号采集模块(1)；所述电网电流信号采集模块(1)的一端与稳流系统的一端连接；所述稳流系统的另一端与饱和电抗器连接。4.根据权利要求1所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述光伏供电系统包括依次连接的光伏发电及升压模块和整流模块；所述的光伏发电及升压模块包括分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)及升压变压器；所述整流模块包括光伏供电整流变压器和光伏供电整流机组；所述光伏供电整流机组通过汇流母线(3)与直流母线(4)连接，所述光伏供电整流机组与汇流母线(3)之间设置有光伏电流信号采集模块(2)；所述光伏电流信号采集模块(2)的一端与稳流系统连接。5.根据权利要求4所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述整流模块输出端和汇流母线(3)接入端之间的连接距离小于10米，采用硬质铝材裸露导线架空输送，导线电压为1.3kv的低压直流。6.根据权利要求4所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述升压变压器与光伏供电整流变压器之间通过高压电缆传输。7.根据权利要求1所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述综合监控及能量管理系统与分别与分布式光伏组件、逆变器(dc/ac)、升压变压器、光伏供电整流变压器、光伏供电整流机组及光储总控制系统连接。8.根据权利要求1所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统，其特征在于：所述逆变器(dc/ac)与升压变压器之间连接有电压源，所述电压源的另一端与综合监控及能量管理系统连接。9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统的供电方法，其特征在于：具体步骤包括如下：步骤1，电网供电依次接入电网供电整流变压器、饱和电抗器、电网供电整流机组、整流
柜，将输入的交流电经整流后输出直流电接入汇流母线(3)，然后从汇流母线(3)接入直流母线(4)；步骤2，串联组成光伏发电阵列的分布式光伏组件其输出直流；步骤3，分布式光伏组件输出的直流电，输入逆变器(dc/ac)，经逆变器(dc/ac)转换后输出交流电；步骤4，经逆变器(dc/ac)转换后的交流输入升压变压器完成升压；步骤5，将升压后的高压电经远距传输后输入光伏供电整流变压器，输出与电解系列电压相适应的低压交流电；步骤6，光伏供电整流变压器输出的低压交流电输入光伏供电整流机组，经光伏整流机组整流后输出同等级的直流电；步骤7，光伏整流机组输出的直流电，用硬质铝材裸露导线架空输送接入汇流母线(3)，然后从汇流母线(3)接入直流母线(4)；步骤8，综合监控及能量管理系统监视光伏供电系统工作状态并实时反馈至光储总控制系统，光储总控制系统根据实时监视到的光伏供电系统的运行情况控制光伏供电系统的运行状态；步骤9，电网电流信号采集模块(1)将检测到的汇流母线实时电流信号，光伏电流信号采集模块(2)将检测到的光伏电流信号均反馈至稳流系统；步骤10，稳流系统中的目标电流调整程序根据检测到的汇流母线实时电流信号及光伏电流信号形成电网供电整流机组调整后的目标电流；其中，目标电流为接入汇流母线(3)的电网电流与接入汇流母线(3)的光伏电流之差；步骤11，稳流系统根据上述目标电流通过调整饱和电抗器的输出形成电网供电整流机组调整后的总目标电流，实现对电网供电整流机组输出的总目标电流的自动稳流控制。10.根据权利要求9所述的基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统的供电方法，其特征在于：所述的升压变压器根据输送的电量及距离选择适当的变压等级及高压输送电缆型号。

技术总结
本发明公开了基于光伏发电接入电解铝直流母线的供电系统及方法。使用新能源发电能够降低生产成本，减少环境污染，提高绿电比例，改善能源利用效率，在光伏发电系统侧通过配储能建立运行所需的电压，在整流模块侧做稳流处理，进一步做好输入汇流母线的稳流、稳压，确保电解生产安全的可靠性；在光伏供电系统的发电侧实现稳压处理和整流侧的稳流处理，可实现大容量光伏发电接入汇流母线供电，也可实现电网侧供电根据光伏发电供电的启停及波动完成自动切换；还可实现光伏供电的远距离传输供电；另外，光伏整流模块占地面积小，现场布置容易实现，其中光伏整流模块输出端距汇流母线小于10米的要求有利于做好绝缘措施，减少接地、短路等事故的发生。路等事故的发生。路等事故的发生。


技术研发人员：魏显贵 王超 戴小平 沈德 祁斌 焦晓龙 丁蕾 高峰 张国庆 马乾 陈红英 谢禄 仲佳德 刘为群 韩连山 谢晔源 陶铧
受保护的技术使用者：青海省投资集团有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/7/13