CN103066621B - 一种应用于微电网与公共电网连接的静态开关及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于微电网与公共电网连接的静态开关及控制方法,其特征是:包括一个主电路和一个控制器;主电路设置在公共电网与微电网之间;由控制器控制主电路的开通和关断;并以主电路的开通和关断实现微电网的并网和离网;控制器对公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进行采样获得采样信号,通过计算判断指令主电路开通或关断实现微电网离网或并网。本发明实现了微电网的平滑并网与离网的全自动控制,并能够通过控制器对微电网中微电源逆变器进行监测和控制,实现微电网的能量管理或者协助上层设备实现微电网的能量管理。

Description

-种应用于微电网与公共电网连接的静态开关及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于微电网与公共电网连接的静态开关及其控制方法,特别涉 及ARM芯片控制的可控三相交流通路电子开关及其旁路电路,以及与微电网运行模式相关 的自动控制方法。

背景技术

[0002] 微电网是目前国内外电网研究的最新课题,它能够大力促进以可再生能源为主的 分布式电源的并网,有效提高传统电网的容量,减少温室气体的排放;连接微电网与大电网 的静态开关是微电网在并网与离网模式之间自动、平滑和快速转换的重要部件。

[0003] 用静态开关实现微电网连接和断开公共电网有三个主要原因:第一,利用静态开 关实现微电网并网或离网的暂态过程,没有使用机械动作部分,因此与利用机械动作部分 实现微电网并网与离网的传统开关相比它的寿命大大的延长了;第二,当重新连接到电网 时,需要做一系列复杂的同步检查,所以需要专用的开关;普通的中断开关可以起到断开公 共电网的作用,但是完整的静态开关需要在合适的时候重新连接到公共电网,而且对微电 网不能产生严重的电磁暂态干扰;第三,静态开关除了能够实现微电网的并网与离网控制 之外还需要能够实现对微电网内部微电源逆变器的监测和控制,实现微电网的能量管理或 者协助上层设备实现微电网的能量管理,但是,目前实际应用中还没有完整的静态开关可 用于实际微电网系统。

发明内容

[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,提供一种应用于微电网与公共 电网连接的静态开关及控制方法,以实现微电网的平滑并网与离网的全自动控制,对微电 网进行故障保护。

[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案:

[0006] 本发明应用于微电网与公共电网连接的静态开关的结构特点是:包括一个带有旁 路电路的主电路和一个控制器;所述带有旁路电路的主电路设置在公共电网与微电网之 间;由所述控制器控制所述主电路的开通和关断;并以所述主电路的开通和关断实现微电 网的并网和离网;所述控制器对公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路 电路的电流进行采样获得采样信号,利用所述采样信号分别计算得到微电网侧和公共电网 侧电压有效值、频率值和相位值以及流过旁路电路的电流有效值;当微电网处于离网状态 时,控制器通过实时比较微电网侧和公共电网侧之间的电压有效值差值、频率差值以及相 位差值,以捕获合适的并网时刻,指令主电路开通,实现微电网并网;当微电网处于并网状 态时,利用所述微电网侧和公共电网侧电压有效值、频率值、相位值以及流过旁路电路的电 流有效值判断出公共电网侧电能质量问题、公共电网侧故障或旁路电路电流超过设定值, 指令主电路关断,实现微电网离网。

[0007] 本发明应用于微电网与公共电网连接的静态开关的结构特点也在于:

[0008] 所述主电路设置为可控三相交流通路,所述可控三相交流通路中每相交流通路由 两组电力电子开关组成双向交流通道;在所述可控三相交流通路的两侧分别串联设置主电 路断路器QF1和主电路断路器QF2 ;针对串联设置有主电路断路器QF1和主电路断路器QF2 的可控三相交流通路设置旁路电路,在所述旁路电路中串联设置旁路断路器QF3和手动开 关KM1,所述可控三相交流通路、主电路断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路器QF3是 由控制器输出信号控制。

[0009] 本发明应用于微电网与公共电网连接的静态开关的结构特点还在于:所述控制器 设置为:

[0010] 一嵌入式ARM芯片,用于对所述采样信号进行计算分析判断,输出Al、A2、A3、A4、 A5和A6各路信号,实现对电力电子开关驱动电路的控制,输出A7、A8和A9各路信号实现 对主电路断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路器QF3驱动电路的控制;

[0011] 一微电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,所述微电网侧信号采样电路 用于采集微电网侧电压、频率和相位信号;

[0012] 一公共电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,所述公共电网侧信号采样 电路用于采集公共电网侧电压、频率和相位信号;

[0013] 一旁路电路信号采样电路,所述旁路电路电流采样电路用于采集微电网并网状态 下,公共电网与微电网之间流过的电流信号;

[0014] -电力电子开关驱动电路,用于将ARM芯片输出的A1、A2、A3、A4、A5和A6各路控 制信号转化成可控三相交流通路中电力电子器件的驱动信号dl、d2、d3、d4、d5和d6 ;

[0015] 一断路器控制电路,用于将ARM芯片输出的A7、A8和A9各路控制信号转换成能够 驱动各断路器的控制信号jl、j2和j3 ;

[0016] 一通信接口电路,用于所述控制器和外部设备的连接和信息传递;ARM芯片利用 采样信号实时计算得到微电网侧和公共电网侧电压、电流、频率和相位信息,通过所述控制 器中的通信接口电路实现电压、电流、频率和相位信息的远程传输,实现开关主电路的远程 监控和操作;通过通信接口电路实现与微电网中逆变器的信息传递和控制,实现微电网中 能量管理的功能,或者协助上层设备实现微电网能量管理;

[0017] 一键盘/显示接口电路,用于人机互动;

[0018] 一警报输出接口电路,用于在所述在主电路或控制器工作异常时警报。

[0019] 本发明应用于微电网与公共电网连接的静态开关的控制方法的特点是:

[0020] 并网控制过程:微电网处于离网状态时,主电路断路器QF1、主电路断路器QF2、可 控三相交流通路、旁路断路器QF3处于断开状态,手动开关KM1处于闭合状态;所述控制器 对公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位进行采样获得采样信号,由所述ARM芯片对 所述电压采样信号利用均方根值的方法实时计算分别获得微电网侧电压有效值U M和公共 电网侧电压有效值UE,对所述电压采样信号利用硬件过零检测的方法分别测得微电网侧频 率f M、微电网侧相位δ M和公共电网侧频率fE、公共电网侧相位δ E。

[0021] 当微电网侧与公共电网侧之间的电压差值、频率差值和相位差值满足条件a和条 件b时,主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2闭合,可控三相交流通路导通,实现 微电网并网,在微电网并网达到稳定状态后,闭合旁路断路器QF3,由旁路电路实现并网状 态下微电网和公共电网的正常连接,断开所述可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1、 主电路断路器QF2,实现可控三相交流通路完全断电。

[0022] 条件a :微电网侧和公共电网侧电压,频率,相位差小于标准值;

[0023] 条件 b : (fM_fE) X ( δ Μ- δ E) >〇,并且(fM-fE)〈〇

[0024] 离网控制过程:

[0025] 微电网处于并网状态时,所述主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2,可 控三相交流通路处于断开状态,旁路断路器QF3、手动开关KM1处于闭合状态;由控制器中 ARM芯片对公共电网侧和公共电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进行采 样获得采样信号,由所述ARM芯片对所述电压采样信号利用均方根值的方法实时计算分别 获得微电网侧电压有效值U M和公共电网侧电压有效值UE,对所述电流采样信号利用均方根 值的方法实时计算获得流过旁路电路的电流有效值I p ;对所述电压采样信号利用硬件过零 检测的方法分别测得微电网侧频率fM、微电网侧相位S M和公共电网侧频率fE、公共电网侧 相位SE;判断出在公共电网侧出现电能质量问题或公共电网侧故障时,主电路断路器QF1 和主电路断路器QF2闭合,可控三相交流通路闭合,由可控三相交流通路实现微电网和公 共电网之间的连接;断开旁路断路器QF3,断开可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1 和主电路断路器QF2,从而断开微电网与公共电网的连接;在判断出流过旁路电路的电流 超过设定值时,旁路断路器QF3断开。

[0026] 与已有技术相比,本发明有益效果体现:

[0027] 1、本发明通过在微电网和公共电网之间设置静态开关,实现微电网和公共电网的 并网控制和离网控制。当微电网侧与公共电网侧之间的电压有效值差值、频率差值和相位 差值满足本发明设定的并网条件时,微电网并网;当公共电网侧出现电能质量问题、公共电 网侧故障或流过旁路电路电流超过设定值时时微电网及时离网,这样开关控制和微电网的 保护集成在一起,不仅能够实现微电网的平滑并网与离网的全自动控制,对微电网进行故 障保护。可以广泛运用在智能配电系统中,实现对可再生资源的充分利用,提高供电可靠 性;

[0028] 2、在本发明设置的并网条件下,使得微电网与公共电网并网瞬间,功率的流向是 从公共电网流向微电网,与微电网并网后稳态时功率的流向一致,从而避免了微电网并网 过程中出现电流震荡,功率方向等现象,造成微电网中逆变器过载,冲击电流流过电力电子 静态开关,造成其损坏或并网过程失败;微电网在并网状态下,公共电网出现电能质量问 题,公共电网故障,流过旁路电路电流超过设定值时,静态开关能够及时反应,实现对微电 网内负荷的保护;

[0029] 3、传统类似设备采用DSP,监控系统的控制能力较低,而且需要扩展额外性能。尤 其是电网中需要监控的电量参数越来越多,不同用户有不同的要求。本发明中控制器采用 基于ARM芯片的硬件平台,速度快,功耗低,控制力强,外围接口丰富。同时,ARM芯片还具有 比较强的事务管理功能,在ARM微处理器上可以移植多种嵌入式操作系统(如Linux、WinCE 等),可以实现多任务调度。在用做并网开关的同时还能实现对微电网中微电源逆变器的监 测和控制,实现对微电网能量管理,或者协助上层设备实现对微电网能量的管理;

[0030] 4、本发明中主电路采用由电力电子开关组成的可控三相交流通路和断路器组成 的旁路电路并联的方式运行,充分利用了两者的特点,在微电网并网或离网动态过程采用 可控电力电子器件,并网过程冲击小,没有电弧,在微电网并网达到稳态后,利用旁路电路 实现微电网和公共电网的连接,避免了电力电子开关频繁通断,延长了开关寿命;

[0031] 5、本发明设置自动和手动两种控制模式,自动控制模式下,所述控制器只需要本 地信息就能实现微电网与公共电网离网和并网的自动切换,手动控制模式下,通过网络操 作者可以在任何地方实现对所述开关的监控和操作。

附图说明

[0032] 图1为本发明静态开关原理图;

[0033] 图2为本发明静态开关中主电路的原理图;

[0034] 图3本发明中静态开关中控制器原理图;

[0035] 图4为所述主电路闭合时刻功率的方向示意图。

具体实施方式

[0036] 本实施例是以具有反向阻断能力的RB-IGBT作为可控三相交流通路中的电力电 子开关为例。

[0037] 参见图1,本实施例中应用于微电网与公共电网连接的静态开关的结构设置包括 一个带有旁路电路的主电路和一个控制器;带有旁路电路的主电路设置在公共电网与微电 网之间;由控制器控制主电路的开通和关断;并以主电路的开通和关断实现微电网的并网 和离网;控制器对公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进 行采样获得采样信号,利用采样信号分别计算得到微电网侧和公共电网侧电压有效值、频 率值和相位值以及流过旁路电路的电流有效值;当微电网处于离网状态时,控制器通过实 时比较微电网侧和公共电网侧之间的电压有效值差值、频率差值以及相位差值,以捕获合 适的并网时刻,指令主电路开通,实现微电网并网;当微电网处于并网状态时,利用微电网 侧和公共电网侧电压有效值、频率值、相位值以及流过旁路电路的电流有效值判断出公共 电网侧电能质量问题、公共电网侧故障或旁路电路电流超过设定值,指令主电路关断,实现 微电网离网。

[0038] 参见图2,具体实施中,主电路设置为可控三相交流通路,可控三相交流通路中每 相交流通路由两组电力电子开关组成双向交流通道;本实施例中采用具有反向阻断能力的 RB-IGBT反向并联的方式构成每相可控交流通路,在这一结构下,交流通路需要导通的时刻 控制器同时触发这两个RB-IGBT的驱动电路,交流通路需要关断的时刻,同时撤销这两个 RB-IGBT的驱动电路或者加载负的电平信号。可控三相交流通路中的电力电子开关也可以 是晶闸管等其它电力电子器件,每相交流通路中器件的排列方式也可以有其它组合形式。

[0039] 为了提高RB-IGBT的寿命和可靠性,需要考虑RB-IGBT过电压电压保护、过电流保 护、电压上升率和电流上升率的保护等。本实施例中采用在RB-IGBT上并联R-C阻容吸收电 路实现过电压保护和抑制电压上升率,在每相交流通路中串联快速熔断器的方式实现对过 电流的保护。也可以采用电力电子器件组成的电路对可控三相交流通路中的器件进行过电 压或抑制电压上升率、电流上升率保护。在可控三相交流通路的两侧分别串联设置主电路 断路器QF1和主电路断路器QF2 ;针对串联设置有主电路断路器QF1和主电路断路器QF2的 可控三相交流通路设置旁路电路,在旁路电路中串联设置旁路断路器QF3和手动开关KM1, 可控三相交流通路、主电路断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路器QF3是由控制器输 出信号控制。为了实现微电网的并网离网控制的自动化,本实施例中主电路断路器QF1、主 电路断路器QF2和旁路断路器QF3采用的是可控断路器,采用接二次回路的方法,将断路器 中分励和闭合线接到外部。

[0040] 参见图3,本实施例中的控制器设置为:

[0041] 嵌入式ARM芯片,用于对采样信号进行计算分析判断,输出A1、A2、A3、A4、A5和A6 各路信号,实现对电力电子开关驱动电路的控制,输出A7、A8和A9各路信号实现对主电路 断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路器QF3驱动电路的控制。

[0042] 微电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,微电网侧信号采样电路用于采 集微电网侧电压、频率和相位信号。

[0043] 公共电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,公共电网侧信号采样电路用 于采集公共电网侧电压、频率和相位信号。

[0044] 旁路电路信号采样电路,旁路电路信号采样电路用于采集微电网并网状态下,公 共电网与微电网之间流过的电流信号。

[0045] 电力电子开关驱动电路,用于将ARM芯片输出的A1、A2、A3、A4、A5和A6各路控制 信号转化成可控三相交流通路中电力电子器件的驱动信号dl、d2、d3、d4、d5和d6 ;米用反 并联RB-IGBT构成可控三相交流通路时,本实施例中驱动电路采用普通推挽驱动电路。

[0046] RB-IGBT开关过程中的电压、电流应力大于普通IGBT,可以采用普通推挽电路的 基础上附加一个动态充、放电电流源以减轻这一现象。

[0047] 断路器控制电路,用于将ARM芯片输出的A7、A8和A9各路控制信号转换成能够驱 动各断路器的控制信号jl、j2和j3 ;ARM芯片输出的电平信号不能够直接控制短路器,本实 施例中,ARM芯片输出的信号经过断路器控制断电器变成能够驱动断路器的信号,通常接一 个继电器即可。

[0048] 通信接口电路,用于控制器和外部设备的连接和信息传递;通信接口电路中通常 包括RS485/232模块和Ethernet模块。ARM芯片利用采样信号实时计算的得到微电网侧和 公共电网侧电压、电流、频率和相位信息,通过控制器中的通信接口电路实现电压、电流、频 率和相位信息的远程传输,实现开关主电路的远程监控和操作;通过通信接口电路实现对 微电网中逆变器的信息传递和控制,实现微电网中能量管理的功能。

[0049] 利用通信接口电路中的RS485/232模块,嵌入式ARM芯片可以实现对微电网中多 台逆变器的监控和微电网中可控负荷的控制。微电网中各台逆变器将自身的实时数据,包 括电流、电压、功率等数据实时发送到嵌入式ARM芯片中,嵌入式ARM芯片自身处理这些数 据通过RS485/232接口发送指令到微电网中的各个逆变器,调节各个逆变器的输出功率, 或者采用IEC61970协议通过Ethernet接口将这些数据传输到电力系统中能量管理系统 中。如,微电网和公共电网在并网状态下,公共电网侧发生短路故障,需要断开微电网和 公共电网的连接,此时嵌入式ARM芯片发送指令通过RS485/232接口到各个逆变器,指令逆 变器增加功率输出,同时卸载可控负荷,减小化微电网和公共电网之间的能量交换,然后断 开微电网和公共电网的连接,这样可以减小离网动态过程对电力电在开关的损害。

[0050] 键盘/显示接口电路,用于人机互动;通过外接键盘能够实现某些保护值的设定, 如流过旁路电路电流设定值。

[0051] 警报输出接口电路,用于在在主电路或控制器工作异常时警报。本实施例中采用 LED灯和蜂鸣器作为紧急状态下的报警装置。

[0052] 本实施例中,嵌入式ARM芯片选用Intel公司XScal系列PXA270处理器,其它主要 外围设备包括:系统存储器、固态存储器、显示系统(IXD接口,VGA接口,触摸屏接口)、通信 接口(RS232串口,全功能串口,RS485接口,USB HOST)、直流蜂鸣器,、LED灯和基于PC104 总线的数据采集卡等。另外需要配置微电网侧和公共电网侧电压、频率、相位采样调理电路 和流过旁路电路电流采样调理电路。由嵌入式芯片及其外围设备、RB-IGBT驱动电路及其 保护电路和采样调理电路构成了本实施例中的硬件部分。

[0053] 本实施例中采用WinCE5.0系统来编写实现代码,WinCE系统支持多任务操作。控 制器在实现微电网自动并网与离网控制的同时还可以实现对微电网侧和公共电网侧电压、 频率、相位、流过旁路电路电流,静态开关状态的实时显示。控制器通过通信接口电路中 RS485/232模块与微电网中逆变器之间实时通信,实现微电网中各个微电源逆变器的监测 和控制,实现微电网中能量管理的功能,或者协助上层设备实现微电网能量管理。

[0054] 本实施例中应用于微电网与公共电网连接的静态开关按如下方式进行控制:

[0055] 并网控制过程:

[0056] 微电网处于离网状态时,主电路断路器QF1、主电路断路器QF2、可控三相交流通 路、旁路断路器QF3处于断开状态,手动开关KM1处于闭合状态;控制器对公共电网侧与微 电网侧的电压、频率和相位进行采样获得采样信号,由ARM芯片对电压采样信号利用均方 根值的方法实时计算分别获得微电网侧电压有效值U M和公共电网侧电压有效值UE,对电压 采样信号利用硬件过零检测的方法分别测得微电网侧频率f M、微电网侧相位S M和公共电 网侧频率&、公共电网侧相位δ Ε。

[0057] 微电网侧和公共电网侧电压有效值的计算,流过旁路电路电流有效值的计算:

[0058] 均方根值计算中常采用滑动平均值法,当采集到新的样本点时,顺序将最早采集 的样本点去除,然后用一个周期的滑动采样值进行均方根运算,即可求出一个新的均方根 值。这样,在每个采样瞬间都可得到一个新的均方根值。用均方根值计算方法进行检测的 缺陷是不能很明确地给出电压暂降的起止时刻,更无法给出电压暂降发生时可能出现的相 位跳变的大小。而由于在电压暂降实时测量中,计算速度的快慢非常重要。若仅从检测算 法上加速测量过程,一种实用的简便算法是取半个周期的采样数据进行滑动平均处理。

[0059] 微电网侧和公共电网侧频率和相位的计算一般采用硬件过零检测的方法:

[0060] 交流采样信号通过微电网侧或公共电网侧采样电路中过零检测电路,产生上升沿 跳变的方波信号,在ARM中央处理器中断服务程序中,记录相邻两次捕获上升沿跳变的时 间,实现微电网或公共电网频率和相位的测量。这是一种比较简单常用的方法,也可以采用 其它方法,比如解析法。

[0061] 当微电网侧与公共电网侧之间的电压差值、频率差值和相位差值满足条件a和条 件b时,主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2闭合,可控三相交流通路导通,实现 微电网并网,在微电网并网稳定运行后,闭合旁路断路器KM3,由旁路电路实现并网状态下 微电网和公共电网的正常连接,断开可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1、主电路断 路器QF2,实现可控三相交流通路完全断电;通过上述操作,由可控三相交流通路实现了微 电网并网的动态过程,由旁路实现微电网和公共电网的长期连接,减少了可控三相交流通 路中RB-IGBT的开通和关断次数,延长了电力电子开关的使用寿命。

[0062] 条件a :微电网侧和公共电网侧电压,频率,相位差小于标准值;

[0063] 条件 b : (fM_fE) X ( δ Μ- δ E) >〇,并且(fM-fE)〈〇

[0064] 对条件a和条件b的推导过程如下:

[0065] 在微电网并网的动态过程中,避免微电网并网过程中出现静态开关中的电流出现 震荡,功率反向,冲击电流流过电力电子开关,造成其损坏或并网过程失败等现象。主电路 中可控三相交流通路闭合时刻导致的微电网和公共电网之间的功率流向需要和微电网并 网后稳定状态下功率流向一致。

[0066] 参见图4中(a)图,微电网和公共电网通过静态开关SS相连,微电网和公共电网 之间的线路阻抗为Z,将公共电网电压EM和微电网电压EG看成两个逆时针旋转的相量,两 者幅值、频率值相差很小,两者之间相位角的差不断变化,E M和Ee之差为Ez ;电流L由公共 电网流向微电网,表示公共电网向微电网输送功率,电流12由微电网流向公共电网,表示微 电网向公共电网输送功率。参见图4中(b)图,静态开关闭合时刻公共电网侧电压E e超前 微电网侧电压EM,假设静态开关闭合导致的电流为L,即此刻功率由公共电网流向微电网, 则E z的方向为图中所示,静态开关闭合导致的电流在向量图中为图中Ib,根据Ib分别与公 共电网侧电压E e和微电网侧电压EM的夹角可以判断出静态开关闭合时刻导致的电流的方 向和Ii 一致,则假设成立;参见图4中(c)图,静态开关闭合时刻微电网电压EM超前公共电 网侧电压Ee,假设静态开关闭合导致的电流为1 2,即此刻功率由微电网流向公共电网,则E, 的方向为图中所示。静态开关闭合时刻导致的电流在向量图中I。,根据I。分别与公共电网 侦_压^和微电网侧电压E M的夹角可以判断出静态开关闭合时刻导致的电流的方向和12 一致,则假设成立。由上述分析可得,所述静态开关闭合时刻,导致的电流由相位超前的一 方流向滞后的一方。

[0067] 微电网一般采用下垂控制的方式,微电网离网状态下若其频率小于公共电网的频 率,微电网并网后稳态情况下功率由公共电网流向微电网,微电网离网状态下若其频率大 于公共电网的频率,微电网并网后稳态情况下功率由微电网流向公共电网。

[0068] 则主电路中可控三相交流通路闭合的条件为:

[0069] 条件al :微电网侧和公共电网侧电压,频率,相位差小于标准值;

[0070] 这里的标准值需要根据微电网的容量,可控三相交流通路中电力电子开关耐压等 级等查找相应的标准确定。

[0071 ]条件 bl : (fM_fE) X ( δ Μ- δ E) >〇

[0072] -般状态下,微电网离网状态下,假设微电网中没有频率补偿措施,其频率将略小 于公共电网的运行频率,微电网并网后功率将由公共电网流向微电网,此时静态开关闭合 的条件变为条件a和条件b。

[0073] 离网控制过程:

[0074] 微电网处于并网状态时,主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2,可控三 相交流通路处于断开状态,旁路断路器QF3、手动开关KM1处于闭合状态;由控制器中ARM 芯片对公共电网侧和公共电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进行采样获 得采样信号,由ARM芯片对电压采样信号利用均方根值的方法实时计算分别获得微电网侧 电压有效值U M和公共电网侧电压有效值UE,对电流采样信号利用均方根值的方法实时计算 获得流过旁路电路的电流有效值I p ;对电压采样信号利用硬件过零检测的方法分别测得微 电网侧频率fM、微电网侧相位δM和公共电网侧频率fE、公共电网侧相位δ E;判断出在公共 电网侧出现电能质量问题或公共电网侧故障时,主电路断路器QF1和主电路断路器QF2闭 合,可控三相交流通路闭合,由可控三相交流通路实现微电网和公共电网之间的连接;断开 旁路断路器QF3,断开可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1和主电路断路器QF2,从而 断开微电网与公共电网的连接;在判断出流过旁路电路的电流超过设定值时,旁路断路器 QF3断开。在旁路电流过流的特殊情况下,不必切换到可控三相交流通路,直接由旁路断路 器断开微电网和公共电网的连接。

[0075] 离网控制中提到的公共电网侧电能质量问题,根据相关标准包括:

[0076] 1、电压跌落:电压或电流有效值降至额定值的10%_90%,持续时间为5个周期至 lmin〇

[0077] 2、电压中断:在一相或多相线路中完全失去电压(低于额定值的10%) -段时 间;持续时间5个周期至3s为瞬时中断;持续时间3s至60s为暂时中断;持续时间大于60s 为持续中断。

[0078] 3、电压上升:电压或电流有效值升至额定值的110%以上,典型值为额定值的 110% -180%,持续时间为5个周期至lmin。

[0079] 4、电压瞬变:指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化;电压瞬变可以是任意 极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。

[0080] 5、过电压:电压为额定值的110% -120%,持续时间大于lmin。

[0081] 6、欠电压:电压为额定值的80% -90%,持续时间大于lmin。

[0082] 当公共电网侧出现电能质量问题时,如果微电网和公共电网继续保持连接状态, 这将对微电网中的敏感符合造成损害。

[0083] 离网控制中提到的公共电网故障包括:公共电网三相短路,公共电网缺相等。

[〇〇84] 静态开关中的保护功能不限于此,可以增加测量模块或者增加算法,实现其它保 护功能,比如旁路电路中反向功率的处理,零序电流的检测等。

Claims (1)

1. 一种应用于微电网与公共电网连接的静态开关,包括一个带有旁路电路的主电路和 一个控制器;所述带有旁路电路的主电路设置在公共电网与微电网之间;由所述控制器控 制所述主电路的开通和关断;并以所述主电路的开通和关断实现微电网的并网和离网;所 述控制器对公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进行采样 获得采样信号,利用所述采样信号分别计算得到微电网侧和公共电网侧电压有效值、频率 值和相位值以及流过旁路电路的电流有效值;当微电网处于离网状态时,控制器通过实时 比较微电网侧和公共电网侧之间的电压有效值差值、频率差值以及相位差值,以捕获合适 的并网时刻,指令主电路开通,实现微电网并网;当微电网处于并网状态时,利用所述微电 网侧和公共电网侧电压有效值、频率值、相位值以及流过旁路电路的电流有效值判断出公 共电网侧电能质量问题、公共电网侧故障或旁路电路电流超过设定值,指令主电路关断,实 现微电网离网;所述主电路设置为可控三相交流通路,所述可控三相交流通路中每相交流 通路由两组电力电子开关组成双向交流通道;在所述可控三相交流通路的两侧分别串联设 置主电路断路器QF1和主电路断路器QF2 ;针对串联设置有主电路断路器QF1和主电路断 路器QF2的可控三相交流通路设置旁路电路,在所述旁路电路中串联设置旁路断路器QF3 和手动开关KM1,所述可控三相交流通路、主电路断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路 器QF3是由控制器输出信号控制;其特征是:所述控制器设置为: 一嵌入式ARM芯片,用于对所述采样信号进行计算分析判断,输出413233^435和 A6各路信号,实现对电力电子开关驱动电路的控制,输出A7、A8和A9各路信号实现对主电 路断路器QF1、主电路断路器QF2和旁路断路器QF3驱动电路的控制; 一微电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,所述微电网侧信号采样电路用于 采集微电网侧电压、频率和相位信号; 一公共电网侧信号采样电路,包括硬件过零检测电路,所述公共电网侧信号采样电路 用于采集公共电网侧电压、频率和相位信号; 一旁路电路信号采样电路,所述旁路电路电流采样电路用于采集微电网并网状态下, 公共电网与微电网之间流过的电流信号; 一电力电子开关驱动电路,用于将ARM芯片输出的41^2、4334、45和八6各路控制信 号转化成可控三相交流通路中电力电子器件的驱动信号dl、d2、d3、d4、d5和d6 ; 一断路器控制电路,用于将ARM芯片输出的A7、A8和A9各路控制信号转换成能够驱动 各断路器的控制信号jl、j2和j3 ; 一通信接口电路,用于所述控制器和外部设备的连接和信息传递;ARM芯片利用采样 信号实时计算得到微电网侧和公共电网侧电压、电流、频率和相位信息,通过所述控制器中 的通信接口电路实现电压、电流、频率和相位信息的远程传输,实现开关主电路的远程监控 和操作;通过通信接口电路实现与微电网中逆变器的信息传递和控制,实现微电网中能量 管理的功能,或者协助上层设备实现微电网能量管理; 一键盘/显示接口电路,用于人机互动; 一警报输出接口电路,用于在所述主电路或控制器工作异常时警报; 所述应用于微电网与公共电网连接的静态开关的控制方法是: 并网控制过程:微电网处于离网状态时,主电路断路器QF1、主电路断路器QF2、可控 三相交流通路、旁路断路器QF3处于断开状态,手动开关KM1处于闭合状态;所述控制器对 公共电网侧与微电网侧的电压、频率和相位进行采样获得采样信号,由所述ARM芯片对所 述电压采样信号利用均方根值的方法实时计算分别获得微电网侧电压有效值UM和公共电 网侧电压有效值4,对所述电压采样信号利用硬件过零检测的方法分别测得微电网侧频率 fM、微电网侧相位δΜ和公共电网侧频率fE、公共电网侧相位δ Ε; 当微电网侧与公共电网侧之间的电压差值、频率差值和相位差值满足条件a和条件b 时,主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2闭合,可控三相交流通路导通,实现微电 网并网,在微电网并网稳定运行后,闭合旁路断路器QF3,由旁路电路实现并网状态下微电 网和公共电网的正常连接,断开所述可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1、主电路断 路器QF2,实现可控三相交流通路完全断电; 条件a :微电网侧和公共电网侧电压,频率,相位差小于标准值; 条件 b : (fM_fE) X ( δ Μ- δ E) >〇,并且(fM-fE)〈〇 离网控制过程: 微电网处于并网状态时,所述主电路中主电路断路器QF1、主电路断路器QF2,可控三 相交流通路处于断开状态,旁路断路器QF3、手动开关KM1处于闭合状态;由控制器中ARM 芯片对公共电网侧和公共电网侧的电压、频率和相位以及流过旁路电路的电流进行采样获 得采样信号,由所述ARM芯片对所述电压采样信号利用均方根值的方法实时计算分别获得 微电网侧电压有效值U M和公共电网侧电压有效值UE,对所述电流采样信号利用均方根值的 方法实时计算获得流过旁路电路的电流有效值I p ;对所述电压采样信号利用硬件过零检测 的方法分别测得微电网侧频率fM、微电网侧相位S M和公共电网侧频率fE、公共电网侧相位 S E;判断出在公共电网侧出现电能质量问题或公共电网侧故障时,主电路断路器QF1和主 电路断路器QF2闭合,可控三相交流通路闭合,由可控三相交流通路实现微电网和公共电 网之间的连接;断开旁路断路器QF3,断开可控三相交流通路,断开主电路断路器QF1和主 电路断路器QF2,从而断开微电网与公共电网的连接;在判断出流过旁路电路的电流超过 设定值时,旁路断路器QF3断开。
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