CN103178547A - 一种带双向逆变器的微网系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种带双向逆变器的微网系统及其工作方法,涉及一种电网控制系统。目前分布式电站以最大功率将电能送入电网，分布式电站比例的增加，给电网带来冲击，影响用电安全。本发明包括微发电系统、连接微发电系统至公共电网的并网逆变器及控制并网逆变器工作的并网控制器，其特征在于：所述的微网系统还包括蓄电池、双向逆变器、稳定控制器，并网控制器与并网逆变器连接以控制并网逆变器使其能输出微发电系统的最大功率到公共电网，所述的稳定控制器设电网电压和频率采样模块，稳定控制器控制双向逆变器工作，所述的双向逆变器与交流母线并接。本技术方案有效降低微电网对电网的冲击，稳定电网，提高用电安全，及故障应急能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网控制系统。
背景技术
微电网可为风能、太阳能等，其作为绿色能源，逐渐增多，微电网通过继电器并入电网，传统微电网内的分布式电源需要协调控制。正常情况下，微电网与电网正常连接。当出现电网故障或者电网电能质量下降时，微电网与电网脱离，运行在孤岛模式。
微电网内部的协调控制策略通常采用两种控制方案：
1、服务器/客户机工作模式。该模式下由分布式单元上传数据到服务器，服务器对各单元进行协调控制。但该方式需要专用的通信线路与信息收集设备。
2、V/F下垂控制，各单元自由独立控制。控制方式由各设备电网端的电压与频率决定。该方式下无须添加专门的设备，并且微电网内部扩容简单。
分布式电站以最大功率将电能送入电网，分布式电站比例的增加，给电网带来冲击。影响用电安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种带双向逆变器的微网系统，以稳定电网的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种带双向逆变器的微网系统，包括微发电系统、连接微发电系统至公共电网的并网逆变器及控制并网逆变器工作的并网控制器，其特征在于：所述的微网系统还包括蓄电池、连接蓄电池至公共电网的双向逆变器、控制双向逆变器工作的稳定控制器，并网控制器与并网逆变器连接以控制并网逆变器使其能输出微发电系统的最大功率到公共电网，所述的稳定控制器设电网电压和频率采样模块，稳定控制器根据电网电压和频率控制双向逆变器工作以稳定电网，所述的双向逆变器与交流母线并接。该微网系统由功能互补的分布式电站与双向逆变器组成。选择在直流母线上还是交流母线上并接取决于系统构建使用的技术以及相应的能量管理策略。若本地负载直流负载较多，则采用直流并接；若本地负载交流负载较多，则采用交流并接。本技术方案针对V/F下垂控制，提出能量管理控制方案，根据当前电网的电压与频率，确定光伏双向逆变器的工作模式，有效降低微电网对电网的冲击，稳定电网，提高用电安全，及故障应急能力。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
所述的双向逆变器连接微发电系统及蓄电池形成孤岛模式下的微网稳定体。微网稳定体自身带发电系统，微发电系统可以为蓄电池充电，或直接供电，提高电网应急能力，在电网出现故障时，双向逆变器输出微发电系统的电能及蓄电池的储存电能，减少故障带来的损失。
所述的双向逆变器包括第二电容、第七开关管、第一电感、第一二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第三电感、第三电容、第五开关管、第六开关管、第二电感，所述的第二电容的两端分别与微发电系统的电池板的两输出端连接，第一电感的一端与第二电容一端连接，另一端与第七开关管的源极及第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与第五开关管的源极、第一电容及由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管组成的逆变桥连接，逆变桥的一输出端与第三电感相连，第三电感的另一端与第三电容一端连接作为逆变器第一输出端，第三电容的另一端与逆变桥的另一输出端连接作为逆变器第二输出端，所述的第五开关管的漏极与第六开关管的源极、第二电感一端相连，第六开关管的漏极、蓄电池负极、第二电容、第七开关管漏极、第一电容、逆变桥接地。
一种带双向逆变器的微网系统的工作方法，其特征在于：当微电网频率过低，双向逆变器不工作；当电网频率正常，双向逆变器储能；当微电网频率过高，双向逆变器支撑微网的负载；当双向逆变器支撑电网时的频率过大则双向逆变器停止工作。
状态1：当微电网频率小于49.5Hz，此时电网频率过低，为保证双向逆变器的安全性，双向逆变器不工作；状态2：当微电网频率在正常的49.5Hz与50Hz之间，此时双向逆变器属于正常的工作范围，电网输出频率需精确的匹配负载，为保证频率恢复至标准的50Hz，双向逆变器储能侧大电流充能，双向逆变器参与电网频率调节，依据电网向蓄电池储能控制模式吸收电网中多余的有功，但蓄电池充满时双向逆变器不工作；状态3：当微电网频率在正常的50Hz与50.2Hz之间，此时双向逆变器不属于正常的工作范围，但为保证蓄电池电量充足，储能侧在电能不足的情况下，蓄电池小电流充能，充满后，双向逆变器不工作；状态4：当微电网频率在50Hz与50.5Hz之间，若设备为敏感设备，该阶段双向逆变器可控制电网继电器断开并工作在带载模式，或选择状态3的工作模式；状态5当微电网频率高于50.5Hz，双向逆变器断开电网，双向逆变器开始支撑微型电网的电网电压；状态6：当双向逆变器支撑电网时的频率大于50.7时，双向逆变器停止工作。
有益效果：本技术方案针对V/F下垂控制，提出能量管理控制方案，根据当前电网的电压与频率，确定光伏双向逆变器的工作模式，有效降低微电网对电网的冲击，稳定电网，提高用电安全，及故障应急能力。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图。
图2为本发明双向逆变器结构。
图3为本发明V/F压频控制框图。
图4为敏感负载的状态迁移图。
图5为一般负载的状态迁移图。
图中：C2-第二电容、Q-第七开关管、L1-第一电感、D1-第一二极管、Q1-第一开关管、Q2-第二开关管、Q3-第三开关管、Q4-第四开关管、L-第三电感、C3-第三电容、Q5-第五开关管、Q6-第六开关管、L2-第二电感。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明包括微发电系统、连接微发电系统至公共电网的并网逆变器及控制并网逆变器工作的并网控制器，所述的微网系统还包括蓄电池、连接蓄电池至公共电网的双向逆变器、控制双向逆变器工作的稳定控制器，并网控制器与并网逆变器连接以控制并网逆变器使其能输出微发电系统的最大功率到公共电网，所述的稳定控制器设电网电压和频率采样模块，稳定控制器根据电网电压和频率控制双向逆变器工作以稳定电网，所述的双向逆变器与直流母线并接或与交流母线并接。
双向逆变器的能量管理控制建立在V/F控制算法的基础上。V/F压频控制是微型电网/交流并接应用的核心技术。双向逆变器需要在微网系统中通过改变频率以调节发电-耗能-存储之间的平衡。
双向逆变器的并接方式有两种形式：
（1）直流母线并接
（2）交流母线并接
选择在直流母线上还是交流母线上并接取决于系统构建使用的技术以及相应的能量管理策略。若本地负载直流负载较多，则采用直流并接。若本地负载交流负载较多，则采用交流并接。在本实施例中的双向逆变器并接方式采用交流并接。
在微型电网中，蓄电池作为核心部件时，一般采用交流母线上汇流。双向逆变器在满足交流负载与蓄电池充电之间，进行能量控制和转换。
交流并接模式接如图1所示：图1中，从左至右依次为太阳能发电站、居民负荷、双向逆变器、生产负荷、风能发电站。双向逆变器输入端与微发电系统连接。
双向逆变器电路拓扑框图见附图2，双向逆变器包括第二电容C2、第七开关管Q、第一电感L1、第一二极管D1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第三电感L、第三电容C3、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第二电感L2，所述的第二电容C2的两端分别与微发电系统的电池板的两输出端连接，第一电感L1的一端与第二电容C2一端连接，另一端与第七开关管Q的源极及第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与第五开关管Q5的源极、第一电容C1及由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4组成的逆变桥连接，逆变桥的一输出端与第三电感L相连，第三电感L的另一端与第三电容C3一端连接作为逆变器第一输出端，第三电容C3的另一端与逆变桥的另一输出端连接作为逆变器第二输出端，所述的第五开关管Q5的漏极与第六开关管Q6的源极、第二电感L2一端相连，第六开关管Q6的漏极、蓄电池负极、第二电容C2、第七开关管Q漏极、第一电容C1、逆变桥接地。第二电容C2、第一电容C1分别为PV侧均压电容与直流母线侧均压电容，主用于稳定电压。第一电感L1、第一二极管D1、第七开关管Q分别为升压电路侧储能电感、导通二极管与开关管，其构成升压侧主电路拓扑。第一、二、三、四开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成逆变桥，其由三角载波调制输出的脉宽波控制。第三电感L、第三电容C分别为逆变侧滤波电路的电感与电容，其构成LC滤波器。LC滤波器能够有效抑制电路中的噪声、干扰，使得逆变器输出纯净的交流电。第二电感L2、第五、六开关管Q5、Q6为蓄电池二象限DC-DC变换器的储能电感与开关管。二象限DC-DC变换器主用于蓄电池的能量交互。其电路拓扑既能够充电，也可以进行放电。
按图2中电路拓扑搭建3KW光伏离网逆变器模型。正常带载时，光伏离网逆变器BOOST侧工作在恒压模式以支撑直流母线电压。带载时给定不同频率的电压参考信号，实际输出的功率见表1。
表1功率与频率变化关系
| 25Hz | 2.45KW |
| 40Hz | 2.44KW |
| 50Hz | 2.42KW |
| 60Hz | 2.4KW |
| 100Hz | 2.31KW |
由表1知，随频率增加，负载端功率减小。两者成反比关系。
微型电网内，并网逆变器一直与交流母线频率同步。分布式电源中，逆变器的运行标准见表2。
表2电网频率的响应
由表2确定微网中的各分布式单元的工作状态。
并网逆变器正常工作状态：
状态1：微电网频率大于50.5Hz
该模式下微电网不足以支撑所有的负载。公共电网或者储能装置支撑微电网内负载。
状态2：微电网频率在50.2Hz与50.5Hz之间
不合指标的并网逆变器运行2分钟后停运。
状态3：微电网频率在49.5Hz与50.2Hz之间
该模式下，微电网内部分布式单元正常运行。其负荷由微电网内部发出的电能承担，并网逆变器正常工作。
状态4：微电网频率在48Hz与49.5Hz
正常工作10分钟后，微电网内部分并网逆变器停止运行，部分并网逆变器正常工作。
状态5：微电网频率小于48Hz
快速关停并网逆变器。
为保证微电网内设备安全正常运行，双向逆变器按以下控制方式运行能量管理控制策略。
状态1：微电网频率小于49.5Hz
此时电网频率过低。为保证双向逆变器的安全性，双向逆变器不工作。
状态2：微电网频率在正常的49.5Hz与50Hz之间
此时双向逆变器属于正常的工作范围。电网输出频率需精确的匹配负载，为保证频率恢复至标准的50Hz，双向逆变器储能侧大电流充能。双向逆变器参与电网频率调节，依据电网向蓄电池储能控制模式吸收电网中多余的有功。但蓄电池充满时双向逆变器不工作。
状态3：微电网频率在正常的50Hz与50.2Hz之间
此时双向逆变器不属于正常的工作范围。但为保证蓄电池电量充足，且双向逆变器不影响电网稳定性。故储能侧在电能不足的情况下，蓄电池小电流充能。充满后，双向逆变器不工作。
状态4：微电网频率在50Hz与50.5Hz之间
若设备为敏感设备，该阶段双向逆变器可控制电网继电器断开并工作在带载模式。也可以选择状态3的工作模式。
状态5：微电网频率高于50.5Hz
双向逆变器断开电网，双向逆变器开始支撑微型电网的电网电压。当双向逆变器支撑电网时的频率大于50.7时，双向逆变器停止工作。
双向逆变器V/F压频控制框图见附图3。其中Vinv与Iinv分别为逆变器输出侧的电压与电流。由功率测量模块计算出当前的有功与无功，V/F下垂特性功率控制器决定给定参考信号的电压与频率。电压环PID控制用于稳定负载电压。内环为保证足够的实时性，采用纯比例控制器。控制信号经过PWM模块，控制开关管通断。敏感负载模式下的状态迁移图见附图4，一般负载模式下的状态迁移图见附图5。其中F为电网频率，F1为双向逆变器内部的指令频率，SOC为蓄电池的荷电状态，具体的数值依据蓄电池的选型。
以上图1-5所示的一种带双向逆变器的微网系统及其工作方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著的进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。
Claims (5)
1.一种带双向逆变器的微网系统，包括微发电系统、连接微发电系统至公共电网的并网逆变器及控制并网逆变器工作的并网控制器，其特征在于：所述的微网系统还包括蓄电池、连接蓄电池至公共电网的双向逆变器、控制双向逆变器工作的稳定控制器，并网控制器与并网逆变器连接以控制并网逆变器使其能输出微发电系统的最大功率到公共电网，所述的稳定控制器设电网电压和频率采样模块，稳定控制器根据电网电压和频率控制双向逆变器工作以稳定电网，所述的双向逆变器与交流母线并接。
2.根据权利要求1所述的一种带双向逆变器的微网系统，其特征在于：所述的双向逆变器连接微发电系统及蓄电池形成孤岛模式下的微网稳定体。
3.根据权利要求1所述的一种带双向逆变器的微网系统，其特征在于：所述的双向逆变器包括第二电容（C2）、第七开关管（Q）、第一电感（L1）、第一二极管（D1）、第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）、第三电感（L）、第三电容（C3）、第五开关管（Q5）、第六开关管（Q6）、第二电感（L2），所述的第二电容（C2）的两端分别与微发电系统的电池板的两输出端连接，第一电感（L1）的一端与第二电容（C2）一端连接，另一端与第七开关管（Q）的源极及第一二极管（D1）的正极相连，第一二极管（D1）的负极与第五开关管（Q5）的源极、第一电容（C1）及由第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）组成的逆变桥连接，逆变桥的一输出端与第三电感（L）相连，第三电感（L）的另一端与第三电容（C3）一端连接作为逆变器第一输出端，第三电容（C3）的另一端与逆变桥的另一输出端连接作为逆变器第二输出端，所述的第五开关管（Q5）的漏极与第六开关管（Q6）的源极、第二电感（L2）一端相连，第六开关管（Q6）的漏极、蓄电池负极、第二电容（C2）、第七开关管（Q）漏极、第一电容（C1）、逆变桥接地。
4.根据权利要求1所述的一种带双向逆变器的微网系统的工作方法，其特征在于：当微电网频率过低，双向逆变器不工作；当电网频率正常，双向逆变器储能；当微电网频率过高，双向逆变器支撑微网的负载；当双向逆变器支撑电网时的频率过大则双向逆变器停止工作。
5.根据权利要求4所述的一种带双向逆变器的微网系统的工作方法，其特征在于：状态1：当微电网频率小于49.5Hz，此时电网频率过低，为保证双向逆变器的安全性，双向逆变器不工作；状态2：当微电网频率在正常的49.5Hz与50Hz之间，此时双向逆变器属于正常的工作范围，电网输出频率需精确的匹配负载，为保证频率恢复至标准的50Hz，双向逆变器储能侧大电流充能，双向逆变器参与电网频率调节，依据电网向蓄电池储能控制模式吸收电网中多余的有功，但蓄电池充满时双向逆变器不工作；状态3：当微电网频率在正常的50Hz与50.2Hz之间，此时双向逆变器不属于正常的工作范围，但为保证蓄电池电量充足，储能侧在电能不足的情况下，蓄电池小电流充能，充满后，双向逆变器不工作；状态4：当微电网频率在50Hz与50.5Hz之间，若设备为敏感设备，该阶段双向逆变器可控制电网继电器断开并工作在带载模式，或选择状态3的工作模式；状态5当微电网频率高于50.5Hz，双向逆变器断开电网，双向逆变器开始支撑微型电网的电网电压；状态6：当双向逆变器支撑电网时的频率大于50.7时，双向逆变器停止工作。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150916 Termination date: 20160410 |
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