CN103199560A - 一种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其外部是一个集装箱柜体的箱体，箱体内部为三室结构，前室为操作室，中室为设备室，后室为制冷室。其采用交直流母线结构，两母线之间由一台变流器进行连接。此外，各微源（微型燃气轮机，光伏电池，风力发电机）和储能（超级电容，蓄电池）通过集装箱外部端子连接至内部各相应变流器输入侧，将原本分散的变流器集中至一个箱式柜体中，再通过一个负责能量管理的控制芯片进行集中控制，既省去了通讯设备的建设费用，又大大提高了微网系统的工作可靠性。对比传统微网，本箱式结构集成化装置既保留了原微网的运行特性，又降低了微网系统安装，卸载，运输的难度，是一种实用的工程发明。

Description

一种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置
技术领域
本发明属于电力电子微型电网领域，涉及一种并网系统装置，尤其是一种箱式结构的高度集成多种不同类型电力电子变流器的微网系统并网装置。
背景技术
微电网作为对单一大电网的有益补充，其广泛应用的潜力巨大。目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本等，都已开展了对微电网的研究，其他国家如加拿大、中国、韩国等也都开始涉及。
美国最早提出了微电网概念，1999年，可靠性技术解决方案协会(the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS)首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到2002年，较为完整的微电网概念被提出来。CERTS的微电网设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性、随时可接入的DER（分布式发电机）等。这些突出的特点使它成为世界上所提出的微电网中最权威、认可度最高的一个。美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性。
我国“十一五”规划纲要提出了建成5GW风电的发展目标，在不久的将来不断会有风电和光伏等DER不断接入电网。中国微电网的发展尚处在起步阶段，前景广阔，各高校研究所竞相参与研究，在今后微电网的研究和发展中，以下几个方面的问题需要给予更多的关注：
微电网中引入了很多先进的电力电子设备，它们大都是灵活可控的，如何实现对这些设备自身的智能控制和最优控制也是一个很重要的问题；微电网中含有多个微电源，各微电源之间的协调控制是一个需要重点考虑的问题；加强微电网和主网之间的协调控制，以提高微电网对上级电网的支撑能力对于电网的稳定具有重要意义；微电网在并网和孤岛运行下的稳定性分析；微电网电能质量问题需要做进一步的探讨和研究。
微网的突出特点是协调控制内部各DER单元的工作状态，在并网和孤岛方式下都能使微网处于稳定供电状态。传统微型电网控制结构大致可分为两类：对等控制和分层控制。对等控制实现了DG（分布式电源）即插即用的便利接入方式，而且各逆变器根据各自输出端的信息进行功率调节，减免了昂贵的通讯费用。但是目前该方式在实际应用中还存在着很多技术不足，比如稳定性分析，无功功率的均分，同时对微网系统参数的设定也较为严格。分层控制由于多代理的设置，各个DG单元都是在线可控的，可实现能量管理优化，但是其运行过度依赖通信，通信失效将导致整个微网系统不可控。
因此，本发明将传统微网中各个地理上分散的变流器集成到一个集装箱结构的大型柜体中进行集中管理，大大降低了微型电网的安装，卸载，运输，通讯等工作的费用和实施难度，是一种实用的工程发明。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其将传统微网中地理上分散的分布式发电机单元集成到一个箱式结构中，既减免了高昂的通讯费用，又方便了安装卸载过程。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
该种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，包括箱体，在箱体上设置有大电网接口，负载接口，光伏接口，风力机接口，两个储能接口，微型燃气轮机接口以及通讯接口；所述箱体内包含一条交流母线和一条直流母线，所述交流母线和直流母线之间用一台DC/AC变流器连接，实现能量双向流动；所述大电网接口通过箱体内部的公共连接点连接至交流母线；所述负载接口通过箱体内部的负荷控制器连接至交流母线；所述微型燃气轮机接口通过箱体内部的AC/DC/AC变流器连接至交流母线；所述光伏接口连接至直流母线；所述两个储能接口分别为超级电容接口和蓄电池接口，通过箱体内部的两台双向DC/DC变流器连接至直流母线；所述风力机接口通过箱体内部的AC/DC变流器连接至直流母线；箱体内的变流器分别由一块数字信号处理器DSP进行控制；所述通讯接口连接至箱体内部一块负责能量管理的DSP，该DSP作为通讯主站与箱体内部所述各变流器的DSP建立CAN总线通讯，并直接控制PCC点的静态开关和负荷控制器。
上述箱体内部分为前室、中室和后室，所述前室为操作室，供操作人员操作时使用；中室为设备室，安放变流器设备；后室为制冷室，安装有冷却系统，为集装箱工作环境降温。
上述公共连接点为PCC静态开关。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过将传统微网的各子单元集成到一个箱式结构中，大大降低了管理费用和通讯成本，并且使微网装备变得灵活可靠，便于安装卸载运输。通过仿真，对该结构的微网装置进行了工作稳定验证，证实了该方案的可行性和可靠性，具有较为实用的工程价值。
附图说明
图1为箱式集成微网系统的主电路拓扑；
图2为通讯连接示意图；
图3为Matlab仿真实验波形一：其中，a为一号变流器输出有功；b为二号变流器输出有功；
图4为Matlab仿真实验波形二：其中，a为一号变流器单独并网功率输出图；b为最大功率跟踪轨迹图；
图5为Matlab仿真实验波形三：其中，a为二号变流器单独并网有功功率输出；b为入网电流波形。
具体实施方式
本发明的箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其特征在于，包括箱体，在箱体上设置有大电网接口，负载接口，光伏接口，风力机接口，两个储能接口，微型燃气轮机接口以及通讯接口；所述箱体内包含一条交流母线和一条直流母线，所述交流母线和直流母线之间用一台DC/AC变流器连接，实现能量双向流动；所述大电网接口通过箱体内部的公共连接点PCC静态开关连接至交流母线；所述负载接口通过箱体内部的负荷控制器连接至交流母线；所述微型燃气轮机接口通过箱体内部的AC/DC/AC变流器连接至交流母线；所述光伏接口连接至直流母线；所述两个储能接口分别为超级电容接口和蓄电池接口，通过箱体内部的两台双向DC/DC变流器连接至直流母线；所述风力机接口通过箱体内部的AC/DC变流器连接至直流母线；箱体内的变流器分别由一块数字信号处理器DSP进行控制；所述通讯接口连接至箱体内部一块负责能量管理的DSP，该DSP作为通讯主站与箱体内部所述各变流器的DSP建立CAN总线通讯，并直接控制PCC点的静态开关和负荷控制器。
本发明的箱体内部分为前室、中室和后室，所述前室为操作室，供操作人员操作时使用；中室为设备室，安放变流器设备；后室为制冷室，安装有冷却系统，为集装箱工作环境降温。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明技术方案主要从装置内外部结构和主电路拓扑两个方面进行阐述。
外部结构：
该集成化微网系统为集装箱式结构，其外部主要留有8个应用接口，分别为大电网接口，负载接口，光伏接口，风力机接口，储能接口（超级电容，蓄电池），微型燃气轮机接口以及通讯接口。使用时只需对号入座，方便并网和卸载，实现即插即用。
大电网接口：
大电网接口是该箱式集成化微型电网装置的并网接口，使用时连接至大电网的配电网侧，连接形式为三相三线制，线电压等级为380V。
负载接口：
微网内部负载接口，在孤岛状态下，负载运行由该一体化装置提供能量。
光伏接口：
光伏电池板接入接口，形式为直流，电压等级600～1000V，建议容量200kW。
风力机接口：
风机接入口，形式为交流，建议容量30kW。
储能接口：
储能设备蓄电池和超级电容接口，由蓄电池平衡能量波动，超级电容平衡功率波动。蓄电池建议容量200Ah，电压等级300V，最低电压240V。
微型燃气轮机接口：
接入形式为微型燃气轮机，容量为220eKW240KVA，电源类型：AC50HZ，380V，3PH。
通讯接口：
通过一个因特网接口，使装置状态随时可以再网上被监控，方便管理。
内部结构：箱体构内部分为三个室：操作室，设备室，制冷室。
a）操作室：
箱式集成化微网系统装置安装完成后，供现场调试操作人员使用，并配有人机界面，方便操作。
b）设备室：
集成微网装置主电路和控制电路的安装室，集成装置安装完成后，一般不可进入，仅供维护人员进入操作。
c）制冷室：
集成装置降温系统的安装室，使整个微网集成装置工作在适宜的温度。
集成装置主电路拓扑
该箱式集成化装置内部包含一条交流母线，一条直流母线，两母线之间用一台DC/AC逆变器连接，实现能量双向流动。①大电网接口通过一个PCC静态开关连接至交流母线；②负载接口通过一个负荷控制器连接至交流母线；③微型燃气轮机接口通过一个AC/DC/AC变流器连接至交流母线；④光伏接口连接至直流母线；⑤两个储能接口（超级电容，蓄电池）各自通过一个双向DC/DC变流器连接至直流母线；⑥风机则通过一个AC/DC变流器连接至直流母线；⑦通讯接口连接至一块负责能量管理的DSP，该DSP作为通讯主站与一集成装置内部的子变流器进行通讯，并直接控制PCC点的静态开关和负荷控制器。其内部主电路结构如附图2所示，综上所述，箱式装置内部共有一个DC/AC逆变器，一个AC/DC整流器，一个AC/DC/AC交直交变流器，两个DC/DC双向斩波变流器。每个子变流器各由一块DSP进行控制，并作为从站实时的与负责能量管理的DSP（通讯主站）进行通讯，接收控制指令，反馈状态参数。
a)DC/AC逆变器
该逆变器负责连接直流母线与交流母线，该逆变器有三种工作方式：当工作在电压源VF控制模式时，该逆变器负责稳定微网内部交流母线电压；当工作在电流源PQ模式时，该逆变器将检测输出电流和直流侧电压，使交流侧输出功率达到最大；当工作在整流模式时，主要用于大电网或微型燃气轮机向直流侧储能充电。
b)AC/DC/AC变流器
外部微型燃气轮机连接至该变流器的输入侧，主要作用是在孤岛运行方式下，维持装置内交流母线电压恒定。通过前级整流将高频交流电转化为直流电能，再由后级逆变器转化为工频交流电输出。
c)AC/DC整流器
外部风机连接至该变流器的输入侧，将风机输出的不稳定交流电能转化为直流，其直流侧电压等级为640V～1000V。
d)双向DC/DC变流器
外部储能设备连接至该变流器的输入侧，该箱式集成装置内部共有两个bi-buckboost结构的双向直流斩波器，用于对储能设备进行充放电控制。
e)PCC静态开关
该静态开关结构为三相反并联晶闸管结构，在附图3中大电网接入侧给出了其结构图。通过实时监测静态开关两侧电压，当大电网故障时，将装置离网，同时调整各子变流器控制指令；当大电网正常运行时，监测静态开关两侧电压，当相位，幅值差小于一定等级时，开关导通。
f)能量管理中心
能量管理中心实际上是一块控制PCC静态开关和负荷控制器的DSP，该DSP不仅负责控制PCC开关和负荷控制器，还与其他子变流器的控制芯片DSP进行数据交换，实时下达功率或电压指令，维持整个装置的能量流动和功率平衡。
安装时将箱式集成装置运至安装地点，将相应的微源接入箱式装置底侧的接线端口，连接网侧接线，负载侧接线。安装完成后，启动运行。
本发明微网集成一体化装置系统结构拓扑图1所示，运行时可根据工作状态投入子变流器。集成装置内部有一条交流母线（线电压等级为380V）与一条直流母线（电压等级640V～1000V）。装置并网时，交流母线电压由大电网提供支撑，直流母线电压由新能源单位提供支撑；装置孤岛运行时，交流母线电压由微型燃气轮机支撑，直流母线电压由新能源提供支撑。储能主要有两个作用：一是为装置启动提供能量，微型燃气轮机从启动到额定功率运行这段时期内，储能通过一级升压后，再由通过逆变器为交流母线提供电压支撑；二是作为能量调节和功率调节的工具。集成化装置内部共有5个子变流器，一个能量管理中心，一个PCC静态开关，一个负荷控制器，由于集成化管理，PCC开关和负荷控制器直接由能量管理中心监控，故共有6个DSP芯片进行协调工作。6块DSP芯片之间用CAN总线进行通讯，实时协调各自的工作模式，使装置始终满足关系式：PLoad＝Pinv1+Pinv2+Pnet，Vl-l＝380V，Pinv1＝PPV+Pwind+PES。
一号变流器作为连接交直流母线的关键逆变器，在装置正常运行时，工作在MPPT方式下，将新能源功率最大化的输送至交流侧；在装置退出运行前，工作在整流状态，对储能系统充电。装置启动时，一号变流器作为主逆变器支撑电压，当微型燃气轮机运行在额定功率时，转为二号变流器作为主逆变器提供电压支撑。当新能源充足时，令微型燃气轮机工作在最低额定功率，必要时限制新能源最大功率输出；当新能源不足时，微型燃气轮机提供不足的能量。
风力发电机部分通过风速检测，计算出最大风能转速，作为给定控制风机转速。该整流器将不确定频率的交流电能转化为直流电输送至直流母线，最大化的利用了可再生能源。储能单元通过Bi-buckboost拓扑连接至直流母线。当对储能单元（蓄电池或超级电容）进行充电时，直流母线电压作为高压侧，通过buck电路的工作方式，给定储能单元端电压，对其进行充电；当储能单元放电时，储能单元电压维持在240V至300V，通过boost工作方式把能量输送至高压侧，维持交流母线电压。此外，通过检测功率波动和能量波动，对直流侧电能削峰填谷，平抑波动。
该装置的通讯分为内部通讯和互联网通讯，在图2中给出了通讯示意图。内部通讯通过一块担任能量管理中心的DSP发起，连接各子变流器的控制芯片，通讯采用CAN总线技术，具有实时性好，单位时间传输数据多的优点。CAN通讯主要是为集成装置稳定工作服务的，作为CAN主站的DSP通过SCI接口，连接一台触摸屏，以实现可视化操作。同时该触摸屏自身是一台微型电脑，可以通过互联网接口入网，实现远程操作。
附图中给出了三个主要仿真的结果报告：
1）孤岛运行
微网孤岛运行时，2号变流器提供电压支撑，网内满负荷220kW。在0.2s时刻，1号变流器投入运行，工作在MPPT方式下，跟踪光伏最大功率输出，在0.6s时，检测到直流侧电压过低，退出运行，其仿真结果在图3中给出。在0.2s时刻，微型燃气轮机输出有功降低，此时降低燃气给入，低功率运行，功率给定为Pinv2＝PLoad-PMPPT。在0.6s时刻，一号变流器退出运行，2号变流器恢复到满功率运行。
2）一号变流器并网运行
一号变流器单独并网时，可视为一台大功率的光伏并网逆变器，其单独并网特性的仿真结果在图4中给出。其中红线代表有功输出，蓝线代表武功输出。
3）二号变流器并网运行
二号变流器单独并网运行时运行在PQ模式，检测PCC点处的电压，跟踪电压相位，输出有功无功。其仿真结果在图5中给出。

Claims (3)

1.一种箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其特征在于，包括箱体，在箱体上设置有大电网接口，负载接口，光伏接口，风力机接口，两个储能接口，微型燃气轮机接口以及通讯接口；所述箱体内包含一条交流母线和一条直流母线，所述交流母线和直流母线之间用一台DC/AC变流器连接，实现能量双向流动；所述大电网接口通过箱体内部的公共连接点连接至交流母线；所述负载接口通过箱体内部的负荷控制器连接至交流母线；所述微型燃气轮机接口通过箱体内部的AC/DC/AC变流器连接至交流母线；所述光伏接口连接至直流母线；所述两个储能接口分别为超级电容接口和蓄电池接口，通过箱体内部的两台双向DC/DC变流器连接至直流母线；所述风力机接口通过箱体内部的AC/DC变流器连接至直流母线；箱体内的变流器分别由一块数字信号处理器DSP进行控制；所述通讯接口连接至箱体内部一块负责能量管理的DSP，该DSP作为通讯主站与箱体内部所述各变流器的DSP建立CAN总线通讯，并直接控制PCC点的静态开关和负荷控制器。
2.根据权利要求1所述的箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其特征在于，所述箱体内部分为前室、中室和后室，所述前室为操作室，供操作人员操作时使用；中室为设备室，安放变流器设备；后室为制冷室，安装有冷却系统，为集装箱工作环境降温。
3.根据权利要求1所述的箱式集成化的多微源接口微型电网并网系统装置，其特征在于，所述公共连接点为PCC静态开关。
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