CN103236713B - 一种微电网用变流器的微电网组网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网组网及其控制方法及微电网用双向变流器,其微电网用双向变流器包括蓄电池组、逆变模块、DSP控制系统、第一电感、电容、第二电感、第一联络开关和第二联络开关，所述微电网用双向变流器的直流输入端接储能蓄电池组，逆变模块的交流输出经过第一电感和电容滤波，一方面通过第一联络开关接本地负载，另一方面通过第二电感和第二联络开关连接到微电网上。采用本发明一方面实现微电网内有功功率和无功功率的可控流动，优化储能系统配置、提高储能蓄电池组寿命，以及微电网各区域内能量合理分配；另一方面充分利用已有的电力变流器装置和技术，实现模块化组网、分布式接入，扩容简单，利于微电网技术的推广应用。

Description

一种微电网用变流器的微电网组网控制方法

技术领域

本发明涉及可再生能源分布式发电微电网领域，特别地涉及一种微电网组网及其控制方法及微电网用双向变流器。

背景技术

光伏发电、风力发电、生物质发电、海洋能发电等可再生能源发电技术得到了广泛的关注和应用。在海岛，牧区、小城镇等缺电或无电地区，采用太阳能等可再生能源发电对于解决能源短缺、推动节能减排目标的实现具有重要的社会现实意义。为了充分利用分布式可再生能源资源，采用微电网技术将分布式电源和分布式负载联结起来，既实现发电的就近使用、减少能量传输损耗，又能实现微电网内部区域的能量可控流动，相互支援，实现微电网系统经济优化运行。

独立微电网由于与公用市政电网没有连接，缺乏公用市政电网提供的大容量电压支撑，因此独立微电网运行的首要任务就是要建立稳定可靠的电压参考。微电网内的能量来源主要为可再生能源，如太阳能，风能等，可再生能源发电具有不确定、随机特性，负载用电也具有随机特性，因此微电网内必须具有能量平衡单元，如储能蓄电池、后备发电机等。当可再生能源发电大于负载用电时，将多余的能量储存在蓄电池内，当可再生能源发电小于负载用电时，储能蓄电池放电以提供能量缺额、平抑潮流的波动。目前常用的大容量储能蓄电池技术主要基于化学储能，为了提高蓄电池使用寿命，有必要对蓄电池进行可控充放电。另一方面为了提供稳定可靠的电能质量，有必要把随机波动的可再生能源发电在微电网内部进行合理的分配，以减少能量冲击幅度。目前常用的微电网技术，大多数仍然是采用提高蓄电池组容量的方法，来平抑中小型微电网潮流的波动，没有根据微电网发电容量、负荷特性以及电力变流器装置的特性来优化配置储能系统容量，蓄电池组的充放电一般处于不可控状态，蓄电池寿命短，系统效率低，成本高。采用微电网技术因地制宜的利用了分散的可再生能源资源，实现了能量的高效综合利用以及系统优化。微电网的联网模式目前既有直流微电网，也有交流微电网，但是已有的案例均涉及到多种特定的电力变换装置开发或复杂的控制方法，微电网组成繁杂，扩容难，不利于推广利用。因此现有技术有待于进一步改进。

发明内容

本发明提出了一种微电网组网及其控制方法及微电网用双向变流器，旨在解决微电网模块化组网以及微电网内功率的可控流动及优化调度问题。

本发明的技术方案如下：

一种微电网用双向变流器，其包括蓄电池组、逆变模块、DSP控制系统、第一电感、电容、第二电感、第一联络开关和第二联络开关，所述微电网用双向变流器的直流输入端接储能蓄电池组，逆变模块的交流输出经过第一电感和电容滤波，一方面通过第一联络开关接本地负载，另一方面通过第二联络开关连接到微电网上，所述DSP控制系统连接逆变模块，用于PWM控制，所述蓄电池组构成微电网的储能单元和功率调节单元，实现功率在各个蓄电池组之间的可控流动。

所述的微电网用双向变流器，其还包括第二电感，所述微电网用逆变器的交流输出端一方面通过第一联络开关接本地负载，另一方面通过第二电感和第二联络开关连接到微电网上。

一种采用上述的微电网用变流器的微电网组网，其包括：至少一个微电网用变流器、至少一个光伏并网逆变器、负载和微电网监控中心，所述微电网用变流器、光伏并网逆变器和负载均连接至微电网的输电网络拓扑结构中，所述微电网监控中心分别连接各个微电网用变流器和光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器还连接光伏阵列单元，所述微电网用变流器为双向变流器。

所述的微电网组网，其中，微电网用双向变流器通过微电网上层调度控制单元的组网指令直接闭合或断开第一或第二联络开关使其运行在并网或离网状态，实现多个微电网用双向变流器并网运行的模块化、分布式组网及快速响应。

所述的微电网组网，其中，所述光伏并网逆变器均采用最大功率跟踪算法，将即时产生的最大光伏能量以电流源的形式注入到微电网中。

所述的微电网组网，其中，所述组网采用光纤传输公共同步脉冲，微电网用双向变流器在并网或离网运行时均以公共同步脉冲作为锁相参考。

所述的微电网组网，其中，所述网络拓扑为直线型或环型；所述光伏并网逆变器为通用的并网逆变器，所述光伏单元可替换为风力或燃料电池；所述微电网用双向变流器为组建单相微电网的单相双向变流器或组建三相微电网的三相双向变流器。。

所述的微电网组网，其中，所述微电网用双向变流器在并网或离网运行时均采用输出电压调幅调相控制，通过统一的控制结构，实现了两种运行模式无缝切换，离网运行时仍能不间断对本地负载供电。

所述的微电网组网，其中，微电网用双向变流器的DSP控制系统与微电网控制中心通讯，接收双向变流器运行模式指令、双向变流器与微电网第二联络开关处的有功功率及无功功率设定值指令、以及第二联络开关处有功无功功率实测值。一种采用上述的微电网用变流器的微电网组网控制方法，其中:公共同步脉冲由微电网监控中心产生，采用光纤传输公共同步脉冲，微电网用双向变流器以公共同步脉冲作为锁相参考，实现多机的模块化、分布式接入，在微电网用双向变流器离网运行时，第二联络开关断开，双向变流器正弦波输出电压幅值参考值设定为恒定值，双向变流器输出电压的正向过零点与同步脉冲上升沿以零度相差锁相；在微电网用双向变流器并网运行时，第二联络开关闭合，双向变流器正弦波输出电压幅值参考值由无功功率偏差信号进行比例积分调节得到；双向变流器输出电压的正向过零点与同步脉冲上升沿以相角差进行锁相，相角差由有功功率偏差信号进行比例积分调节得到。

本发明提供的一种微电网用双向变流器及其组网方法的有益效果为：基于公共的同步脉冲参考，该独立微电网用逆变器可实现微电网模块化、分布式接入组网和微电网内功率可控流动及优化调度。微电网用逆变器并网和离网运行均采用统一的输出电压调幅调相控制结构，运行模式无缝切换，既可实现多模块的联网运行，离网时本地模块仍可不间断对本地负载供电。其一方面实现微电网内有功功率和无功功率的可控流动，优化储能系统配置、提高储能蓄电池组寿命，以及微电网各区域内能量合理分配；另一方面充分利用已有的电力变流器装置和技术，实现模块化组网、分布式接入，扩容简单，利于微电网技术的推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的微电网的组成结构示意图。

图2为本发明实施例的微电网用双向变流器的组成结构示意图。

图3为本发明实施例的微电网同步脉冲连接示意图；

图4为本发明实施例的微电网用双向变流器的控制框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

参见图1为本发明实施例的独立微电网的组成结构示意图。其包括：第一微电网用变流器a、第二微电网用变流器b、第三微电网用变流器c、第一光伏并网逆变器1、第二光伏并网逆变器2、负载和微电网监控中心，所述第一微电网用变流器a、第二微电网用变流器b、第三微电网用变流器c、第一光伏并网逆变器1、第二光伏并网逆变器2和负载均连接至微电网的输电网络拓扑结构中，所述微电网监控中心分别连接第一微电网用变流器a、第二微电网用变流器b、第三微电网用变流器c、第一光伏并网逆变器1和第二光伏并网逆变器2。所述微电网用变流器为双向变流器。

参见图2为独立微电网用双向变流器的组成结构示意图，所述微电网用双向变流器包括蓄电池组、逆变模块、DSP控制系统、第一电感L1、第二电感L2、电容C、第一联络开关K1和第二联络开关K2，所述微电网用逆变器的直流输入端接储能蓄电池组，逆变模块的交流输出通过第一电感L1和电容C滤波，一方面通过第一联络开关K1接本地负载R，另一方面通过第二电感L2和第二联络开关K2连接到微电网上，所述DSP控制系统连接微电网用逆变器，用于PWM控制。所述蓄电池组构成微电网的储能单元和功率调节单元，实现功率在各个蓄电池组之间的可控流动。DSP控制系统与微电网上层调度控制单元通讯，接收双向变流器运行模式(并网,离网)指令、双向变流器与微电网第二联络开关处的有功功率及无功功率设定值指令P^*与Q^*、以及第二联络开关处的有功无功功率实测值P与Q等。

离网运行时，第二联络开关K2断开，微电网用双向变流器能够通过第一联络开关K1独立为本地负载R提供电力供应，这种情况在微电网检修时尤其重要，从而大大提高了重要负载的供电可靠性。

并网运行时，第二联络开关K2闭合，微电网用双向变流器不仅仍然能够为本地负载R供电，还可通过微调A点输出电压的幅值和相角向微电网G输出功率或从微电网G接受功率。

为了实现并网与离网运行模式的无缝切换，本发明采用统一的控制结构。由于输配电里程较短，微电网的输电线路常常呈现电阻特性，因此在微网用双向变流器的开关接入点联络开关K2处串接了第二电感L2，第二电感L2的作用一方面可对电流滤波，另一方面使得多个微电网用双向变流器之间的输电线路特性为电感性。当两个电压源之间的输电线路呈电感性时，可通过两者的相位差调节有功功率的流动，通过两者的幅值差调节无功功率的流动，详细的原理及公式推导这里不再赘述。

微电网用双向变流器根据微电网上层调度控制单元的组网指令直接闭合或断开第二联络开关，从而运行在并网或离网状态，多个微电网用双向变流器并网运行，实现了模块化、分布式组网及快速响应。本发明提供的分布式发电微电网减少能量传输损耗，做到就地发电，就地使用。为了提高供电可靠性，对于本地重要负载在离网运行时，也可能保证不间断供电。

所述微电网用双向变流器既可是单相双向变流器，组建单相微电网；也可是三相双向变流器，组建三相微电网。

所述光伏并网逆变器为可再生能源发电单元，该光伏并网逆变器为通用的并网逆变器产品，其一端接太阳能电池板(参见图2)，另一端接入微电网。该类并网逆变器均采用最大功率跟踪算法，将即时产生的最大光伏能量以电流源的形式注入到微电网中。

光伏并网逆变器，微电网用双向变流器及负载可根据容量进行优化匹配设计，将整个微电网构成分解成几个模块，使得模块内的发电及用电尽量匹配，以减少能量传输损耗。

虽然图1中的光伏发电虽然不可控，随机变化，但是微电网用双向变流器之间依据下文所述的调节方法可实现可控，其能实现能量在各微电网双向变流器之间的功率流动分配，也即在各蓄电池组之间的流动分配，这样一方面实现了蓄电池的可控充放电，提高了蓄电池的寿命，另一方面也将波动的光伏能量在微电网内部进行了合理分配，既实现了光伏、风力发电等能量的最大化利用，又降低了能量冲击幅度，提高了电能质量。本发明提供的实施例图1中仅示出了光伏并网单元，但不限于此，也可采用风力，燃料电池等。图1中输电网络拓扑为直线型，也可为环型等其他任何类型。

参见图3为独立微电网同步脉冲连接示意图。微电网监控中心的同步脉冲发生器产生同步脉冲，例如，可为50Hz占空比为50％的方波脉冲，由光纤传输到各个微电网用双向变流器单元，微电网用双向变流器将该方波同步脉冲作为本机的锁相参考。由于全网具有公共的同步脉冲参考，微电网用双向变流器动态调节特性一致，从而保证了微电网具有相同的结构单元，具有模块化结构，易于扩容。

参见图4即为独立微电网用双向变流器的控制框图。采用图4所示的控制框图，实现离网与并网运行模式下控制框图的一致。离网运行时，第二联络开关K2断开，此时有功功率与无功功率的给定值P^*、Q^*均为零，第二联络开关K2处功率的实测值为零，此时有功功率PI调节环的输出相角差θ^*＝0，逆变器输出电压(A点处)的正向过零点与同步脉冲的正向过零点以零度相差锁相。无功功率PI调节环的输出电压幅值V＝Vref，Vref为离网时的电压设定值，例如单相电压有效值为220V,幅值为311V。并网运行时，第二联络开关K2闭合，此时有功功率及无功功率的期望值P^*、Q^*均由微电网上层控制单元即微电网监控中心给定，有功功率偏差信号(即有功功率的期望值减去实测值)经过PI调节后得到相角差给定值θ^*，然后采用软件锁相技术使得A点输出电压的正向过零点与同步脉冲的上升沿以θ^*相差锁相，从而实现了有功功率的无差调节。无功功率偏差信号(即无功功率的期望值减去实测值)经过PI调节后得到A点输出电压幅值调节增量信号ΔV，幅值增量信号与离网运行时的幅值设定信号之和(即ΔV+Vref)构成了当前的电压幅值期望值，通过上述有功功率和无功功率的闭合控制，得到了当前A点输出电压波形的期望值Vsina。接下来对Vsina的实现则可以采用任何目前已有的技术来实现，例如传统的电压外环电感电流内环控制的双环控制结构等。并网运行时，有功功率及无功功率的期望值P^*，Q^*也可不由微电网上层控制单元得到，而由本机预先设定，如P^*，Q^*设定为0，这样各微电网用逆变器在联络点处的功率均为0，此时物理上虽然联网，但功率流动仍然处于隔断状态。

采用图2所示的独立微电网用双向变流器结构及图4所示的控制方法，就使得微电网用双向变流器既能实现对本地负载在两种模式下的不间断供电，又能通过电压幅值和相角的微调，实现能量在多个微电网双向变流器之间的可控流动。

本发明提供的一种微电网用双向变流器及其组网方法的有益效果为：基于公共的同步脉冲参考，该独立微电网用逆变器可实现微电网模块化、分布式接入组网和微电网内功率可控流动及优化调度。微电网用逆变器并网和离网运行均采用统一的输出电压调幅调相控制结构，运行模式无缝切换，既可实现多模块的联网运行，离网时本地模块仍可不间断对本地负载供电。其一方面实现微电网内有功功率和无功功率的可控流动，优化储能系统配置、提高储能蓄电池组寿命，以及微电网各区域内能量合理分配；另一方面充分利用已有的电力变流器装置和技术，实现模块化组网、分布式接入，扩容简单，利于微电网技术的推广应用。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或应用，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (1)

1.一种微电网用变流器的微电网组网控制方法，其采用了一种微电网用双向变流器，该微电网用双向变流器包括蓄电池组、逆变模块、DSP控制系统、第一电感、电容、第二电感、第一联络开关和第二联络开关，所述微电网用双向变流器的逆变模块的直流输入端接蓄电池组，逆变模块的交流输出经过第一电感和电容滤波，一方面通过第一联络开关接本地负载，另一方面通过第二联络开关连接到微电网上，所述DSP控制系统连接逆变模块，用于PWM控制，所述蓄电池组构成微电网的储能单元和功率调节单元，实现功率在各个蓄电池组之间的可控流动，其特征在于:公共同步脉冲由微电网监控中心产生，采用光纤传输公共同步脉冲，微电网用双向变流器以公共同步脉冲作为锁相参考，实现多机的模块化、分布式接入，在微电网用双向变流器离网运行时，第二联络开关断开，双向变流器正弦波输出电压幅值参考值设定为恒定值，双向变流器输出电压的正向过零点与同步脉冲上升沿以零度相差锁相；在微电网用双向变流器并网运行时，第二联络开关闭合，双向变流器正弦波输出电压幅值参考值由无功功率偏差信号进行比例积分调节得到；双向变流器输出电压的正向过零点与同步脉冲上升沿以相角差进行锁相，相角差由有功功率偏差信号进行比例积分调节得到；

其具体调节方式为：当离网运行时，第二联络开关断开，此时有功功率与无功功率的给定值P^*、Q^*均为零，第二联络开关处功率的实测值为零，此时有功功率PI调节环的输出相角差θ^*＝0，逆变器输出电压的正向过零点与同步脉冲的正向过零点以零度相差锁相，无功功率PI调节环的输出电压幅值V＝Vref，Vref为离网时的电压设定值，当并网运行时，第二联络开关闭合，此时有功功率及无功功率的期望值P^*、Q^*均由微电网上层控制单元即微电网监控中心给定，有功功率偏差信号经过PI调节后得到相角差给定值θ^*，然后采用软件锁相技术使得A点输出电压的正向过零点与同步脉冲的上升沿以θ^*相差锁相，从而实现了有功功率的无差调节；无功功率偏差信号经过PI调节后得到A点输出电压幅值调节增量信号ΔV，幅值调节增量信号ΔV与离网运行时的幅值设定信号之和构成了当前的电压幅值期望值，通过上述有功功率和无功功率的闭合控制，得到了当前A点输出电压波形的期望值Vsina，所述A点是第一电感和第一联络开关的连接点。