CN103560544B - 一种启动微电网内大型动力负荷的系统 - Google Patents

一种启动微电网内大型动力负荷的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种启动微电网内大型动力负荷的系统，包括PCC并网开关、微电网交流母线、有源电力滤波器APF、储能逆变器、储能电池、限流电阻R、接触器K1-K3、时间继电器KT、电源继电板、微电网主控系统、变频器整流电路、变频器滤波电路和变频器逆变电路。其有益效果在于：使用变频启动装置可以有效的提高动力负荷的输出转矩，同时启动电流也较小，而且本发明中所提出的方法，可以有效地降低变频启动装置启动动力负荷时的谐波电流，避免同时变频启动装置直流侧出现两路电源同时供电的现象，提高了微电网的稳定性和经济性。

Description

一种启动微电网内大型动力负荷的系统
技术领域
本发明属于分布式发电、储能、电能质量及微电网技术领域，涉及一种启动微电网内大型动力负荷的系统。
背景技术
随着我国经济社会的发展，消耗的资源也越来越多，给环境造成了较大的压力，为了解决这一问题，我国大力发展以可再生能源为主的分布式电源。随着分布式电源的大量并网，对电网造成了一定的冲击。微电网可以较好地解决分布式电源的并网问题，但是当微电网离网运行时，由于系统的容量较小，同时耐受谐波电流能力较差，所以当微电网离网启动大型动力负荷时，所产生的冲击电流和谐波电流有可能会造成系统的工作异常。为能够有效地提高微电网的经济性，迫切需要一种能够在微电网离网运行状态下以较小容量的微电网启动大型动力负荷的方法。
大型动力负荷启动方法中的电压软启动方法使用的是电压软启动器，但是启动电流较大，同时谐波电流较多，在启动过程中，大型动力负荷的输出转矩较小。使用变频启动装置可以有效地提高动力负荷的输出转矩，同时启动电流也较小。但是，由于变频启动装置内有整流电路，所以使用变频启动装置的谐波电流较大。微电网的容量较小，同时对谐波电流的耐受能力也较小，当使用变频启动装置启动动力负荷时，所产生的谐波电流会对微电网的稳定性造成影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效降低谐波电流、能够在离网运行状态下以较小容量的微电网启动微电网内大型动力负荷的系统。
为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种启动微电网内大型动力负荷的系统，包括PCC并网开关、微电网交流母线、有源电力滤波器APF、储能逆变器、储能电池、限流电阻R、接触器K1-K3、时间继电器KT、电源继电板、微电网主控系统、变频器整流电路、变频器滤波电路和变频器逆变电路；
所述微电网交流母线经所述PCC并网开关与大电网双向连接；所述有源电力滤波器APF与所述微电网交流母线双向连接；
所述储能电池分两条支路，其中一条支路经所述储能逆变器与所述微电网交流母线双向连接，另一条支路依次经所述接触器K3的主触点1脚与2脚、接触器K1的主触点1脚与2脚接所述变频器滤波电路的输入端；所述限流电阻R与所述接触器K1的主触点1脚与2脚两端并联；
所述微电网交流母线依次经所述变频器整流电路、接触器K2的主触点1脚与2脚、变频器滤波电路、变频器逆变电路接大型动力负荷；
所述微电网主控系统的第一控制输出端、第二控制输出端分别接所述电源继电板的第一控制输入端I1、第二控制输入端I2；
所述电源继电板的第一电源输出端E1-1依次经所述接触器K3的供电线圈A1端、A2端、接触器K2的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第二电源输出端E1-2依次经所述接触器K2的供电线圈A1端、A2端、接触器K3的常闭辅助触点5脚、6脚、接触器K1的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3依次经所述时间继电器KT的电源端1脚、2脚、接触器K3的常开辅助触点7脚、8脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第四电源输出端E1-4依次经所述接触器K1的供电线圈A1端、A2端、时间继电器KT的常开触点3脚、4脚接电源继电板的公共输出端E1-01。
所述电源继电板包括电阻R1-R2、光电耦合器OC1-OC2、继电器J4-J5、直流电源DC1- DC2和交流电源E1；
所述电源继电板的第一输入控制端I1经电阻R1接光电耦合器OC1的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC1的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC1的集电极4脚接所述继电器J4的线圈J4-1的正极，所述光电耦合器OC1的发射极3脚经所述直流电源DC1接所述继电器J4的线圈J4-1的负极；所述继电器J4的常开静触点接所述电源继电板的第一电源输出端E1-1，所述继电器J4的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第二输入控制端I2经电阻R2接光电耦合器OC2的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC2的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC2的集电极4脚接所述继电器J5的线圈J5-1的正极，所述光电耦合器OC2的发射极3脚经所述直流电源DC2接所述继电器J5的线圈J5-1的负极；所述继电器J5的常开静触点接所述电源继电板的第二电源输出端E1-2，所述继电器J5的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3、电源继电板的第四电源输出端E1-4分别接所述交流电源E1的E1-02端；所述交流电源E1的E1-01端为所述电源继电板的公共输出端E1-01。
所述光电耦合器OC1-OC2的型号均为TLP521-1；所述继电器J4-J5的型号均为MY2NJ-12VDC。
所述变频器整流电路是由整流二极管D1-D6构成的三相全波桥式电路。
所述整流二极管D1-D6的型号均为SKD110/12E。
所述变频器滤波电路是由电感L、电容C构成的LC滤波电路。
所述变频器逆变电路是由IGBT模块Q1-Q6和二极管D7-D12构成的三相全桥逆变电路；所述储能逆变器是由IGBT模块Q7-Q12和二极管D13-D18构成的三相全桥逆变电路。
所述IGBT模块Q1-Q12的型号均为英飞凌FS450R12KE3。
所述时间继电器KT的型号为正泰JS14P；所述微电网主控系统的型号为NMC1000；所述PCC并网开关的型号为MG2312；所述有源电力滤波器APF的型号为SPA3-100A/0.4。
所述直流电源DC1-DC2的电压为V12；所述交流电源E1的电压为交流24V。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：使用变频启动装置可以有效地提高动力负荷的输出转矩，同时启动电流也较小，而且本发明中所提出的方法，可以有效地降低变频启动装置启动动力负荷时的谐波电流，避免变频启动装置直流侧出现两路电源同时供电的现象，提高了微电网的稳定性和经济性。
附图说明  
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明K3供电线圈与K2常闭辅助触点的连接图；
图3为本发明K2供电线圈与K3、K1常闭辅助触点的连接图；
图4为本发明时间继电器KT的电源端与K3常开辅助触点的连接图；
图5为本发明K1供电线圈与时间继电器KT常开触点的连接图；
图6为本发明电源继电板的电路原理图；
图7为本发明并网运行时大型动力负荷启动过程。
具体实施方式
由图1-7所示的实施例可知，本实施例包括PCC并网开关、微电网交流母线、有源电力滤波器APF、储能逆变器、储能电池、限流电阻R、接触器K1-K3、时间继电器KT、电源继电板、微电网主控系统、变频器整流电路、变频器滤波电路和变频器逆变电路；
所述微电网交流母线经所述PCC并网开关与大电网双向连接；所述有源电力滤波器APF与所述微电网交流母线双向连接；
所述储能电池分两条支路，其中一条支路经所述储能逆变器与所述微电网交流母线双向连接，另一条支路依次经所述接触器K3的主触点1脚与2脚、接触器K1的主触点1脚与2脚接所述变频器滤波电路的输入端；所述限流电阻R与所述接触器K1的主触点1脚与2脚两端并联；
所述微电网交流母线依次经所述变频器整流电路、接触器K2的主触点1脚与2脚、变频器滤波电路、变频器逆变电路接大型动力负荷；
所述微电网主控系统的第一控制输出端、第二控制输出端分别接所述电源继电板的第一控制输入端I1、第二控制输入端I2；
所述电源继电板的第一电源输出端E1-1依次经所述接触器K3的供电线圈A1端、A2端、接触器K2的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第二电源输出端E1-2依次经所述接触器K2的供电线圈A1端、A2端、接触器K3的常闭辅助触点5脚、6脚、接触器K1的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3依次经所述时间继电器KT的电源端1脚、2脚、接触器K3的常开辅助触点7脚、8脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第四电源输出端E1-4依次经所述接触器K1的供电线圈A1端、A2端、时间继电器KT的常开触点3脚、4脚接电源继电板的公共输出端E1-01。
所述电源继电板包括电阻R1-R2、光电耦合器OC1-OC2、继电器J4-J5、直流电源DC1- DC2和交流电源E1；
所述电源继电板的第一输入控制端I1经电阻R1接光电耦合器OC1的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC1的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC1的集电极4脚接所述继电器J4的线圈J4-1的正极，所述光电耦合器OC1的发射极3脚经所述直流电源DC1接所述继电器J4的线圈J4-1的负极；所述继电器J4的常开静触点接所述电源继电板的第一电源输出端E1-1，所述继电器J4的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第二输入控制端I2经电阻R2接光电耦合器OC2的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC2的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC2的集电极4脚接所述继电器J5的线圈J5-1的正极，所述光电耦合器OC2的发射极3脚经所述直流电源DC2接所述继电器J5的线圈J5-1的负极；所述继电器J5的常开静触点接所述电源继电板的第二电源输出端E1-2，所述继电器J5的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3、电源继电板的第四电源输出端E1-4分别接所述交流电源E1的E1-02端；所述交流电源E1的E1-01端为所述电源继电板的公共输出端E1-01。
所述光电耦合器OC1-OC2的型号均为TLP521-1；所述继电器J4-J5的型号均为MY2NJ-12VDC。
所述变频器整流电路是由整流二极管D1-D6构成的三相全波桥式电路。
所述整流二极管D1-D6的型号均为SKD110/12E。
所述变频器滤波电路是由电感L、电容C构成的LC滤波电路。
所述变频器逆变电路是由IGBT模块Q1-Q6和二极管D7-D12构成的三相全桥逆变电路；所述储能逆变器是由IGBT模块Q7-Q12和二极管D13-D18构成的三相全桥逆变电路。
所述IGBT模块Q1-Q12的型号均为英飞凌FS450R12KE3。
所述时间继电器KT的型号为正泰JS14P；所述微电网主控系统的型号为NMC1000；所述PCC并网开关的型号为MG2312；所述有源电力滤波器APF的型号为SPA3-100A/0.4。
直流电源DC1-DC2与交流电源E1均使用相应电压等级，所述直流电源DC1-DC2的电压为V12；所述交流电源E1的电压为交流24V。
所述三相全桥逆变电路中的二极管D7-D12与所述三相全桥逆变电路中的IGBT模块Q1-Q6相匹配；所述储能逆变器中的二极管D13-D18与储能逆变器中的IGBT模块Q7-Q12相匹配。
所述LC滤波电路中的电感L及电容C与变频器整流电路、变频器逆变电路相适配。
所述接触器K1，K2，K3均为直流接触器，其电压、电流等级相对应，接触器K1，K2，K3可选具有相应数量的常开、常闭辅助触点的直流接触器。
在图2-5中，A1、A2为接触器K1、K2、K3的供电线圈，当A1、A2接通电源后，接触器的主触点1脚、2脚闭合；接触器K1、K2、K3的 1脚、2脚为其主触点，可以通过较大的电流；接触器K1、K2、K3的5脚、6脚、7脚、8脚为其辅助触点，其中，5脚、6脚是其长闭触点，即当接触器未通电时，该对触点闭合，当接触器通电工作时，该对触点断开；7脚、8脚为其常开触点，即当接触器未通电时，该对触点断开，当接触器通电工作时，该对触点闭合。时间继电器KT的1脚、2脚是电源端，时间继电器KT的3脚、4脚是其常开触点，当时间继电器KT的1脚、2脚接通电源后，时间继电器KT开始计时；当时间继电器KT计时到达设置的时间时，时间继电器KT常开触点3脚、4脚闭合。
当接触器K3闭合后，K3的常开触点7脚、8脚闭合，向时间继电器KT的电源端1脚、2脚供电。当时间继电器KT通电到达设置时间时，时间继电器KT常开触点3、4闭合，接触器K1的供电线圈A1、A2与电源接通，接触器K1的主触点1脚、2脚闭合。
本发明的工作过程如下：首先检测微电网工作状态，当微电网PCC并网开关断开时，微电网离网运行；当微电网PCC并网开关接通时，微电网并网运行。
当微电网处于离网运行状态时，微电网的电压和频率由储能逆变器提供，此时微电网容量较小，同时微电网对谐波电路的耐受能力也较小，如果此时通过变频启动装置(变频启动装置由变频器整流电路、变频器滤波电路和变频器逆变电路组成)直接启动大型动力负荷，会造成微电网内5次、7次等特征次谐波含量较大，对微电网的稳定性造成较大的影响。同时，由于变频启动装置后级输出幅值、频率不断变化的电压波形，造成微电网内的谐波含量不断变化。有源电力滤波器APF等电能质量治理装置可以动态地补偿微电网的谐波电流，但是有源电力滤波器APF建立稳定的输出需要至少半个工频周期，这就造成在半个工频周期内微电网内谐波电流含量较大，同样会对微电网的稳定性造成影响。
为了有效地解决这一问题，由微电网主控系统向电源继电板发出控制信号，使接触器K2的主触点1脚与2脚断开，电源继电板向时间继电器KT的电源端1脚、2脚和接触器K3供电线圈A1端、A2端充电，接触器K3的主触点1脚与2脚闭合，接触器K3的辅助常开触点7脚、8脚闭合。此时，储能电池通过限流电阻R向变频器滤波电路供电。当时间继电器KT常开触点3脚与4脚闭合后，电源继电板向接触器K1供电线圈A1端、A2端充电，接触器K1的主触点1脚与2脚闭合。通过接触器K1和限流电阻R，变频器滤波电路与储能电池相连。此时，启动大型动力负荷。
接触器K3与接触器K2通过辅助触点形成互锁回路，保证同一时刻只能有一个接触器是导通状态。
因为变频器整流电路没有投入运行，所以微电网内没有较多的谐波电流。
当微电网处于并网运行状态下时，由于与大电网相连，微电网对谐波电流的耐受能力较高，此时可以使用变频启动装置启动大型动力负荷。由微电网主控系统向电源继电板发出控制信号，使接触器K2的主触点1脚与2脚闭合，断开接触器K3和K1的主触点1脚与2脚。此时，微电网系统内有源电力滤波器APF投入使用。通过有源电力滤波器APF实时检测微电网内谐波电流含量，动态补偿微电网内谐波电流。
当PCC开关开通，微电网与大电网并网运行时，主逆变器及微电网内其他逆变器均工作在PQ模式下，以电流源的形式并网。此时，可以使用蓄电池启动大型动力负荷，但是为了增加蓄电池的寿命，并网运行时使用大电网直接启动大型动力负荷。光伏系统满功率输出。此时，接触器K2开通，K1、K3断开，此时，变频器的直流侧电源是由大电网通过整流模块整流后提供的。
为使蓄电池能够在微电网离网运行时向变频器提供直流侧电源，需要在微电网并网运行时将蓄电池电压调整到变频器直流侧电压范围内。
根据变频启动装置启动直流侧的保护设置及变频启动装置启动逆变侧逆变所需要的最低电压，设置变频启动装置启动直流侧最大电压U2及最小电压U1。在微电网并网运行时，检测储能电池直流侧电压UDC，当UDC高于U2时，储能电池通过逆变器放电，直到UDC低于U2为止；当UDC低于时U2，储能电池通过逆变器充电，直到UDC高于U1为止。
在变频启动时，会有较多的谐波。此时，启动APF,使用闭环补偿方式实时补偿系统内谐波。此时，系统内谐波电流较大，但是系统容量也较大，所以谐波电流不影响微电网的运行。
当PCC开关断开，微电网与大电网离网运行时，主逆变器工作在VF模式下，以电压源方式运行，支撑整个微电网内电压及频率，微电网内其他逆变器工作在PQ模式下，以电流源形式并网。
此时，首先断开接触器K2，K1，合上接触器K3，通过储能电池向变频器直流侧供电，限流电阻R用来抑制启动电流。限流电阻R的阻值可以根据变频启动装置启动直流侧电容容量设置，一般设置为几十欧姆。在电容充电完成后，开关K1闭合，将限流电阻R短路。
接触器K1、K2、K3均通过继电控制板控制。当接触器K2断开，K3合上后，接通时间继电器的电源，时间继电器投入使用，通过时间继电器的接触端子向K1接触器供电，开关K1闭合。
为避免同时变频器直流侧出现两路电源同时供电，需要将接触器K2与接触器K1、K3设置为互锁开关。即当接触器K1、K3闭合后，接触器K2处于断开状态；当接触器K2闭合后，接触器K1、K3处于断开状态。

Claims (9)

1.一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：包括PCC并网开关、微电网交流母线、有源电力滤波器APF、储能逆变器、储能电池、限流电阻R、接触器K1-K3、时间继电器KT、电源继电板、微电网主控系统、变频器整流电路、变频器滤波电路和变频器逆变电路；
所述微电网交流母线经所述PCC并网开关与大电网双向连接；所述有源电力滤波器APF与所述微电网交流母线双向连接；
所述储能电池分两条支路，其中一条支路经所述储能逆变器与所述微电网交流母线双向连接，另一条支路依次经所述接触器K3的主触点1脚与2脚、接触器K1的主触点1脚与2脚接所述变频器滤波电路的输入端；所述限流电阻R与所述接触器K1的主触点1脚与2脚两端并联；
所述微电网交流母线依次经所述变频器整流电路、接触器K2的主触点1脚与2脚、变频器滤波电路、变频器逆变电路接大型动力负荷；
所述微电网主控系统的第一控制输出端、第二控制输出端分别接所述电源继电板的第一控制输入端I1、第二控制输入端I2；
所述电源继电板的第一电源输出端E1-1依次经所述接触器K3的供电线圈A1端、A2端、接触器K2的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第二电源输出端E1-2依次经所述接触器K2的供电线圈A1端、A2端、接触器K3的常闭辅助触点5脚、6脚、接触器K1的常闭辅助触点5脚、6脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3依次经所述时间继电器KT的电源端1脚、2脚、接触器K3的常开辅助触点7脚、8脚接电源继电板的公共输出端E1-01；
所述电源继电板的第四电源输出端E1-4依次经所述接触器K1的供电线圈A1端、A2端、时间继电器KT的常开触点3脚、4脚接电源继电板的公共输出端E1-01。
2.根据权利要求1所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述电源继电板包括电阻R1-R2、光电耦合器OC1-OC2、继电器J4-J5、直流电源DC1- DC2和交流电源E1；
所述电源继电板的第一输入控制端I1经电阻R1接光电耦合器OC1的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC1的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC1的集电极4脚接所述继电器J4的线圈J4-1的正极，所述光电耦合器OC1的发射极3脚经所述直流电源DC1接所述继电器J4的线圈J4-1的负极；所述继电器J4的常开静触点接所述电源继电板的第一电源输出端E1-1，所述继电器J4的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第二输入控制端I2经电阻R2接光电耦合器OC2的发光二极管正极1脚；所述光电耦合器OC2的发光二极管负极2脚接地；所述光电耦合器OC2的集电极4脚接所述继电器J5的线圈J5-1的正极，所述光电耦合器OC2的发射极3脚经所述直流电源DC2接所述继电器J5的线圈J5-1的负极；所述继电器J5的常开静触点接所述电源继电板的第二电源输出端E1-2，所述继电器J5的常开动触点接所述交流电源E1的E1-02端；
所述电源继电板的第三电源输出端E1-3、电源继电板的第四电源输出端E1-4分别接所述交流电源E1的E1-02端；所述交流电源E1的E1-01端为所述电源继电板的公共输出端E1-01。
3.根据权利要求2所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述光电耦合器OC1-OC2的型号均为TLP521-1；所述继电器J4-J5的型号均为MY2NJ-12VDC。
4.根据权利要求1所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述变频器整流电路是由整流二极管D1-D6构成的三相全波桥式电路。
5.根据权利要求4所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述整流二极管D1-D6的型号均为SKD110/12E。
6.根据权利要求1所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述变频器滤波电路是由电感L、电容C构成的LC滤波电路。
7.根据权利要求1所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述变频器逆变电路是由IGBT模块Q1-Q6和二极管D7-D12构成的三相全桥逆变电路；所述储能逆变器是由IGBT模块Q7-Q12和二极管D13-D18构成的三相全桥逆变电路。
8.根据权利要求7所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述IGBT模块Q1-Q12的型号均为英飞凌FS450R12KE3。
9.根据权利要求1~8中任意一项所述的一种启动微电网内大型动力负荷的系统，其特征在于：所述时间继电器KT的型号为正泰JS14P；所述微电网主控系统的型号为NMC1000；所述PCC并网开关的型号为MG2312；所述有源电力滤波器APF的型号为SPA3-100A/0.4。
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