CN103683323B - 一种家用微网集成化并网装置 - Google Patents

一种家用微网集成化并网装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种家用微网集成化并网装置，包括箱体、配电网、光伏发电系统、储能装置，箱体内设有交流母线、光伏逆变模块、储能变流模块、DSP芯片以及与DSP芯片相连接的触摸屏，箱体上设有电网接口、用户接口、储能接口及光伏接口，光伏逆变模块的直流端通过光伏接口与光伏发电系统的输出端相连接，光伏逆变模块的交流端与交流母线并联连接，储能变流模块的直流端通过储能接口与储能装置相连接，储能变流模块的交流端与交流母线并联连接，交流母线的输入端通过电网接口与配电网相连接，交流母线的输出端与用户接口相连接，DSP芯片的输出端分别与光伏逆变模块的控制端及储能变流模块的控制端相连接。本发明可以对家用负载的供电进行智能管理。

Description

一种家用微网集成化并网装置
技术领域
本发明属于电力电子微型电网技术研究领域，具体涉及一种家用微网集成化并网装置。
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(theConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions，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。目前，随着新能源技术的兴起，民用光伏发电，尤其是自发自用的形式，正受到政府的大力倡导和支持。现今已有不少居民用户开始安装独立的光伏并网发电装置。但是该类系统具有能量调度的不可控性，会给配电网管理带来不安因素。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种家用微网集成化并网装置，该装置可以实现对家用负载的用电进行智能管理。
为达到上述目的，本发明所述的家用微网集成化并网装置包括箱体、配电网、光伏发电系统、储能装置，箱体内设有交流母线、光伏逆变模块、储能变流模块、DSP芯片以及与DSP芯片相连接的触摸屏，箱体上设有电网接口、用户接口、储能接口及光伏接口，光伏逆变模块的直流端通过光伏接口与光伏发电系统的输出端相连接，光伏逆变模块的交流端与交流母线并联连接，储能变流模块的直流端通过储能接口与储能装置相连接，储能变流模块的交流端与交流母线并联连接，交流母线的输入端通过电网接口与配电网相连接，交流母线的输出端与用户接口相连接，DSP芯片的输出端分别与光伏逆变模块的控制端及储能变流模块的控制端相连接。
所述电网接口与配电网之间设有电表。
所述储能变流模块包括第一IGBT晶体管、第二IGBT晶体管、第三IGBT晶体管、第四IGBT晶体管、第五IGBT晶体管、第六IGBT晶体管、第七IGBT晶体管、第八IGBT晶体管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及第六电容；
所述储能装置的正极分别与第四电阻的一端及第四电容的一端相连接，第四电阻的另一端与第八IGBT晶体管的发射极及第七IGBT晶体管的集电极相连接，第八IGBT晶体管的集电极分别与第五电容的一端、第一IGBT晶体管的集电极、第二IGBT晶体管的集电极及第三IGBT晶体管的集电极相连接，第一IGBT晶体管的发射极、第二IGBT晶体管的发射极及第三IGBT晶体管的发射极分别与第六IGBT晶体管的集电极、第五IGBT晶体管的集电极及第四IGBT晶体管的集电极相连接，第五电容的另一端分别与第六电容的一端及配电网的零线端相连接，储能装置的负极分别与第四电容的另一端、第七IGBT晶体管的发射极、第六电容的另一端、第四IGBT晶体管的发射极、第五IGBT晶体管的发射极及第六IGBT晶体管的发射极相连接，第一IGBT晶体管的发射极、第二IGBT晶体管的发射极及第三IGBT晶体管的发射极分别通过第一电阻、第二电阻及第三电阻与配电网的三相接口相连接，配电网的三相接口分别通过第一电容、第二电容及第三电容与配电网的零线端相连接。
所述光伏逆变模块包括第九IGBT晶体管、第十IGBT晶体管、第十一IGBT晶体管、第十二IGBT晶体管、第十三IGBT晶体管、第十四IGBT晶体管、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第五电阻、第六电阻及第七电阻；
所述光伏发电系统输出端的正极分别与第七电容的一端、第九IGBT晶体管的集电极、第十IGBT晶体管的集电极及第十一IGBT晶体管的集电极相连接，第七电容的另一端分别第八电容的一端及用户接口的零线端相连接，第九IGBT晶体管的发射极、第十IGBT晶体管的发射极、第十一IGBT晶体管的发射极分别与第十二IGBT晶体管的集电极、第十三IGBT晶体管的集电极及第十四IGBT晶体管的集电极相连接，光伏发电系统输出端的负极分别与第八电容的另一端、第十二IGBT晶体管的发射极、第十三IGBT晶体管的发射极及第十四IGBT晶体管的发射极相连接，第九IGBT晶体管的发射极、第十IGBT晶体管的发射极及第十一IGBT晶体管的发射极分别通过第五电阻、第六电阻及第七电阻与用户接口的三相接口相连接，用户接口的三相接口分别通过第九电容、第十电容及第十一电容与用户接口的零线端相连接。
所述电网接口的三相接口分别通过第一开关、第二开关及第三开关与用户接口的三相接口相连接，电网接口的零线端与用户接口的零线端相连接。
所述DSP芯片的输出端分别与第一IGBT晶体管的门极、第二IGBT晶体管的门极、第三IGBT晶体管的门极、第四IGBT晶体管的门极、第五IGBT晶体管的门极、第六IGBT晶体管的门极、第七IGBT晶体管的门极、第八IGBT晶体管的门极、第九IGBT晶体管的门极、第十IGBT晶体管的门极、第十一IGBT晶体管的门极、第十二IGBT晶体管的门极、第十三IGBT晶体管的门极及第十四IGBT晶体管的门极相连接。
所述DSP芯片与触摸屏之间通过CANopen协议相通信。
所述DSP芯片为TMS320F28335芯片。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的家用微网集成化并网装置包括配电网、光伏发电系统、储能装置、光伏逆变模块、储能变流模块、DSP芯片，可以通过配电网、光伏发电系统及储能装置为家用负载进行供电，在使用过程中通过DSP芯片对光伏逆变模块及储能变流模块进行控制，从而通过DSP芯片、光伏逆变模块及储能变流模块来实现电能的智能管理，成本低，体积小，便于安装、运输及卸载，可行性和可靠性高，具有较为实用的工程价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明的仿真图。
其中，1为光伏发电系统、2为储能装置、3为箱体、4为电表、5为配电网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的包括箱体3、配电网5、光伏发电系统1、储能装置2，箱体3内设有交流母线、光伏逆变模块、储能变流模块、DSP芯片以及与DSP芯片相连接的触摸屏，箱体3上设有电网接口、用户接口、储能接口及光伏接口，光伏逆变模块的直流端通过光伏接口与光伏发电系统1的输出端相连接，光伏逆变模块的交流端与交流母线并联连接，储能变流模块的直流端通过储能接口与储能装置2相连接，储能变流模块的交流端与交流母线并联连接，交流母线的输入端通过电网接口与配电网5相连接，交流母线的输出端与用户接口相连接，DSP芯片的输出端分别与光伏逆变模块的控制端及储能变流模块的控制端相连接，电网接口与配电网5之间设有电表4，DSP芯片与触摸屏之间通过CANopen协议相通信，DSP芯片为TMS320F28335芯片。
所述储能变流模块包括第一IGBT晶体管U1、第二IGBT晶体管U2、第三IGBT晶体管U3、第四IGBT晶体管U4、第五IGBT晶体管U5、第六IGBT晶体管U6、第七IGBT晶体管U7、第八IGBT晶体管U8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6。
所述储能装置2的正极分别与第四电阻R4的一端及第四电容C4的一端相连接，第四电阻R4的另一端与第八IGBT晶体管U8的发射极及第七IGBT晶体管U7的集电极相连接，第八IGBT晶体管U8的集电极分别与第五电容C5的一端、第一IGBT晶体管U1的集电极、第二IGBT晶体管U2的集电极及第三IGBT晶体管U3的集电极相连接，第一IGBT晶体管U1的发射极、第二IGBT晶体管U2的发射极及第三IGBT晶体管U3的发射极分别与第六IGBT晶体管U6的集电极、第五IGBT晶体管U5的集电极及第四IGBT晶体管U4的集电极相连接，第五电容C5的另一端分别与第六电容C6的一端及配电网5的零线端相连接，储能装置2的负极分别与第四电容C4的另一端、第七IGBT晶体管U7的发射极、第六电容C6的另一端、第四IGBT晶体管U4的发射极、第五IGBT晶体管U5的发射极及第六IGBT晶体管U6的发射极相连接，第一IGBT晶体管U1的发射极、第二IGBT晶体管U2的发射极及第三IGBT晶体管U3的发射极分别通过第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3与配电网5的三相接口相连接，配电网5的三相接口分别通过第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3与配电网5的零线端相连接。
所述光伏逆变模块包括第九IGBT晶体管U9、第十IGBT晶体管U10、第十一IGBT晶体管U11、第十二IGBT晶体管U12、第十三IGBT晶体管U13、第十四IGBT晶体管U14、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7；光伏发电系统1输出端的正极分别与第七电容C7的一端、第九IGBT晶体管U9的集电极、第十IGBT晶体管U10的集电极及第十一IGBT晶体管U11的集电极相连接，第七电容C7的另一端分别第八电容C8的一端及用户接口的零线端相连接，第九IGBT晶体管U9的发射极、第十IGBT晶体管U10的发射极、第十一IGBT晶体管Ull的发射极分别与第十二IGBT晶体管U12的集电极、第十三IGBT晶体管U13的集电极及第十四IGBT晶体管U14的集电极相连接，光伏发电系统1输出端的负极分别与第八电容C8的另一端、第十二IGBT晶体管U12的发射极、第十三IGBT晶体管U13的发射极及第十四IGBT晶体管U14的发射极相连接，第九IGBT晶体管U9的发射极、第十IGBT晶体管U10的发射极及第十一IGBT晶体管U11的发射极分别通过第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7与用户接口的三相接口相连接，用户接口的三相接口分别通过第九电容C9、第十电容C10及第十一电容C11与用户接口的零线端相连接，电网接口的三相接口分别通过第一开关K1、第二开关K2及第三开关K3与用户接口的三相接口相连接，电网接口的零线端与用户接口的零线端相连接。
所述DSP芯片的输出端分别与第一IGBT晶体管U1的门极、第二IGBT晶体管U2的门极、第三IGBT晶体管U3的门极、第四IGBT晶体管U4的门极、第五IGBT晶体管U5的门极、第六IGBT晶体管U6的门极、第七IGBT晶体管U7的门极、第八IGBT晶体管U8的门极、第九IGBT晶体管U9的门极、第十IGBT晶体管U10的门极、第十一IGBT晶体管U11的门极、第十二IGBT晶体管U12的门极、第十三IGBT晶体管U13的门极及第十四IGBT晶体管U14的门极相连接，用户通过触摸屏来控制DSP芯片，DSP芯片输出十四路PWM波，并将所述PWM波输入到相应的IGBT晶体管中，从而实现对第一IGBT晶体管U1、第二IGBT晶体管U2、第三IGBT晶体管U3、第四IGBT晶体管U4、第五IGBT晶体管U5、第六IGBT晶体管U6、第七IGBT晶体管U7、第八IGBT晶体管U8、第九IGBT晶体管U9、第十IGBT晶体管U10、第十一IGBT晶体管U11、第十二IGBT晶体管U12、第十三IGBT晶体管U13及第十四IGBT晶体管U14的控制，进而实现对储能变流模块及光伏逆变模块的控制。
本发明的具体工作模式为：
光伏逆变模块常规工作方式采用MPPT法，即持续输出最大光伏功率；储能变流模块根据需要可工作于统一功率模式，单位功率模式和待机三种模式。本发明所述的家用微网集成化并网装置孤岛运行时，储能变流模块进入稳压模式，为家庭光伏发电，负载用电提供电压支撑。
1)模式一
参考图3(a)，储能变流模块根据家用负荷和光伏发电的变化，改变功率输出，使得配电网5的输入功率Pgrid稳定不变，此时储能变流模块的功率给定表达式为Pbattery=Pload-Ppv-Pgrid *。其中，Pload、Ppv是当前负荷功率和光伏发电系统1的输出功率，Pgrid *是统一功率的给定值。仿真中，令Pgrid *=0kw，也就是配电网5流向家用微网集成化并网装置的功率规定为0。当光伏功率输出发生变化时，储能变流模块输出相应发生改变。此时负荷功率为10kw，因此，储能和光伏发出的电能全部用于负载供电，从而达到家用微网与配电网5无能量交换的目的。
2)模式二
参考图3(b)，模式二是储能单位功率控制和光伏最大功率输出的组合，该模式下，储能变流模块根据功率给定，输出恒定的功率。仿真中，令Pbattery *=20kw，储能功率输出维持恒定，不受光伏功率波动影响。此时，光伏功率增加部分将并入配电网5，根据新能源补贴政策，可得到政府的补贴。
3)模式三
参考图3(c)，模式三是储能单位稳压控制和光伏最大功率输出的组合，该模式下，储能变流模块负责支撑整个微网的电压。在该模式下，各部分功率始终满足关系式Pbattery=Pload-Ppv，因此，功率输出关系类似于Pgrid *=0kw时的模式一，但是这两者是截然不同的两者运行模式。

Claims (6)

1.一种家用微网集成化并网装置，其特征在于，包括箱体(3)、配电网(5)、光伏发电系统(1)、储能装置(2)，箱体(3)内设有交流母线、光伏逆变模块、储能变流模块、DSP芯片以及与DSP芯片相连接的触摸屏，箱体(3)上设有电网接口、用户接口、储能接口及光伏接口，光伏逆变模块的直流端通过光伏接口与光伏发电系统(1)的输出端相连接，光伏逆变模块的交流端与交流母线并联连接，储能变流模块的直流端通过储能接口与储能装置(2)相连接，储能变流模块的交流端与交流母线并联连接，交流母线的输入端通过电网接口与配电网(5)相连接，交流母线的输出端与用户接口相连接，DSP芯片的输出端分别与光伏逆变模块的控制端及储能变流模块的控制端相连接；
所述家用微网集成化并网装置的具体工作模式为：
光伏逆变模块常规工作方式采用MPPT法；储能变流模块根据需要能够工作于统一功率模式，单位功率模式和待机三种模式；当所述的家用微网集成化并网装置孤岛运行时，储能变流模块进入稳压模式，为家庭光伏发电，负载用电提供电压支撑；
1)模式一
储能变流模块根据家用负荷和光伏发电的变化，改变功率输出，使得配电网(5)的输入功率Pgrid稳定不变，此时储能变流模块的功率给定表达式为Pbattery＝Pload-Ppv-Pgrid *，其中，Pload、Ppv是当前负荷功率和光伏发电系统(1)的输出功率，Pgrid *是统一功率的给定值，储能和光伏发出的电能全部用于负载供电，从而达到家用微网与配电网(5)无能量交换的目的；
2)模式二
储能单位功率控制和光伏最大功率输出的组合，该模式下，储能变流模块根据功率给定输出恒定的功率，此时，光伏功率增加部分将并入配电网5；
3)模式三
储能单位稳压控制和光伏最大功率输出的组合，该模式下，储能变流模块负责支撑整个微网的电压，在该模式下，功率始终满足关系式Pbattery＝Pload-Ppv；
所述电网接口与配电网(5)之间设有电表(4)；
所述储能变流模块包括第一IGBT晶体管(U1)、第二IGBT晶体管(U2)、第三IGBT晶体管(U3)、第四IGBT晶体管(U4)、第五IGBT晶体管(U5)、第六IGBT晶体管(U6)、第七IGBT晶体管(U7)、第八IGBT晶体管(U8)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)及第六电容(C6)；
所述储能装置(2)的正极分别与第四电阻(R4)的一端及第四电容(C4)的一端相连接，第四电阻(R4)的另一端与第八IGBT晶体管(U8)的发射极及第七IGBT晶体管(U7)的集电极相连接，第八IGBT晶体管(U8)的集电极分别与第五电容(C5)的一端、第一IGBT晶体管(U1)的集电极、第二IGBT晶体管(U2)的集电极及第三IGBT晶体管(U3)的集电极相连接，第一IGBT晶体管(U1)的发射极、第二IGBT晶体管(U2)的发射极及第三IGBT晶体管(U3)的发射极分别与第六IGBT晶体管(U6)的集电极、第五IGBT晶体管(U5)的集电极及第四IGBT晶体管(U4)的集电极相连接，第五电容(C5)的另一端分别与第六电容(C6)的一端及配电网(5)的零线端相连接，储能装置(2)的负极分别与第四电容(C4)的另一端、第七IGBT晶体管(U7)的发射极、第六电容(C6)的另一端、第四IGBT晶体管(U4)的发射极、第五IGBT晶体管(U5)的发射极及第六IGBT晶体管(U6)的发射极相连接，第一IGBT晶体管(U1)的发射极、第二IGBT晶体管(U2)的发射极及第三IGBT晶体管(U3)的发射极分别通过第一电阻(R1)、第二电阻(R2)及第三电阻(R3)与配电网(5)的三相接口相连接，配电网(5)的三相接口分别通过第一电容(C1)、第二电容(C2)及第三电容(C3)与配电网(5)的零线端相连接。
2.根据权利要求1所述的家用微网集成化并网装置，其特征在于，所述光伏逆变模块包括第九IGBT晶体管(U9)、第十IGBT晶体管(U10)、第十一IGBT晶体管(U11)、第十二IGBT晶体管(U12)、第十三IGBT晶体管(U13)、第十四IGBT晶体管(U14)、第七电容(C7)、第八电容(C8)、第九电容(C9)、第十电容(C10)、第十一电容(C11)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)及第七电阻(R7)；
所述光伏发电系统(1)输出端的正极分别与第七电容(C7)的一端、第九IGBT晶体管(U9)的集电极、第十IGBT晶体管(U10)的集电极及第十一IGBT晶体管(U11)的集电极相连接，第七电容(C7)的另一端分别第八电容(C8)的一端及用户接口的零线端相连接，第九IGBT晶体管(U9)的发射极、第十IGBT晶体管(U10)的发射极、第十一IGBT晶体管(U11)的发射极分别与第十二IGBT晶体管(U12)的集电极、第十三IGBT晶体管(U13)的集电极及第十四IGBT晶体管(U14)的集电极相连接，光伏发电系统(1)输出端的负极分别与第八电容(C8)的另一端、第十二IGBT晶体管(U12)的发射极、第十三IGBT晶体管(U13)的发射极及第十四IGBT晶体管(U14)的发射极相连接，第九IGBT晶体管(U9)的发射极、第十IGBT晶体管(U10)的发射极及第十一IGBT晶体管(U11)的发射极分别通过第五电阻(R5)、第六电阻(R6)及第七电阻(R7)与用户接口的三相接口相连接，用户接口的三相接口分别通过第九电容(C9)、第十电容(C10)及第十一电容(C11)与用户接口的零线端相连接。
3.根据权利要求2所述的家用微网集成化并网装置，其特征在于，所述电网接口的三相接口分别通过第一开关(K1)、第二开关(K2)及第三开关(K3)与用户接口的三相接口相连接，电网接口的零线端与用户接口的零线端相连接。
4.根据权利要求2所述的家用微网集成化并网装置，其特征在于，所述DSP芯片的输出端分别与第一IGBT晶体管(U1)的门极、第二IGBT晶体管(U2)的门极、第三IGBT晶体管(U3)的门极、第四IGBT晶体管(U4)的门极、第五IGBT晶体管(U5)的门极、第六IGBT晶体管(U6)的门极、第七IGBT晶体管(U7)的门极、第八IGBT晶体管(U8)的门极、第九IGBT晶体管(U9)的门极、第十IGBT晶体管(U10)的门极、第十一IGBT晶体管(U11)的门极、第十二IGBT晶体管(U12)的门极、第十三IGBT晶体管(U13)的门极及第十四IGBT晶体管(U14)的门极相连接。
5.根据权利要求1所述的家用微网集成化并网装置，其特征在于，所述DSP芯片与触摸屏之间通过CANopen协议相通信。
6.根据权利要求1所述的家用微网集成化并网装置，其特征在于，所述DSP芯片为TMS320F28335芯片。
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