CN103746548A - 一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源 - Google Patents

一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源 Download PDF

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本发明公开了一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，包括光伏阵列发电特性模拟模块和风机/微燃机发电特性模拟模块；光伏阵列发电特性模拟模块包括与市电相连接的整流电路、与整流电路输出端相连接且为直流检测设备供电的第一DC-DC变换器、第一DSP控制电路和与第一DSP控制电路相连接的第一人机界面；风机/微燃机发电特性模拟模块包括与第一DC-DC变换器输出端相连接且为交流检测设备供电的DC-AC逆变电路、第二DSP控制电路和与第二DSP控制电路相连接的第二人机界面。本发明的模拟电源可以模拟光伏阵列发电特性、风机发电特性、微燃机发电特性且具备交流和直流输出特性。

Description

一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源
技术领域
本发明涉及一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，属于分布式供电技术领域。
背景技术
当今世界面临前所未有环境气候及能源耗尽的压力，世界各国都非常重视清洁能源的开发和利用，在推动能源供应方式变革中，各国开始提倡要大力发展分布式能源。其中欧美、日本等发达国家网架发展成熟，技术先进，产业基础扎实，政策利好，结合区域的资源条件优势，分布式电源发展迅速。特别是近年来，世界范围内对分布式发电的研究和应用均取得了突破性的进展，分布式发电在电力生产中所占的比重越来越大。
我国的分布式电源发展起步较晚，技术和政策配套均相对落后，分布式电源的发展相对发达国家有些滞后。但近些年，特别是十二五开局以来，我国开始逐步转变能源发展思路，结合我国的资源优势特点，风电发展由集中式风电场开发，转为集中式和分布式相结合的开发方式，其中，河南、安徽、山西等中部地区被列入分布式风电重点发展区域，并且指出在光照资源丰富的城市中区域，开展光伏建筑一体化工程建设，另外在天然气供给丰富的地区，如西气东输的受惠地区，大力发展能源利用效率高的天然气三联供分布式能源系统。并出台各类促进分布式发电发展的政策服务和补贴办法，如2013年国务院办公厅的《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，2011年10月下发的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，国网公司去年发布的《关于做好分布式发电并网服务工作的意见（暂行）》，南方电网公司今年正式出台了《关于进一步支持光伏等新能源发展的指导意见》等。据国家公布的相关规划提出，2015年分布式光伏发电要达到1000万千瓦，分布式光伏发电是未来的重要发展方向。
由于风、光自然资源的固有不确定属性，分布式光伏发电的出力存在着不规律性、间歇性和波动性，此外分布式发电的并网连接装置多采用电力电子开关器件，在接入公共电网后，对区域电网的规划、电能质量、继电保护等各个方面均会产生影响。因此各地区电力公司针对分布式电源并网项目报装及评估验收，需要做好分布式电源并网变流器的全过程检测工作，确保电网供电安全及用户用电质量。
在分布式电源并网检测研究过程中，往往需要用到分布式电源输出特性的模拟装置，比如光伏阵列发电特性模拟装置、风机发电特性模拟装置、微燃机发电特性模拟装置等，这些模拟装置的性能直接影响到分布式电源并网逆变器检测的准确度。传统的模拟装置往往只能模拟一种分布式电源的输出特性，只具备单一的交流或直流输出特性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，能模拟光伏阵列发电特性、风机发电特性和微燃机发电特性，且同时具备交流和直流输出特性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明包括具备直流输出特性的光伏阵列发电特性模拟模块和具备交流输出特性的风机/微燃机发电特性模拟模块；光伏阵列发电特性模拟模块包括与市电相连接的整流电路、与整流电路输出端相连接且为直流检测设备供电的第一DC-DC变换器、用于控制第一DC-DC变换器的第一DSP控制电路和与第一DSP控制电路相连接的第一人机界面（从而显示关键数据和实现故障报警）；所述第一DSP控制电路通过采集第一DC-DC变换器的输出电压和输出电流，再根据光伏阵列输出特性及最大功率点跟踪算法对第一DC-DC变换器进行PWM控制，用于实现光伏的发电特性模拟；风机/微燃机发电特性模拟模块包括与第一DC-DC变换器输出端相连接且为交流检测设备供电的DC-AC逆变电路、用于控制DC-AC逆变电路的第二DSP控制电路和与第二DSP控制电路相连接的第二人机界面；所述第二DSP控制电路通过采集DC-AC逆变电路的输出电压和输出电流，并根据风机/微燃机发电特性及最大功率点跟踪算法对DC-AC逆变电路进行PWM控制，用于实现风机/微燃机的发电特性模拟。
上述光伏阵列发电特性模拟模块还包括模拟控制电路和与第一DC-DC变换器输出端相连接且为直流检测设备供电的第二DC-DC变换器；所述模拟控制电路通过采集第二DC-DC变换器的输出电压和输出电流，对第二DC-DC变换器进行闭环控制；所述第二DC-DC变换器的输出端还与DC-AC逆变电路输入端相连接。采用两级DC-DC变换器扩大输出电压的等级范围。
上述DC-AC逆变电路的输出端还连接有滤波电路，用以滤除电压电流在经过电力电子器件开关电路变换过程中所产生的谐波电压或谐波电流。
上述第一DSP控制电路与第二DSP控制电路进行实时通信，以备在前级整流电路故障时时，及时通知后级逆变电路的第二DSP控制电路，关闭DC-AC逆变电路，保护功率器件。
上述整流电路采用的是单相或三相的二极管不控整流电路。
上述第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器均选用Boost升压型拓扑结构作为主电路，分别用以接受第一DSP控制电路的控制，实现光伏发电特性的模拟，接受模拟控制电路的控制，起到稳压及拓宽电压输出范围的目的，并滤除直流输出的纹波。
上述DC-AC逆变电路采用单相或三相全控逆变电路，用以接受第二DSP控制电路的控制指令，实现电流逆变并模拟风机发电特性或微燃机的发电特性。
本发明的模拟电源可以模拟光伏阵列发电特性、风机发电特性、微燃机发电特性，且具备交流和直流输出特性；本发明大大提高了分布式电源并网检测的准确度。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明可实现包括光伏阵列发电特性模拟功能，风机发电特性模拟功能、微燃机发电特性模拟功能以及为检测设备提供交直流设备用电，为蓄电池充电功能。
市电经过二极管桥整流以后作为第一DC-DC变换器的输入，第一DC-DC变换器由第一DSP控制电路进行PWM控制。第一DSP控制电路采集变换器的输出电压和输出电流，再根据光伏阵列的输出特性算法来控制变换器的行为，以达到模拟光伏阵列发电特性曲线的目标。同时，装置配备第一人机界面与第一DSP控制电路之间实时通信，从而显示关键数据和实现故障报警。第一DC-DC变换器的输出可作为DC-AC逆变电路的输入，第二DSP控制电路通过采样该逆变电路的输出电压和输出电流，并根据风机输出特性算法来对逆变电路进行PWM控制，以实现模拟风机和微燃机的发电特性的目标。同时，装置配备第二人机界面与第二DSP控制电路之间实时通信。第一DSP控制电路与第二DSP控制电路之间也进行实时通信。第一DC-DC变换器的输出可直接为检测环境中一些直流设备的供电，也可以作为第二DC-DC变换器的输入，间接为直流设备供电。采用本发明的系统，可实现多种分布式电源的输出特性模拟，同时可为检测环境中的直流设备供电，以满足多样化的需求。
光伏阵列发电特性模拟功能，由二极管整流桥、第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器、第一DSP控制电路，模拟控制电路和人机界面几部分组成实现。
二极管整流桥，为单相或三相的二极管不控整流电路组成，实现交流到直流的变换。
第一DC-DC变换器，选用Boost升压型拓扑结构作为主电路，用以接受第一DSP控制电路的控制，实现光伏发电特性的模拟。DC-DC变换器拓扑理论上可以选择多种传统的开关电源拓扑，如Buck，Boost,Buck-Boost等。但是考虑到与后级DC-AC逆变电路的兼容性以及常用光伏阵列配置的电压等级，本发明选用Boost升压型拓扑结构作为主电路。此外，Boost电路还具有结构简单，所需元器件数目少，有源器件驱动方便以及输入侧纹波小等优点。
光伏阵列输出特性模拟部分包括输出电压、输出电流采样单元。DC-DC变换主电路的输出电压通过电阻分压进行采集。输出电流的采集根据系统的功率等级来决定，当应用于小功率系统时，可采用采样微电阻进行电流采样，当应用于中大功率系统时，需要使用霍尔电流传感器进行采样。收集到的输出电压、输出电流采样信号经过调理电路的调理之后送入DSP控制器内部作为光伏阵列输出特性模拟算法中的变量参与运算
第一DSP控制电路，用以控制第一DC-DC变换器，通过采集第一DC-DC变换器的输出电压和输出电流，再根据光伏阵列的输出特性算法来控制变换器的行为，实现光伏发电特性的模拟，采用PWM控制方法。通过采样电路采集进来的输出电压、输出电流信号作为变量参与到算法运算中。DSP控制器中预先编制模拟光伏阵列输出特性及最大功率点跟踪的控制算法，计算得出结果之后，DSP控制器通过内置的各路PWM信号通道发出PWM信号作为DC-DC变换器中有源器件的控制信号，从而使DC-DC变换主电路的输出特性跟踪算法要求，实现模拟光伏阵列输出特性的目的。所述第一DSP控制电路与后级DC-AC逆变电路的第二DSP控制电路进行实时通信，当光伏阵列输出特性模拟部分出现故障时，可通过实时通信告知后级DC-AC逆变电路，使其停止工作，以免造成后级电路的损坏。当故障清除之后，可使后级DC-AC逆变电路重新开始工作。
第二DC-DC变换器，选用Boost升压型电路拓扑结构，接受模拟控制电路的控制，起到稳压及拓宽电压输出范围的目的，并滤除直流输出的纹波。
模拟控制电路，通过采集第二DC-DC变换器的输出电压电流实现控制第二DC-DC变换器闭环控制，用以实现对第一DC-DC变换器输出的发电特性曲线进一步的稳压及拓宽电压范围。
人机界面，通过与第一DSP控制电路之间实时通信，实现控制参数的输入，并可实时显示光伏模拟电源各个关键性能指标的目标，还具有显示故障报警的功能，当光伏阵列输出特性模拟部分出现错误或故障时，可通过警告功能告知用户。
为直流检测设备的供电能力，对外接口与光伏发电特性输出为同样的接口，与之区别的是前后两级的DC-DC变换电路仅进行稳压升压或稳压降压的控制，以输出稳定的直流电压，可在较宽的电压范围内实现无级调压，供给直流检测设备充电，或者为蓄电池充电。
风机发电特性模拟功能或微燃机发电特性模拟功能，在前级第一DC-DC变换器或第二DC-DC变换器的输出基础之上，进一步由DC-AC逆变电路、第二DSP控制电路、滤波电路及第二人机界面进行组合实现。
DC-AC逆变电路，采用单相或三相全控逆变电路，用以接受第二DSP控制电路的控制指令，实现电流逆变并模拟风机发电特性或微燃机的发电特性。
第二DSP控制电路，通过采样该逆变电路的输出电压和输出电流，并根据风机或微燃机发电特性及最大功率点跟踪的控制算法来对逆变电路进行PWM控制，以实现模拟风机或微燃机的发电特性的目标。所述第二DSP控制电路与后级第一DSP控制电路保持实时通信，以备在整流电路停止工作时，及时接受第一DSP控制电路的通知，关闭DC-AC逆变电路，保护功率器件。
滤波电路，用以滤除电压电流在经过电力电子器件开关电路变换过程中所产生的谐波电压或谐波电流。
为交流检测设备的供电能力，同风机发电特性模拟功能，由整个电路实现，与之区别的是第二DSP控制电路的控制算法中不再考虑风机发电特性模拟算法，仅控制DC-AC逆变电路实现稳定的交流输出。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，包括具备直流输出特性的光伏阵列发电特性模拟模块和具备交流输出特性的风机/微燃机发电特性模拟模块；
所述光伏阵列发电特性模拟模块包括与市电相连接的整流电路、与整流电路输出端相连接且为直流检测设备供电的第一DC-DC变换器、用于控制第一DC-DC变换器的第一DSP控制电路和与第一DSP控制电路相连接的第一人机界面；所述第一DSP控制电路通过采集第一DC-DC变换器的输出电压和输出电流，再根据光伏阵列输出特性及最大功率点跟踪算法对第一DC-DC变换器进行PWM控制，用于实现光伏的发电特性模拟；
所述风机/微燃机发电特性模拟模块包括与第一DC-DC变换器输出端相连接且为交流检测设备供电的DC-AC逆变电路、用于控制DC-AC逆变电路的第二DSP控制电路和与第二DSP控制电路相连接的第二人机界面；所述第二DSP控制电路通过采集DC-AC逆变电路的输出电压和输出电流，并根据风机/微燃机发电特性及最大功率点跟踪算法对DC-AC逆变电路进行PWM控制，用于实现风机/微燃机的发电特性模拟。
2.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述光伏阵列发电特性模拟模块还包括模拟控制电路和与第一DC-DC变换器输出端相连接且为直流检测设备供电的第二DC-DC变换器；所述模拟控制电路通过采集第二DC-DC变换器的输出电压和输出电流，对第二DC-DC变换器进行闭环控制；所述第二DC-DC变换器的输出端还与DC-AC逆变电路输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述DC-AC逆变电路的输出端还连接有滤波电路。
4.根据权利要求1所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述第一DSP控制电路与第二DSP控制电路进行实时通信。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述整流电路采用的是单相或三相的二极管不控整流电路。
6.根据权利要求2至4任意一项所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器均选用Boost升压型拓扑结构作为主电路。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的用于分布式电源并网检测的多功能模拟电源，其特征在于，
所述DC-AC逆变电路采用单相或三相全控逆变电路。
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