CN104319815A - 一种微网变流器的并/离网无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微网变流器的并/离网无缝切换方法，包括步骤1：实时检测微网变流器中每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；步骤2：依据负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值绝对值|ΔU|切换微网变流器的并/离网工作模式；微网变流器包括三相全桥变流器和控制器；控制器依据|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制交流晶闸管SCR断开，从而实现微网由并网模式切换到离网模式。与现有技术相比，本发明提供的一种微网变流器的并/离网无缝切换方法，能够快速检测到电网异常，断开电网与负载的连接，并能维持本地重要负载电压的稳定。

Description

一种微网变流器的并/离网无缝切换方法

技术领域

本发明涉及电力发电领域，具体涉及一种微网变流器的并/离网无缝切换方法。

背景技术

近年来，随着用电负荷的不断增加，社会对电力需求不断增长，集中式大电网在运行实践中表现出一些不足，如成本高，运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性要求。与集中式发电相比，分布式发电可节省输配电资源和运行费用，减少集中输电的线路损耗，可以作为大型电网的有力补充和有效支撑。微网技术整合了分布式电源的优势，其内部的电源主要由电力电子器件电路负责能量转换；微网中变换器的控制需要根据微网运行模式的不同而变化；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。

微网包括并网运行模式和离网运行模式；并网运行模式，微网与大电网并网运行，通过控制变换器输出电流与电网电压同相位，即传统的电流控制，达到单位功率因数输出，同时间接控制变换器输出功率；离网运行模式，当电网故障时，微网及时与大电网断开而独立运行；离网运行模式时，针对不同负载，微网具有良好的输出外特性，通常包括PQ法，PV法，V/f法等输出外特性控制方法。

微网在以上两种模式之间的切换过程必须快速准确，以提高配电系统的可靠性。如果控制不当，可能由于加在负载上的电压/电流突变造成负载损坏。因此，需要提供一种微网变流器能够在并网状态下平滑切换到离网状态无缝切换方法。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种微网变流器的并/离网无缝切换方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1：实时检测微网变流器中每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；

步骤2：依据所述负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值绝对值|ΔU|切换微网变流器的并网模式和离网模式。

优选的，所述电力电子器件包括IGBT和MOSFET；

优选的，所述步骤2中将所述|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较：

若|ΔU|≥ΔU_limit，则电网发生异常，微网变流器从电流控制的并网模式切换到电压控制的离网模式；

若|ΔU|＜ΔU_limit，则对电网进行孤岛分析；电网发生孤岛时，微网变流器从电流控制的并网模式切换到电压控制的离网模式；电网正常时，微网变流器维持电流控制的并网模式；

优选的，所述微网变流器为双向储能变流器；所述双向储能变流器包括三相全桥变流器和工频隔离变压器；

所述三相全桥变流器的交流输出端与工频隔离变压器的低压端连接；所述工频隔离变压器的高压端通过交流晶闸管接入电网；

所述微网变流器中的控制器依据|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制交流晶闸管断开，从而实现微网由并网模式切换到离网模式；

优选的，所述微网变流器为双向储能变流器；所述双向储能变流器包括三相全桥逆变器和DC/DC变换电路；所述三相全桥逆变器的交流输出端通过交流晶闸管接入电网；

所述微网变流器中的控制器依据|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制所述交流晶闸管断开，从而实现微网由并网模式切换到离网模式；

优选的，所述控制器包括数据采集模块、数据比较模块、孤岛分析模块和逻辑控制模块；

所述数据采集模块实时采集三相全桥变流器或三相全桥逆变器中的每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；

所述数据比较模块用于计算负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值ΔU，并将|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较；若|ΔU|≥ΔU_limit，所述数据比较模块输出的比较值C＝1，若|ΔU|＜ΔU_limit，所述数据比较模块输出的比较值C＝0；

所述孤岛分析模块依据数据比较模块输出的比较值C对电网进行孤岛分析；

所述逻辑控制模块依据所述比较值C和孤岛分析结果进行逻辑运算，通过逻辑运算结果控制所述交流晶闸管的工作状态；

优选的，若所述数据比较模块输出的比较值C＝1，所述孤岛分析模块不工作，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；

若所述数据比较模块输出的比较值C＝0，所述孤岛分析模块采用功率扰动的方法对电网进行孤岛检测；当电网发生孤岛时，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；当电网正常时，所述逻辑控制模块不输出交流晶闸管动作指令，微网维持并网模式；

优选的，所述功率扰动的方法包括：

若第n-1个电力电子器件开关周期时刻的并网电流为I，则

在电力电子器件的第n个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I+Δi的并网电流并网；在电力电子器件的第n+1个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I-Δi的并网电流并网；

分别检测第n个和第n+1个开关周期时刻，所述微网变流器输出的电压值，若所述电压值不随所述正向扰动信号和负向扰动信号而改变，则电网正常；否则电网异常，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，微网变流器能够由电流控制的并网模式快速切换为电压控制的离网模式，确保负载上电压不突变，从而保护重要负载不受损坏；

2、本发明技术方案中，微网变流器在各电力电子器件的开关周期中均可检测负载电压与电网的实时电压期望值进行比较，从而保证并网模式到离网模式的快速与准确性；

3、本发明提供的微网变流器的并/离网无缝切换方法，无论在负载功率与变流器所发功率匹配或不匹配时，均能快速检测到电网异常，断开电网与负载的连接。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中微网变流器的系统连接图；

图2是：本发明实施例中微网变流器由并网模式切换至离网模式的流程图；

图3是：本发明实施例中并网功率5kW,负载2kW,发生孤岛时的负载电压波形图；

图4是：本发明实施例中并网功率5kW,负载10kW,发生孤岛时的负载电压波形图；

图5是：本发明实施例中并网功率5kW,负载5kW,发生孤岛时的负载电压波形图；

图6是：本发明实施例中并网功率5kW,负载2kW,孤岛后切换为电压控制模式的负载电压波形图；

图7是：本发明实施例中并网功率5kW,负载10kW,孤岛后切换为电压控制模式的负载电压波形图；

图8是：本发明实施例中并网功率5kW,负载5kW,孤岛后切换为电压控制模式的负载电压波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一、如图1所示，微网变流器的一端与储能装置连接，另一端通过并网开关与电网连接，负载连接于微网变流器与电网之间；示波器可以监测负载的工作状态。如图2所示本发明提供的一种微网变流器的并/离网无缝切换方法包括下述步骤：

1、实时检测微网变流器中每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；

2、依据负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值绝对值|ΔU|切换微网变流器的并/离网工作模式，具体为将该差值绝对值|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较：

若|ΔU|≥ΔU_limit，则电网发生异常，微网变流器采用电压控制模式，微网由并网运行模式切换至离网运行模式；

若|ΔU|＜ΔU_limit，则对电网进行孤岛分析；电网发生孤岛时，微网变流器采用电压控制模式，微网由并网运行模式切换至离网运行模式；电网正常时，微网变流器采用电流控制模式，微网为并网运行模式。

二、本实施例中的微网变流器双向储能变流器包括：

1、由三相全桥变流器、公平隔离变压器和控制器组成的双向储能变流器；

三相全桥变流器的交流输出端通过交流接触器与隔离变压器的低压端连接；隔离变压器的高压端与交流母线连接后通过交流晶闸管SCR接入电网；三相全桥变流器中的电力电子器件包括IGBT和MOSFET。

2、由DC/DC变换电路、三相全桥变流器和控制组成的双向储能变流器；

DC/DC变换电路为高频隔离升压电路；三相全桥逆变器的交流输出端通过交流晶闸管SCR接入电网，三相全桥逆变器将DC/DC变换电路输出的直流电能转换为三相交流电能；

3、上述两种结构的双向储能变流器的控制器结构与功能完全相同；

(1)控制器依据差值绝对值|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制交流晶闸管SCR的断开，从而实现微网的离网模式和并网模式。

交流晶闸管SCR断开时，微网为离网模式；

交流晶闸管SCR闭合时，微网为并网模式。

(2)控制器包括数据采集模块、数据比较模块、孤岛分析模块和逻辑控制模块；

①：数据采集模块实时采集三相全桥变流器或者三相全桥逆变器中的每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load。

②：数据比较模块用于计算负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值ΔU，并将|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较；若|ΔU|≥ΔU_limit，数据比较模块输出的比较值C＝1，若|ΔU|＜ΔU_limit，数据比较模块输出的比较值C＝0。

③：孤岛分析模块依据数据比较模块输出的比较值C对电网进行孤岛分析。

若数据比较模块输出的比较值C＝1，孤岛分析模块不工作；

若数据比较模块输出的比较值C＝0，孤岛分析模块采用功率扰动的方法对电网进行孤岛检测；功率扰动的方法包括：

若第n-1个电力电子器件开关周期时刻的并网电流为I，则

在电力电子器件的第n个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I+Δi的并网电流并网，即向电网输出包含有电流值为Δi的正向扰动信号；

在电力电子器件的第n+1个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I-Δi的并网电流并网，即向电网输出包含有电流值为Δi的负向扰动信号；

分别检测第n个和第n+1个开关周期时刻，所述微网变流器输出的电压值，若所述电压值不随所述正向扰动信号和负向扰动信号而改变，则电网正常；否则电网异常，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式。

⑤：逻辑控制模块依据比较值C和孤岛分析结果进行逻辑运算，通过逻辑运算结果控制所述交流晶闸管SCR的工作状态。

若数据比较模块输出的比较值C＝1，逻辑控制模块输出交流晶闸管SCR断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；

若数据比较模块输出的比较值C＝0，当电网发生孤岛时，逻辑控制模块输出交流晶闸管SCR断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；当电网正常时，逻辑控制模块不输出交流晶闸管SCR的动作指令，微网为并网模式。

三、当采用5kW的微网变流器，负载分别为2kW、5kW和10kW，电网发生孤岛的情况：

1、如图3所示，当微网变流器以5kW并网运行时，在某一时刻发生了孤岛，负载电压将由峰值311V突变为峰值近800V，易造成负载损坏。

2、如图4所示，当微网变流器以5kW并网运行时，在某一时刻发生了孤岛，负载电压将由峰值311V突变为峰值近160V，将使负载不能正常工作。

3、如图5所示，当微网变流器以5kW并网运行时，在某一时刻发生了孤岛，负载电压将维持不变。

4、如图6、7和8所示，微网变流器以5kW并网运行时，系统在不同的负载时，电网发生异常后负载上的电压波形，从上述波形可得，通过本发明提供的并/离网无缝切换方法检测电网异常，切断交流晶闸管SCR或晶闸管开关，微网变流器由电流控制模式转换为电压控制模式，能够维持负载的电压稳定。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种微网变流器的并/离网无缝切换方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：实时检测微网变流器中每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；

步骤2：依据所述负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值绝对值|ΔU|切换微网变流器的并网模式和离网模式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力电子器件包括IGBT和MOSFET。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中将所述|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较：

若|ΔU|≥ΔU_limit，则电网发生异常，微网变流器从电流控制的并网模式切换到电压控制的离网模式；

若|ΔU|＜ΔU_limit，则对电网进行孤岛分析；电网发生孤岛时，微网变流器从电流控制的并网模式切换到电压控制的离网模式；电网正常时，微网变流器维持电流控制的并网模式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微网变流器为双向储能变流器；所述双向储能变流器包括三相全桥变流器和工频隔离变压器；

所述三相全桥变流器的交流输出端与工频隔离变压器的低压端连接；所述工频隔离变压器的高压端通过交流晶闸管接入电网；

所述微网变流器中的控制器依据|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制交流晶闸管断开，从而实现微网由并网模式切换到离网模式。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微网变流器为双向储能变流器；所述双向储能变流器包括三相全桥逆变器和DC/DC变换电路；所述三相全桥逆变器的交流输出端通过交流晶闸管接入电网；

所述微网变流器中的控制器依据|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit的比较结果，控制所述交流晶闸管断开，从而实现微网由并网模式切换到离网模式。

6.如权利要求4或5所述方法，其特征在于，所述控制器包括数据采集模块、数据比较模块、孤岛分析模块和逻辑控制模块；

所述数据采集模块实时采集三相全桥变流器或三相全桥逆变器中的每个电力电子器件在开关周期时刻的负载电压U_load；

所述数据比较模块用于计算负载电压U_load与电网的实时电压期望值U的差值ΔU，并将|ΔU|与电压差阈值ΔU_limit进行比较；若|ΔU|≥ΔU_limit，所述数据比较模块输出的比较值C＝1，若|ΔU|＜ΔU_limit，所述数据比较模块输出的比较值C＝0；

所述孤岛分析模块依据数据比较模块输出的比较值C对电网进行孤岛分析；

所述逻辑控制模块依据所述比较值C和孤岛分析结果进行逻辑运算，通过逻辑运算结果控制所述交流晶闸管的工作状态。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，若所述数据比较模块输出的比较值C＝1，所述孤岛分析模块不工作，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；

若所述数据比较模块输出的比较值C＝0，所述孤岛分析模块采用功率扰动的方法对电网进行孤岛检测；当电网发生孤岛时，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式；当电网正常时，所述逻辑控制模块不输出交流晶闸管动作指令，微网维持并网模式。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述功率扰动的方法包括：

若第n-1个电力电子器件开关周期时刻的并网电流为I，则

在电力电子器件的第n个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I+Δi的并网电流并网；在电力电子器件的第n+1个开关周期时刻，向电网输出电流大小为I-Δi的并网电流并网；

分别检测第n个和第n+1个开关周期时刻，所述微网变流器输出的电压值，若所述电压值不随所述正向扰动信号和负向扰动信号而改变，则电网正常；否则电网异常，所述逻辑控制模块输出交流晶闸管断开指令，微网由并网模式切换至离网模式。