CN104393591A - 供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种供电系统，应用于供电装置中，其中，包括市电，逆变器，电压检测电路，控制单元，与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过设置有交流供电装置、直流供电装置和控制单元，能在直流供电装置于电压源型运行模式与电流源型运行模式之间切换时，负载持续被供电，避免出现断电现象。同时当直流供电装置处于电压源型运行模式时，能够为负载提供恒定的电压，当直流供电装置处于电流源型运行模式时，能够为电网及负载提供恒定的电流。

Description

供电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种供电系统。

背景技术

随着能源供需矛盾的日渐突出，可再生能源发电技术，尤其是太阳能光伏发电系统已逐渐成为发展趋势，在光伏发电系统中，储能电路将新能源转化为直流电存储，通过逆变电路将储能电路输出的直流电转化为符合国家电能质量标准的交流电，逆变电路作为其中的重要的环节，其性能的优劣直接关系到光伏发电系统运行的可靠性及稳定性，该系统通常有独立的发电与并网发电两种运行模式，在并网运行模式下，逆变电路输出电压被电网电压钳位不可控，需要控制器对入网电流进行有效的控制，即此时逆变电路为电流源型运行模式，在独立运行模式下，逆变电路相当于电压源对负载提供电力，即此时逆变电路为电压源型运行模式，在逆变器在电流源型运行模式和电压源型运行模式之间切换时，采用同一逆变电路，故而在电流源型运行模式和电压源型运行模式之间切换时，供电电网会出现瞬时断电现象，而对于重要的不能断电的负载，该供电系统能不能满足其要求；且这两种模式切换过程中，可能产生较大的电压、电流冲击，这对逆变器、负载和电网都是不利的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种不断电的供电系统。

一种供电系统，应用于供电电网中，包括市电，连接负载，用于向一工作于交流供电模式下的所述负载供电，其中，还包括：

逆变器，连接所述负载，可选择地工作于电压源运行模式或电流源运行模式，用以提供一匹配所述负载的电力；

所述电压源型运行模式，用以为所述负载提供模拟市电；

所述电流源型运行模式，用以为所述负载提供与所述市电的输出电流相位同步的电压；

电压检测电路，连接所述逆变器，用于检测所述逆变器的输出电压，并形成一电压检测信号输出；

控制单元，分别连接所述电压检测电路、市电逆变器，用以根据所述电压检测信号控制所述逆变器于所述电压源型运行模式与所述电流源型运行模式之间切换。

优选地，所述逆变器包括：

一直流储能单元，用于存储电能，并于预定运行模式下向所述负载提供电力；

一逆变电路，连接所述储能单元，用于将所述储能单元输出的直流电转换为与所述负载相匹配的交流电后输出。

优选地，所述逆变器还包括滤波电路，所述滤波电路连接于所述逆变电路与所述负载之间，用以接收所述交流电，并对所述交流电做滤波处理输出。

优选地，还包括第一开关和第二开关，

所述第一开关连接于所述逆变器与所述负载之间；于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换；

所述第二开关连接于所述市电与所述负载之间，于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换。

优选地，所述逆变电路为三电平逆变器。

优选地，所述滤波电路包括第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述第一滤波电感L1串联所述第一滤波电容C1于所述逆变电路的输出端。

优选地，还包括第二滤波电容C2，第三开关，所述第二滤波电容C2串联所述第三开关并联于所述第一滤波电容C1两端。

优选地，还包括第二滤波电感L2，连接于所述第一滤波电感L1与所述第一开关之间。

优选地，所述控制单元为MCU单片机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过设置有市电、逆变器和控制单元，能在逆变器于电压源型运行模式与电流源型运行模式之间切换时，负载持续被供电，避免出现断电现象。同时当逆变器处于电压源型运行模式时，能够为负载提供恒定的电压，当逆变器处于电流源型运行模式时，能够为电网及负载提供恒定的电流。

附图说明

图1为本发明供电系统的原理图；

图2为本发明中并网转离网时供电示意图；

图3为本发明中逆变器由并网状态转为离网状态的电路控制框图；

图4为本发明中逆变器有并网状态转为离网状态时电路控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明提供一种供电系统，应用于供电电网中，包括市电，连接负载，用于向一工作于交流供电模式下的所述负载供电，其中，还包括：

逆变器，连接所述负载，可选择地工作于电压源运行模式或电流源运行模式，用以提供一匹配所述负载的电力；

所述电压源型运行模式，用以于一预定模式下为所述负载提供模拟市电。

所述电流源型运行模式，用以为所述负载提供与所述市电的输出电流相位同步的电压；

电压检测电路，连接所述逆变器，用于检测所述逆变器的输出电压，并形成一电压检测信号输出；

控制单元，分别连接所述电压检测电路、市电逆变器，用以根据所述电压检测信号控制所述逆变器于所述电压源型运行模式与所述电流源型运行模式之间切换。

本技术方案的工作原理为：电压检测电路采集市电的输出电压，并形成一电压检测信号输出至控制单元，控制单元根据检测结果控制逆变器于电压源型运行模式与电流源型运行模式之间切换。

当市电输出异常时，逆变器工作于电压源型运行模式；逆变器向负载供电；当市电输出正常时，逆变器工作于电流源型运行模式，此时由市电向负载供电。

当逆变器从并网模式切换至离网模式输出时，于电流源型运行模式向电压源型运行模式切换瞬间的前一刻，市电与逆变器并联，逆变器于电流源型运行模式下工作，市电向负载提供电力，逆变器于电流源型运行模式向电压源型运行模式切换瞬间，逆变器于电压源型运行模式下向负载供电。

当逆变器从离网模式切换至并网模式输出时，逆变器于电压源型运行模式向电流源型运行模式切换前一刻，市电与逆变器并联，逆变器于电压源型运行模式下向负载提供电力，逆变器于电压源型运行模式向电流源型运行模式切换瞬间，逆变器于电流源型运行模式下工作，市电向负载提供电压。

通过上述技术方案，在逆变器于电压源型运行模式与电流源型运行模式之间切换时，负载持续被供电，避免出现断电现象。同时当逆变器处于电压源型运行模式时，能够为负载提供恒定的电压，当逆变器处于电流源型运行模式时，能够为电网及负载提供恒定的电流。

作为进一步优选实施方式，逆变器包括

一直流储能单元C，用于存储电能，并于预定运行模式下向所述负载提供电力；

一逆变电路，连接所述储能单元，用于将所述储能单元输出的直流电转换为与所述负载相匹配的交流电后输出。

于上述技术方案的基础之上，进一步的还可以设置有检测市电输出的电压。

作为进一步优选实施方式，还包括滤波电路，所述滤波电路连接于所述逆变电路与所述负载之间，用以接收所述交流电，并对所述交流电做滤波处理输出。

作为进一步优选实施方式，还包括第一开关和第二开关，

所述第一开关连接于所述逆变器与所述负载之间；于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换；

所述第二开关连接于所述市电与所述负载之间，于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换。

进一步的，一种供电系统，第一开关由开关K1形成，第二开关由K2形成，第三开关由K3形成。

当K1和K2闭合导通，K3断开，逆变器于电流源型运行模式下工作，用以向负载输出恒定电流；

当K1和K3闭合导通，K2断开，逆变器于电压源型运行模式下工作，用于向负载输出恒定电压；

当K1、K2、K3均闭合时，逆变器于电流源型运行模式切换至电压源型运行模式，切换完成后，K2断开，逆变器向负载供电；

当K1、K2、K3均闭合时，逆变器于电压源型运行模式切换至电流源型运行模式，切换完成后，K3断开，市电向负载供电。

作为进一步优选实施方式，逆变电路为三电平逆变器。三电平逆变器有第一高频开关管G1、第二高频开关管G2、第三工频开关管G3、第四工频开关管G4、第五高频开关管G5、第六高频开关管G6形成，与逆变器离网状态下输出电压，于逆变器并网状态下输出电流，同时谐波含量减少，提高电路的稳定性。

作为进一步优选实施方式，所述滤波电路包括第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述第一滤波电感L1串联所述第一滤波电容C1于所述逆变器的输出端。

作为进一步优选实施方式，还包括第二滤波电容C2，第三开关，所述第二滤波电容C2串联所述第三开关并联于所述第一滤波电容C1两端。

作为进一步优选实施方式，还包括第二滤波电感L2，连接于第一滤波电感L1与第二开关模块之间。

作为进一步优选实施方式，控制单元为MCU单片机，用以形成一控制信号，第一开关、第二开关、第三开关于控制信号控制下于导通和关断之间切换，进而能够使得逆变器于电流源型运行模式和电压源型运行模式之间切换。

下面结合具体实施方式说明本发明的并网转离网时逆变器的工作原理和离网转并网时的工作原理。

如图2所示，市电瞬时电压为V₀,逆变器瞬时输出电压为V₁，电压V₁相角和市电V₀电压相角相差σ1；Z₁为逆变器输出到连接负载之间导线的阻抗和感抗之和。

如图3所示，逆变器输出的视在功率S，有功功率P和无功功率Q之间关系式可以表示为：

$S=P+\mathrm{jQ}={\stackrel{\→}{V}}_0\·{\stackrel{\→}{i}}_{\mathrm{Load}}={\stackrel{\→}{V}}_0\·\left(\frac{{\stackrel{\→}{V}}_1-{\stackrel{\→}{V}}_0}{Z_1}\right)=\frac{V_0{V}_1\cos \mathrm{\σ}1}{Z_1}-j\frac{V_0{V}_1\sin \mathrm{\σ}1}{Z_1}---\left(1\right)$

这样逆变器输出到负载的有功功率P和无功功率Q可以写为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{V_0{V}_1\cos \mathrm{\σ}1}{Z_1}\\ Q=\frac{V_0{V}_1\sin \mathrm{\σ}1}{Z_1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于感抗很小，所以一般来说逆变器输出电压和市电电压之间的相角差σ1很小，当逆变器内阻为阻性时，有功功率P主要取决于逆变电路输出电压V₁，无功功率Q主要取决于相角差σ1。逆变器输出的电压V₁和角频率ω可采用下式所示的下降法来调整：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1=V_{10}-K_{\mathrm{drp}1}\·P\\ \mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0+K_{\mathrm{drp}2}\·Q\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中V₁₀为进行输出电压调整之前的初始值，ω₀为进行角频率调整之前的初始值，K_drp1为输出电压的下降系数、K_drp2角频率的下降系数。

为了保证逆变器输出电压和市电电压之间的环流尽可能小，需要增大下降系数K_drp1、K_drp2，才能达到较好的效果。由公式(3)可以看出，下降系数K_drp1调整的越大，均流的效果越好，同时逆变器输出电压幅值降的就越厉害，所以选取下降系数需要折中考虑。一般来说下降系数的选取可以根据下式来进行选取。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{drp}1}=k_1\frac{V_{10}{T}_s}{{\mathrm{PT}}_1}\\ K_{\mathrm{drp}2}=k_2\frac{{\mathrm{\ω}}_0{T}_s}{{\mathrm{QT}}_1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中k₁为电压调节系数，选取范围一般在5％到15％之间；k₂为角频率调节系数，选取范围一般在5％到10％之间；T₁为市电周期，T_s为下降法调整周期。

如图3所示，并网状态转离网状态时，市电和逆变器离网状态输出并联时，采用下降法来实现，通过逆变器输出的有功功率乘以下降系数K_drp1来实现对输出电压幅度的调整，通过逆变器输出无功功率乘以下降系数K_drp2来实现对输出电压角频率的调整，同时也相当于对它的相位角进行调整，也就是实现了逆变器对市电的锁相。在市电转并网状态时，通过锁相，减少逆变器和市电之间的环流。当完成并联切换后单独由逆变器输出供电时，下降法会被取消，如果此时市电正常，锁相会保持，保证此时离网输出的电压和市电处于同相位，如果此时市电异常，锁相就会取消，当市电再次正常时，锁相也会重新工作，为下次逆变器从离网状态转换到并网状态做准备。

如图3所示，其中V_ref为逆变器输出参考电压的峰值，一般会等于此时市电的峰值电压；P为逆变输出的有功功率；Q为逆变器输出的无功功率；

为比例积分控制器，K_v为比例控制系数，K_i为积分控制系数；Z_L(S)表示为在拉普拉斯变换下负载的阻抗表示式；L₁表示滤波电感L₁；C₁+C₂表示为滤波电容C₁和C₂之和；s表示变换到拉普拉斯域下的符号。

如图4所示，当逆变器从离网状态转换到并网状态时，也会采用下降法来实现，当完成市电和逆变器的并联时，负载已经可以由市电来供电了，逆变器采用热启动形式从离网状态转换到并网状态。其中PLL为过零点锁相，V_{dc_ref}，V_bus分别为电容C上的参考电压和实际电压，i_L为并网输出电流。

综上所示，这样使得无论从离网转并网，还是并网转离网都实现了对负载的不间断供电。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种供电系统，应用于供电电网中，包括市电，连接负载，用于向一工作于交流供电模式下的所述负载供电，其特征在于，还包括：

逆变器，连接所述负载，可选择地工作于电压源运行模式或电流源运行模式，用以提供一匹配所述负载的电力；

所述电压源型运行模式，用以为所述负载提供模拟市电；

所述电流源型运行模式，用以为所述负载提供与所述市电的输出电流相位同步的电压；

电压检测电路，连接所述逆变器，用于检测所述逆变器的输出电压，并形成一电压检测信号输出；

控制单元，分别连接所述电压检测电路、市电逆变器，用以根据所述电压检测信号控制所述逆变器于所述电压源型运行模式与所述电流源型运行模式之间切换。

2.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述逆变器包括：

一直流储能单元，用于存储电能，并于预定运行模式下向所述负载提供电力；

一逆变电路，连接所述储能单元，用于将所述储能单元输出的直流电转换为与所述负载相匹配的交流电后输出。

3.根据权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述逆变器还包括滤波电路，所述滤波电路连接于所述逆变电路与所述负载之间，用以接收所述交流电，并对所述交流电做滤波处理输出。

4.根据权利要求3所述的供电系统，其特征在于，还包括第一开关和第二开关，

所述第一开关连接于所述逆变器与所述负载之间；于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换；

所述第二开关连接于所述市电与所述负载之间，于所述控制单元控制下于导通与断开之间切换。

5.根据权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述逆变电路为三电平逆变器。

6.根据权利要求3所述的供电系统，其特征在于，所述滤波电路包括第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述第一滤波电感L1串联所述第一滤波电容C1于所述逆变电路的输出端。

7.根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，还包括第二滤波电容C2，第三开关，所述第二滤波电容C2串联所述第三开关并联于所述第一滤波电容C1两端。

8.根据权利要求7所述的供电系统，其特征在于，还包括第二滤波电感L2，连接于所述第一滤波电感L1与所述第一开关之间。

9.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述控制单元为MCU单片机。