CN104917199B - 交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑由DC/AC变流器、AC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成，其中，DC/AC变流器采用双向BUCK‑BOOST斩波电路和N组H式桥臂电压型逆变器构成，AC/AC变流器采用两组2×M开关整流器和一组N个H式桥臂电压型逆变器构成的双级矩阵变流器组成，柔性串并联转换电路由固态开关组成。本发明的柔性串并联多功能能量控制器可以根据外部信息和指令自动调节交直流微电网与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑，简化交直流微电网并网的功率接口电路，提高设备利用效率，降低运行功率损耗，增强功率接口性能，实现高效性、经济性、可靠性的良好结合。

Description

交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种用于交直流微电网并网功率接口的柔性串并联多功能能量控制器。

背景技术

分布式发电和负载一起组成微电网与主电网联合运行是提高分布式发电效能最有效的途径。随着分布式发电技术的发展，大量交流分布式电源如风力发电、生物质发电、微型汽轮机发电和直流分布式电源如光伏发电、超级电容、蓄电池、超导储能、燃料电池近年来得到广泛发展。交流微电网和直流微电网组合成交直流微电网与主电网联合运行能更好地发挥各种不同形式的分布式光伏发电的效能。功率接口是交直流微电网与主电网联合运行必不可少的核心元件，是连接交直流微电网和主电网的唯一功率通道。

由于并联方式在简便性、经济性、灵活性、独立性、可靠性方面具有显著优势，现有的微电网如交流微电网、直流微电网以及交直流微电网与主电网的联接方式主要为并联方式。但是，并联方式存在一些固有缺陷，突出的表现是：在正常运行状态下，微电网与主电网并网运行，微电网与主电网的公共连接点的电压由主电网支撑，通过调节公共连接线的电流来实现微电网与主电网之间的功率交换，在电压型谐波源接入的场合，难以取得满意的电压电能质量改善效果，在异常运行状态下，即当主电网或微电网内部出现故障时，微电网与主电网解列，微电网进入孤岛运行模式，微电网不能给主电网提供功率支撑和电能质量支撑。为了弥补并联方式的缺陷，需要对微电网与主电网联接的并联方式进行改进，目前采用的改进方法是采用微电网串并联方式或者额外接入串联型电力电子装置。

微电网串并联方式充分发挥了并联方式和串联方式的各自优势，较好地解决了并联方式存在的问题，为更大限度发挥微电网的效能提供坚实的物质基础。但是，采用串并联方式，在微电网正常并网运行时，串联功率接口处于闲置的待命状态，只有在主电网故障情况才启动串联功率接口用于动态电压恢复，而此时的并联功率接口又需要退出并网运行处于闲置状态。因此，微电网串并联方式在实际运行过程中只有部分功率接口投入运行，造成投资大、利用效率低等问题。对于交直流微电网，需要采用两组串联功率接口来执行交直流微电网的串并联方式，功率接口投资更大，功率接口在运行过程中闲置状况更严重。

采用额外接入串联型电力电子装置，不但增加了投资，而且不能解决异常运行状态下微电网与主电网解列运行的问题。

鉴于现有的交直流微电网与主电网联接的并联方式和串并联方式的上述不足，本发明提出一种新的柔性串并联多功能能量控制器作为交直流微电网与主电网联接的功率接口，它具有根据外部信息和指令自动调节交直流微电网与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑的能力，可以弥补现有的交直流微电网并联方式缺乏动态电压恢复能力的不足，可以改善现有的交直流微电网并联方式未能有效抑制电压型电能质量扰动的不足，可以消除现有的交直流微电网串并联方式存在功率接口闲置状态的弊端，可以设置少于串并联方式变流器数量来实现相同的功效，既能降低设备投资和运行功率损耗，又能简化功率接口，提高交直流微电网接入主电网运行的可靠性、高效性和经济性，实现了高效性、经济性、可靠性的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

发明内容

本发明的目的是提出一种更经济、高效、简单、普适的柔性串并联多功能能量控制器作为交直流微电网与主电网联接的功率接口。本发明的柔性串并联多功能能量控制器克服了现有的并联方式和串并联方式的不足，解决了现有的交直流微电网并联功率接口因使用单一的并联方式而产生的电压电能质量改善效果不确定、缺乏动态电压恢复能力以及在孤岛运行模式下不能给主电网提供功率和电能质量支撑的技术问题，解决现有的交直流微电网串并联方式因使用串并联方式而产生的功率接口闲置和运行损耗大的技术问题和经济问题。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器，根据外部信息和指令自动调节交直流微电网与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑由DC/AC变流器、AC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的动态拓扑包括并联功率接口拓扑、串联功率接口拓扑和串并联功率接口拓扑。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑的DC/AC变流器采用双向BUCK-BOOST斩波电路和N个H式桥臂电压型逆变器构成，适用于交直流微电网中的直流微电网接入N相N线主电网和N-1相N线主电网。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑的AC/AC变流器采用双级矩阵变流器，功率可以双向传输。双级矩阵变流器中与微电网相连的变流器为两组2×M开关整流器并联而成，双级矩阵变流器中与主电网相连的变流器为N个H式桥臂电压型逆变器。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑的柔性串并联转换电路由固态开关组成。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的动态拓扑通过改变柔性串并联转换电路中固态开关的开关状态进行切换。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的功能包括有功功率传输、无功功率补偿，动态电压恢复、端点电压稳定、线路电压调节、电压谐波补偿、电流谐波补偿、相序非对称电压补偿、相序非对称电流补偿。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的交直流微电网运行模式包括并网运行模式、孤岛运行模式、动态电压运行模式、潮流综合控制运行模式、互补运行模式、不间断供电模式。

本发明的技术效果在于：交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器根据外部信息和指令自动调节交直流微电网与主电网联接的联接方式和柔性串并联多功能能量控制器的运行拓扑，丰富交直流微电网运行模式，减少工功率接口中的变流器设置量和运行过程的闲置量，降低设备投资和运行功率损耗，增强功能的功能，简化功率接口，实现交直流微电网接入单相主电网运行的可靠性、高效性和经济性的良好结合。

附图说明

图1为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的交直流微电网并网系统原理结构框图。

图2为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的DC/AC变流器的主电路。

图3为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的AC/AC变流器的主电路。

图4为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的拓扑。

图5为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的拓扑中固态开关K1、K3、K4、K5以及N相N线主电网情况下固态开关K2的原理结构。

图6为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的拓扑中N-1相N线主电网情况下固态开关K2的原理结构。

图7为发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的拓扑中N相N线主电网情况下电容器C的原理结构。

图8为交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的拓扑中N-1相N线主电网情况下电容器C的原理结构。

具体实施方式

结合交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的交直流微电网并网系统原理结构框图图1、DC/AC变流器的主电路图2、AC/AC变流器的主电路图3、柔性串并联转换电路的主电路图4和固态开关K1、K3、K4、K5及N相N线主电网情况下固态开关K2的原理结构图5、N-1相N线主电网情况下固态开关K2的原理结构图6、N相N线主电网情况下电容器C的原理结构图7和N-1相N线主电网情况下电容器C的原理结构图8，描述本发明的具体实施方式和工作过程。

参见图1，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的交直流微电网并网系统由交流微电网、直流微电网、主电网和柔性串并联多功能能量控制器（1）组成，其中柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑由DC/AC变流器、AC/AC变流器和柔性串并联转换电路的主电路组成。

参见图2，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的DC/AC变流器的主电路采用采用BUCK-BOOST级联型双向斩波电路和N个H式桥臂电压型逆变器构成。

DC/AC变流器的正向工作过程是：根据BUCK-BOOST斩波电路U+、U-端的输入电压和输入电流，运用合适的控制方法实时调节BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件S11、S12 、S13和S14的占空比、开关时刻和开关序列使之处于脉宽调制工作状态，使BUCK-BOOST级联型双向斩波电路P+、P-端的输出电压保持稳定，P+、P-端输出电流根据输入电压和输入电流进行变化；根据公共联接点的电压特性和公共连接线的电流特性，采用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，使N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流根据公共联接点电压和公共连接线电流的变化进行变化以实现控制目标。

DC/AC变流器处于反向工作过程时，其N个H式桥臂电压型逆变器工作在整流状态。DC/AC变流器的方向工作过程可以描述如下：根据其N个H式桥臂电压型逆变器交流侧的输入电压和输入电流，采用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节其N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态；根据直流微电网的电压、电流特性，采用合适的控制方法实时调节BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件S11、S12 、S13和S14的占空比、开关时刻和开关序列使之处于脉宽调制工作状态，使BUCK-BOOST级联型双向斩波电路U+、U-端的输出电压和输出电流根据直流微电网的电压、电流进行变化。

BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件的开关状态如下：

（1）在正向工作期间，功率流向为从U+、U-端至P+、P-端，S 12和S 13始终关断。在正向升压工作中，即S 11保持导通状态， S14脉宽调制工作；在正向降压工作中S14保持关断状态，S11脉宽调制工作。

（2）在反向工作期间，功率流向为从P+、P-端至U+、U-端，S11和S14始终关断。在反向升压工作中，即S12保持导通状态， S13脉宽调制工作；在反向降压工作中S13保持关断状态，S14脉宽调制工作。

该DC/AC变流器适用于交直流微电网中的直流微电网接入N相N线主电网和N-1相N线主电网。

参见图3，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的AC/AC变流器的主电路采用双级矩阵变流器，功率可以双向传输。双级矩阵变流器由两组2×M开关整流器和一组N个H式桥臂电压型逆变器组成。两组2×M开关整流器采用并联方式连接以适应微电网中分布式电源输出的宽范围变化。

AC/AC变流器的正向工作过程是：根据2×M开关整流器的输入电压、输入电流，运用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，触发2×M开关整流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制2×M开关整流器的输出电压和输出电流；根据公共联接点的电压特性和公共连接线的电流特性，采用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节AC/AC变流器的N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，使AC/AC变流器的N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流根据公共联接点电压和公共连接线电流的变化进行变化以实现控制目标。

AC/AC变流器处于反向工作过程时，其N个H式桥臂电压型逆变器工作在整流状态，2×M开关整流器工作在逆变状态。AC/AC变流器的反向工作过程是：根据其N个H式桥臂电压型逆变器主电网侧的输入电压和输入电流，采用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节其N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流；根据交流微电网的电压、电流特性，运用合适的PWM信号生成方法产生PWM信号，触发2×M开关整流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制2×M开关整流器微电网侧的输出电压和输出电流根据微电网的电压和电流的变化进行变化以实现控制目标。

交直流微电网工作在与主电网处于正常并网运行状态时，公共连接点的电压由主电网支撑，N个H式桥臂电压型逆变器正向工作的输出电压需要与之保持一致，N个H式桥臂电压型逆变器的输出控制主要是通过PWM信号调节其输出电流。交直流微电网工作在与主电网串联运行状态时，公共连接线的电流由主电网支撑，N个H式桥臂电压型逆变器正向工作的输出电流需要与之保持一致，N个H式桥臂电压型逆变器的输出控制主要是通过PWM信号调节其输出电压。交直流微电网在与主电网串并联运行状态时，公共连接点的电压和公共连接线的电流均可以不由主电网支撑，通过PWM信号既可以同时调节N个H式桥臂电压型逆变器正向工作的输出电压和输出电流。

参见图4，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的主电路由固态开关K1、K2、K3、K4、K5和电容器组成。柔性串并联转换电路的工作过程是：根据监测到的主电网、分布式光伏电源和负荷的信息或者接收到的外部指令，合理控制固态开关K1、K2、K3、K4、K5的通断，从而实现功率接口的串联方式和并联方式的柔性转换。固态开关K1、K2、K3、K4、K5的通断规则如表1所示。

表1固态开关K1、K2、K3的通断规则

交直流微电网接入主电网的联接方式	交直流微电网的运行模式	柔性串并联转换电路的开关状态
			交流微电网并联接入，直流微电网与主电网解列	交流微电网并网运行，直流微电网孤岛运行	K1、K2、K3导通，K4、K5开断
直流微电网串联接入，交流微电网与主电网解列	交流微电网孤岛运行，直流微电网动态电压恢复运行	K3、K5导通，K1、K2、K4开断
			直流微电网并联接入，交流微电网与主电网解列	交流微电网孤岛运行，直流微电网并网运行	K2、K3、K4导通，K1、K5开断
交流微电网并联接入，直流微电网并联接入	交流微电网并网运行，直流微电网并网运行	K1、K2、K3、K4导通，K5开断
			交流微电网与直流微电网并联	交直流微电网并联孤岛运行，	K1、K2、K4导通，K3、K5开断
交流微电网与直流微电网串联	交直流微电网串联孤岛运行，直流微电网孤岛动态电压恢复运行	K1、K5导通，K2、K3、K4开断
			交流微电网与主电网解列，直流微电网与主电网解列	交流微电网孤岛运行，直流微电网孤岛运行	K1、K2、K3、K4、K5开断

参见图5，不管主电网是N相N线还是N-1相N线，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的固态开关K1、K3、K4、K5均由N组固态开关器件组成；还当主电网不管是N相N线的情况下，固态开关K2才由N组固态开关器件组成。图5中各组固态开关器件的参数完全相同。

参见图6，当主电网不管是N相N线的情况下，固态开关K2由N-1组固态开关器件组成，即各相线路接固态开关器件，零线不接固态开关器件，其各组固态开关器件的参数与图5中各组固态开关器件的参数完全相同。

参见图7，当主电网不管是N相N线的情况下，电容器C由N组电容器组成，各组电容器的参数完全相同。

参见图8，当主电网不管是N-1相N线的情况下，电容器C由N-1组电容器组成，即各相线路接电容，零线不接电容，各组电容器的参数完全相同。

本说明书中的N和M为大于1的正整数。

本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器，在正常运行的情况下，可以根据交直流微电网和主电网的功能需求的变化灵活平滑调节DC/AC变流器和AC/AC变流器联接方式，适应交直流微电网和主电网的电能质量调节及其之间的功率传输；在主电网故障的情况下，可以根据主电网的暂态电压扰动和暂态电流扰动的变化，灵活平滑调节交流微电网和直流微电网接入主电网的联接方式，适应主电网故障中大扰动的宽范围变化，高效支撑交直流微电网低电压穿越和主电网的暂态稳定；在计划或事故孤岛运行情况下，可以根据交流微电网和直流微电网的运行状况，灵活平滑调节交流微电网与直流微电网之间的联接方式，提高交直流微电网的运行可靠性和电能质量，确保交直流微电网和主电网的安全。柔性串并联多功能能量控制器可以提高交直流微电网运行的灵活性，可以消除串并联方式存在闲置状态的弊端，可以弥补现有的交直流微电网并联方式缺乏动态电压恢复能力的不足和未能有效抑制电压型电能质量扰动的不足，性价比得到明显提高，实现高效性、经济性、可靠性的良好结合。本发明交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器适用于有M相M线或M-1相M线交流微电网+直流微电网与N相N线或N-1相N线主电网的，对电网结构没有限制，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

Claims (2)

1.一种交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器，其特征在于，根据外部信息和指令自动调节交直流微电网与主电网联接的联接方式和功率接口的运行拓扑；柔性串并联多功能能量控制器的静态拓扑由DC/AC变流器、AC/AC变流器和柔性串并联转换电路组成；其中DC/AC变流器采用双向BUCK-BOOST斩波电路和N组H式桥臂电压型逆变器构成；

DC/AC变流器的正向工作过程是：根据BUCK-BOOST斩波电路U+、U-端的输入电压和输入电流，运用控制方法实时调节BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件S11、S12、S13和S14的占空比、开关时刻和开关序列使之处于脉宽调制工作状态，使BUCK-BOOST级联型双向斩波电路P+、P-端的输出电压保持稳定，P+、P-端输出电流根据输入电压和输入电流进行变化；根据公共联接点的电压特性和公共连接线的电流特性，采用PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，使N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流根据公共联接点电压和公共连接线电流的变化进行变化以实现控制目标；

DC/AC变流器处于反向工作过程时，其N个H式桥臂电压型逆变器工作在整流状态：根据其N个H式桥臂电压型逆变器交流侧的输入电压和输入电流，采用PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节其N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态；根据直流微电网的电压、电流特性，采用控制方法实时调节BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件S11、S12、S13和S14的占空比、开关时刻和开关序列使之处于脉宽调制工作状态，使BUCK-BOOST级联型双向斩波电路U+、U-端的输出电压和输出电流根据直流微电网的电压、电流进行变化；

BUCK-BOOST级联型双向斩波电路的可控功率器件的开关状态如下：

在正向工作期间，功率流向为从U+、U-端至P+、P-端，S12和S13始终关断；在正向升压工作中，即S11保持导通状态，S14脉宽调制工作；在正向降压工作中S14保持关断状态，S11脉宽调制工作；

在反向工作期间，功率流向为从P+、P-端至U+、U-端，S11和S14始终关断；在反向升压工作中，即S12保持导通状态，S13脉宽调制工作；在反向降压工作中S13保持关断状态，S14脉宽调制工作；

AC/AC变流器采用两组2×M开关整流器和一组N个H式桥臂电压型逆变器构成的双级矩阵变流器组成；

AC/AC变流器的正向工作过程是：根据2×M开关整流器的输入电压、输入电流，运用PWM信号生成方法产生PWM信号，触发2×M开关整流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制2×M开关整流器的输出电压和输出电流；根据公共联接点的电压特性和公共连接线的电流特性，采用PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节AC/AC变流器的N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，使AC/AC变流器的N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流根据公共联接点电压和公共连接线电流的变化进行变化以实现控制目标；

AC/AC变流器处于反向工作过程时，其N个H式桥臂电压型逆变器工作在整流状态，2×M开关整流器工作在逆变状态；AC/AC变流器的反向工作过程是：根据其N个H式桥臂电压型逆变器主电网侧的输入电压和输入电流，采用PWM信号生成方法产生PWM信号，实时调节其N个H式桥臂电压型逆变器的可控功率器件的开关时刻、开关时长和开关序列使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制N个H式桥臂电压型逆变器的输出电压和输出电流；根据交流微电网的电压、电流特性，运用PWM信号生成方法产生PWM信号，触发2×M开关整流器中的可控功率器件的触发极，控制可控功率器件通断的时刻、时长和顺序使之处于PWM脉宽调制工作状态，从而控制2×M开关整流器微电网侧的输出电压和输出电流根据微电网的电压和电流的变化进行变化以实现控制目标；

柔性串并联转换电路由固态开关K1、K2、K3、K4、K5和电容器组成，柔性串并联转换电路根据监测到的主电网、分布式光伏电源和负荷的信息或者接收到的外部指令，合理控制固态开关K1、K2、K3、K4、K5的通断，从而实现功率接口的串联方式和并联方式的柔性转换。

2.根据权利要求1所述的一种交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器，其特征在于，固态开关和电容器的构成规则为：不管主电网是N相N线还是N-1相N线，交直流微电网并网柔性串并联多功能能量控制器的柔性串并联转换电路的固态开关K1、K3、K4、K5均由N组固态开关器件组成；当主电网是N相N线的情况下，固态开关K2才由N组固态开关器件组成；当主电网是N-1相N线的情况下，固态开关K2由N-1组固态开关器件组成；当主电网是N相N线的情况下，电容器C由N组电容器组成；当主电网是N-1相N线的情况下，电容器C由N-1组电容器组成。