CN105656079A - 切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统 - Google Patents

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尹进峰
杨志千
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Abstract

本发明提供了一种切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统。所述切换旁路电路包括：设置在供电支路和负载支路上的开关，以及与各开关连接的控制单元；供电支路为变流器系统的通电电源与变流器系统的负载之间连接的支路，负载支路为变流器系统的直流母线与变流器系统的负载之间的支路，控制单元用于控制各开关导通或断开。采用本发明的实施例，可以为负载切换合适的供电电源，进而有效保证负载得到稳定可靠的供电。

Description

切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，特别涉及一种切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统。
背景技术
微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负载和保护装置汇集而成的小型发配电系统，可以有外部电网并网运行，也可以独立运行。微电网具有能够提高重要负载的供电可靠性，满足用户的个性化电力需求，方便进行智能化管理，污染较少，成本较低等优点。因此，微电网是实现传统电网向智能电网的基础。
微电网可以将光伏发电机、风力发电机、生物质发电、燃料发电机、蓄电池等任意组合起来，通过直流母线或交流母线，以及变流器等计量和控制装置为负载进行供电。由于微电网技术的发展时间较短，相应的控制和保护技术还不够成熟，在微电网的运行过程中其内部部件会出现故障，导致微电网供电输出出现故障，使得负载不能得到稳定可靠的供电，不能满足用户的电力需求，甚至对用户造成严重的经济损失。
发明内容
本发明的实施例提供一种切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统，有效保证负载得到稳定可靠的供电。
为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种切换旁路电路，包括：设置在供电支路和负载支路上的开关，以及与各所述开关连接的控制单元；所述供电支路为变流器系统的供电电源与所述变流器系统的负载之间连接的支路，所述负载支路为变流器系统的直流母线与所述变流器系统的负载之间连接的支路；所述控制单元用于控制各开关导通或断开。
进一步地，所述控制单元包括与所述供电支路数量相同的第一控制支路，所述第一控制支路上设置有第一控制部；所述供电支路的开关包括第一开关部，所述第一开关部在所述第一控制部得电后闭合，失电后断开。
进一步地，所述控制单元还包括与所述负载支路数量相同的第二控制支路，所述第二控制支路上设置有第二控制部；所述负载支路的开关包括第二开关部，所述第二开关部在所述第二控制部得电后闭合，失电后断开。
进一步地，各所述第一控制支路上还设置有其它所述第一控制支路的第一控制部对应控制的另外多个第一开关部，以及所述第二控制部对应控制的另外一个第二开关部；各所述第二控制支路上还设置有各所述第一控制部对应控制的另外多个第一开关部；所述另外多个第一开关部在所述第一控制部得电后断开，失电后闭合；所述另外一个第二开关部在所述第二控制部得电后断开，失电后闭合。
进一步地，在各所述第一控制支路和各所述第二控制支路上还设置有开关装置，所述开关装置与所述控制单元连接。
根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提供一种变流器，所述变流器包括：直流母线、多个供电支路、与所述直流母线连接的负载支路，以及如前所述的切换旁路电路。
根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提供一种直流组网变流系统，所述直流组网变流系统包括如前所述的变流器、多个与所述负载支路连接的负载，和多个与所述供电支路连接的供电电源。
进一步地，所述供电电源包括直流供电电源和交流供电电源，所述直流供电电源通过DC-DC变换器连接至所述变流器的直流母线，所述交流供电电源通过AC-DC变换器连接至所述直流母线。
进一步地，所述直流供电电源包括储能电池和/或光伏发电机，所述交流供电电源包括燃料发电机、风力发电机和/或电网。
进一步地，所述负载包括直流负载和交流负载，所述直流负载通过DC-DC变换器连接至所述直流母线，所述交流负载通过AC-DC变换器连接至所述直流母线。
本发明实施例提供的切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统，在变流器的运行过程中，通过在变流器的供电支路和负载支路上的设置开关，并利用控制单元控制开关的导通或断开，来实现负载的选择性切换合适的供电电源，可以有效保证负载得到稳定可靠的供电。
附图说明
图1为现有技术中微电网的变流系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的设置有切换旁路电路的变流器系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的切换旁路电流的控制单元的结构示意图。
附图标号说明：
10、变流器系统；11、DC-DC变换器；12、AC-DC变换器；13、DC-AC变换器；14、直流母线；15、控制系统；16、制动单元；20、储能电池；21、光伏发电机；22、燃料发电机；23、风力发电机；24、电网；30、直流负载；31、交流负载；32、交流母线；40、控制单元；50及50'、第一控制支路；51、第二控制支路；K1及K1'、第一控制部；K2、第二控制部；S1、S1-2及S1-3、第一开关部；S1'、S1'-2及S1'-3、第一开关部；S2、S2'-2及S2'-2、第二开关部；S3及S3'、开关；A1、A1'及A2、开关装置。
具体实施方式
本方案的发明构思是，通过在现有技术中微电网的变流器或变流器系统中设置切换旁路电路，并利用切换旁路电路来为负载切换合适的供电电源，使负载得到稳定可靠的供电，进而有效解决现有技术中微电网的变流器出现故障而造成负载间断供电的问题。
在阐述本发明的技术方案之前，对现有技术中微电网的变流器系统的结构进行相关说明。如图1所示，微电网的变流器系统10包括直流母线14和控制系统15，其中，各供电电源(包括储能电池20、光伏发电机21、燃料发电机22、风力发电机23和电网24等供电电源)通过DC-DC变换器11或AC-DC变换器12与直流母线14分别连接，使各供电电源向直流母线14输送电能，或者从直流母线14汲取电能；直流母线14还通过DC-DC变换器11和DC-AC变换器13分别与直流负载30和交流负载31连接，为直流负载30和交流负载31供电。控制系统15分别与DC-DC变换器11、AC-DC变换器12和DC-AC变换器13，以及变流系统中的保护装置连接，用于控制这些部件的工作状态，以保证变流器正常运行。例如，控制系统15与连接在直流母线14上的制动单元16连接，通过制动单元16泄放直流母线14上的能量，来防止出现过压等风险，从而保证直流母线14的稳定。
可以理解的是，图1中，连接在燃料发电机22和直流母线14之间的AC-DC变换器12、以及连接在电网24和直流母线14之间的DC-AC变换器13分别位于直流母线14的两侧，虽然两个变换器在图中显示的有所不同，但由于它们的AC端均指向交流电源，DC端均指向直流母线14，因此，这两个变换器是同一类变换器。此外，电网24和直流母线14之间的电流是双向的，即可以是电网24向直流母线14送电，或者直流母线14向电网24送电，电网24和直流母线14之间的DC-AC变换器13可以采用双向的变换器。
下面结合附图对本发明实施例的切换旁路电路、变流器、直流组网变流系统进行详细描述。
图2为设置有本发明实施例的切换旁路电路的变流器系统的结构示意图，该变流器系统可以为图1所示的具有多个供电电源的变流器系统10，本发明实施例的切换旁路电路可用于为变流器系统10的负载选择合适的供电电源，使该变流器系统10为负载提供稳定可靠的供电。
如图2所示，根据本发明的实施例，该切换旁路电路包括设置在供电支路和负载支路上的开关，以及与各开关连接的控制单元40；其中，供电支路为变流器系统10的供电电源与变流器系统10的负载之间的支路，负载支路为变流器系统10的直流母线与变流器系统10的负载之间连接的支路；控制单元40用于控制各开关导通或断开。
在变流器系统10正常工作的情况下，变流器系统10中的直流母线14通过负载支路向负载供电。如图2中所示，直流母线14通过DC-AC变换器13将直流电能转换为交流电能并传输到交流母线32上，使交流母线32可以为多个交流负载31提供稳定的供电。而在变流器系统10出现供电故障(例如，变流器系统10内部部件DC-AC变换器13损坏引起的供电故障)时，或者需要将变流器从负载上切除以进行维护工作时，直流母线14不能向负载供电。此时，控制单元40切换选择直流母线14旁路中多个供电支路中的一个，并控制该供电电路上的开关导通，使该供电支路为负载提供稳定供电，进而提高变流器的可靠性。
具体地，在直流母线14出现供电故障时，控制单元40通过控制连接在燃料发电机22与交流母线32之间的供电支路导通，或者控制连接在电网24与交流母线32之间的供电支路导通，以对应实现选择燃料发电机22或电网24向交流母线32输送电能，为多个交流负载31供电。控制单元40优选地控制电网24与交流母线32之间的供电支路导通，使电网24向多个交流负载31供电，防止过多使用燃料发电机22而造成环境污染。
优选地，如图3所示，控制单元40包括与供电支路数量相同的第一控制支路，包括第一控制支路50及第一控制支路50'，其中，第一控制支路50上设置有第一控制部K1，第一控制支路50'上设置有第一控制部K1'；各供电支路的开关包括第一开关部，第一开关部在相应的第一控制部得电后闭合，失电后断开。具体地，供电支路上对应地设置有与第一控制部K1对应的第一开关部S1，或者与第一控制部K1'对应的第一开关部S1'，第一开关部S1和第一开关部S1'分别在第一控制部K1和第一控制部K1'得电后闭合，失电后断开。此处所说的第一开关部S1和S1'即为前述的设置在供电支路中的开关，控制单元40通过控制第一开关部S1和S1'的导通来选择相应的供电电源为负载通电。
图3中，第一控制支路50'及第一控制支路50与图2中连接燃料发电机22和电网24的两条供电支路一一对应。在负载支路出现线路故障或直流母线14无供电电压时，例如，在变流器连接电网24的条件下，控制单元40控制其中第一控制支路50上的第一控制部K1得电，使其对应的第一开关部S1闭合，进而控制与电网24连接的供电支路导通，使电网24向多个交流负载31供电。再例如，控制单元40可以通过控制另一条第一控制支路50'上的第一控制部K1'得电，相应的第一开关部S1'闭合，使燃料发电机22对应的供电支路导通，由燃料发电机22向多个交流负载31供电。
在具体的应用场景中，控制单元40与变流器系统10中的部件集成设置，也可以与变流器系统10中的部件分离设置，用于控制本实施例的切换旁路电路，使变流器系统10可以对负载进行稳定供电。
在同时存在多个供电电源通过第一控制支路对负载进行供电时，可优先选择电网供电，并且同一时间仅通过一种供电电源控制供电。
优选地，控制单元40还包括与负载支路数量相同的第二控制支路51，第二控制支路51上设置有第二控制部K2，各负载支路的开关包括第二开关部S2，第二开关部S2在第二控制部K2得电后闭合，失电后断开。
图3中的第二控制支路51的数量为一条，与图2中的连接在交流母线32和直流母线14之间的负载支路相对应。在直流母线14可以提供正常供电时，控制单元40控制第二控制支路51上的第二控制部K2得电，使其对应的第二开关部S2闭合，进而控制负载支路导通，使直流母线14可以持续向多个交流负载31提供稳定供电。在直流母线14出现供电故障时，控制单元40控制第二控制部K2失电，使负载支路断开，由控制单元40控制旁路中两个供电支路中的一个导通，利用燃料发电机22或电网24向多个交流负载31供电。
优选地，各第一控制支路上还设置有其它第一控制支路的第一控制部对应控制的另外多个第一开关部，例如，图3中的第一控制部K1对应的另外两个第一开关部S1-2和S1-3，第一开关部S1-2和S1-3与第一开关部S1动作相反，即在第一控制部K1得电后断开，失电后闭合，以及第一控制部K1'对应的另外两个第一开关部S1'-2和S1'-3，第一开关部S1'-2和S1'-3与第一开关部S1'动作相反，即在第一控制部K1'得电后断开，失电后闭合；各第一控制支路上还设置有第二控制支路51上的第二控制部K2对应控制的另外一个第二开关部S2-2或S2-3，第二开关部S2-2和S2-3与第二开关部S2动作相反，即在第二控制部K2得电后断开，失电后闭合。各第二控制支路51上还设置有另外多个第一控制部对应控制的领外多个第一开关部，例如第一开关部S1-2和S1'-2。
在直流母线14出现供电故障时，负载支路对应的第二控制支路51上的第二控制部K2失电，第二控制部K2对应的第二开关部S2断开使负载支路断开，第二控制部K2对应的另外两个第二开关部S2-2和S2-3闭合。同时，控制单元40控制第一控制支路50上第一控制部K1得电，第一控制部K1对应的第一开关部S1闭合，第一控制部K1对应的另外两个第一开关部S1-2和S1-3断开。控制单元40还控制另一条第一控制支路50'上的第一控制部K1'失电，第一控制部K1'对应的另一条供电支路上的第一开关部S1'断开，第一控制部K1'对应的另外两个第一开关部S1'-2和S1'-3闭合。
此时，第一控制支路50上的第一开关部S1'-3、第二开关部S2-2以及第一控制部K1均处于闭合导通状态，则第一控制支路50导通，使电网24对应的供电支路导通，由电网24向多个交流负载31供电。并且，第一控制支路50'的第一开关部S1-3和第二控制支路51上的第一开关部S1-2-均处于断开状态，禁止第一控制支路50'和第二控制支路51导通，进而控制燃料发电机22对应供电支路和负载支路处于断开状态。如此，控制单元40便实现了多个供电支路与一个负载支路的互锁控制并为负载选择一个供电支路，使负载得到合适的供电电源。
同理，在直流母线14可以提供正常供电时，控制单元40可以通过互锁控制使负载支路导通，并禁止多个供电支路导通，进而控制直流母线14为多个交流负载31提供稳定的供电。
优选地，各第一控制支路和各第二控制支路51上还设置有与控制单元40连接的开关装置。例如，在第一控制支路50上设置开关装置A1，在第一控制支路50'上设置开关装置A1'，在第二控制支路51上设置开关装置A2，控制单元40可以通过控制开关装置A1、A1'和A2的导通或断开，来相应地控制第一控制部K1、第一控制部K1'和第二控制部K2是否得电，进而方便快捷地控制各供电支路和负载支路的导通或断开。
本实施例中，在各供电支路上还设置有开关。例如，在电网24对应的供电支路上设置开关S3，在燃料发电机22对应的供电支路上设置开关S3'，控制单元40与开关S3、S3'连接，并根据变流器的工作状态控制其导通或断开。例如，在负载支路上的DC-AC变换器13出现故障时，直流母线14不能向多个交流负载31供电，控制单元40控制电网24向多个交流负载31供电的同时，还可以控制开关S3、S3'导通，使电网24和燃料发电机22可以向直流母线14上输送电能，使直流母线14可以向其它负载供电，例如，连接在直流母线14上的直流负载。
在这里说明，本实施例中的供电电源为燃料发电机22和电网24，在其它实施例中，供电电源还可以为其它电源，例如储能电池20、光伏发电机21、风力发电机23等，而且各供电电源的输出电压频率与负载的电压频率应该一致。此外，负载电路和供电电路的数量还可以根据变流器的具体情况相应地设置为一个或多个。
如上所述，本发明实施例的切换旁路电路可以设置在变流器中，在变流器的运行过程中为负载选择合适的供电电源，使负载得到稳定可靠的供电。
在此基础上，本发明的实施例还提供一种变流器，该变流器包括直流母线、多个供电支路、与直流母线连接的负载支路，以及如上所述的本发明实施例的切换旁路电路。其中，各供电支路与负载支路上设置有连接端口，用于连接直流负载或交流负载，以及电网、燃料发电机、储能电池等供电电源，切换旁路电路可以通过控制多个供电支路和负载支路的导通或断开，为直流负载或交流负载选择合适的供电电源。
此外，本发明的实施例还提供一种直流组网变流系统，该变流系统包括如上的本实施例的变流器、多个与负载支路连接的负载，和多个与供电支路连接的供电电源。变流器中包括切换旁路电路，切换旁路电路可以为负载选择合适的供电电源，保证变流系统正常工作，并为负载提供稳定供电。
优选地，供电电源包括直流供电电源和交流供电电源，直流供电电源通过DC-DC变换器连接至直流母线，将直流电能进行升压或降压等处理变换为直流母线中稳定的直流电能；交流供电电源通过AC-DC变换器连接至直流母线，通过整流、逆变等处理将直流电能转换为交流母线中的交流电能。
优选地，直流供电电源包括储能电池和/或光伏发电机，交流供电电源包括燃料发电机、风力发电机和/或电网。其中，储能电池可以为锂电池、铅酸电池、钒液流电池、超级电容等类型，储能电池可以通过DC-DC变换器向直流母线输送电能，也可以从直流母线中汲取电能进行充电。光伏发电机通过光伏电池板组件输出一定范围内的直流电能，通过DC-DC变换器将直流电能升压后接入直流母线，可以将光伏变化的直流电能转换为恒定的直流电能。
优选地，负载包括直流负载和交流负载，直流负载通过DC-DC变换器连接至直流母线，交流负载通过AC-DC变换器连接至直流母线。直流负载和交流负载的具体数量和设置位置，可以根据变流系统在实际应用场景中的具体情况来设置。
本发明实施例提供的切换旁路电路、变流器及直流组网变流系统，通过控制设置在变流器系统的供电支路与负载支路上的开关的导通或断开，在变流器的运行过程中，为负载选择合适的供电电源，进而有效保证负载得到稳定可靠的供电。
此外，本发明实施例的切换旁路电路通过对多个供电支路与负载支路进行互锁控制，提高了为负载供电的稳定性。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件拆分为更多部件，也可将两个或多个部件或者部件的部分操作组合成新的部件，以实现本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种切换旁路电路，其特征在于，包括：设置在供电支路和负载支路上的开关，以及与各所述开关连接的控制单元(40)；所述供电支路为变流器系统的供电电源与所述变流器系统的负载之间连接的支路，所述负载支路为变流器系统的直流母线与所述变流器系统的负载之间连接的支路；所述控制单元(40)用于控制各开关导通或断开。
2.根据权利要求1所述的切换旁路电路，其特征在于，所述控制单元(40)包括与所述供电支路数量相同的第一控制支路，所述第一控制支路上设置有第一控制部；
所述供电支路的开关包括第一开关部，所述第一开关部在所述第一控制部得电后闭合，失电后断开。
3.根据权利要求2所述的切换旁路电路，其特征在于，所述控制单元(40)还包括与所述负载支路数量相同的第二控制支路(51)，所述第二控制支路(51)上设置有第二控制部(K2)；
所述负载支路的开关包括第二开关部(S2)，所述第二开关部(S2)在所述第二控制部(K2)得电后闭合，失电后断开。
4.根据权利要求3所述的切换旁路电路，其特征在于，各所述第一控制支路上还设置有其它所述第一控制支路的第一控制部对应控制的另外多个第一开关部，以及所述第二控制部(K2)对应控制的另外一个第二开关部；各所述第二控制支路(51)上还设置有各所述第一控制部对应控制的另外多个第一开关部；所述另外多个第一开关部在所述第一控制部得电后断开，失电后闭合；所述另外一个第二开关部(S2)在所述第二控制部(K2)得电后断开，失电后闭合。
5.根据权利要求4所述的切换旁路电路，其特征在于，在各所述第一控制支路和各所述第二控制支路上还设置有开关装置，所述开关装置与所述控制单元(40)连接。
6.一种变流器，其特征在于，所述变流器包括：直流母线、多个供电支路、与所述直流母线连接的负载支路，以及如权利要求1至5中任一项所述的切换旁路电路。
7.一种直流组网变流系统，其特征在于，所述直流组网变流系统包括如权利要求6所述的变流器、多个与所述负载支路连接的负载，和多个与所述供电支路连接的供电电源。
8.根据权利要求7所述的直流组网变流系统，其特征在于，所述供电电源包括直流供电电源和交流供电电源，所述直流供电电源通过DC-DC变换器连接至所述变流器的直流母线，所述交流供电电源通过AC-DC变换器连接至所述直流母线。
9.根据权利要求8所述的直流组网变流系统，其特征在于，所述直流供电电源包括储能电池和/或光伏发电机，所述交流供电电源包括燃料发电机、风力发电机和/或电网。
10.根据权利要求8所述的直流组网变流系统，其特征在于，所述负载包括直流负载和交流负载，所述直流负载通过DC-DC变换器连接至所述直流母线，所述交流负载通过AC-DC变换器连接至所述直流母线。
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