CN106059058B - 储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统及方法 - Google Patents

储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供电网络领域，尤其涉及供电网络不间断的供电系统及方法。系统包括：第一供电支路，包括市电供电单元，市电供电单元可控制地向负载供电；第二供电支路，与第一供电支路并联于负载的两端，第二供电支路上连接逆变器单元，逆变器单元向负载供电，逆变器单元于第一工作状态时，单独向负载输出恒定的电压和频率；逆变器单元于第二工作状态时，通过控制逆变器单元的输出电压和逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，来调整第一供电支路的功率因数。当市电正常时，逆变器通过控制其输出电压和其与市电之间的相位夹角来提高电网的功率因数，当市电异常时，由储能离网逆变器单独为负载供电，提高了负载供电可靠性。

Description

储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统及方法
技术领域
本发明涉及供电网络领域，尤其涉及供电网络不间断的供电方法和系统。
背景技术
目前，大电网与分布式发电相结合被世界上很多能源电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电网安全性和灵活性的主要方法，是21世纪电力工业的发展方向。分布式发电中可再生能源风能和太阳能作为清洁能源，取之不尽用之不竭，但是由于受天气条件变化的影响，其输出功率具有随机波动性、间歇性、不稳定性，特别是随着其大规模并入电网，给电力系统生产和运行带来极大的挑战。
以分布式发电技术为基础，集分布式电源、储能单元和可控负荷于一体的微网，是未来智能电网建设的重要组成部分。储能单元作为微网中必不可少的环节，可以保证分布式供电的均衡性和连续性以及降低突发事件对系统的影响，在提高新能源发电并网性能、改善供电电能质量、平衡发电功率与负荷需求、提高电能利用效率、降低系统动态变化等方面起着重要的作用。
现有技术中公开了一种用于分布式发电的能量路由器，该方法可以根据稳定电源和新能源非稳定电源的工作状况实时调整负载电源的不同供电方式，但由于控制静态开关的开通或关断会不可避免的导致负载的瞬时断电，导致影响供电网络的工作性能，譬如稳定性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统及控制方法，以解决现有技术的供电单元给负载供电不稳定的技术问题，并在市电供电模式下提高负载的功率因数。
一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，包括：
一第一供电支路，包括一市电供电单元，所述市电供电单元通过一第一开关单元可控制地向一负载供电；
一第二供电支路，与所述第一供电支路并联于所述负载的两端，所述第二供电支路上连接一逆变器单元，所述逆变器单元用于将一直流输入电压转换为交流输出电压以向所述负载供电，以及
所述逆变器单元于第一工作状态时，单独向所述负载输出恒定的电压和频率；
所述逆变器单元于第二工作状态时，通过控制所述逆变器单元的输出电压以及所述逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，来调整所述第一供电支路的功率因数cosδ，δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的电流Ig之间的夹角。
优选地，所述逆变器单元通过一串联于所述第二供电支路中的第二开关单元可控制地向所述负载供电。
优选地，所述第一开关单元为继电器开关。
优选地，所述逆变器单元为单相储能离网逆变器或三相储能逆变器。
一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的方法，基于提高储能离网逆变器不间断供电的系统，所述方法包括：
步骤1，判断所述市电供电单元是否正常工作；如果是，执行步骤2，如果否，执行步骤3；
步骤2，闭合第二开关单元，所述市电供电单元和所述逆变器单元同时向所述负载供电，并通过控制所述逆变器单元的输出电压以及所述逆变器单元的输出电压与所述市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，从而调整所述第一供电支路的功率因数cosδ，其中δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的输出电流Ig之间的夹角；
步骤3，断开第一开关单元,所述逆变器单元单独向所述负载输出恒定的电压和频率。
优选地，通过对所述市电供电单元的输出电压进行锁相的方式，来控制所述逆变器单元的输出电压以及所述逆变器单元的输出电压与所述市电供电单元的输出电压之间的相位夹角。
优选地，所述锁相的方法包括：
其中，Vc表示逆变器单元的输出电压，L1为所述第一供电支路中电感的电感值，iload_1表示负载电流iload的正序基波电流，Vg表示市电供电单元的输出电压，α表示Vg与Vc之间的夹角；
所述逆变器单元根据公式(1)、(2)求出的Vc以及α对所述市电供电单元的输出电压进行跟踪，并在锁相的基础上实现Vc和Vg相位相差α。
优选地，所述步骤3还包括：
当所述市电供电单元工作异常时，断开第一开关单元，待其正常工作后，所述逆变器单元继续对所述市电供电单元进行锁相。
本发明记载了一种提高储能离网逆变器不间断供电的方法和系统，当市电正常工作时，储能离网逆变器通过控制其输出电压和其与市电之间的相位夹角来提高电网的功率因数；当市电异常时，由储能离网逆变器单独为负载供电，并且输出恒定的电压和频率，实现对负载的不间断供电，提高了负载供电可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统的框图；
图2是储能离网逆变器和市电的电压相位及市电电流相位的矢量图。
图1中L1为电感，io表示离网储能逆变器输出电流，iload表示负载电流。
图2中Vg表示市电的输出电压，Vc表示逆变器的输出电压，ΔV表示市电和逆变器的输出电压的矢量差值，α表示市电和逆变器的输出电压之间的夹角，Ig表示市电流入负载的电流，θ表示Ig和Vc之间夹角，β表示ΔV和Vc之间夹角，δ表示Vg 与Ig之间的夹角。
具体实施方式
本发明的一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，包括：
一第一供电支路，包括一市电供电单元，市电供电单元通过一第一开关单元可控制地向一负载供电；
一第二供电支路，与第一供电支路并联于负载的两端，第二供电支路上连接一逆变器单元，逆变器单元用于将一直流输入电压转换为交流输出电压以向负载供电，以及
逆变器单元于第一工作状态时，单独向负载输出恒定的电压和频率；
逆变器单元于第二工作状态时，通过控制逆变器单元的输出电压以及逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，来调整第一供电支路的功率因数cosδ，δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的电流Ig之间的夹角。
如图1所示，具体地，第一供电支路为市电电路，包括一市电供电单元和第一开关K1，市电供电单元两端的电压大小为Vg；第二供电支路为逆变器单元的工作电路，该逆变器单元输出端的输出电压为 Vc。
当市电电路和逆变器单元都正常工作时，闭合第一开关K1和第二开关K2,此时，逆变器单元处于第二工作状态，逆变器通过控制Vc和Vg之间的相位夹角α来提高整个电网的功率因数cosδ，提高电能的利用效率。当市电电路出现异常时，逆变器单元处于另一工作状态，由逆变器单元单独为负载供电，为其输出恒定的电压和频率，实现了对负载的不间断供电，提高了负载供电可靠性。而所串联的第一开关 K1能够在市电电路出现异常时，自动切断市电电路，保证线路的安全。
本发明优选的实施方式，第一供电支路还包括一第一电感，第一电感串联于第一供电支路上。
具体地，在市电电路串联一电感L1，能够保证逆变器可以调整市电输出电压和市电输出电流之间的相位夹角。
本发明优选的实施方式，逆变器单元通过一串联于第二供电支路中的第二开关单元可控制地向负载供电。
具体地，与逆变器单元串联一第二开关K2，防止逆变器单元出现异常时，自动切断逆变器的工作支路，保证电路的安全。
本发明优选的实施方式，第一开关单元为继电器开关。
继电器开关起着过流保护，过压保护的作用，属于一种自动开关，当市电中的电流或电压过大时，继电器开关会自动跳闸，断开所在的电路，防止线路进一步损坏。
本发明优选的实施方式,逆变器单元为单相储能离网逆变器或三相储能逆变器。
一种提高储能离网逆变器不间断供电的方法，基于一种提高储能离网逆变器不间断供电的系统，包括：
步骤1，判断市电供电单元是否正常工作；如果是，执行步骤2，如果否，执行步骤3；
步骤2，闭合第二开关单元,市电供电单元和逆变器单元同时向负载供电，并通过控制逆变器单元的输出电压以及逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，从而调整第一供电支路的功率因数cosδ，其中δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的输出电流Ig之间的夹角；
步骤3，断开第一开关单元,逆变器单元单独向负载输出恒定的电压和频率。
具体地，当市电电路正常工作时，第一开关K1和第二开关K2都闭合，负载由市电电路供电；并通过控制Vc以及Vc与Vg之间的夹角α，来控制δ，这时负载由市电电路和逆变器单元同时供电，同时起到改善电网功率因数的作用。当市电电路出现异常时，第一开关K1断开，逆变器单元单独向负载输出恒定的电压和频率，以使负载得到持续的电压，稳定负载的工作。本发明优选的实施方式，通过对市电供电单元的输出电压进行锁相的基础上，来控制逆变器单元的输出电压以及逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角。
具体地，锁相就是某一信号跟踪另一个信号的相位和频率，使得与另一个信号的相位保持同步。如图2所示，当逆变器单元的输出电压以及两电压的相位夹角α保持不变后，市电供电单元和逆变器的电压矢量差值ΔV也固定不变，这样就能够得到一固定的市电供电单元的输出电压与市电供电单元的输出电流之间的相位夹角δ，从而得到稳定的cosδ值，也就是得到稳定的市电的功率因数。而功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数，代表了电网的负载能力大小，功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
本发明优选的实施方式，所述锁相的方式包括：
其中，Vc表示逆变器单元的输出电压，L1为第一供电支路中电感的电感值，iload_1表示负载电流iload的正序基波电流，Vg表示市电供电单元的输出电压，α表示Vg与Vc之间的夹角；
逆变器单元根据公式(1)、(2)求出的Vc以及α对市电供电单元的输出电压进行跟踪，并在锁相的基础上实现Vc和Vg相位相差α。
公式(1)、(2)具体的推导过程如下：
市电供电单元通过与市电供电单元串联的电感L1与逆变器并联共同向负载供电，其中市电供电单元的输出功率为：
Pg＝VcIgcosθ＝VcIgsinβ (3)
而市电供电单元通过电感L1流向负载的电流为：
Ig＝ΔV/(ωL1) (4)
则市电供电单元输出功率重写为：
Pg＝VcΔVsinβ/(ωL1) (5)
参见图2中的矢量图，根据正弦定理有：
将公式(6)带入公式(5)得到市电供电单元输出流向负载的功率：
由公式(7)可以知道，当市电供电单元的电压相位超前逆变器的输出电压的相位，市电供电单元向负载提供能量，在区间内，市电供电单元向负载提供的能量随着α增加而增加；在相同α角度，电感L1越小，市电供电单元向负载提供的能量越大。
设市电供电单元的输出电压为一个标准的正弦波形，则电感L1 两端的电压为VL1(t)＝Vgsin(ωt)-Vcsin(ωt-α)，流过L1的电流Ig(t)为：
Ig(t)＝Igsin(ωt-δ) (8)
由以上公式可以推导得出：
从(9)、(10)两式可以看出，由于市电供电单元的输出电压是不可改变的，为了得到L1上所期望电流，只能通过调节逆变器的输出电压幅值Vc和相位夹角α来实现。
对负载电流iload进行离散傅立叶变换，可以求出其包含的正序基波电流为iload_1。在市电供电单元和逆变器都正常工作时，为了保证市电功率因数较好，此时市电通过电感L1给负载的供电电流 Ig＝iload_1时，电网的功率因数为cosδ。
为此，当得到给定的iload_1和δ时，从公式(9)、(10)可得到上述的公式(1)、(2)。
从公式(1)，(2)可以看出，对于我们要跟踪的电感L1上的理想电流，可以计算出要跟踪的电压。其中δ为设定值，设定的δ越小，提高电网功率因数cosδ作用就越大，同时输出功率也越大。
上述实施方式通过调整逆变器的输出电压Vc和该输出电压Vc与市电供电单元的输出电压Vc之间的相位夹角α，从而控制逆变器系统的功率因数，实现负载的不间断供电，提高了负载供电可靠性。
本发明优选的实施方式，步骤3还包括：当市电供电单元工作异常时，断开第一开关单元，待其正常工作后，逆变器单元继续对市电供电单元进行锁相。
具体地，当市电供电单元出现异常不能正常时，为了保证能够持续地给负载进行供电，当市电供电单元断电后，第一开关K1断开，逆变器单元继续对负载输送固定的电压和电流。直到市电供电单元恢复正常工作，逆变器单元继续从步骤1开始执行，并对市电供电单元的输出电压进行锁相，使市电供电单元和逆变器单元同时对负载进行供电。
以上所述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做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 (7)

1.一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，其特征在于，包括：
一第一供电支路，包括一市电供电单元，所述市电供电单元通过一第一开关单元可控制地向一负载供电；
一第二供电支路，与所述第一供电支路并联于所述负载的两端，所述第二供电支路上连接一逆变器单元，所述逆变器单元用于将一直流输入电压转换为交流输出电压以向所述负载供电，以及
所述逆变器单元于第一工作状态时，单独向所述负载输出恒定的电压和频率；
所述逆变器单元于第二工作状态时，通过控制所述逆变器单元的输出电压以及所述逆变器单元的输出电压与市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，来调整所述第一供电支路的功率因数cosδ，δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的电流Ig之间的相位夹角；
通过对所述市电供电单元的输出电压进行锁相的方式，来控制所述逆变器单元的输出电压和所述逆变器单元的输出电压与所述市电供电单元的输出电压之间的相位夹角；
所述锁相的方法包括：
其中，Vc表示逆变器单元的输出电压，L1为所述第一供电支路中电感的电感值，iload_1表示负载电流iload的正序基波电流，Vg表示市电供电单元的输出电压，α表示Vg与Vc之间的夹角；
所述逆变器单元根据公式(1)、(2)求出的Vc以及α对所述市电供电单元的输出电压进行跟踪，并在锁相的基础上实现Vc和Vg相位相差α。
2.根据权利要求1所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，其特征在于，所述第一供电支路还包括一第一电感，所述第一电感串联于所述第一供电支路上。
3.根据权利要求1所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，其特征在于，所述逆变器单元通过一串联于所述第二供电支路中的第二开关单元可控制地向所述负载供电。
4.根据权利要求1所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，其特征在于，所述第一开关单元为继电器开关。
5.根据权利要求1所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，其特征在于，所述逆变器单元为单相储能离网逆变器或三相储能逆变器。
6.一种储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的方法，其特征在于，基于权利要求1-5任何一项所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的系统，所述方法包括：
步骤1，判断所述市电供电单元是否正常工作；如果是，执行步骤2，如果否，执行步骤3；
步骤2，闭合第二开关单元,所述市电供电单元和所述逆变器单元同时向所述负载供电，并通过控制所述逆变器单元的输出电压和所述逆变器单元的输出电压与所述市电供电单元的输出电压之间的相位夹角，来调整所述第一供电支路的功率因数cosδ，其中δ表示市电供电单元的输出电压Vg与市电供电单元的输出电流Ig之间的夹角；
步骤3，断开第一开关单元,所述逆变器单元单独向所述负载输出恒定的电压和频率；
通过对所述市电供电单元的输出电压进行锁相的方式，来控制所述逆变器单元的输出电压和所述逆变器单元的输出电压与所述市电供电单元的输出电压之间的相位夹角；
所述锁相的方法包括：
其中，Vc表示逆变器单元的输出电压，L1为所述第一供电支路中电感的电感值，iload_1表示负载电流iload的正序基波电流，Vg表示市电供电单元的输出电压，α表示Vg与Vc之间的夹角；
所述逆变器单元根据公式(1)、(2)求出的Vc以及α对所述市电供电单元的输出电压进行跟踪，并在锁相的基础上实现Vc和Vg相位相差α。
7.根据权利要求6所述的储能离网逆变器提高不间断供电功率因数的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：
当所述市电供电单元工作异常时，断开第一开关单元,待其正常工作后，所述逆变器单元继续对所述市电供电单元进行锁相。
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