CN107359644B - 一种微网接口拓扑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微网接口拓扑装置，应用于电网技术领域，该装置包括：三相转换开关以及接口储能变换器；三相转换开关接在三相静态开关之后，用于并网模式与孤岛模式的切换；接口储能变换器包括依次相连的储能单元、逆变桥、LC滤波器以及串联变压器，串联变压器分别与三相转换开关以及微网接口连接；储能单元用于为接口储能变换器储存和提供能量；逆变桥用于直流/交流变换；LC滤波器用于滤除谐波保证输出电压质量；串联变压器用于实现电气隔离。本发明在短路故障状态下，通过接口储能变换器的控制，可有效隔离短路故障在微网侧和主网侧相互耦合的通道，为并网运行模式下微网的短路故障穿越提供技术保障。

Description

一种微网接口拓扑装置
技术领域
本发明属于电网技术领域，更具体地，涉及一种微网接口拓扑装置。
背景技术
随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，分布式发电作为一种环保、高效、灵活的发电方式受到世界各国的高度重视。通过将分布式发电、储能系统和本地负荷有机整合起来，微网可以充分发挥分布式发电的优势，减弱分布式发电对大电网的不利影响，最大限度地挖掘分布式发电的经济效益，对于可再生能源的发展具有关键作用。
微网既可运行于并网模式，也可以在主网故障或需要时与主网断开运行于孤岛模式，微网灵活的运行方式提高了负荷的供电品质和供电可靠性，但由于运行模式不同、故障位置变化、故障类型不一致等原因，微网实现短路故障穿越和优化运行还存在一系列技术考验和压力：
第一，并网运行模式下当主网侧发生短路故障时，微网会向主网提供反供电流，从而影响了基于独立运行模式配置的主网侧继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性；同时，主网侧短路会使得微网并网接口处的节点电压发生跌落，导致微电源(风力发电、光伏发电等)面临低电压穿越(Low voltage ride through，LVRT)的压力。
第二，并网运行模式下当微网侧发生短路故障时，主网会向微网注入很大电流，从而影响了基于孤岛运行模式配置的微网侧继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性；同时，微网侧短路还会导致主网侧电压跌落，影响了主网侧负荷的供电质量。
第三，孤岛运行模式下微网发生短路故障时，微电源需向短路支路注入足够大的短路电流以快速、可靠地切除短路故障，在短路故障(尤其是不对称短路故障)状态下如果短路电流不完全受控，会导致保护开关的拒动或误动，影响微网供电的可靠性；在短路故障被切除后，微电源立即从电流限制模式切换到电压恢复控制模式，电压恢复过程的快慢和可靠性会严重影响微网侧负荷的供电质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种微网接口拓扑装置，由此解决目前微网在实现短路故障穿越和优化运行所存在的负荷的供电品质和供电可靠性较低以及面临低电压穿越压力的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种微网接口拓扑装置，包括：三相转换开关(S2)以及接口储能变换器；其中，所述三相转换开关(S2)接在三相静态开关(S1)之后，用于微网并网模式与微网孤岛模式的切换，所述三相静态开关(S1)位于主网与微网的接口处；
所述接口储能变换器包括依次相连的储能单元、逆变桥、LC滤波器以及串联变压器，且所述串联变压器分别与所述三相转换开关(S2)以及微网接口连接；
所述储能单元用于为所述接口储能变换器储存和提供能量；所述逆变桥用于直流/交流变换；所述LC滤波器用于滤除所述逆变桥输出的交流量中的谐波，以保证输出电压质量；所述串联变压器用于实现电气隔离。
优选地，在微网处于并网运行模式时，所述三相静态开关(S1)闭合，所述三相转换开关(S2)断开，正常运行状态下在保证微网电源端口电压处于正常范围内的条件下，通过所述接口储能变换器输出电压的控制实现对微网内的储能单元进行充放电能量管理；若微网侧发生短路故障，则通过所述接口储能变换器的控制以实现并网接口线路的限流，限制主网向微网灌入电流，从而保证基于孤岛运行模式的微网侧继电保护在并网运行模式下仍然具有选择性和可靠性；若在主网侧发生短路故障，则通过所述接口储能变换器的控制实现并网接口的电流控制和节点电压补偿，确保主网侧继电保护的选择性和可靠性不受影响。
优选地，在微网处于孤岛运行模式时，所述三相静态开关(S1)断开，所述三相转换开关(S2)闭合，正常运行状态下所述接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器并联运行，共同承担微电源出力和负荷需求之间的功率平衡任务；若发生短路故障，则所述接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器一起实现孤岛运行模式下的短路故障穿越。
优选地，所述逆变桥由三个单相全桥电路组合成三相逆变电路，每相逆变电路均由4个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成。
优选地，所述逆变桥由三个单相半桥逆变电路组成三相逆变电路，每相逆变电路均由2个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT以及直流稳压电容组成。
优选地，所述接口储能变换器的三相共用一个储能单元或者三相使用三个独立的储能单元，且在所述接口储能变换器三相使用三个独立的储能单元时，所述LC滤波器直接与三相电网串联。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)在不额外增加成本和系统复杂性的基础上，短路故障状态下通过接口储能变换器的控制，可有效隔离短路故障在微网侧和主网侧相互耦合的通道，为并网运行模式下微网的短路故障穿越提供技术保障。
(2)最大程度发挥微网中原本就有的储能变换器的作用。正常运行状态下，通过协调控制接口储能变换器和微网变换器，实现两者共同向电网提供无功支撑的目标。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种微网接口拓扑装置的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种并网运行时的开关状态；
图3为本发明实施例公开的一种孤岛运行时的开关状态；
图4为本发明实施例公开的另一种微网接口拓扑装置的结构示意图；
图5为本发明实施例公开的一种采用三个单相半桥带隔离变压器的储能变换器结构示意图；
图6为本发明实施例公开的一种三相采用独立的储能单元不带隔离变压器的储能变换器结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种微网接口拓扑装置，以期在不增加硬件成本的前提下提升整个系统的性能。
如图1所示为本发明实施例公开的一种微网接口拓扑装置的结构示意图，其中，该微网接口拓扑装置包括：三相转换开关S2以及接口储能变换器；
其中，三相转换开关S2接在三相静态开关S1之后，用于并网模式与孤岛模式的切换，三相静态开关S1位于主网与微网的接口处；
接口储能变换器包括依次相连的储能单元、逆变桥、LC滤波器以及串联变压器，串联变压器分别与三相转换开关S2以及微网接口连接；
储能单元用于为接口储能变换器储存和提供能量，且接口储能变换器三相共用一个储能单元或者三相使用三个独立的储能单元；逆变桥用于直流/交流变换；LC滤波器用于滤除谐波保证输出电压质量；串联变压器用于实现电气隔离。
在本发明实施例中，主网与微网的接口处由三相静态开关S1连接，在微网侧增加一个三相转换开关S2，S2接在S1之后，接口储能变换器串联在微网与主网的接口处，转换开关S2之后。
如图2所示，在微网处于并网运行模式下，三相静态开关S1闭合，三相转换开关S2断开，接口储能变换器作为微网并网的接口变换器，正常运行状态(即没有发生短路故障的状态)下在保证微网电源端口电压处于正常范围内的前提条件下，通过接口储能变换器输出电压的控制实现对微网内的储能单元进行充放电能量管理；若微网侧发生短路故障，则通过接口储能变换器的控制以实现并网接口线路的限流，限制主网向微网灌入电流，从而保证基于孤岛运行模式设计的微网侧继电保护在并网运行模式下仍然具有选择性和可靠性；若在主网侧发生短路故障，则通过接口储能变换器的控制实现并网接口的电流控制和节点电压补偿，确保主网侧继电保护的选择性和可靠性不受影响，同时有效补偿了微网并网接口的节点电压、减轻了微电源低电压穿越压力。
如图3所示，在微网处于孤岛运行模式下，三相静态开关S1断开，三相转换开关S2闭合，正常运行状态(即没有发生短路故障的状态)下接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器并联运行，共同承担微电源出力和负荷需求之间的功率平衡任务；若发生短路故障，则接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器一起实现孤岛运行模式下的短路故障穿越。
作为一种可选的实施方式，为防止接口储能变换器损坏后导致微网与主网的连接断开，可以在接口储能变换器串联变压器输出侧并联电子旁路和机械旁路。
如图4所示为本发明实施例公开的另一种微网接口拓扑装置的结构示意图，其中储能单元可以是蓄电池、超级电容、飞轮等，且可以三相共用一个储能单元或者三相使用三个独立的储能单元；逆变桥由三个单相全桥电路组合成三相逆变电路，每相逆变电路均由4个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，连接在储能单元之后，用于直流/交流变换；LC滤波器连接在逆变桥之后，用于滤除谐波保证输出电压质量；LC滤波器后端连接在串联变压器的原边，变压器副边串联在电网中，串联变压器作用在于实现电气隔离。
微网内可用作并网接口变换器的储能变换器拓扑并不局限于图4中基于三个单相全桥带隔离变压器的拓扑结构，如图5所示结构中三相共用一个储能单元，储能单元可以是蓄电池、超级电容、飞轮等，储能单元之后接逆变桥，逆变桥由三个单相半桥逆变电路组成三相逆变电路，每相逆变电路均由2个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT以及直流稳压电容组成，逆变桥之后连接LC滤波器，LC滤波器连接在串联变压器原边，变压器副边串联在电网中，串联变压器用于实现电气隔离。
如图6所示结构中三相有各自独立的储能单元，该储能单元也可以是蓄电池、超级电容、飞轮等，各相储能单元之后连接全桥逆变器，各相全桥逆变器由4个带反并联二极管的IGBT组成，逆变桥之后连接LC滤波器，由于三相有独立的储能单元所以不再需要串联变压器，LC滤波器中的电容直接串联在三相电网中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微网接口拓扑装置，其特征在于，包括：三相转换开关(S2)以及接口储能变换器；其中，所述三相转换开关(S2)接在三相静态开关(S1)之后，用于微网并网模式与微网孤岛模式的切换，所述三相静态开关(S1)位于主网与微网的接口处；
所述接口储能变换器包括依次相连的储能单元、逆变桥、LC滤波器以及串联变压器，且所述串联变压器分别与所述三相转换开关(S2)以及微网接口连接；
所述储能单元用于为所述接口储能变换器储存和提供能量；所述逆变桥用于直流/交流变换；所述LC滤波器用于滤除所述逆变桥输出的交流量中的谐波，以保证输出电压质量；所述串联变压器用于实现电气隔离；
在微网处于并网运行模式时，所述三相静态开关(S1)闭合，所述三相转换开关(S2)断开，正常运行状态下在保证微网电源端口电压处于正常范围内的条件下，通过所述接口储能变换器输出电压的控制实现对微网内的储能单元进行充放电能量管理；短路故障状态下通过接口储能变换器的控制，有效隔离短路故障在微网侧和主网侧相互耦合的通道；具体为，若微网侧发生短路故障，则通过所述接口储能变换器的控制以实现并网接口线路的限流，限制主网向微网灌入电流，从而保证基于孤岛运行模式的微网侧继电保护在并网运行模式下仍然具有选择性和可靠性；若在主网侧发生短路故障，则通过所述接口储能变换器的控制实现并网接口的电流控制和节点电压补偿，确保主网侧继电保护的选择性和可靠性不受影响。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在微网处于孤岛运行模式时，所述三相静态开关(S1)断开，所述三相转换开关(S2)闭合，正常运行状态下所述接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器并联运行，共同承担微电源出力和负荷需求之间的功率平衡任务；若发生短路故障，则所述接口储能变换器与微网内的微电源以及其它储能变换器一起实现孤岛运行模式下的短路故障穿越。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述逆变桥由三个单相全桥电路组合成三相逆变电路，每相逆变电路均由4个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述逆变桥由三个单相半桥逆变电路组成三相逆变电路，每相逆变电路均由2个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT以及直流稳压电容组成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接口储能变换器的三相共用一个储能单元或者三相使用三个独立的储能单元，且在所述接口储能变换器三相使用三个独立的储能单元时，所述LC滤波器直接与三相电网串联。
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