CN107834602B - 一种微源半桥变流器串联型微电网系统 - Google Patents

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Abstract

一种微源半桥变流器串联型微电网系统，包括光伏微源、风力微源、储能装置、AC/DC整流电路、DC/DC直流变换电路、微源半桥变流器、滤波器、负载、变压器，风力与光伏微源经过AC/DC整流电路或DC/DC直流变换电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，并且将储能装置并联在微源直流链上，各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，并通过双星型方式组合搭建成三相系统，其中每一相均由两个桥臂组成，每个桥臂则由N个或n个发电子模块和一个电感串联而成，2≤N≤50，N＝n。

Description

一种微源半桥变流器串联型微电网系统
技术领域
本发明涉及一种微源半桥变流器串联型微电网系统。
背景技术
当今社会中能源短缺与环境污染是世界范围内的共性问题。在此背景下发展起来的分布式发电技术日趋成熟，具有污染少、安装地点灵活等优点。然而，大量特性各异的分布式电源(特别是随机性、间歇性显著的风能、太阳能等可再生能源)的接入会给电力系统的稳定性、电能质量和保护等带来了一定的影响。微电网技术为解决大量分布式电源的并网问题提供了有效途径，也成为优化传统电网结构的重要手段。
目前，微电网结构类型主要有直流型、交流型以及交直流混合型三种，它们几乎都沿用了传统的电力网络结构，且不同结构的系统内部均存在一些难以解决的问题。交流微电网内部各微源、储能装置、负载等通过交流母线连接在一起。由于系统中多个微源逆变器之间呈并联关系，其输出电压、频率、相位彼此若不相同，则系统内部就会产生大量的环流，并且输出电压谐波含量高，且只能在一定程度上进行抑制，而得不到彻底消除。直流微电网不涉及交流微电网中存在的频率稳定和无功调节等问题，控制相对简单，在减少传输损耗、提升系统稳定性方面有很大的优势。但是电网提供的电力要经过交-直流转换或直-交流转换后给服务器等设备供电，存在变换环节过多的缺陷。交直流混合微电网含有交、直流两种母线，很好的融合了直流微电网和交流微电网的优点，其为交、直流用电负荷供电的同时还可以减少电能变换环节。并且本地负载的供电多样性、灵活性以及能量转换效率可得到进一步的提高，但交直流混合微电网中包含交流与直流两种子网，系统工况与控制变得更为复杂。
经过对现有技术文献的检索发现，一种微源逆变器串联连接型微电网(Seriesmicro power grids,SMPGs)[王兴贵，杨维满，一种微源逆变器串联连接型微网特性研究,《电力系统保护与控制》,第41卷，第21期，2013年11月，页码129-135]，系统内部含有光伏和风力发电两种微源，能量来源相对广泛，在微源直流链上接入了储能装置，且系统具有孤岛与并网两种运行模式，增强了这种串联结构系统的可控性和运行多样性。这种结构具有输出电压谐波含量低、系统建设成本相对较低、系统中能量来源可根据实际应用环境的能源分布情况进行灵活选择，微源逆变器串联连接型微电网可从结构上解决普通微网中存在的一些问题。在此背景下，本发明涉及了一种基于微源半桥变流器串联型微电网系统，在输出端可得到多电平电压，并且电压等级较高，冗余性较好。
发明内容
本发明是一种微源半桥变流器串联型微电网系统，包括光伏微源、风力微源、储能装置、AC/DC整流电路、DC/DC直流变换电路、微源半桥变流器、滤波器、负载、变压器，其特征在于风力微源经过AC/DC整流电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，光伏微源经过DC/DC直流变换电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，并且将储能装置并联在微源直流链上，各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，并通过双星型方式组合搭建成三相系统，其中每一相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂由N个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂由n个发电子模块和一个电感串联而成，2≤N≤50，N＝n。
本发明的有益之处是：(1)该系统中微源半桥变流器的输出端串联连接，可得到多电平输出电压，电压等级较高。若输出电平数足够多，可以使输出电压波形几乎接近于正弦，对滤波器的要求也比较低；(2)此系统冗余性能较好，得益于微源半桥变流器的模块化设计。在冗余的微源半桥变流器数足够的前提条件下，若系统正常运行时，上桥臂和下桥臂中所有的微源半桥变流器都参与运行，包括冗余的微源半桥变流器，若某一微源发生故障时，无需通过停机进行微源的替换，可通过微源半桥变流器将故障微源切除，此时系统还处于正常运行状态；(3)一种微源逆变器串联连接型微电网(SMPGs)与本发明所涉及的微源半桥变流器串联型微电网相比，若保证这两个拓扑结构中功率开关管数量一致的前提下，由于两者结构的差异，本发明所涉及的微源半桥变流器串联型微电网中接入的微源数比SMPGs中接入的微源数多一倍，由此可以得出微源半桥变流器串联型微电网的系统容量较高；(4)虽然微源半桥变流器串联型微电网系统中存在相间环流，但是当各组交、直流微源输出功率不一致时，可以通过控制相间环流灵活控制各个基本模块的输出功率均衡而不影响电能质量；(5)将蓄电池或超级电容等储能装置并联至微源直流链上，可以抑制由于天气等条件变化引起的直流链电压波动，增加系统的可靠性；(6)此模块化的拓扑结构更易于维护与保养。
附图说明
图1是微源半桥变流器串联型微电网系统拓扑结构图，图2是微源半桥变流器(Half-bridge Converter，HC)示意图，图3是三相拓扑结构图，图4是A相子系统拓扑结构图，图5是A相8微源5电平输出电压波形原理图，图6是冗余拓扑结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种微源半桥变流器串联型微电网系统，包括光伏微源、风力微源、储能装置、AC/DC整流电路、DC/DC直流变换电路、微源半桥变流器、滤波器、负载、变压器，其特征在于风力微源经过AC/DC整流电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，光伏微源经过DC/DC直流变换电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，并且将储能装置并联在微源直流链上，各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，并通过双星型方式组合搭建成三相系统，其中每一相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂由N个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂由n个发电子模块和一个电感串联而成，2≤N≤50，N＝n。
本发明提供一种微源半桥变流器串联型微电网系统，包括光伏微源、风力微源、储能装置、AC/DC整流电路、DC/DC直流变换电路、微源半桥变流器、滤波器、负载、变压器等。在本系统中，风力微源经过AC/DC整流电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，光伏微源经过DC/DC直流变换电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，并且将储能装置并联在微源直流链上，各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，并通过双星型方式组合搭建成三相系统，其中每一相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂由N个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂由n个发电子模块和一个电感串联而成(其中N或n的个数根据输出电压等级来确定，且N一般取偶数)。风力微源、AC/DC整流电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元或光伏微源、DC/DC直流变换电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元统称为发电子模块(power generation sub-modular，GM)。如图2所示，微源半桥变流器(Half-bridgeConverter，HC)由两个IGBT(V1、V2)、两个反向二极管(VD1、VD2)和一个电容C构成。
如图3所示，以上所述的微源半桥变流器串联型微电网系统，在三个对称的A相子系统1、B相子系统2、C相子系统3中，每个子系统均由上桥臂8和下桥臂9构成，三相交流输出端A、B、C与滤波器连接，然后经过静态开关连接至变压器，负载连接在滤波器与静态开关之间的交流母线上；上桥臂(8)中第1风力微源(10)、第2风力微源(11)经过AC/DC整流电路后并联至上桥臂微源半桥变流器(26、27)的直流侧；上桥臂(8)中第N-1光伏微源(12)、第N光伏微源(13)经过DC/DC直流变换电路后并联至上桥臂微源半桥变流器(28、29)的直流侧；下桥臂(9)中第一风力微源(14)、第二风力微源(15)经过AC/DC整流电路后分别并联至下桥臂微源半桥变流器(30、31)的直流侧；下桥臂(9)中第n-1光伏微源(16)、第n光伏微源(17)经过DC/DC直流变换电路后分别并联至下桥臂微源半桥变流器(32、33)的直流侧。上桥臂8中微源直流链两端分别并联连接上桥臂第1储能装置18、第2储能装置19、第N-1储能装置20、第N储能装置21。下桥臂9中各微源直流链两端分别并联连接下桥臂第一储能装置22、第二储能装置23、第n-1储能装置24、第n储能装置25；上桥臂和下桥臂中各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，且上桥臂和下桥臂中均串联一个抑制相间环流的电感L。系统中A、B、C三相交流侧均能得到多电平输出电压uA、uB、uC，再经过滤波器4即可获得期望幅值、频率的三相交流电为本地负载5供电，多余或缺损的电能通过静态开关6后向外网7输送/获取。
如图3所示，本发明的微源半桥变流器串联型微电网系统，此系统中A、B、C三相对称，具有并网与孤岛两种运行模式。当外电网7正常运行时，微源半桥变流器串联型微电网系统通过静态开关6与外电网7相连，即处于并网运行模式，此时它向外电网7馈送内部多余能量或从外电网7获取自身所缺损的能量。当外电网7发生故障时，系统通过静态开关6脱离外电网7，即处于孤岛运行模式，此时，由微源半桥变流器串联型微电网为负载5提供电能支持。微源半桥变流器串联型微电网系统在控制器的作用下，通过A相控制信号线路27、B相控制信号线路28、C相控制信号线路29、静态开关控制信号线路30实现对各相及系统的有效控制。采用适用于此系统的控制策略和调制方法可得到多电平输出电压，实现系统内部功率整体动态平衡、提高清洁能源的利用效率、减小系统运行成本。
如图4所示，以A相8微源子系统为具体实施例说明其运行情况，在本拓扑结构中，交、直流微源分别以风力微源与光伏微源为主。具体如下：A相由上桥臂8和下桥臂9构成。上桥臂8中风力微源10、11经过AC/DC整流电路后并联至上桥臂微源半桥变流器26、27、的直流侧；上桥臂8中光伏微源12、13经过DC/DC直流变换电路后并联至上桥臂微源半桥变流器28、29的直流侧。下桥臂9中风力微源14、15经过AC/DC整流电路后并联至下桥臂微源半桥变流器30、31；光伏微源16、17经过DC/DC直流变换电路后并联至下桥臂微源半桥变流器32、33的直流侧。上桥臂8中微源直流链两端分别并联连接第1储能装置18、第2储能装置19、第3储能装置20、第4储能装置21，各储能装置内部的充放电控制器CR1、CR2、CR3、CR4分别调节储能单元EU1、EU2、EU3、EU4充放电电流的大小。在下桥臂9中微源直流链两端分别并联连接第一储能装置22、第二储能装置23、第三储能装置24、第四储能装置25，下桥臂中各储能装置内部的充放电控制器CR1、CR2、CR3、CR4分别调节储能单元EU1、EU2、EU3、EU4充放电电流的大小。由此可以抑制微源输出功率随外界天气条件变化引起的波动。桥臂中储能装置宜采用由功率型储能单元和能量型储能单元组成的混合储能装置。功率型储能单元目前常用的主要有飞轮电池、超级电容；能量型储能单元主要为蓄电池。
此系统中微源半桥变流器(Half-bridge Converter，HC)的输出电压有两个电平，分别为0和Udc，根据功率开关管V1(VD1)、V2(VD2)处于不同的开关状态，结合所接入的功率开关器件和桥臂电流流向，微源半桥变流器有三种工作状态，即闭锁、投入、切除。功率开关管V1(VD1)、V2(VD2)均关断(V1(VD1)＝0、V2(VD2)＝0)为闭锁状态。功率开关管V1(VD1)、V2(VD2)都开通(V1(VD1)＝1、V2(VD2)＝1)的情况不允许出现，因而在实际的控制过程中，功率开关管状态互补，V1(VD1)开通V2(VD2)关断(V1(VD1)＝1、V2(VD2)＝0)为投入状态，V1(VD1)关断V2(VD2)开通(V1(VD1)＝0、V2(VD2)＝1)为切除状态。微源半桥变流器的工作状态及其实际工作时的输出电压具体如表1所示。其中uHC为微源半桥变流器的输出电压，Udc为微源半桥变流器直流侧电压。
Figure GDA0003010076280000041
为了保证微源半桥变流器串联型微电网系统的稳定运行，功率协调控制是需要解决的关键问题之一。此系统中功率协调控制是在其输出功率平衡的前提下根据“微源输出功率大则投入次数多，微源输出功率小则投入次数少”的原则对各微源半桥变流器进行投切。保证系统稳定可靠运行的另一重要方面是必须保证同一时刻每相投入的微源半桥变流器数之和N是一个不变的常量，一般为该相微源半桥变流器数2N的一半，即该相微源半桥变流器一半投入，另一半切除。通过改变投入的微源半桥变流器数N或n在上桥臂和下桥臂中的分配个数N1与N2，得到交流侧N+1电平的输出电压电压，N＝n，N为偶数。若以A相电路为例，忽略桥壁电感电压，Udc为微源半桥变流器直流侧电压，Uc为直流母线电压，则：
Uc＝NUdc (公式一)
系统正常工作时上桥臂和下桥臂中微源半桥变流器投入个数分别为N1、N2，则
N1+N2＝N (公式二)
则根据电路理论可以得到A相输出电压
Figure GDA0003010076280000042
根据N2的取值范围可以得出输出电压ua的最大值
Figure GDA0003010076280000051
此时可根据并网电压等级计算出N值，电压等级处于中低压，即在380V～10kV时，可以计算出N的取值范围为2≤N≤50。
如图4所示，A相子系统中共有8个微源，上桥臂和下桥臂中均接入4个微源，即同一时刻投入的微源半桥变流器数之和为4。在保证微源直流链电压稳定的条件下，改变需要投入的微源半桥变流器数4在上桥臂和下桥臂中的分配个数可以在交流侧得到5电平输出电压，采用最近电平逼近调制(NLM)五电平电压波形原理如图5所示。A相正常运行时具体输出电平与投入微源半桥变流器数的关系如表2所示。
Figure GDA0003010076280000052
将五电平扩展到任意电平，即增加上桥臂和下桥臂中微源半桥变流器的数量，输出电压波形就能够很好的逼近正弦波。由于产生A相、B相和C相电压相等，相位相差120度，其产生过程相同，不再叙述。
当部分微源或微源半桥变流器出现故障时，系统处于不对称运行状态，会造成输出电流畸变、微源直流链电压纹波较大等问题。利用冗余运行特性可以改善系统故障运行时的输出波形，减小畸变率，提高其故障穿越能力，有利于系统的稳定可靠运行。如图6所示，若N＝4或n＝4，在N+1电平输出电压的系统冗余拓扑结构中，每一相上桥臂中增加1个冗余的发电子模块，即上桥臂由N+1个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂中增加一个冗余的发电子模块，即下桥臂由n+1个发电子模块和一个电感串联而成；此系统正常工作时，根据微源输出功率协调控制原则选择需要投入的微源半桥变流器，此时上桥臂中N+1个微源半桥变流器都参与运行，即从N+1个微源半桥变流器中选择需要投入的N个微源半桥变流器，下桥臂中n+1个微源半桥变流器都参与运行，即从n+1个微源半桥变流器中选择需要投入的n个微源半桥变流器。并且通过改变投入的微源半桥变流器数4在上桥臂和下桥臂中的分配个数可以在交流侧得到5电平输出电压，上桥臂和下桥臂中微源半桥变流器的投入数与输出电压电平的关系与表2中的一致。上桥臂中1个微源半桥变流器发生故障，将故障的1个微源半桥变流器切除，能够正常工作的微源半桥变流器数为N；下桥臂中一个微源半桥变流器发生故障，将故障的一个微源半桥变流器切除，能够正常工作的微源半桥变流器数为n；此时系统还处于正常运行状态。为避免发生故障的微源数增加而影响系统的稳定运行，应适当增加冗余的微源半桥变流器数量，提高系统的可靠性。若发生故障的微源数大于冗余的微源数时，故障桥臂不能提供足够的电压，会出现不对称运行的情况，此时可通过能量平衡的冗余控制策略消除由桥臂不对称带来的环流问题。还可以通过相应的优化方法，来增大桥臂中正常工作的微源半桥变流器的平均导通时间，维持桥臂能量平衡，减小桥臂间的不对称性。
以上是本发明的实施方式，对于本领域内的一般技术员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上可做多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该包含在本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (1)

1.一种微源半桥变流器串联型微电网系统，包括光伏微源、风力微源、储能装置、AC/DC整流电路、DC/DC直流变换电路、微源半桥变流器、滤波器、负载、变压器，其特征在于风力微源经过AC/DC整流电路后并联至微源半桥变流器的直流侧，光伏微源经过DC/DC直流变换电路后并联至微源半桥变流器的直流侧；并且将储能装置并联在微源直流链上；风力微源、AC/DC整流电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元或者光伏微源、DC/DC直流变换电路、储能装置、微源半桥变流器组成的单元统称为发电子模块；各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，并通过双星型方式组合搭建成三相系统；每一相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂由N个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂由n个发电子模块和一个电感串联而成，2≤N≤50，N＝n；三相交流输出端A、B、C与滤波器连接，然后经过静态开关连接至变压器，负载连接在滤波器与静态开关之间的交流母线上；上桥臂(8)中第1风力微源(10)、第2风力微源(11)经过AC/DC整流电路后并联至上桥臂微源半桥变流器(26、27)的直流侧；上桥臂(8)中第N-1光伏微源(12)、第N光伏微源(13)经过DC/DC直流变换电路后并联至上桥臂微源半桥变流器(28、29)的直流侧；下桥臂(9)中第一风力微源(14)、第二风力微源(15)经过AC/DC整流电路后分别并联至下桥臂微源半桥变流器(30、31)的直流侧；下桥臂(9)中第n-1光伏微源(16)、第n光伏微源(17)经过DC/DC直流变换电路后分别并联至下桥臂微源半桥变流器(32、33)的直流侧；上桥臂(8)中各微源直流链两端分别并联连接上桥臂第1储能装置(18)、第2储能装置(19)、第N-1储能装置(20)、第N储能装置(21)；下桥臂(9)中各微源直流链两端分别并联连接下桥臂第一储能装置(22)、第二储能装置(23)、第n-1储能装置(24)、第n储能装置(25)；上桥臂和下桥臂中各微源半桥变流器的输出侧通过串联方式依次进行连接，且上桥臂和下桥臂中均串联一个抑制相间环流的电感L；
在系统输出功率平衡的前提下根据微源输出功率大则投入次数多，微源输出功率小则投入次数少的功率协调控制原则对各微源半桥变流器进行投切，并且必须保证同一时刻每相投入的微源半桥变流器数之和N或n是一个不变的常量，通过改变需要投入的微源半桥变流器数N或n在上桥臂和下桥臂中的分配个数N1与N2，得到交流侧N+1电平的输出电压，N＝n，N为偶数；在N+1电平输出电压的系统冗余拓扑结构中，每一相上桥臂中增加1个冗余的发电子模块，即上桥臂由N+1个发电子模块和一个电感串联而成，下桥臂中增加一个冗余的发电子模块，即下桥臂由n+1个发电子模块和一个电感串联而成；此系统正常工作时，根据功率协调控制原则选择需要投入的微源半桥变流器，此时上桥臂中N+1个微源半桥变流器都参与运行，即从N+1个微源半桥变流器中选择需要投入的N个微源半桥变流器，下桥臂中n+1个微源半桥变流器都参与运行，即从n+1个微源半桥变流器中选择需要投入的n个微源半桥变流器；上桥臂中1个微源半桥变流器发生故障，将故障的1个微源半桥变流器切除，能够正常工作的微源半桥变流器数为N；下桥臂中一个微源半桥变流器发生故障，将故障的一个微源半桥变流器切除，能够正常工作的微源半桥变流器数为n；此时系统还处于正常运行状态；
忽略桥臂电感电压，Udc为微源半桥变流器的直流侧电压，Uc为直流母线电压，则：
Uc＝NUdc (公式一)
系统正常工作时上桥臂和下桥臂中微源半桥变流器的投入个数分别为N1、N2，则
N1+N2＝N (公式二)
能够得到A相输出电压
Figure FDA0003010076270000021
根据N2的取值范围能够得出输出电压ua的最大值
Figure FDA0003010076270000022
此时根据并网电压等级计算出N值，电压等级处于中低压，即在380V～10kV时，能够计算出N的取值范围为2≤N≤50。
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