CN108933452A

CN108933452A - 一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统

Info

Publication number: CN108933452A
Application number: CN201811050002.6A
Authority: CN
Inventors: 王兴贵; 王海亮; 杨维满; 李晓英; 郭群; 薛晟; 高敬更
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2018-12-04

Abstract

一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网，包括有风力微源、光伏微源、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、负荷、变压器。该三相微电网系统由三个子系统通过星型方式组合而成，每个子系统均由n个发电模块串联而成，2≤n≤35。发电模块中光伏或风力微源经过相应的变换装置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。系统输出电压正弦度较好、谐波含量低。得益于其模块化设计，冗余性较好。

Description

一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统

技术领域

本发明涉及微电网系统，特别是，涉及一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统。

背景技术

近年来，在矿石能源枯竭和气候变化的现实威胁下，风能和太阳能等新能源已被广泛利用。分布式电源具有安全无污染、分布广、有利于小规模分散利用等优点。但分布式发电技术的多样性增加了并网运行的难度，当大量分布式电源接入电网时，将有可能造成电网对其不可控制和难以管理的局面，并引发诸如安全稳定性和电能质量等相关问题。为了充分发挥分布式电源的优势，进一步提升电力系统的运行性能，微电网应运而生。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的独立自治系统。它既可以与大电网并网运行，也可以孤岛运行。目前，微电网系统按母线形式可以分成三类：纯交流母线系统、纯直流母线系统、交-直流母线系统。并且，这三类母线形式的微电网系统均有各自的特点。

适用于各种可再生能源变换的变流器相继被提出，其中多电平变换技术为大功率可再生能源提供了优异的解决方案。在众多的多电平拓扑结构中，功率单元的模块化逐渐成为主要选择之一。微源逆变器串联结构微电网(Series micro power grids,SMPGs)系统中微源逆变器的输出端通过串联方式连接，这种拓扑结构具有输出电压正弦度较好、谐波含量低等优点。在此背景下，本发明涉及一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统。在系统输出端可以得到多电平三相输出电压，其电压等级较高，输出波形的正弦度较好、谐波含量低、易于实现模块化。这种半桥变流器串联的星型三相微电网结构与SMPGs相比：若保证这两种拓扑结构中功率开关管数量一致的前提下，由于系统中半桥变流器与全桥逆变器两者结构的差异，本发明所涉及的三相微电网拓扑结构中接入的微源数量比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的星型三相微电网系统的容量较高。此系统冗余性较好，在系统正常工作时，所有串联的微源半桥变流器(包括冗余的微源半桥变流器)均参与工作，若某一微源发生故障时，无需停机将故障微源切除，可通过控制微源半桥变流器使故障微源停止工作，此时剩余的微源半桥变流器都可以正常工作，系统还处于正常运行状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统。

本发明是一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，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、负荷、变压器，包括第一子系统1、第二子系统2、第三子系统3，每个子系统均由n个发电模块，2≤n≤35，串联而成，各子系统通过星型方式组合搭建成三相微电网系统；具有并网与孤岛两种运行模式；系统输出端经过滤波器4并通过静态开关6连接外电网7，本地负载5连接在系统输出交流母线上。

本发明所涉及的微源半桥变流器串联的星型三相微电网拓扑是一种新的组网方式。其中每个子系统中各半桥变流器的输出端串联连接,三个子系统通过星型连接组合成三相系统，具体有以下特点：在输出端可得到多电平输出电压，并且其电压等级较高、输出电压波形的正弦度较好、谐波含量低；

本发明所涉及的微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统与微源逆变器串联结构微电网(SMPGs)相比：在保证这两种拓扑结构中功率开关管数量一致的前提下，由于系统中半桥变流器与全桥逆变器两者结构的差异，本发明所涉及的微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统中接入的微源数量比SMPGs中接入的微源数多一倍，由此可以得出微源半桥变流器级联的组合式微电网系统的容量较高；系统冗余性较好。若系统在正常运行状态时某一微源发生故障，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。并且此系统中发电子模块控制灵活、易于扩展；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，还可以增加系统的可靠性。

附图说明

图1是微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统结构图；图2是三相系统并网拓扑结构图；图3是五微源子系统1示意图；图4是5微源方波调制波形原理图；图5是5微源载波层叠调制原理图；图6是基于载波层叠调制的5微源子系统输出电压波形图。

具体实施方式

如图1所示，一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，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、负荷、变压器。其特征在于，包括第一子系统1、第二子系统2、第三子系统3，每个子系统均由n个发电模块，2≤n≤35，串联而成，各子系统通过星型方式组合搭建成三相微电网系统；具有并网与孤岛两种运行模式；系统输出端经过滤波器4并通过静态开关6连接外电网7，本地负载5连接在系统输出交流母线上。其中半桥变流器(Half-bridge Converter，HC)由两个IGBT(V1、V2)、两个反向二极管(VD1、VD2)和一个电容C构成。在本系统中，风、光等微源经过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，并通过星型方式组合搭建成三相微电网系统。其中每个子系统均由n个发电模块(简称GM_i,其中i＝1，2，...，n(2≤n≤35))级联而成。本系统中将风力微源、整流电路、储能装置和半桥变流器组成的单元统称为风力发电模块(WGM)。同理，将光伏微源、直流变换电路、储能装置和半桥变流器组成的单元称为光伏发电模块(PGM)，将WGM和PGM统称为发电模块(GM_i)。

如图2所示，对称的第一子系统1、第二子系统2、第三子系统3均由第1发电模块8、第2发电模块9、第3发电模块10、第n-1发电模块11、第n发电模块12串联而成；各发电模块中第一微源13、第二微源14、第三微源15、第n-1微源16、第n微源17经过AC-DC整流电路或DC-DC直流变换电路后分别并联至第一微源半桥变流器23、第二微源半桥变流器24、第三微源半桥变流器25、第n-1微源半桥变流器26、第n微源半桥变流器27的直流侧；并且各微源直流链两端分别并联连接第一储能装置18、第二储能装置19、第三储能装置20、第n-1储能装置21、第n储能装置22。各储能装置内部的第一充放电控制器CR1、第二充放电控制器CR2、第三充放电控制器CR3、第n-1充放电控制器CRn-1、第n充放电控制器CRn分别调节第一储能单元EU1、第二储能单元EU2、第三储能单元EU3、第n-1储能单元EUn-1、第n储能单元EUn的充放电电流的大小。在系统的三相输出端可得到多电平输出电压u_UV、u_VW、u_WU，经过滤波器4可获得期望幅值和频率的三相交流电为本地负载5供电，通过静态开关6可将多余的电能输送给外网7，并且还可通过静态开关6从外网7获取缺损的电能。

本发明的系统具有并网与孤岛两种运行模式。当外电网7正常运行时，此系统通过静态开关6与外电网7相连，即微电网处于并网运行模式，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，微电网通过静态开关6脱离外电网7，此时，微电网处于孤岛运行模式，并且为负载5提供电能支持。

如图2所示，本发明是一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，由三个子系统1、2、3、滤波器4、负载5、静态开关6组成。其特征在于，具有并网与孤岛两种运行模式。当外电网7正常运行时，此系统通过静态开关6与外电网7相连，即微电网处于并网运行模式，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，微电网通过静态开关6脱离外电网7，此时，微电网处于孤岛运行模式，并且为负载5提供电能支持。

微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统的运行特性主要包括两个方面的含义：一方面是在并网运行时，微电网与外部电网的相互作用。在并网模式下，控制的目的是通过对微源的合理调度，协调微电网和外网之间的关系，达到合理化利用微电网内部的资源设备；另一方面是微电网自身的运行特性，这主要在微电网独立运行时体现。在孤岛运行模式下，通过对微源出力、负荷需求、储能系统的充放电等的控制，确保微电网内发电功率与负荷需求的实时功率平衡，防止储能的过充与过放，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，保证微电网的长期稳定运行。

采用适用于此系统的控制策略和调制方法可得到多电平三相输出电压。此系统中三个子系统对称。如图3所示，以五微源的第一子系统1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：第一子系统1主要由第1发电模块8、第2发电模块9、第3发电模块10、第4发电模块11、第5发电模块12串联而成；发电模块中第一风力微源13、第二风力微源14、第三光伏微源15、第四光伏微源16、第五光伏微源17经过AC-DC整流电路或DC-DC直流变换电路后并联至第一微源半桥变流器23、第二微源半桥变流器24、第三微源半桥变流器25、第四微源半桥变流器26、第五微源半桥变流器27的直流侧；微源直流链两端分别连接第一储能装置18、第二储能装置19、第三储能装置20、第四储能装置21、第五储能装置22；各储能装置HESS内部的第一充放电控制器CR1、第二充放电控制器CR2、第三充放电控制器CR3、第四充放电控制器CR4、第五充放电控制器CR5分别调节第一储能单元EU1、第二储能单元EU2、第三储能单元EU3、第四储能单元EU4、第五储能单元EU5的充放电电流的大小。储能装置可以抑制随天气条件变化引起的直流涟电压的波动。本系统中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超级电容，能量型储能单元主要为蓄电池。

系统中半桥变流器(Half-bridge Converter，HC)的输出电压有两个电平，分别为0和U_C。HC在实际工作时的输出电压具体如表1所示。其中u_Hi为微源半桥变流器(HC)的输出电压，“0”表示功率开关管关断，“1”表示功率开关管开通。

在实际的控制过程中，根据功率开关管V1(VD1)、V2(VD2)处于不同的开关状态，HC主要有两种工作状态。并且功率开关管状态互补，即V1(VD1)＝1、V2(VD2)＝0时，HC处于投入状态；V1(VD1)＝0、V2(VD2)＝1时，HC处于切除状态。为了保证此三相系统输出交流电压稳定，各子系统中发电模块间的能量协调是需要解决的关键问题之一。将微源最大输出功率作为能量协调的首要因素，以“能者多劳”的原则，根据负荷所需功率及各子系统中发电模块的出力能力自动地调节各微源的输出功率。通过适应于此系统的控制策略和调制方法改变HC的投入个数n，可以实现期望的三相交流输出电压与频率。以第一子系统U为例，u_Hi为HC的输出电压，n_U表示第一子系统U中投入的发电模块数，则第一子系统U的输出电压为：

若子系统中各发电子模块的微源直流侧电压相等时，则公式一可以写成：

u_UO＝n_Uu_C (公式二)

同理，可以得到V、W子系统输出电压u_VO、u_WO分别为：

u_VO＝n_Vu_C (公式三)

u_WO＝n_Wu_C (公式四)

根据公式二、公式三、公式四中U、V、W三个子系统的输出电压u_UO、u_VO、u_WO可以得到本系统线电压u_UV、u_VW、u_WU公式，其为：

微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统采用方波调制时子系统中每个微源半桥变流器的触发脉冲的周期为T＝0.02s。5个微源半桥变流器的触发脉冲相位依次相差T/2n(n＝5)，三个子系统之间的相位差为120度。如图4所示的波形为采用方波调制时5微源系统的输出电压u_UO、u_VO、u_UV波形原理图。其中u_C为微源半桥变流器直流侧电压；u_UO为第一子系统1的输出电压；u_VO为第二子系统2的输出电压；u_UV为系统输出线电压。

载波层叠调制技术是通过调制波与载波的比较可得到5路触发脉冲，将此5路触发脉冲发送给子系统中5个微源半桥变流器作为其开关管的触发信号，可得到5微源子系统输出电压波形，如图5所示。根据载波层叠调制原理，可以得到如图6所示的u_UO、u_VO、u_UV输出电压波形图。

同理，若每个子系统中有n个发电模块，即有n个微源半桥变流器，n个具有相同频率和幅值的载波与调制相比较得到相应的驱动脉冲，则在输出端可以得到n+1电平的电压。三个子系统结构相同，调制原理相同，只是相位相差120度。系统中发电模块的数量n可根据电压等级估算，若电压等级处于中低压(380V～10kV)时，可以估算出n的取值范围为：2≤n≤35。

微源半桥变流器串联的星型三相微电网具有高度模块化、控制灵活、易扩展、冗余性较好等优点。长期运行情况下，功率模块故障是不可避免的，为避免其影响系统的正常运行，需要配置冗余模块。针对冗余子模块数量，配置越多，系统可靠性越高，但成本也越高，且冗余子模块利用率较低，不经济；配置越少，成本较低，但是系统的可靠性得不到保障。因此，合理、有效地配置冗余子模块数量十分重要。利用冗余运行特性可以改善系统故障运行时的输出波形，提高其故障穿越能力，有利于系统的稳定可靠运行。故可以根据发电模块的利用率、系统的经济性、可靠性确定冗余发电模块的数量。本系统中，在系统正常工作时，所有串联的微源半桥变流器(包括冗余的微源半桥变流器)均参与工作，若某一微源发生故障时，可通过控制微源半桥变流器使故障微源停止工作，无需停机将故障微源切除，此时剩余的微源半桥变流器都可以正常工作，系统仍处于正常运行状态。

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的数量，进一步提高系统的可靠性。若发生故障的微源数大于冗余的微源数时，发生故障的子系统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故障发电模块带来的不对称情况。

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。

Claims

1.一种微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，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、负荷、变压器，其特征在于，包括第一子系统(1)、第二子系统(2)、第三子系统(3)，每个子系统均由n个发电模块，2≤n≤35，串联而成，各子系统通过星型方式组合搭建成三相微电网系统；具有并网与孤岛两种运行模式；系统输出端经过滤波器(4)并通过静态开关(6)连接外电网(7)，本地负载(5)连接在系统输出交流母线上。

2.根据权利要求1所述的微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，其特征在于，第一子系统(1)、第二子系统(2)、第三子系统(3)均由第1发电模块(8)、第2发电模块(9)、第3发电模块(10)、第n-1发电模块(11)、第n发电模块(12)串联而成；各发电模块中第一微源(13)、第二微源(14)、第三微源(15)、第n-1微源(16)、第n微源(17)经过AC-DC整流电路或DC-DC直流变换电路后分别并联至第一微源半桥变流器(23)、第二微源半桥变流器(24)、第三微源半桥变流器(25)、第n-1微源半桥变流器(26)、第n微源半桥变流器(27)的直流侧；并且各微源直流链两端分别并联连接第一储能装置(18)、第二储能装置(19)、第三储能装置(20)、第n-1储能装置(21)、第n储能装置(22)。

3.根据权利要求1所述的微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，其特征在于，第一储能装置(18)、第二储能装置(19)、第三储能装置(20)、第n-1储能装置(21)、第n储能装置(22)内部的第一充放电控制器(CR1)、第二充放电控制器(CR2)、第三充放电控制器(CR3)、第n-1充放电控制器(CRn-1)、第n充放电控制器(CRn)分别调节第一储能单元(EU1)、第二储能单元(EU2)、第三储能单元(EU3)、第n-1储能单元(EUn-1)、第n储能单元(EUn)的充放电电流的大小。

4.根据权利要求1所述的微源半桥变流器串联的星型三相微电网系统，其特征在于，第一子系统(1)由第1发电模块(8)、第2发电模块(9)、第3发电模块(10)、第4发电模块(11)、第5发电模块(12)串联而成；发电模块中第一风力微源(13)、第二风力微源(14)、第三光伏微源(15)、第四光伏微源(16)、第五光伏微源(17)经过AC-DC整流电路或DC-DC直流变换电路后并联至第一微源半桥变流器(23)、第二微源半桥变流器(24)、第三微源半桥变流器(25)、第四微源半桥变流器(26)、第五微源半桥变流器(27)的直流侧；微源直流链两端分别连接第一储能装置(18)、第二储能装置(19)、第三储能装置(20)、第四储能装置(21)、第五储能装置(22)；各储能装置HESS内部的第一充放电控制器(CR1)、第二充放电控制器(CR2)、第三充放电控制器(CR3)、第四充放电控制器(CR4)、第五充放电控制器(CR5)分别调节第一储能单元(EU1)、第二储能单元(EU2)、第三储能单元(EU3)、第四储能单元(EU4)、第五储能单元(EU5)的充放电电流的大小。