CN112803462A - 基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法 - Google Patents

基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，该方法利用储能变流器结构中的拓扑特点，在微电网由并网运行转孤网运行过程中，通过开关储能变流器相应开关管对静态转换开关施加反向电压，构成的2阶LC振荡电路促使静态转换开关电流提前过零，从而完成对静态转换开关的强制关断。利用储能变流器中固有的器件结构实现快速强制关断，不需要额外的晶闸管辅助关断电路，降低了关断系统的复杂程度、节约了系统成本。本发明方法不依赖于负载的功率因数和电网电压的跌落深度，也不需要根据电网电压、电流经过复杂的电量计算去控制逆变器的输出电压，本方法仅通过电网电压、电流方向情况控制固定的开关管，方法简单有效，可靠性高。

Description

基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法
技术领域
本发明涉及一种微电网控制技术，特别涉及一种基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法。
背景技术
随着社会的发展，传统的大电网供电方式与分布式能源网络供电出现了一定的差异，微电网已经逐渐成为分布式发电大规模普及应用的重要组织形式，微电网充分汲取分布式发电的优点，与大电网互为支撑，可以自发自用、余电上网，使用户不仅能得到不间断的可靠供电而且能为社会减少化石能源的消耗，改善环境的承载压力。微电网一个重要功能是并网和孤岛两种运行模式间的自由无缝切换。无缝切换是保证微电网内敏感负荷正常运行的前提,成为了微电网和新能源领域的研究热点之一。然而，若想实现微电网与大电网间的自由无缝切换，必须采用一种能快速接通和断开两者间联系的静态转换开关设备。利用半导体器件构成的电力电子设备可以在开通速度上满足要求。以晶闸管为代表的半控型器件构成的静态转换开关因其成本低、过载能力强、导通损耗小、耐冲击、器件工艺技术成熟等优点成为了目前微电网应用中的主要解决方案。
晶闸管应用于静态转换开关最大的难点是它作为半控型器件，一旦开通之后，驱动信号无法控制其关断，需要等到主回路电流过零才能可靠关断。因此在自然状态下，这种转换开关的关断延时时间最高可达半个工频周期，即10ms以上。在微电网应用下，通常以一台或者几台储能变流器作为孤网运行下的主电源。当电网掉电后，利用储能系统中的能量为负荷提供电压和频率的支撑。储能变流器会实时监测电网的电压是否有故障(非计划孤网)或者实时接收调度指令(计划孤网)，一旦启动孤网指令后，储能变流器会发送信号关断静态转换开关，待晶闸管完全可靠关断后再进行独立逆变孤网运行。可见，整个过程中晶闸管关断时间的长短决定了整个微电网由并网转孤网运行过程的切换时间，而自然条件下长达10ms以上的关断延时不利于微电网的无缝切换，可能造成重要负载的断电事故。
通常解决这个问题有两种方法：1)通过设计辅助电路，在关断时刻为晶闸管提供并联反向电压，强迫晶闸管关断，但这种方法需要提供额外的辅助关断电路，产品结构复杂，成本高；2)通过改变晶闸管主回路中的两端电压，为晶闸管利用其应用场合构造出一个反向强迫关断回路，从而进行强迫关断。例如在UPS或动态电压恢复器应用中，当负载原有的供电电源出现电压跌落故障时，起动与之并联的备用电源。由于故障电源与备用电源之间存在电压差，故障电源支路上的晶闸管因两端承受反压而强迫关断，负载能够迅速由故障电源切换至备用电源上，但这种方法受制于负载的功率因数、跌落深度等因素影响，控制复杂，强制关断时间也较长。
发明内容
为了提高变流器的静态转换切换速度，提出了一种基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法。
本发明的技术方案为：一种基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，静态转换开关导通，所有负载设备与电网相连，分布式电源微网与电网连接，系统工作在并网模式，电网给负载设备供电；静态转换开关，系统工作于孤网模式，仅分布式电源微网给负载设备供电；微网直流电压源经过储能变流器转换为交流电，再经过滤波后给负载设备供电；储能变流器包括每相两个开关管组成的上下桥臂、每个开关管上反并联的续流二极管、两组串联的直流侧储能电容、桥臂两个开关管连接点与直流侧储能电容中点的连接的钳位二极管以及每相交流滤波Lf，直流侧储能电容中点与储能变流器中的任意单相输出点之间接静态转换开关，封锁静态转换开关的触发脉冲后，储能变流器控制与静态转换开关连接的单相开关管状态，使得静态转换开关导通电流快速下降到其维持电流以下，从而强制关断静态转换开关。
优选的，所述储能变流器控制静态转换开关强制关断的控制方法如下：储能变流器的控制系统采集进行并孤网切换时刻的电网单相电压瞬时值Vs、直流侧储能电容瞬时值Udc，流过静态转换开关电流的瞬时值IA；计算得到最少关断时间toff，控制连接静态转换开关的单相开关管导通大于最少关断时间，使得静态转换开关导通电流快速下降到其维持电流以下，其中最少关断时间toff计算公式如下：
Figure BDA0002964354820000031
其中Lf为交流滤波电感值；C为直流侧储能电容值。
优选的，所述储能变流器的控制系统采集的电网单相电压瞬时值Vs处于正半周，电流从电网流向负载，封锁静态转换开关触发驱动信号后，控制储能变流器连接静态转换开关的单相上桥臂两个开关管导通，此时储能变流器直流侧电容电压Udc+经过上桥臂两个开关管，交流滤波电感Lf向负载放电，直至静态转换开关被强迫关断；如储能变流器的控制系统采集的电网单相电压瞬时值Vs处于负半周，则同理控制连接静态转换开关的单相下桥臂两个开关管导通，储能变流器直流侧电容电压Udc-经过下桥臂两个开关管，交流滤波电感Lf向负载放电，直至静态转换开关被强迫关断。
本发明的有益效果在于：本发明基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，在静态转换开关晶闸管门极触发脉冲消失后，可根据当前电网电压、电流的相位调节储能变流器各相上下桥臂开关管的开通使得晶闸管承受反压，利用储能逆变器自带的LC滤波振荡电路，使通过晶闸管的电流快速过零而关断，加快了静态转换开关的关断时间，起到了并孤网快速切换的效果，并且利用本发明所提出的强制关断方法，晶闸管的所需的最少关断时间精确可控，避免单一利用晶闸管电流为零的检测方法失效。本发明方法利用储能变流器中固有的器件结构实现快速强制关断，不需要额外的晶闸管辅助关断电路。降低了关断系统的复杂程度、节约了系统成本。同时，本发明所提出的方法不依赖于负载的功率因数和电网电压的跌落深度，也不需要根据电网电压、电流经过复杂的电量计算去控制逆变器的输出电压，本方法仅通过电网电压、电流方向情况控制固定的开关管，方法简单有效，可靠性高。
附图说明
图1为常见的微电网系统示意图；
图2为三电平储能变流器拓扑图；
图3为本发明方法在整个微网中应用的单相拓扑简图；
图4为本发明基于储能变流器的静态转换开关强制关断流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1是常见的微电网系统示意图，微网系统中包含储能系统、光伏系统、以及其他的分布式电源。正常并网工况时，静态转换开关STS导通，所有设备与大电网相连，系统工作在大电网的并网模式，负载供电由电网提供。当有需要使得微网系统工作于孤网模式时，微网控制器或储能变流器控制静态转换开关STS关断，断开微网与大电网的联系。此时电压源由储能变流器承担，支撑微网系统的电压和频率。
图2三电平储能变流器拓扑图，每相回路由四只开关管(Sa1-Sa4、Sb1-Sb4、Sc1-Sc4)、四只反并联的续流二极管、两个钳位二极管(Da5-Da6、Db5-Db6、Dc5-Dc6)、两组直流电容(C)和交流滤波(Lf)回路组成。每个功率管承受的电压是直流母线总电压的一半，低开关管的耐受电压可以允许提高开关管的工作频率，并且相对开关损耗小；相同的开关频率下，输出波形为三电平叠加，从而输出波形的谐波含量低；电容中点的引出可以为系统提供中线输出能力，能用于微网中单相负荷供电。
图3是基于中点钳位型三电平储能变流器在整个微网中应用的单相拓扑简图。从图中可以看到，正常并网运行时，控制STS导通，电网通过回路1向负载供电，此时的储能变流器工作在并网模式，以电流源模式运行，其根据电网调度需求从电网中吸取能量或释放能量。当电网出现故障或者人为控制孤网运行时，控制STS关断，待STS彻底关断后，由储能变流器作电压源模式运行，为负载建立起电压和频率(回路2)。为了使负载供电不受供电模式切换的影响，需要保证这个切换过程时间足够短。
本发明总的思路是：储能变流器直流侧储能电容C1、C2，在储能并网变流器正常并网运行时，直流侧储能电容C1、C2的电压Udc+、Udc-，一定要大于等于储能变流器电网交流侧相电压的峰值，利用这个直流电压，通过结合当前电网电压状态，通过一定逻辑控制储能变流器中的部分开关管的开通与关断情况，可以给STS施加反向电压，从而强制其关断。
具体措施为：以某相电网电压Vs处于正半周，电流从电网流向负载为例，封锁STS触发驱动信号后，控制储能变流器该相的功率开关管T1、T2导通，此时储能变流器直流侧储能电容C1经过功率开关管T1、功率开关管T2，交流滤波电感Lf向负载放电。这三者构成了一个典型的二阶LC振荡电路。电容电压初始值为Udc、电感电流初始值为零。当电感电流增至原STS中流过的电流时，即STS的电流下降到零，负载电流转移到储能变流器上，此时晶闸管STS被强迫关断。如电压Vs处于负半周，则同理使得下桥臂T3、T4导通，同样可实现晶闸管STS被强迫关断。
在此实例下，建立强制关断的数学模型。控制功率开关管T1、功率开关管T2导通，忽略晶闸管构成的STS的导通压降、忽略功率开关管T1、功率开关管T2管压降、忽略储能变流器交流滤波电容Cf的作用。列写图3中回路电压方程和初始条件：
Figure BDA0002964354820000051
式中，Lf为交流滤波电感；C1为直流侧储能电容；Vs为电网A相电压瞬时值；ia为流过交流滤波电感Lf的电流；udc+为直流电容电压瞬时值；Udc为直流电容电压初始值。由于要控制晶闸管在很短时间内关断，可以认为在关断过程中电网电压不变。
式(1)构成的二阶非齐次微分方程可得：
Figure BDA0002964354820000061
假设在关断时刻，流过STS中的电流为IA，当采用本发明所提出的方法，当滤波电感Lf上的电流达到IA时，也就是STS中的电流IA下降到零的时刻，此时晶闸管STS被强迫关断。整个过程中的关断时间toff可以计算为：
Figure BDA0002964354820000062
利用储能变流器的控制系统，采集需要进行并孤网切换时刻的电网电压瞬时值Vs、直流电容瞬时值Udc，流过晶闸管电流的瞬时值IA，以及利用本台储能变流器主回路的直流电容容值参数C1和滤波电感参数Lf。在控制系统中完成公式(3)的数学计算得到最少关断时间toff实际应用中考虑到控制器检测电参数的误差和流过晶闸管谐波电流的可能影响，实际使用中晶闸管的强制关断时间需要在最少关断时间基础上在增加一定的裕量即可。
具体实施过程中，需要特别指出的是：实现可靠强制关断的必要条件是负载电流不能太大，过大的负载电流会导致储能变流器的震荡回路无法提供相应的电流给STS换流，所以无法强制关断STS。这在实际应用中可以理解为当负载过大时，微电网由并网模式切换至孤网模式时，如果负载过大，必然会导致储能逆变器过流保护，所以这时无法实现强制关断也是正常的，这就需要微网能量管理系统的控制器在并网转孤网运行模式前提前对负荷功率进行评估。
强制关断技术的策略在于在封锁晶闸管的触发脉冲后，控制储能变流器的各相开关管，并维持一定的时间直至晶闸管STS上的导通电流过零，从而强制关断静态转换开关，之后再控制储能变流器按照正常的电压源模式运行。整个过程的实际应用流程图如图4所示。
综上所述，实施本发明的强制关断技术具有以下有益效果：本发明在晶闸管门极触发脉冲消失后，利用储能变流器结构中的储能电容和滤波电感，通过一个二阶LC振荡电路实现对晶闸管施加反向电压，促使晶闸管电流提前过零，从而完成强制关断。本发明提出的强制关断算法可以根据关断时刻的电压电流情况，采用DSP、单片机等数字控制器，实时在线计算关断时间，将该理论关断时间应用于判断晶闸管是否可靠关断过程中，能够减少主回路电流谐波对是否可靠关断判断的影响，提高设备的可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，静态转换开关导通，所有负载设备与电网相连，分布式电源微网与电网连接，系统工作在并网模式，电网给负载设备供电；静态转换开关，系统工作于孤网模式，仅分布式电源微网给负载设备供电；微网直流电压源经过储能变流器转换为交流电，再经过滤波后给负载设备供电；储能变流器包括每相两个开关管组成的上下桥臂、每个开关管上反并联的续流二极管、两组串联的直流侧储能电容、桥臂两个开关管连接点与直流侧储能电容中点的连接的钳位二极管以及每相交流滤波Lf，其特征在于，直流侧储能电容中点与储能变流器中的任意单相输出点之间接静态转换开关，封锁静态转换开关的触发脉冲后，储能变流器控制与静态转换开关连接的单相开关管状态，使得静态转换开关导通电流快速下降到其维持电流以下，从而强制关断静态转换开关。
2.根据权利要求1所述基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，其特征在于，所述储能变流器控制静态转换开关强制关断的控制方法如下：储能变流器的控制系统采集进行并孤网切换时刻的电网单相电压瞬时值Vs、直流侧储能电容瞬时值Udc，流过静态转换开关电流的瞬时值IA；计算得到最少关断时间toff，控制连接静态转换开关的单相开关管导通大于最少关断时间，使得静态转换开关导通电流快速下降到其维持电流以下，其中最少关断时间toff计算公式如下：
Figure FDA0002964354810000011
其中Lf为交流滤波电感值；C为直流侧储能电容值。
3.根据根据权利要求2所述基于储能变流器的静态转换开关强制关断方法，其特征在于，所述储能变流器的控制系统采集的电网单相电压瞬时值Vs处于正半周，电流从电网流向负载，封锁静态转换开关触发驱动信号后，控制储能变流器连接静态转换开关的单相上桥臂两个开关管导通，此时储能变流器直流侧电容电压Udc+经过上桥臂两个开关管，交流滤波电感Lf向负载放电，直至静态转换开关被强迫关断；如储能变流器的控制系统采集的电网单相电压瞬时值Vs处于负半周，则同理控制连接静态转换开关的单相下桥臂两个开关管导通，储能变流器直流侧电容电压Udc-经过下桥臂两个开关管，交流滤波电感Lf向负载放电，直至静态转换开关被强迫关断。
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