CN203071836U - 一种混合微电网系统及其交直流耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合微电网系统及其交直流耦合器，该交直流耦合器包括：控制模块，其产生并发送与判定的工作模式对应的控制信号；主电路，其根据来自所述控制模块的控制信号来实现直流电能和交流电能之间的双向流动和/或电能质量控制。本实用新型的交直流耦合器，实现不同的三种功能，大大提高了混合微电网系统的灵活性和可靠性。该耦合器能够工作在管理电能质量和交直流双向交换能量的状态，实现系统交直流总线的能量枢纽和电能质量控制。

Description

一种混合微电网系统及其交直流耦合器

技术领域

本实用新型涉及微电网技术领域，尤其涉及一种混合微电网系统及其交直流耦合器。

背景技术

微电网是充分发挥分布式电源优势，协调大电网与分布式电源间矛盾，实现自我控制、保护和管理的自治系统。由于其既可以独立运行，降低局部区域对大电网的依赖性，又能够通过并网为大电网提供电压支持、减少拥堵现象，微电网成为大电网的有力补充，被认为是未来供电系统的发展趋势之一。

微电网包括交流（简称AC）微电网、直流（简称DC）微电网和交直流混合微电网。交直流混合微电网一方面能够发挥AC微电网和DC微电网各自的优势，另一方面可充分利用交直流微网的互补作用，提高微电网的效率、电能质量和可靠性。

然而，混合微电网，由于将AC总线和DC总线集成到一个综合系统中，如何实现交直流总线之间的控制和协调，是微电网领域的技术难题。

目前，交直流总线之间的控制和协调是通过电压型逆变器实现的。当直流微源的输出总功率大于直流负载所需总功率，逆变器工作在逆变模式，将直流总线上的电能转换为交流电并输送到交流总线上；当直流微源的输出总功率小于直流负载所需总功率时，逆变器工作在整流模式，从交流总线向直流总线输送直流电能；当系统输出总功率大于负载总功率，逆变器工作在逆变模式，向电网输送电能。但是，这种情况下，直流母线电压很高，降低了系统的安全性。另外，现有逆变器不具有谐波抑制功能，无法控制交流母线的电能质量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题之一是需要提供一种交、直流微网的能量互为备用，并且在满足能量合理分配的前提下控制交流总线电能质量的混合微电网系统及其交直流耦合器。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种交直流耦合器，包括：控制模块，其产生并发送与判定的工作模式对应的控制信号；主电路，其根据来自所述控制模块的控制信号来实现直流电能和交流电能之间的双向流动和/或电能质量控制。

本实用新型提供的交直流耦合器，优选地，所述主电路包括电压型变流器和交错式双向DC/DC变换器，其中所述电压型变流器，包括由六个双向开关组成的三相桥式逆变电路和一个输出滤波器，所述输出滤波器的一端与所述三相桥式逆变电路的桥臂输出端连接，另一端与交流微电网的三相交流总线连接；所述交错式双向DC/DC变换器，包括两个并联的双向Boost-Buck电路、一个滤波电容和一个直流侧电容，所述直流侧电容与所述电压型变流器的直流侧连接。

本实用新型提供的交直流耦合器，优选地，所述输出滤波器为由两个电感、一个电容和一个电阻组成的单相LCL滤波电路。

本实用新型提供的交直流耦合器，优选地，所述交直流耦合器的工作模式包括实现交流电能向直流电能的转换的第一关键模式和实现直流电能向交流电能的转换的第二关键模式，其中，

在所述交直流耦合器实现交流电能向直流电能的转换时，所述电压型变流器将交流总线的交流电能整流为直流电输出到所述直流侧电容，再通过所述交错式双向DC/DC变换器将直流电传递给直流微电网，或者，

在所述交直流耦合器实现直流电能向交流电能的转换时，所述电压型变流器接收所述交错式双向DC/DC变换器输出的直流电压，并对接收到的直流电压进行逆变，输出与交流总线一致的三相对称交流电。

本实用新型提供的交直流耦合器，优选地，所述交直流耦合器的工作模式还包括实现电能质量控制的附加模式，在所述控制模块产生与附加模式对应的控制信号时，所述控制模块通过对检测到的所述交流总线的负载电流进行谐波计算得到指令电流信号；所述电压型变流器输出与所述指令电流信号相等的补偿电流至所述交流总线，其中，所述指令电流信号包含有功电流信号。

本实用新型提供的交直流耦合器，优选地，所述控制模块采用PI控制器对所述交直流耦合器进行控制。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种混合微电网系统，包括直流微电网、交流微电网、能量管理系统和如上所述的交直流耦合器，其中，所述能量管理系统，其通过检测所述直流微电网中的直流电能和所述交流微电网中的交流电能，来判定所述交直流耦合器的工作模式。

本实用新型提供的混合微电网系统，优选地，还包括：微电网接口单元，其使所述混合微电网系统通过公共耦合点与公用配电系统直接相连。

本实用新型提供的混合微电网系统，优选地，所述直流微电网包括可再生电源、储能装置、直流负载和直流总线；所述交流微电网包括非可再生电源和交流负载。

与现有技术相比，本实用新型的一个或多个实施例可以具有如下优点：

相比传统的混合微电网系统，本新型改变了传统的交直流耦合器的拓扑结构，例如，新增了交错式双向DC/DC变换器不仅能完成直流总线与交流总线之间能量交换的基本功能，还可以降低直流母线的电压值，并能够降低直流微电源的电压泵升比值，提高直流接口设备的性能和效率，降低直流接口设备的绝缘设计难度。

另外，本实用新型中的交直流耦合器，通过其内部的电压型变流器对交流母线的电能质量进行控制，无需额外配置电能质量控制设备，从而不仅节约了设备投资成本，而且简化了协调和控制策略。

而且，交直流耦合器使得交流微电网和直流微电网互为备用储能，有效降低蓄电池等长时储能装置的容量配置，避免了对超级电容等短时储能装置的需求。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例的混合微电网系统的拓扑结构图；

图2为本实用新型实施例的交直流耦合器中主电路21的拓扑结构示意图；

图3为本实用新型实施例的电压型变流器211的拓扑结构示意图；

图4为本实用新型实施例的电压型变流器211的单相LCL滤波电路结构示意图；

图5为本实用新型实施例的交错式双向DC/DC变换器212的拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

图1为本实用新型实施例的混合微电网系统的拓扑结构图。

如图1所示，该混合微电网系统包括第一级直流微电网（简称DC微电网）、第二级交直微电网（简称AC微电网）、第三级微电网与公网接口单元（简称微电网接口单元）以及能量管理系统10（Energy Management System，简称EMS）。交直流耦合器将第一级和第二级联系起来，实现两级之间的能量交换，并能对第一级的电能质量进行管理。这样，整个混合微网系统成为一个联系的整体。

其中，DC微电网包括软微源（例如光伏发电子系统、风力发电子系统）、储能装置（例如蓄电池储能及其充放电DC/DC装置）、直流负载（例如直流电机、变频类交流负载等）和直流总线。AC微电网包括硬微源（例如柴油发电机、微型燃气轮机等）、交直流耦合器20和交流负载等。微电网接口单元，其通过调度、优化和保护系统（公共电网接口装置如智能断路器等），使微电网通过公共耦合点与公用配电系统直接相连。

在本实施例中，受自然条件影响大、随机性强的可再生能源微电源记为软微源；将受环境影响较小的微电源记为硬微源。对电能质量要求高、对供电可靠性要求高的记为关键负载，其余负载为一般负载。

本实施例中的混合微电网，由于将风能、太阳能等可再生能源微电源集中于直流母线，对应接口装置无需同步和无功功率控制等问题，使得可再生电源的控制更加简单、可靠；蓄电池及其控制电路构成储能装置，能够平滑可再生电源的长时间尺度功率波动，有效抑制可再生电源的波动性对系统的影响；燃料电池、微型燃气轮机和柴油发电机等不可再生微电源集中于交流母线，由于这类微电源的输出功率平稳，交流母线不需要设置储能单元。

混合微电网的能量管理系统10，通过检测直流微电网中的直流电能和交流微电网中的交流电能，来确定交直流耦合器20的工作模式，并发送关于工作模式的指令至交直流耦合器20中；交直流耦合器20，其解析指令并产生与工作模式对应的控制信号，来实现直流电能和交流电能之间的双向流动和/或电能质量控制。

而且，能量管理系统10通过采集直流总线上的电压值，交流总线上的电压幅值和频率，判断其各自是否稳定在额定值。另外，能量管理系统10也实时监测各微源是否工作在最大功率状态。能量管理系统10通过采集这些必要的信息，确定交直流耦合器的工作模式和工作状态，并发出相应的指令信号，驱动系统工作于相应的模式。

交直流耦合器20包括主电路21和控制模块，其主要实现：（1）交直流总线的能量枢纽；（2）补偿直流电网中软微源的短时功率波动；（3）控制交流微电网的电能质量。通过其对有功功率、无功功率、谐波和闪变等的控制功能，可以提高混合微电网的效率，改善电能质量，增强系统鲁棒性。

图2是根据本实用新型实施例的交直流耦合器的主电路21的拓扑结构示意图。

具体地，主电路21包括电压型变流器211（以下有时可称为变流器）和交错式双向DC/DC变换器212。其中，交错式双向DC/DC变换器212通过其自身的直流侧电容C与电压型变流器211连接。

电压型变流器211能够实现能量的双向流动。

具体地，当电能需要从直流总线向交流总线流动时，其接受交错式双向DC/DC变换器212输出的直流电压，并对接收到的直流电压进行逆变，输出与交流总线一致的三相对称交流电。

反之，当电能需要从交流总线向直流总线流动时，电压型变流器211将交流总线的交流电整流为直流电输出到直流电容C，再通过交错式双向DC/DC变换器212将能量传递给直流微电网。

电压型变流器211还相当于有源电力滤波器的主电路，能够输出谐波电流，改善电网电能质量。具体地，当微网系统中不需要进行能量流动时，交直流耦合器20可以对交流总线的电能质量进行改善，此时电压型变流器211加上中间直流电容C就相当于有源电力滤波中的主电路，对其进行相应的控制，可以实现对交流总线的谐波补偿功能。

图3是根据本实用新型实施例的电压型变流器211的拓扑结构示意图，下面参考图3来详细说明其结构组成。

如图3所示，电压型变流器211包括由六个双向开关（也称为功率开关）组成的三相桥式逆变电路和一个输出滤波器（如图4所示）。其中，6个功率开关分别记为SWa、SWb、SWc、SWd、SWe和SWf。该电压型变流器211的直流侧连接至交错式双向DC/DC变换器212的直流侧电容C。由于功率开关的开关频率附近的高次谐波需要输出滤波器来滤除，因此输出滤波器一方面滤除高次谐波，另一方面还要保证具有较强的瞬时电流跟踪能力。输出滤波器为一个由两个电感L₃和L₄、一个电容C₂和一个电阻R₁组成的单相LCL滤波电路。输出滤波器一端接变流器211的三相桥式逆变电路的桥臂输出端，另一端接三相交流总线AL。

交错式双向DC/DC变换器212也是实现能量双向流动的重要结构。需要说明的是，交错式双向DC/DC变换器212不仅能完成直流总线与交流总线之间能量交换的基本功能，还可以降低直流母线的电压值，并能够降低直流微电源的电压泵升比值，提高直流接口设备的性能和效率，降低直流接口设备的绝缘设计难度。

交错式双向DC/DC变换器212，其实现直流电压的双向流动。当交直流耦合器20需要将直流总线的电能输送到交流总线时，双向交错式DC/DC变换器212接收直流总线的直流电压，将该直流电压进行升压，升压到控制所需要的给定值，输出给直流电容C。反之，当交直流耦合器20需要将交流总线的电能输送到直流总线时，双向交错式DC/DC变换器212接收直流电容C的电压，并将其降压到与直流总线一致的直流电压。

如图5所示，交错式双向DC/DC变换器212包括四个功率开关SW1、SW2、SW3、SW4、两个储能电感L1、L2、一个滤波电容C1和直流侧电容C构成。直流侧电容C的一端与交错式双向DC/DC变换器212的功率开关SW1、SW2连接，另一端与变流器211连接。一个电感和两个双向开关组成一个双向Boost-Buck电路，该交错式DC/DC变换器212由两个双向Boost-Buck电路并联组成。直流侧电容C足够大，可以视为恒定的直流电压源。

其中，两个双向开关SW1、SW2和L2构成一个双向DC/DC电路，同理，SW3、SW4和L1构成另一个双向DC/DC电路。在电能流动方向为直流侧电容C流向直流总线DL时，电路为Buck电路，即SW1相当于可控开关，SW2相当于续流二极管；SW3相当于可控开关，SW4相当于续流二极管。电能流动方向为直流总线DL流向直流侧电容C时，电路为Boost电路，此时，SW1相当于二极管，SW2相当于可控开关；SW3相当于二极管，SW4相当于可控开关。

EMS10通过以下方式来初次判定交直流耦合器20的工作模式：

若检测到交流总线能量有余，而直流总线能量不足时，则初次判定交直流耦合器20工作在第一关键模式；若检测到交流总线能量不足，而直流总线能量有余时，则初次判定交直流耦合器20工作在第二关键模式；若检测到交流总线能量充足，直流总线能量也充足时，则初次判定交直流耦合器20工作在附加模式；若检测到直流侧能量不足，交流侧能量也不足时，由于混合微网中的敏感负荷是连接在直流总线上的，所以这种情况时，需要交直流耦合器20切断交流侧的负载，并将交流侧的能量传送到直流侧，优先保证直流侧的负载正常工作，所以此时，判定交直流耦合器20仍然工作在第一关键模式。

对于直流总线而言，在直流总线侧所有的微源向直流总线提供的总功率小于直流总线上接的所有负载消耗的总功率时，直流总线的电压将低于额定值，表明此时直流侧能量不足；当直流总线侧所有微源提供的总功率大于等于直流侧负载消耗的总功率时，直流总线电压稳定在额定电压，并且微源没有工作在最大功率输出时，表明这时直流总线侧能量有余。

对于交流总线而言，在交流总线侧所有的微源向交线总线提供的总功率为小于交流总线上接的所有负载消耗的总功率时，交流总线的电压幅值和频率都将减小，表明此时交流侧电能不足；当交流总线侧所有的微源向交流总线提供的总功率等于交流总线侧所有负载消耗的总功率时，交流总线的电压幅值和频率稳定在额定值，并且微源没有工作在最大输出功率时，表明此时交流总线侧能量有余。

需要说明的是，3种工作模式可以独立运行在3种工作状态，即在不同的工作状态交直流耦合器只独立完成1种功能。

另外，关键工作模式还可以分别与附加工作模式共同运行于组合工作状态。也就是说，第一关键模式可以和附加模式同时工作，共同完成交流总线补偿直流总线和对交流总线进行电能质量管理的功能，称这种工作状态为第一组合模式；第二关键模式可以和附加模式同时工作，共同完成直流总线补偿交流总线和对交流总线进行电能质量管理的功能，称这种工作状态为第二组合模式。这样，该交直流耦合器实际上是有3种工作模式，5种工作状态。而工作状态的确定完全由EMS10完成。

具体地，当EMS10初次判定耦合器20工作在第一关键模式/第二关键模式之后，能量管理系统10并不马上发出指令信号，而是进行二次判断，即EMS10继续检测电压型变流器211的网侧电流来进一步判定其是否可以继续增加附加模式，具体地如下所述。

当EMS10检测到变流器211交流侧的输出电流基波电流有效值在1s内都高于耦合器20额定电流的80%时，去掉电能控制的功能，进入独立的第一关键模式/第二关键模式，并产生与第一关键模式/第二关键模式对应的控制信号，输出给交直流耦合器20。当检测到变流器211交流侧的输出电流基波电流有效值在1s内都低于耦合器20额定电流的50%时，增加电能质量控制的功能，进入第一组合模式/第二组合模式，并产生与第一组合模式/第二组合模式对应的控制信号，输出给交直流耦合器20。

需要说明的是，当进入组合模式时，并不能不受限制的补偿谐波电流，即当需要补偿的谐波电流很大，或者交直流总线间的能量交换已经占了额定功率的大部分时，只能实现谐波电流的部分补偿。补偿谐波电流由下式确定：

${\mathrm{ci}}_{\mathrm{Lh}}=\sqrt{I_n^2-i_f^2}$

其中，i_Lh为谐波指令电流，

i_f为变流器211交流侧电流有效值，

I_n为耦合器20的额定电流有效值；

c为谐波电流的补偿系数，并且有如下取值：

当0≤c≤1时，c＝c；当c≥1时，c＝1。

能量管理系统10对耦合器20的工作状态进行判定后，输出相应的指令信号到控制模块，控制模块解析指令信号，并作出反应，进入相应的控制状态。下面，对耦合器20如何实现各个工作模式来进行说明。

（1）第一关键模式

耦合器20将交流总线上的电能变换为直流电并输送到直流总线上。具体地，交流总线上的三相对称电压做为变流器211的输入，控制模块采用电压、电流双闭环的PI控制器控制变流器211输出到直流侧电容C的电压恒定为700v（根据控制理论得出）。然后，直流侧电容C的恒定电压做为双向交错式DC/DC变换器212的输入。此时，交错式双向DC/DC变换器212以两个并联的Buck电路工作。采用电压、电流双闭环的PI控制器控制双向交错式DC/DC变换器211输出与直流总线一致的直流电压（本实施实例中为240V）。

（2）第二关键模式

直流总线上的恒定直流电压（240v）作为双向交错式DC/DC变换器212的输入，此时，交错式双向DC/DC变换器212以两个并联的Boost电路工作。控制模块采用电压、电流双闭环的PI控制器控制变换器212输出到直流侧电容C的电压恒定为700v(根据控制理论得出)。然后，直流侧电容C的恒定电压做为变流器211的输入。采用电压、电流双闭环的PI控制器控制变流器210输出与交流总线一致的三相对称交流电压。

（3）附加模式

控制模块实时检测交流母线AL的电能质量，实现谐波抑制、无功补偿和平衡三相负载等电能质量控制功能。

控制模块控制双向交错式DC/DC变换器212与直流侧电容C断开，在此功能中变换器212不接入耦合器20主电路。

控制模块先检测交流总线的负载电流，然后利用三相无功理论中id-iq法对负载电流进行谐波计算，得出需要补偿的谐波电流指令信号，另外，为保证直流侧电压稳定在参考值，变流器211需要与交流总线交换有功能量，所以谐波电流指令信号中必须包含有功电流信息，由此得到最终的谐波电流指令信号。根据该指令信号对变流器211主电路进行电流闭环PI控制，控制其输出与指令信号等大的谐波电流。

（4）第一组合模式/第二组合模式。

在第一组合模式/第二组合模式，耦合器20的控制方法就是附加模式和第一关键模式/第二组合模式的控制叠加，在此不再赘述。

这样在实现交流总线补偿直流总线/直流总线补偿交流总线的功能的同时，还能实现对交流侧的电能质量控制。

本实用新型实施例的耦合器20工作在不同状态，变流器211的输出及能量流动方向也随之改变。变流器211作为逆变器输出谐波补偿电流时，耦合器20实现电能质量管理功能；变流器211作为逆变器输出与交流总线一致的三相交流电时，耦合器20实现由直流总线向交流总线输出电能的功能；变流器211作为整流器输出直流电压时，耦合器20实现由交流总线向直流总线输出电能的功能。

本实用新型实施例中的交直流耦合器，实现不同的三种功能，大大提高了混合微电网的灵活性和可靠性。该耦合器能够工作在管理电能质量和交直流双向交换能量的状态，实现系统交直流总线的能量枢纽和电能质量控制。并且该交直流耦合器的投入能保证整个混合微网的稳定运行，并提高整个系统的电能利用效率。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种交直流耦合器，其特征在于，包括： 

控制模块，其产生并发送与判定的工作模式对应的控制信号； 

主电路，其根据来自所述控制模块的控制信号来实现直流电能和交流电能之间的双向流动和/或电能质量控制，所述主电路包括电压型变流器和交错式双向DC/DC变换器，其中 

所述电压型变流器，包括由六个双向开关组成的三相桥式逆变电路和一个输出滤波器，所述输出滤波器的一端与所述三相桥式逆变电路的桥臂输出端连接，另一端与交流微电网的三相交流总线连接； 

所述交错式双向DC/DC变换器，包括两个并联的双向Boost-Buck电路、一个滤波电容和一个直流侧电容，所述直流侧电容与所述电压型变流器的直流侧连接， 

所述交直流耦合器的工作模式包括实现交流电能向直流电能的转换的第一关键模式和实现直流电能向交流电能的转换的第二关键模式，其中， 

在所述交直流耦合器实现交流电能向直流电能的转换时，所述电压型变流器将交流总线的交流电能整流为直流电输出到所述直流侧电容，再通过所述交错式双向DC/DC变换器将直流电传递给直流微电网，或者， 

在所述交直流耦合器实现直流电能向交流电能的转换时，所述电压型变流器接收所述交错式双向DC/DC变换器输出的直流电压，并对接收到的直流电压进行逆变，输出与交流总线一致的三相对称交流电。 

2.根据权利要求1所述的交直流耦合器，其特征在于， 

所述输出滤波器为由两个电感、一个电容和一个电阻组成的单相LCL滤波电路。 

3.根据权利要求1所述的交直流耦合器，其特征在于，所述交直流耦 合器的工作模式还包括实现电能质量控制的附加模式， 

在所述控制模块产生与附加模式对应的控制信号时，所述控制模块通过对检测到的所述交流总线的负载电流进行谐波计算得到指令电流信号； 

所述电压型变流器输出与所述指令电流信号相等的补偿电流至所述交流总线，其中，所述指令电流信号包含有功电流信号。 

4.根据权利要求3所述的交直流耦合器，其特征在于， 

所述控制模块采用PI控制器对所述交直流耦合器进行控制。 

5.一种混合微电网系统，包括直流微电网、交流微电网、能量管理系统和如权利要求1至4中任一项所述的交直流耦合器，其中， 

所述能量管理系统，其通过检测所述直流微电网中的直流电能和所述交流微电网中的交流电能，来判定所述交直流耦合器的工作模式。 

6.根据权利要求5所述的混合微电网系统，其特征在于，还包括： 

微电网接口单元，其使所述混合微电网系统通过公共耦合点与公用配电系统直接相连。 

7.根据权利要求5所述的混合微电网系统，其特征在于， 

所述直流微电网包括可再生电源、储能装置、直流负载和直流总线； 

所述交流微电网包括非可再生电源和交流负载。 

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