CN205160090U - 具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置 - Google Patents

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贺翔
傅强
马建伟
赵景涛
陈晖�
王辉
荆骁睿
徐铭铭
孙芊
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国网河南省电力公司电力科学研究院
国电南瑞科技股份有限公司
国家电网公司
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Abstract

本实用新型公开了具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,包括为装置提供电源的电源插件,中央处理器插件;人机交互显示模块;开入开出插件;为实现采集交流输入信号的采样板插件;还包括有双向逆变电路、用于控制所述双向逆变电路工作状态的控制电路和用于采集所述双向逆变电路直流侧电信号和交流侧电信号的信号采集电路,所述中央处理器插件通过PWM驱动控制电路连接所述双向逆变电路。本实用新型集微电网并网点线路的保护功能、测量功能、遥控功能、远传功能、远跳功能、同期功能、电能质量监视功能及抄表功能为一体,解决了微电网并网点处设备冗余的不足,降低了新能源发电的投资成本,促进了新能源产业的进一步发展。

Description

具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及本实用新型设计微电网并网技术,尤其是具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置。
背景技术
[0002]微电网,是一种新型网络结构,是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行。微电网是相对传统大电网的一个概念,是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络,并通过静态开关关联至常规电网。因微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入,实现对负荷多种能源形式的高可靠供给,所以被认为是实现主动式配电网的一种有效方式,是传统电网向智能电网过渡。
[0003]微电网的发电单元多为风能、太阳能、水能、天然气、地热能、海洋能、生物质能等可再生能源,其发电具有间歇性和不稳定性。大量的微电网接入电网后将对电网稳定性造成一定的影响,因此需要对微电网并网点的电压、电流、有功、无功、功率因素等进行监测,并将相关电气量数据上送当地电力调度部门,电力调度部门通过远动系统遥控操作电网电路运行。但是现有微电网并网电路中需要众多的二次设备(如继电保护装置、测控装置、通信管理装置、远动装置、电能质量监测装置),但是由于没有专用的并网接口集中处理,导致二次设备各自需要独立布线,众多的二次设备进行独立布线,就导致安装困难,而且二次设备所需回路繁琐、复杂,设备投资费用大等问题。
[0004] 而且微电网要做到并网并得上,孤网稳得住,隔离足够快,无缝切换,真正实现微电网的即插即用,才能充分发挥其效益。由于微电网分布式发电电源普遍存在过载能力低、惯性小或无惯性的特点,以及微电网内负载存在突变等问题,容易造成微电网系统振荡甚至崩溃,严重制约着微电网的发展和应用。为了改善这种情况,目前的微电网结构中通常用储能设备来维持系统暂态的稳定,在必要时为微电网提供电压和频率支撑,但目前还没有仅以储能设备为控制对象的、能够满足微电网在各种运行模式下稳定运行要求的成熟解决办法。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,不仅实现并网点线路的保护、测量、遥控、并网点线路的同期功能、远传、远跳功能,还具有电能质量监视及远程抄表功能,而且解决了并网状态转孤网时的供电间断问题,为微电网在各种稳态和暂态运行提供保证。
[0006]本实用新型采用下述技术方案:
[0007]具有稳态不间断具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,包括如下几个插件:
[0008]为装置提供电源的电源插件:所述的电源插件包括外接48VDC输入的电源输入模块、对电流进行整流的整流模块、把外接48VDC输入转换为5VDC和24VDC装置工作电压DC/DC转换模块和电源输出模块;
[0009]为装置提供人机界面及后台通信功能,以及完成所有的测控算法和逻辑功能的中央处理器插件;所述的中央处理器插件包括CPU、DSP、图形输出入接口、USB接口、调试专用RS-232接口、串形通讯RS485接口、标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块;所述标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块分别与CUP和DSP相连接;
[0010]为显示监测对象和装置运行状态、接收人员输入信息和显示输出信息的人机交互显示模块;人机交互显示模块具体包括键盘鼠标单元、可触电屏显示单元;键盘鼠标单元连接到中央处理器插件输入端;可触电屏显示单元连接到中央处理器插件输出端;
[0011]为采集遥信量、输出控制指令、输出装置闭锁信号、告警信号的开入开出插件;开入开出插件具体包括开入模块、开出模块、光电隔离模块、输出阵列器、控制继电器和远传/远跳、状态指不输出申旲块;
[0012]为实现装置与上级调度控制系统或其他对本装置有需求的系统进行通信的远动插件;
[00Ί3] 为实现通过G00SE机制进行通读的G00SE通讯插件;所述的G00SE通讯插件与中央处理器插件相连;
[0014]为实现采集交流输入信号的采样板插件;具体包括电压采集模块、低通滤波及ADC、测试仪输入接口、状态指示输出等模块;测试仪的输入接口由ADC插件面板的48芯HARMIK接口引入;
[0015]还包括有双向逆变电路、用于控制所述双向逆变电路工作状态的控制电路和用于采集所述双向逆变电路直流侧电信号和交流侧电信号的信号采集电路,所述中央处理器插件通过PWM驱动控制电路连接所述双向逆变电路;
[0016]所述的电压采集模块通过低通滤波器和ADC模块分别连接CPU和DSP的输入端,所述CPU的输出端通过G00SE通讯插件分别与远程服务器进行通讯;CPU的输出端口连接控制继电器的输入端;所述的DSP的输入端连接开入模块的输出端,DSP的输出端连接开出模块的输出端,所述的开出模块采用输出阵列,所述输出阵列的输出端的一端连接控制继电器的输入端,另一端分别连接状态指示灯的输入端。
[0017]所述双向逆变电路包括依次电连接的直流主电路、三相桥式逆变电路、滤波电路、隔离变压器和交流主电路,所述PWM驱动控制电路连接所述三相桥式逆变电路。
[0018]所述控制电路还设有用于接收上级控制指令的通讯接口电路和用于输入输出开关量控制信号的开关量输入/输出接口电路,所述通讯接口电路和开关量输入/输出接口电路与所述微处理器双向通信连接。
[0019]在进行孤网/并网双模式相互切换时,先在当前运行模式下对另一种运行模式的电压、频率、相位、功率中的一种或多种进行跟踪矫正,达到要求后再切换到另一种运行模式。
[0020]若所述储能设备的S0C达不到最小设定的阈值要求,先采用恒定大电流对所述储能设备强制充电,当S0C达到设定阈值之后,再改用恒压小电流对所述储能设备充电。
[0021]所述的远动插件具有两路光纤通道,两路光纤通道为2M通道,单模FC接电源插件。
[0022]本实用新型集微电网并网点线路的保护功能、测量功能、遥控功能、远传功能、远跳功能、同期功能、电能质量监视功能及抄表功能为一体,解决了微电网并网点处设备冗余的不足,降低了新能源发电的投资成本,促进了新能源产业的进一步发展。
附图说明
[0023]图1为本实用新型的电路原理框图。
具体实施方式
[0024]如图1所示,下面结合附图对本实用新型的优选实施方式作进一步描述。应该理解,在这里描述的以下优选实施方式仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案,而不能以此来限制本实用新型的保护范围。本领域技术人员可以根据本实用新型的原理,对本实用新型做出各种修改、改进而不会脱离随附权利要求所限定保护范围。
[0025]具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,包括如下几个插件:
[0026]为装置提供电源的电源插件:所述的电源插件包括外接48VDC输入的电源输入模块、对电流进行整流的整流模块、把外接48VDC输入转换为5VDC和24VDC装置工作电压DC/DC转换模块和电源输出模块;
[0027]为装置提供人机界面及后台通信功能,以及完成所有的测控算法和逻辑功能的中央处理器插件;所述的中央处理器插件包括CPU、DSP、图形输出入接口、USB接口、调试专用RS-232接口、串形通讯RS485接口、标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块;所述标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块分别与CUP和DSP相连接;中央处理器插件,该插件是装置核心部分,由高性能的中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)组成,CPU实现装置的通用元件和人机界面及后台通信功能,DSP完成所有的测控算法和逻辑功能。装置采样率为每周波64点,在每个采样点对所有测控算法和逻辑进行并行实时计算,使得装置具有很高的精度和固有可靠性及安全性。本实用新型硬件配置上配备了:中央处理单元,其采用CPU和DSP联合处理技术,加快了采集和计算的数度和精度,使实现并网点多功能融合成为可能。
[0028]为显示监测对象和装置运行状态、接收人员输入信息和显示输出信息的人机交互显示模块;人机交互显示模块具体包括键盘鼠标单元、可触电屏显示单元;键盘鼠标单元连接到中央处理器插件输入端;可触电屏显示单元连接到中央处理器插件输出端;
[0029]为采集遥信量、输出控制指令、输出装置闭锁信号、告警信号的开入开出插件;开入开出插件具体包括开入模块、开出模块、光电隔离模块、输出阵列器、控制继电器和远传/远跳、状态指示输出等模块;本装置可以通过以下方式接收对时信号实现GPS对时:(1)无源的1PPS秒脉冲对时和1PPM分脉冲对时,经48V的光耦插件的“对时”开入接收;
[0030] (2)RS485差分信号的1PPS秒脉冲对时、1PPM分脉冲对时或IRIG-B码信号,经CPU板IRIG-B+JRIG-B -端子接入;B码对时基本配置为电B码,可选配为光口;
[0031]开关量采集:装置可采集站内一次设备状态,先对信号输入进行光电隔离变换,并经过硬件和软件滤波后进行定时采样处理。遥信量发生改变时,测控装置进行记录并打上时标,形成事件顺序记录(Sequence of Events,S0E)。
[0032]实现并网点线路的遥控功能,装置支持远方/就地把手输入,当装置进行后台或调度遥控时,必须使把手处于“远方”位置;当装置进行当地面板操作时,必须使把手处于“当地”位置。
[0033]为实现装置与上级调度控制系统或其他对本装置有需求的系统进行通信的远动插件;为实现通过G00SE机制进行通读的G00SE通讯插件;所述的G00SE通讯插件与中央处理器插件相连;
[0034]为实现采集交流输入信号的采样板插件;具体包括电压采集模块、低通滤波及ADC、测试仪输入接口、状态指示输出等模块;测试仪的输入接口由ADC插件面板的48芯HARMIK接口引入;所述的采样板插件无外部连线,与交流输入插件相连,其主要作用是:滤除高频信号、调整模拟信号电平、接入测试仪。由于CPU与DSP采样从有源元件开始就完全独立,因此保证了任一器件损坏不致于弓I起保护误动。
[0035]所述的电压采集模块通过低通滤波器和ADC模块分别连接CPU和DSP的输入端,所述CPU的输出端通过G00SE通讯插件分别与远程服务器进行通讯;CPU的输出端口连接控制继电器的输入端;所述的DSP的输入端连接开入模块的输出端,DSP的输出端连接开出模块的输出端,所述的开出模块采用输出阵列,所述输出阵列的输出端的一端连接控制继电器的输入端,另一端分别连接状态指示灯的输入端。
[0036]还包括有双向逆变电路、用于控制所述双向逆变电路工作状态的控制电路和用于采集所述双向逆变电路直流侧电信号和交流侧电信号的信号采集电路,所述中央处理器插件通过PWM驱动控制电路连接所述双向逆变电路。所述双向逆变电路包括依次电连接的直流主电路、三相桥式逆变电路、滤波电路、隔离变压器和交流主电路,所述PWM驱动控制电路连接所述三相桥式逆变电路。
[0037]所述双向逆变电路优选包括依次电连接的直流主电路、三相桥式逆变电路、滤波电路、隔离变压器和交流主电路,是所述微电网稳定控制器的能量流主通道。其中,所述三相桥式逆变电路是双向逆变电路的核心部分,其调制比就是所述双向逆变电路的调制比,其处于逆变还是整流状态,所述双向逆变电路就处于逆变或整流状态,所述三相桥式逆变电路可以是全桥电路也可以是半桥电路。其每个桥臂由一个IGBT模块和一个二极管反向并联组成,反向二极管和IGBT封装在一起,做成模块,反向二极管的作用是防止被高的反向电压击穿,起保护作用。所述IGBT模块可以是单个IGBT管,也可以是多个IGBT管组成的IGBT管组,IGBT管的开通和关断实现了能量的交直流变换和双向流动。所述三相桥式逆变电路采用风冷或水冷的散热方式,能够保证良好的散热,使该电路可靠地工作。
[0038]所述PWM驱动控制电路连接所述三相桥式逆变电路,具体是多路PWM输出分别接到各个IGBT模块的控制端。所述PWM驱动控制电路包括PWM模块和PWM驱动板,PWM模块是PWM信号发生器,pmi信号所携带的频率或占空比信息由DSP计算得出,pmi驱动板用于信号的放大,使由其输出的控制信号可以驱动大功率IGBT模块。所述PWM驱动控制电路优选采用专用驱动电路,可以使IGBT管开关在最优状态,还包括了完善的保护电路,如可以对IGBT模块的过流、驱动欠压、过温等异常状态进行检测,在检测到有异常时,给出故障信号,可靠地关断IGBT 管。
[0039]所述滤波电路的主要功能是将高频的的电压信号转换为谐波符合要求的正弦波,来满足并网相关标准的要求。所述隔离变压器的主要功能是实现隔离的功能,将微电网与公共电网隔离开,如微电网异常,不会对公共电网造成大的影响,此外还有升压的作用,可因此减少微电网储能设备的容量,降低成本。
[0040] 所述直流主电路设有直流断路器、预充电路、泄放电路、直流EMI滤波器、母线电容、吸收电容和直流侧熔断器,该电路的主要功能是实现对直流侧的开关、保护等。所述交流主电路部分主要由交流断路器、交流接触器组成,其主要功能是可控地断开公共电网,以及实现交流侧的保护。
[0041]所述信号采集电路主要实现对直流侧电压、电流和交流侧电压、电流信号的高精度检测及信号处理功能以及故障信号的检测功能,主要包括信号变换模块和信号调理模块。可以与采样插件集成设置,也可单独设置。
[0042]所述的远动插件具有两路光纤通道,两路光纤通道为2M通道,单模FC接电源插件。装置采用IEC61850通信标准,利用快速以太网特性,通过G00SE(面向对象变电站通用事件)实现保护之间信息交换和监控间隔联闭锁功能,与保护系统统一建模、统一组网,共享统一的信息平台,提高二次系统的安全性、可靠性;IEC61850的应用,节省了规约转换设备,取消了前置等中间通信环节,减少运行、检修、维护工作量,节省重复的二次设备以达到节省成本的目的。
[0043]本装置共有3个独立的以太网接口:第1个以太网口可以通过辅助软件用于测试和配置装置。也可配置支持DLT645-1997-102规约,实现电度表的抄表功能。第2个以太网接口可配置支持IEC 61850、IEC 60870-5-103规约,与监控后台通讯;也可以配置成自定义103规约,与储能系统进行通讯。第3个以太网接口可配置支持IEC 61850或IEC 60870-5-103规约。
[0044]装置具有“检修”功能,当对应一次设备或继电保护设备进行检修时可以使用,当装置处在以上描述的硬件配置基础上,通过本装置在实际使用过程中具有如下功能:
[0045]保护功能:两段式低频保护、两段式过频保护、两段式低压保护、两段式过压保护、失压保护、复压闭锁方向过流、零序过流保护、逆功率保护、PT断线告警、过负荷告警、CT断线告警、控制回路断线告警、远跳保护、三相一次重合闸。
[0046]实现并网点线路的交流量采集,输出线路的电压、电流、零序电压、零序电流、线电压有效值,并计算出每条线路的有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波等参量。
[0047]于检修状态时,屏蔽远方遥控命令,遥测量,遥信量置相应品质位。
[0048]同期功能:包括断路器同期合闸功能,支持断路器的差频合闸、差压合闸和无压合闸等功能,支持同期点两侧电压的幅值补偿和相角补偿功能。
[0049]装置具备同期辅助调节功能,有独立的通讯口与储能系统进行通讯,将同期点两侧的电压幅值、相位和频率送给储能系统,并在同期检查时输出硬接点信号控制储能系统的同期调节。
[0050]电能质量监视功能:可监视高达25次谐波,计算电压、线路电流0-25次谐波的含有率。三相电压、电流的总谐波畸变率。三相电流不平衡度、电压不平衡度监视。测量时间间隔为10个周波,正、负、零序电压和正、负、零序电流数据,进行连续的三相不平衡度指标测量。电压偏差的监视
[0051]还包括有双向逆变电路、用于控制所述双向逆变电路工作状态的控制电路和用于采集所述双向逆变电路直流侧电信号和交流侧电信号的信号采集电路,所述中央处理器插件通过PWM驱动控制电路连接所述双向逆变电路。所述双向逆变电路包括依次电连接的直流主电路、三相桥式逆变电路、滤波电路、隔离变压器和交流主电路,所述PWM驱动控制电路连接所述三相桥式逆变电路。
[0052]所述控制电路还设有用于接收上级控制指令的通讯接口电路和用于输入输出开关量控制信号的开关量输入/输出接口电路,所述通讯接口电路和开关量输入/输出接口电路与所述微处理器双向通信连接。
[0053]在进行孤网/并网双模式相互切换时,先在当前运行模式下对另一种运行模式的电压、频率、相位、功率中的一种或多种进行跟踪矫正,达到要求后再切换到另一种运行模式。
[0054]若所述储能设备的S0C达不到最小设定的阈值要求,先采用恒定大电流对所述储能设备强制充电,当S0C达到设定阈值之后,再改用恒压小电流对所述储能设备充电。
[0055]具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置是适用于光伏、风电等分布式新能源微电网系统的并网点处保护控制装置,同样适用于公路、电气化铁路、地铁、矿山、石化、冶金、港口、供水、环保、机房及其他工业自动化领域。

Claims (6)

1.具有稳态不间断具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:包括如下几个插件: 为装置提供电源的电源插件:所述的电源插件包括外接48VDC输入的电源输入模块、对电流进行整流的整流模块、把外接48VDC输入转换为5VDC和24VDC装置工作电压DC/DC转换模块和电源输出模块; 为装置提供人机界面及后台通信功能,以及完成所有的测控算法和逻辑功能的中央处理器插件;所述的中央处理器插件包括CPU、DSP、图形输出入接口、USB接口、调试专用RS-232接口、串形通讯RS485接口、标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块;所述标准时钟对时模块、状态指示输出模块、标准时钟对时模块和状态指示输出模块分别与CUP和DSP相连接; 为显示监测对象和装置运行状态、接收人员输入信息和显示输出信息的人机交互显示模块;人机交互显示模块具体包括键盘鼠标单元、可触电屏显示单元;键盘鼠标单元连接到中央处理器插件输入端;可触电屏显示单元连接到中央处理器插件输出端; 为采集遥信量、输出控制指令、输出装置闭锁信号、告警信号的开入开出插件;开入开出插件具体包括开入模块、开出模块、光电隔离模块、输出阵列器、控制继电器和远传/远跳、状态指示输出模块; 为实现装置与上级调度控制系统或其他对本装置有需求的系统进行通信的远动插件;为实现通过GOOSE机制进行通读的GOOSE通讯插件;所述的GOOSE通讯插件与中央处理器插件相连; 为实现采集交流输入信号的采样板插件;具体包括电压采集模块、低通滤波及ADC、测试仪输入接口、状态指示输出等模块;测试仪的输入接口由ADC插件面板的48芯HARMIK接口引入; 还包括有双向逆变电路、用于控制所述双向逆变电路工作状态的控制电路和用于采集所述双向逆变电路直流侧电信号和交流侧电信号的信号采集电路,所述中央处理器插件通过PWM驱动控制电路连接所述双向逆变电路; 所述的电压采集模块通过低通滤波器和ADC模块分别连接CPU和DSP的输入端,所述CPU的输出端通过GOOSE通讯插件分别与远程服务器进行通讯;CPU的输出端口连接控制继电器的输入端;所述的DSP的输入端连接开入模块的输出端,DSP的输出端连接开出模块的输出端,所述的开出模块采用输出阵列,所述输出阵列的输出端的一端连接控制继电器的输入端,另一端分别连接状态指示灯的输入端。
2.根据权利要求1所述的具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:所述双向逆变电路包括依次电连接的直流主电路、三相桥式逆变电路、滤波电路、隔离变压器和交流主电路,所述PWM驱动控制电路连接所述三相桥式逆变电路。
3.根据权利要求2所述的具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:所述控制电路还设有用于接收上级控制指令的通讯接口电路和用于输入输出开关量控制信号的开关量输入/输出接口电路,所述通讯接口电路和开关量输入/输出接口电路与所述微处理器双向通信连接。
4.根据权利要求3所述的具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:在进行孤网/并网双模式相互切换时,先在当前运行模式下对另一种运行模式的电压、频率、相位、功率中的一种或多种进行跟踪矫正,达到要求后再切换到另一种运行模式。
5.根据权利要求4所述的具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:若所述储能设备的SOC达不到最小设定的阈值要求,先采用恒定大电流对所述储能设备强制充电,当SOC达到设定阈值之后,再改用恒压小电流对所述储能设备充电。
6.根据权利要求5所述的具有稳态不间断微电网并网接口一体化装置,其特征在于:所述的远动插件具有两路光纤通道,两路光纤通道为2M通道,单模FC接电源插件。
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