CN205583713U - 一种新型分布式发电系统的逆变电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型分布式发电系统的逆变电源，在公共耦合点处与分布式发电网络连接，包括：逆变电路，电压逆变器，输入电流检测电路，整流电路，输出电流检测电路，输出电压检测电路，控制模块，用于当分布式发电系统向网络提供小于网络最大额定有功功率的功率时，控制模块作为静止同步补偿器来调节公共耦合点的电压；当至少一个可操作连接在网络上的分布式发电系统的逆变电压超出网络中一个或多个负载所需的功率时，所述控制模块阻止公共耦合点的电压超出额定电压。本实用新型的分布式发电系统的逆变电源，解决现有技术中存在的分布式发电系统谐波失真、偏磁严重的问题。

Description

一种新型分布式发电系统的逆变电源

技术领域

本实用新型涉及电力电子装置控制技术领域 ，特别是涉及一种新型分布式发电系统的逆变电源。

背景技术

随着环境问题与能源问题越来越受到关注，分布式发电，尤其是可再生能源分布式发电技术发展迅速，成为各国能源供给的重点发展方向。传统的电网是由大型发电厂集中发电，通过电网将电能输送和分配到分散各用户进行使用，存在设网损失大，输配电成本高等问题，而可再生能源通常具备发电功率密度小、间歇性及随机性大，采用传统的集中发电方式需要占用大量的面积，而且由于发电的间歇性使得电能的调度和输送带来很大问题，经常出现脱网或者弃电等情况发生，即对电网的安全造成影响，对可再生能源的利用效率也不高，因此可再生能源大规模利用比较适合大规模的分布式发电形式。目前世界各国在进过可再生能源集中电站发电模式以后，都在大力推广分布式发电形式。在用户侧附近根据可再生能源的形式发展分布式发电，直接给用户供电，无需经过输电和配电过程，大大降低电能输送损耗，而且能够提高供电的可靠性。

分布式发电系统的渗透程度不断提高，如基于新能源的分布式发电系统。因此，电力公司也面临着因并网造成电能来源日益增多的巨大挑战。下列挑战，如确保电压调整率、系统稳定性及标准限值内的电能质量等，是这些问题的核心。

灵活交流输电系统装置针对这些提出了一个可行的解决方案，它被越来越多地应用到世界各地的电力系统中。在这里，灵活交流输电系统装置指与电力电子控制器及其他静态控制器组合以提高可控性及功率传输能力的交流输电系统。灵活交流输电系统装置通常用于下列目的：

控制电压：怎讲或控制电线电力传输能力，并防止回流，提高系统瞬态稳定性限值，提高系统阻尼，减少次同步谐振，缓解电压不稳，限制短路电流，提高高压直流输电变流器终端性能，风力发电系统并网。

在灵活交流输电系统装置中，用于达到上述任意或所有目的的部分装置或控制器包括精致无功补偿器、静止同步补偿器等。

静止同步补偿器是一种并联的、可发出和/或吸收无功功率的无功补偿装置，其输出可改变，以控制电流系数的具体参数。一般来说，静止同步补偿器是一种固态开关变换器，当其输入端电能源或能源储存装置馈电时，可在其输出端独立发出或吸收可控有功及无功功率。

更具体的说，静止同步补偿器是从特定输入直流电压产生一组三相交流输出电压的电压源转换器。各输出电压通过一个较小电抗与对应的交流系统电压同相并与之连接，该阻抗可由界面反应器或耦合变压器的漏电感提供。直流电压由储能电容器提供。

众所周知，在现有技术中，静止同步补偿器通过电压源变换器的电压及电流波形的电子出了实现预期无功功率送出及吸收。静止同步补偿器也通过在公共耦合点发出及吸收无功功率来提供电压支持，无需外表反应器或电容器组合。因此，静止同步补偿器占用的物理空间更小。

众所周知，静止同步补偿器可在如下方面提高电力系统性能：

控制电压：增加或控制电线电流传输能力，并防止回流，提供系统瞬态稳定性限值，提高系统阻尼，减少同步谐振，缓解电压不稳，限制短路电流，提高高压直流输电变流器终端性能，风力发电系统并网，控制电压闪变，控制武功功率，必要时控制连接线路中的有功功率。

静止同步补偿器及交流电系统间的无功及有功功率交换可独立于一方面单独控制。如果静止同步补偿器具有合适容量的蓄能装置，可实现有功功率送出与吸收及无功功率送出与吸收的任意组合。在此基础上，可设计一些对有功及无功输出功率调整非常有效的控制战略，以提高瞬态和动态系统的稳定性极限。

在现有电流传输及分配系统中，分布式发电的渗透程度逐渐提高，这面临许多技术性挑战，其中一项为电压沿馈线的变化。习惯上，功率流动的方向是从输电网到连接在配电馈线上的负载。通过在输电馈线或配电馈线的一处或多处调整输电端电压量或提供无功功率支持，可有效解决电压随馈线的长度而下降的问题。电力公司通常采用抽头接换变压器与不同点电容器组合使不同点电压处在标准限值内。

风力发电场控制的分布式发电系统可呈现一种有趣状况，特别是在夜间。此时，只要夜间风速比白天更大，风力涡轮发电机输出更高，电力负载就远小于白天的数值。夜间风力发电场增加的这些功率导致大量功率反向流向主电网。由于现有配电系统在设计及操作上都遵循一条重要假设，既功率总是从主电网流向终端用户，这种功率反向流动的情况导致馈线电压超出正常额定值。在某些情况下，电压可超出通常允许限额的5%。这是公司不能接受的。

当向馈线增加更多分布式发电系统时，反向功率流动就要面临一个巨大挑战。保持电压在特定范围内升高直接影响了能介入特定配电网络的分布式发电系统的数量。当在电网中增加额外的风力风电场时，电力公司将不得不安装灵活交流输电系统控制器等昂贵的电压调节装置，如静止武功补偿器或静止同步补偿器，以解决这一问题。

此外，对于逆变电源装置而言变压器的偏磁是个大问题。由于一旦从偏磁达到饱和，变压器就会失去其功能成为短路负载状态，过电流流到逆变器电路的开关元件，损坏开关元件。由于负载的畸变、开关元件等的特性的偏差、反馈控制系统的不稳定等各种原因而产生偏磁。特别地，最近的你变电源装置，也有工作频率超过100KHz的情形，在变压器的铁芯中大多使用在高频下损耗少的铁氧体磁芯。但是，铁氧体磁芯由于饱和磁通量密度的值低，所以稍微偏磁就立即达到饱和，为此，在高频的逆变电源装置中，偏磁对策更加重要。

在实际应用中，很对电力电子负载都要求逆变电路的输出功率能够得到有效和灵活的控制，以满足不同负载的需求。逆变电源的功率调节方式可分为两大类：直流调功和逆变调功。直流调功是对逆变器直流侧的输入电压进行调节，达到调节负载输出功率的目的。目前直流斩波调压调功是直流调功的主要方式。

常规的逆变电源调节功率采取的直流斩波调压方式，在直流母线侧采用降压斩波电路，通过改变占空比的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。采用这种常规控制方式，负载上电压波形为不连续方波，电流波形通常视负载而定，故常规逆变电源的缺点是难以实现输出电流的正弦化，因此谐波分量大，功率因数低，不适合大范围调功。

多台正弦脉宽调制逆变器电源的并联运行可以扩大系统的容量，而且还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性及可维护性。但是，正弦脉宽调制逆变电源的并联运行相对困难，因为所有并联运行的正弦脉宽调制逆变电源的频率、相位及幅值都必须一致，否则，各台逆变电源之间将存在很大环流，过大的环流会使逆变器的负担加重，发散的环流将使系统崩溃，导致供电中断。

正弦脉宽调制逆变电源的并联运行控制方式一般分为集中控制、主从控制和无互联信号线独立控制方案。现有的集中控制方式需要检测总的负载电流，并通过较高带宽的信号把负载电流的信息传递给所有的逆变电源模块，这严重影响了系统的扩容，系统中存在相互连接的信号线，使得系统的可靠性降低，系统不是冗余的，而在电流分配单元的控制下才能实现并联运行，一旦电流分配单元损坏，系统将崩溃。

与集中控制方式相比较，主从控制方式具有一定的优点，它可以不需要检测负载电流的大小，使得系统易于扩展容量，并且逆变电源间的控制不受逆变电源输出线路阻抗的影响，系统的均流效果很好。但是主从控制方式也有一些不足：主模块的存在使得它不是一个冗余系统，一旦主模块出现故障，整个系统将会瘫痪，系统稳定性取决于并联的从模块个数，主模块与从模块之间存在电流指令信号线，不宜长距离铺设，否则信号会大大衰减，干扰严重，相位严重滞后。

与前两种并联控制方式比较，无互联信号线独立控制方式不需互联的控制信号，通过输出电压的频率，幅值下垂控制来实现负载有功功率及无功功率的均分，从而实现负载电流的均分。这种方式尤其适用于分布式发电系统，但是，无功功率的均分受电路阻抗的影响较为严重，如果线路阻抗匹配不好，则负载所需无功功率将得不到很好均分，所以该方式对系统检测、控制精度要求很高；且这种方式由于采用下垂特性，会牺牲系统输出的电压频率、幅值稳定性指标。

发明内容

本实用新型正是基于以上一个或多个问题，提供一种新型分布式发电系统的逆变电源，用以解决现有技术中存在的分布式发电系统谐波失真、偏磁严重的问题。

其中，所述分布式发电系统的逆变电源，在公共耦合点处与分布式发电网络连接，包括：

逆变电路，其通过多个开关元件将直流电源转换成高频交流；

电压逆变器，其将所述高频交流变压为适于负载的电压；

输入电流检测电路，用于检测变压器的输入电流值；

整流电路，用于对所述变压后的高频交流进行整流，并提供给负载；

输出电流检测电路，用于检测所述整流后的输出电流值；

输出电压检测电路，用于检测所述整流后的输出电压值；

控制模块，用于当分布式发电系统向网络提供小于网络最大额定有功功率的功率时，控制模块作为静止同步补偿器来调节公共耦合点的电压；当至少一个可操作连接在网络上的分布式发电系统的逆变电压超出网络中一个或多个负载所需的功率时，所述控制模块阻止所述公共耦合点的电压超出额定电压。

进一步的，当所述分布式发电系统的逆变电压未向网络提供有功功率时，所述电压逆变器用作静止同步补偿器。

进一步的，所述控制模块包括：

主控制单元，用于产生数字控制字，所述数字控制字包括三个不同部分和多个控制器，每个控制器生成用于控制分布式发电系统逆变电压不同功能的值，所述不同功能的值用于产生与不同功能所需信号成比例的信号；其中各控制器由所述数字控制字的不同部分激活或禁用。

进一步的，所述分布式发电系统的逆变电源的不同功能包括至少下列一种：调节PCC电压，通过动态无功功率控制输电传输瞬态信号的阻尼控制；调节直流总线上的电压，以及将有功功率注入输电系统。

进一步的，所述数字控制字的特定不同部分与所述控制器产生的值相乘。

进一步的，还包括：偏磁判别电路，用于在所述变压器的输入电流值成为偏磁电流基准值以上时判定所述变压器的偏磁，并输出偏磁判别信号；以及

禁止电路，其从输入上述偏磁判别信号的时间点到预定的逆变频率的半周期结束为止禁止上述输出调制控制，使上述逆变电路的开关元件的变化为截止状态。

进一步的，还包括：

设置用于产生所述偏磁电流基准值的偏磁电流基准产生电路；

上述偏磁电流基准产生电路按上述逆变频率的每一个半周期对上述变压器的输入电流进行取样保持，并且在上述取样保持后的值加上预定的偏磁电流值，来产生每一个上述半周期的偏磁电流基准值；

所述偏磁判别电路对所述检测到的输入电流值和该检测的时刻的上述半周期前的偏磁电流基准值进行比较。

进一步的，基于上述半周期的输入电流值使上述偏磁电流值变化。

进一步的，所述分布式发电系统的逆变电源是太阳能发电场。

进一步的，所述分布式发电系统的逆变电源是风力发电场。

本实用新型提供的分布式发电系统的逆变电源，通过在电网中提供电压控制将更多风力发电系统并至电/配电网络，通过电压控制和辅助阻尼控制在输电系统中增加稳定功率传输限值。同时，在输入电流值上加上预设的偏磁电流来计算偏磁电流基准值，如果基于此计算出的偏磁电流基准值判别偏磁，就能在偏磁充分地进行之前判别偏磁，由于能在偏磁的初始阶段进行防止偏磁处理，所以就能及早消除偏磁，保护逆变电路的开关元件不因过电路而劣化或损坏。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的一种新型分布式发电系统的逆变电源结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的具有直流总线电容的电压源逆变器的结构原理图；

图3是本实用新型实施例二的偏磁判别电路及偏磁电流基准产生电流的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。

实施例一

本实用新型实施例一提供一种新型分布式发电系统的逆变电源，在公共耦合点处与分布式发电网络连接，如图1所示，所述分布式发电系统的逆变电源，包括：

逆变电路1，其通过多个开关元件将直流电源转换成高频交流；

电压逆变器2，其将所述高频交流变压为适于负载的电压；

输入电流检测电路3，用于检测所述变压器的输入电流值；

整流电路4，用于对所述变压后的高频交流进行整流，并提供给负载；

输出电流检测电路5，用于检测所述整流后的输出电流值；

输出电压检测电路6，用于检测所述整流后的输出电压值；

控制模块7，用于当分布式发电系统向网络提供小于网络最大额定有功功率的功率时，控制模块作为静止同步补偿器来调节公共耦合点的电压；当至少一个可操作连接在网络上的分布式发电系统的逆变电压超出网络中一个或多个负载所需的功率时，所述控制模块阻止公共耦合点的电压超出额定电压。

其中，当所述分布式发电系统的逆变电压未向网络提供有功功率时，所述电压逆变器用作静止同步补偿器。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述控制模块包括：

主控制单元，用于产生数字控制字，所述数字控制字包括三个不同部分和多个控制器，每个控制器生成用于控制分布式发电系统逆变电压不同功能的值，所述不同功能的值用于产生与不同功能所需信号成比例的信号；其中各控制器由所述数字控制字的不同部分激活或禁用。

其中：所述分布式发电系统的逆变电源的不同功能包括至少下列一种：调节所述PCC电压，通过动态无功功率控制输电传输瞬态信号的阻尼控制；调节直流总线上的电压，以及将有功功率注入所述输电系统。

所述数字控制字的特定不同部分与所述控制器产生的值相乘。

作为上述技术方案的一个优选实施方式，所述分布式发电系统的逆变电源还包括：偏磁判别电路8，用于在所述变压器的输入电流值成为偏磁电流基准值以上时判定所述变压器的偏磁，并输出偏磁判别信号；以及

禁止电路9，其从输入上述偏磁判别信号的时间点到预定的逆变频率的半周期结束为止禁止上述输出调制控制，使上述逆变电路的开关元件的变化为截止状态。

作为上述技术方案的一个优选实施方式，所述分布式发电系统的逆变电源还包括：

设置用于产生所述偏磁电流基准值的偏磁电流基准产生电路10；

上述偏磁电流基准产生电路按上述逆变频率的每一个半周期对上述变压器的输入电流进行取样保持，并且在上述取样保持后的值加上预定的偏磁电流值，来产生每一个上述半周期的偏磁电流基准值；

所述偏磁判别电路8对所述检测到的输入电流值和该检测的时刻的上述半周期前的偏磁电流基准值进行比较。

其中，基于上述半周期的输入电流值使上述偏磁电流值变化。

本实施例中，所述分布式发电系统的逆变电源可以是太阳能发电场，也可以是风力发电场。

本实用新型提供的分布式发电系统的逆变电源，通过在电网中提供电压控制将更多风力发电系统并至电/配电网络，通过电压控制和辅助阻尼控制在输电系统中增加稳定功率传输限值。同时，在输入电流值上加上预设的偏磁电流来计算偏磁电流基准值，如果基于此计算出的偏磁电流基准值判别偏磁，就能在偏磁充分地进行之前判别偏磁，由于能在偏磁的初始阶段进行防止偏磁处理，所以就能及早消除偏磁，保护逆变电路的开关元件不因过电路而劣化或损坏。

实施例二

本实用新型实施例二提供一种新型分布式发电系统的逆变电源，适用于任何类型/配置的逆变器。光反应太阳能发电场连接至馈线/电网的点被称为公共耦合点。图2是光反应太阳能发电场转化为具有直流总线电容的电压源逆变器的详细原理图。电压源逆变器是利用六个半导体开关（此处指绝缘栅双极晶体管）实现的，该逆变器通过接口串联电感器及升压变压器连接至电网。

以下描述使用光伏太阳能发电场调节公共耦合点电压的工作原理。

为了简化，做出如下假设：

第一：电线的电阻和电容被忽略，负载以非常近的距离连接到太阳能发电场，即太阳能发电场与负载之间零阻抗；单位功率因数负载。

第二：负载以非常近的距离连接到太阳能发电场，有助于将矢量图简化为负载，且公共耦合点的电压相同。然而，对于更复杂的表示，公共耦合点和负载之间的线路阻抗应包括在内。在这种情况下，负载电压相量的幅度会较低/较高，取决于线路长度和负载确定电流量的公共耦合点电压相比产生相位移。

原则上，当电压从额定值上升或下降时，外设的灵活交流输电系统装置，如静止同步补偿器，将会注入适当的无功功率，以抑制线路阻抗上的电压的下降/上升，从而将电压恢复到额定值附近。

光伏太阳能发电场作为静止同步补偿器注入无功功率时，公共耦合点的电压上升。但如果光伏太阳能发电场作为静止同步补偿器吸收无功功率时，公共耦合点的电压下降。因此，与公共耦合连接点电压测量值对应的受控无功功率注入/吸收行为将调节公共耦合点电压，并将其保持在预期的预设值不变。

图3是本实施例的偏磁判别电路及偏磁电流基准产生电流的详情图，偏磁判别电路，有绝对值电路，比较电路，防止偏磁电路及反转电路形成，而且，偏磁电流基准产生电路，由取样保持电路，偏磁电流设决定电路，加法电路及移相电路形成。

取样保持电路同步于第一输出调制控制信号机第二输出调制控制信号，对绝对值信号的值进行取样保持，将其作为取样保持信号输出。

偏磁电流设定电路，设决定预定的偏磁电流值。加法电路在取样保持信号的值上加上由偏磁电流涉及到那个电路设定的预定的偏磁电流值，并输出加法信号。一旦输入加法信号，移相电路同步于逆变频率使加法信号相位延迟半周期，并作为偏磁电流基准信号输出。

比较电路对绝对值信号的值和偏磁电流基准值的值进行比较，在绝对值信号的值比偏磁电流基准值大时，使比较信号成为高电平进行输出。在比较信号变为高电平时，防止偏磁电路的偏磁信号成为高电平进行输出。直到省略的逆变频率的半周期结束都维持输出，然后，反转电路发转防止偏磁信号，并作为偏磁判别信号进行输出。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型分布式发电系统的逆变电源，在公共耦合点处与分布式发电网络连接，其特征在于，所述分布式发电系统的逆变电源，包括：

逆变电路，其通过多个开关元件将直流电源转换成高频交流；

电压逆变器，其将所述高频交流变压为适于负载的电压；

输入电流检测电路，用于检测变压器的输入电流值；

整流电路，用于对所述变压后的高频交流进行整流，并提供给负载；

输出电流检测电路，用于检测所述整流后的输出电流值；

输出电压检测电路，用于检测所述整流后的输出电压值；

控制模块，用于当分布式发电系统向网络提供小于网络最大额定有功功率的功率时，控制模块作为静止同步补偿器来调节公共耦合点的电压；当至少一个可操作连接在网络上的分布式发电系统的逆变电压超出网络中一个或多个负载所需的功率时，所述控制模块阻止所述公共耦合点的电压超出额定电压。

2.如权利要求1所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：

当所述分布式发电系统的逆变电压未向网络提供有功功率时，所述电压逆变器用作静止同步补偿器。

3.如权利要求1所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：所述控制模块包括：

主控制单元，用于产生数字控制字，所述数字控制字包括三个不同部分和多个控制器，每个控制器生成用于控制分布式发电系统逆变电压不同功能的值，所述不同功能的值用于产生与不同功能所需信号成比例的信号；其中各控制器由所述数字控制字的不同部分激活或禁用。

4.如权利要求3所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：

所述分布式发电系统的逆变电源的不同功能包括至少下列一种：调节PCC电压，通过动态无功功率控制输电传输瞬态信号的阻尼控制；调节直流总线上的电压，以及将有功功率注入输电系统。

5.如权利要求3所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：

所述数字控制字的特定不同部分与所述控制器产生的值相乘。

6.如权利要求3所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：还包括：偏磁判别电路，用于在所述变压器的输入电流值成为偏磁电流基准值以上时判定所述变压器的偏磁，并输出偏磁判别信号；以及

禁止电路，其从输入上述偏磁判别信号的时间点到预定的逆变频率的半周期结束为止禁止上述输出调制控制，使上述逆变电路的开关元件的变化为截止状态。

7.如权利要求6所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：还包括：

设置用于产生所述偏磁电流基准值的偏磁电流基准产生电路；

上述偏磁电流基准产生电路按上述逆变频率的每一个半周期对上述变压器的输入电流进行取样保持，并且在上述取样保持后的值加上预定的偏磁电流值，来产生每一个上述半周期的偏磁电流基准值；

所述偏磁判别电路对所述检测到的输入电流值和该检测时刻的上述半周期前的偏磁电流基准值进行比较。

8.如权利要求7所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：基于上述半周期的输入电流值使上述偏磁电流值变化。

9.如权利要求1-8任一所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：所述分布式发电系统的逆变电源是太阳能发电场。

10.如权利要求1-8任一所述的分布式发电系统的逆变电源，其特征在于：所述分布式发电系统的逆变电源是风力发电场。