CN206099372U - 一种微网变流储能装置 - Google Patents

Abstract

一种微网变流储能装置，属于新能源发电及其能量管理领域。包括：光伏阵列、最大功率跟踪电路、六开关单相逆变器、并网滤波器、微电网交流电源、组储能变换器、微电网储能蓄电池组、电流检测单元、电压检测单元、逆变器驱动单元、驱动单元和微处理器。本装置可实现光伏转换电能并入电网，可向电网注入无功，维持电压稳定。储能部分采用两个双向电流型BOOST变换器组成的四象限DC/AC变换器，相比传统变流器，具有开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点。采用的六开关单相逆变器具有优异的共模电压输出特性，抑制了泄露电流对电网侧的影响，避免了大规模分布式并网时泄露电流对电网继电保护灵敏度、计量装置精度和磁性元件铁芯饱和等的危害。

Description

一种微网变流储能装置

技术领域

本实用新型涉及新能源发电及其能量管理领域，具体涉及一种微网变流储能装置。

背景技术

太阳能因其安全可靠,能就地开发利用,取之不尽、用之不竭、不污染环境和不破坏生态平衡等优点成为目前广泛研究和利用的新能源之一。受国家政策和经济效益的驱动，越来越多的分布式光伏发电系统并入电网，尤其是家用屋顶光伏发电等中小功率系统。大规模的光伏发电系统的接入，给电网运行带来了一些问题。小功率并网系统往往采用系统成本低、体积小的非隔离型逆变结构，尤其是单相全桥型逆变器，这类非隔离型逆变器存在输出共模电压特性差、对地泄露电流高等缺点，向电网侧注入谐波，同时泄露电流严重影响了继电保护装置的动作灵敏度，影响计量装置的精度，甚至会造成电网内磁性材料和设备的铁芯饱和等问题。另外，大规模分布式光伏发电系统的接入，也给电网能量管理带来了挑战，间歇式的分布式电源对局部微电网的电压稳定性造成影响，为实现能量的优化调度，达到分布式电源削峰填谷的作用，需要在微电网中布置储能装置。现有中小功率并网系统的储能装置大多设置在直流母线侧，容量小、能量转换效率低，同时分散式布置不利于能量统一管理。本实用新型提供一种微网变流储能装置，该装置的储能部分采用直连微网交流侧形式，降低了能量转换损耗，同时不受限于微电源的地理位置，可在微电网适当位置进行布置，便于统一能量管理。储能部分采用两个双向电流型BOOST变换器组成的DC/AC变换器，相比传统变流器，具有开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点。装置的并网逆变部分采用六开关单相逆变器，是在传统单相全桥逆变器基础上增加两个开关器件，使得逆变器自然续流状态的通道可控，不受反并联二极管的恢复时间影响，不仅可以向电网注入有功功率，同时可以实现无功功率的可控注入，以维持微电网系统电压稳定，六开关单相逆变器输出的共模电压在开关器件的全导通周期内能够维持恒定(为直流母线电压一半)，极大程度上抑制了对地泄露电流对电网的影响，同时逆变器能够实现+Vdc、0、-Vdc三电平逆变输出。在分布式电源和微电网应用领域具有广阔的应用前景。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种测绘仪器用支架，用于解决减少测绘仪器用支架运输时所占空间，实现灵活可拆卸，降低运输难度等问题；本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种微网变流储能装置，它包括：光伏阵列、最大功率跟踪电路、六开关单相逆变器、并网滤波、微电网交流电源、A组储能变换器、B组储能变换器、微电网储能蓄电池组、MPPT驱动单元、电流检测单元、电压检测单元、逆变器驱动单元、A组储能变换器驱动单元、B组储能变换器驱动单元和微处理器，所述光伏阵列将光照转换为直流电压输入到最大功率跟踪电路，MPPT驱动单元控制最大功率跟踪电路中开关器件导通占空比，进而追踪光伏阵列的最大功率点，输出的直流电压供六开关单相逆变器进行逆变，逆变得到的PWM交流电压经并网滤波器滤波后得到与微电网交流电源相位相同频率一致的正弦交流电压并网，微电网储能蓄电池组通过A组储能变换器和B组储能变换器并接在微电网交流侧。

优选的，所述A组储能变换器驱动单元和B组储能变换器驱动单元分别控制变换器中功率开关器件的导通和关断状态，既可以实现从交流侧整流充电储能，又能够从蓄电池侧逆变放电供交流微电网。

优选的，所述六开关单相逆变器是在传统单相全桥逆变器基础上增加两个开关器件，使得逆变器自然续流状态的通道可控，不受反并联二极管的恢复时间影响，不仅可以向电网注入有功功率，同时可以实现无功功率的可控注入，以维持微电网系统电压稳定，六开关单相逆变器输出的共模电压在开关器件的全导通周期内能够维持恒定(为直流母线电压一半)，极大程度上抑制了对地泄露电流对电网的影响，逆变器驱动单元采用单极性PWM调制，使得六开关单相逆变器具有良好的差模电压抑制特性，同时逆变器能够实现+Vdc、0、-Vdc三电平逆变输出。

优选的，所述微电网储能蓄电池组通过A组储能变换器和B组储能变换器组成的储能部分直接连接在微电网交流侧，能够四象限运行，可与交流微电网直接进行能量转换，无需增加中间能量转换环节，降低能量转换损耗。

优选的，所述A组储能变换器和B组储能变换器电路结构一致，均为双向电流型BOOST变换器，由直流电压源输入、一个滤波电感、一个滤波输出电容、和两个功率开关管以及两个续流二极管组成，它们分别产生一个具有直流偏置的正弦波单极性电压输出；A组储能变换器驱动单元和B组储能变换器驱动单元通过PWM调制使两个变换器输出电压相位互差180°，由于微网交流电源跨接在两个变换器之间，变换器分别输出的直流偏置电压在微网交流电源端将相互抵消,产生一个双极性的交流电压输出。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型不仅能够实现光伏转换电能并入电网，同时并网功率因数可调，可向电网注入无功，维持电压稳定，同时储能部分直接连在交流侧，无需能量中间转换环节，提高系统整体效率。采用的六开关单相逆变器具有优异的共模电压输出特性和差模电压输出特性，极大程度的抑制了泄露电流对电网侧的影响，避免了大规模分布式并网时泄露电流对电网继电保护灵敏度、计量装置精度和磁性元件铁芯饱和等的危害。储能装置采用两个双向电流型BOOST变换器组成的四象限DC/AC变换器，相比传统变流器，所用开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点，在微电网应用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的连接结构示意图；

图中的标号分别代表：

1、光伏阵列；2、最大功率跟踪电路；3、六开关单相逆变器；4、并网滤波器；5、微电网交流电源；6、A组储能变换器；7、B组储能变换器；8、微电网储能蓄电池组；9、MPPT驱动单元；10、电流检测单元；11、电压检测单元；12、逆变器驱动单元；13、A组储能变换器驱动单元；14、B组储能变换器驱动单元；15、和微处理器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种微网变流储能装置，它包括：光伏阵列、最大功率跟踪电路、六开关单相逆变器、并网滤波、微电网交流电源、A组储能变换器、B组储能变换器、微电网储能蓄电池组、MPPT驱动单元、电流检测单元、电压检测单元、逆变器驱动单元、A组储能变换器驱动单元、B组储能变换器驱动单元和微处理器，所述光伏阵列将光照转换为直流电压输入到最大功率跟踪电路，MPPT驱动单元控制最大功率跟踪电路中开关器件导通占空比，进而追踪光伏阵列的最大功率点，输出的直流电压供六开关单相逆变器进行逆变，逆变得到的PWM交流电压经并网滤波器滤波后得到与微电网交流电源相位相同频率一致的正弦交流电压并网，微电网储能蓄电池组通过A组储能变换器和B组储能变换器并接在微电网交流侧。

具体的，A组储能变换器驱动单元和B组储能变换器驱动单元分别控制变换器中功率开关器件的导通和关断状态，既可以实现从交流侧整流充电储能，又能够从蓄电池侧逆变放电供交流微电网，六开关单相逆变器是在传统单相全桥逆变器基础上增加两个开关器件，使得逆变器自然续流状态的通道可控，不受反并联二极管的恢复时间影响，不仅可以向电网注入有功功率，同时可以实现无功功率的可控注入，以维持微电网系统电压稳定，六开关单相逆变器输出的共模电压在开关器件的全导通周期内能够维持恒定(为直流母线电压一半)，极大程度上抑制了对地泄露电流对电网的影响，逆变器驱动单元采用单极性PWM调制，使得六开关单相逆变器具有良好的差模电压抑制特性，同时逆变器能够实现+Vdc、0、-Vdc三电平逆变输出，微电网储能蓄电池组通过A组储能变换器和B组储能变换器组成的储能部分直接连接在微电网交流侧，能够四象限运行，可与交流微电网直接进行能量转换，无需增加中间能量转换环节，降低能量转换损耗，A组储能变换器和B组储能变换器电路结构一致，均为双向电流型BOOST变换器，由直流电压源输入、一个滤波电感、一个滤波输出电容、和两个功率开关管以及两个续流二极管组成，它们分别产生一个具有直流偏置的正弦波单极性电压输出；A组储能变换器驱动单元和B组储能变换器驱动单元通过PWM调制使两个变换器输出电压相位互差180°，由于微网交流电源跨接在两个变换器之间，变换器分别输出的直流偏置电压在微网交流电源端将相互抵消,产生一个双极性的交流电压输出。

本实施方式中，以六开关单相逆变器工作流程为例，阐述装置将光照转换为电能逆变并网工作过程。设光伏阵列的输出电压为Vpv，经过最大功率跟踪电路后升压为Vdc，根据逆变器中功率开关器件的导通和关断状态，逆变器可运行在以下几种模式：

1)当M_S2恒导通、R_S1、L_S2保持同步和M_S1开关状态互补，逆变器运行在瞬时正功率因数区域：

模式一：R_S1和L_S2导通时，直流母线流经R_S1对滤波电感进行充电，经M_S2、L_S2构成通路，逆变器输出电压呈+Vdc电平，逆变器的共模电压VCM＝1/2(VAN+VBN)＝1/2(Vdc+0)＝Vdc/2，差模电压VDM＝(VAN-VBN)＝(Vdc-0)＝Vdc。

模式二：R_S1和L_S2关断时，电感上的电流流经M_S2和M_S1需要放电，逆变器输出电压呈0电平，逆变器进入到自然续流状态，VAN下降，VBN上升直到二者相等，此时VAN＝VBN＝Vdc/2，逆变器的共模电压VCM＝1/2(VAN+VBN)＝Vdc/2，差模电压VDM＝(VAN-VBN)＝0。

2)当M_S1恒导通、R_S2、L_S1保持同步和M_S1开关状态互补，逆变器运行在瞬时正功率因数区域：

模式四：R_S2和L_S1导通时，直流母线流经R_S2对滤波电感进行充电，经M_S1、L_S1构成通路，逆变器输出电压呈-Vdc电平，逆变器的共模电压VCM＝1/2(VAN+VBN)＝1/2(0+Vdc)＝Vdc/2，差模电压VDM＝(VAN-VBN)＝(0-Vdc)＝-Vdc。

模式五：R_S2和L_S1关断时，电感上的电流流经M_S2和M_S1需要放电，逆变器进入到自然续流状态，VAN上升，VBN下降直到二者相等，此时VAN＝VBN＝Vdc/2，逆变器的共模电压VCM＝1/2(VAN+VBN)＝Vdc/2，差模电压VDM＝(VAN-VBN)＝0。

3)当逆变器在从模式二转换到模式四过程(即开关器件导通关断状态转换的过渡过程)，电感上的电流流经M_S1、R_S2、L_S1功率器件上的二极管进行续流，形成模式三。其逆变器的共模、差模电压输出特性同模式四。同样，当逆变器在从模式五转换到模式一过程，电感上的电流流经M_S2、R_S1、L_S2功率器件上的二极管进行续流，形成模式六。其逆变器的共模、差模电压输出特性同模式一。

上述分析可以看出，输出电压呈现0、±Vdc三种电平数输出。而且在全周期内，共模电压维持恒定，差模电压与逆变器输出电压一致呈0、±Vdc三种电平，采用LC低通滤波器可有效抑制高频分量，保留基波分量并入电网。

实施方式二：本实施方式中，以A组储能变换器、B组储能变换器和微电网储能蓄电池组工作流程为例，阐述装置将微电网交流侧能量转换为直流电能储存在蓄电池，以及蓄电池向交流侧逆变的工作过程。设交流侧电压、电流分别为Vg、Ig，A组储能变换器和B组储能变换器输出电压分别为UOA、UOB，两组变换器中电感电流分别为ILA、ILB,各物理量的正方向如图1中所示，装置的储能部分可以运行在以下几种模式。

模式一：当Vg>0、Ig<0、ILA>0、ILB<0,B组储能变换器流经反向电流,由微网交流电源侧向直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。A变换器则相反,由蓄电池直流电源向微网交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。由于微网交流电源侧电流为负,所以蓄电池直流电源反向传递的能量大于正向传递的能量。两者之差为微网交流电源侧反馈到直流电源的能量。

模式二：当Vg>0、Ig<0、ILA<0、ILB>0,B组变换器流经正向电流增大,由蓄电池直流电源向微网交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。A组变换器流经反向电流减小,由微网交流电源侧向直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。此时微网交流电源侧电流逐渐增大但仍然为负,所以蓄电池直流电源反向传递的能量仍然大于正向传递的能量。微网交流电源仍向蓄电池直流电源回馈能量。

模式三：当Vg>0、Ig>0、ILA<0、ILB>0,B组变换器流经正向电流,由蓄电池直流电源向微网交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。A组变换器流经反向电流,由微网交流电源侧向蓄电池直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。此时微网交流电源侧电流为正,蓄电池直流电源开始向微网交流电源侧提供能量。

模式四：当Vg<0、Ig>0、ILA<0、ILB>0,此时输出电压变负,但由于输出电流仍然为正,此种工作模式和模式二相同。

模式五：当Vg<0、Ig>0、ILA>0、ILB<0,此时输出电压变负,但由于输出电流仍然为正,此种工作模式和模式三相同。

模式六：当Vg<0、Ig<0、ILA>0、ILB<0,B组变换器流经反向电流，由微网交流电源侧向蓄电池直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。A组变换器流经正向电流,向微网交流电源侧提供能量,此时微网交流电源侧电压电流均为负，蓄电池直流电源开始向微网交流电源侧提供能量。

由上述分析可知，当需要从蓄电池直流侧向微网交流侧输送能量时，储能变流器可工作在模式三、五、六。对于两组储能变流器，分别对他们进行单独控制，它们可以分别产生一个具有直流偏置的正弦波单极性电压输出。A组储能变换器驱动单元和B组储能变换器驱动单元通过PWM调制使两个变换器输出电压相位互差180°，由于微网交流电源跨接在两个变换器之间，变换器分别输出的直流偏置电压在微网交流电源端将相互抵消,产生一个双极性的交流电压输出。当需要从微网交流侧向蓄电池直流侧向输送能量时，储能变流器可工作在模式一、二、四，对两组变流器进行同步控制，相当于两组并联运行给蓄电池充电。

本实用新型不仅能够实现光伏转换电能并入电网，同时并网功率因数可调，可向电网注入无功，维持电压稳定，同时储能部分直接连在交流侧，无需能量中间转换环节，提高系统整体效率。采用的六开关单相逆变器具有优异的共模电压输出特性和差模电压输出特性，极大程度的抑制了泄露电流对电网侧的影响，避免了大规模分布式并网时泄露电流对电网继电保护灵敏度、计量装置精度和磁性元件铁芯饱和等的危害。储能装置采用两个双向电流型BOOST变换器组成的四象限DC/AC变换器，相比传统变流器，所用开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点，在微电网应用领域具有广阔的应用前景。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种微网变流储能装置，它包括：光伏阵列(1)、最大功率跟踪电路(2)、六开关单相逆变器(3)、并网滤波器(4)、微电网交流电源(5)、A组储能变换器(6)、B组储能变换器(7)、微电网储能蓄电池组(8)、MPPT驱动单元(9)、电流检测单元(10)、电压检测单元(11)、逆变器驱动单元(12)、A组储能变换器驱动单元(13)、B组储能变换器驱动单元(14)和微处理器(15)，所述光伏阵列(1)将光照转换为直流电压输入到最大功率跟踪电路(2)，MPPT驱动单元(9)控制最大功率跟踪电路(2)中开关器件导通占空比，进而追踪光伏阵列的最大功率点，输出的直流电压供六开关单相逆变器(3)进行逆变，逆变得到的PWM交流电压经并网滤波器(4)滤波后得到与微电网交流电源(5)相位相同频率一致的正弦交流电压并网，微电网储能蓄电池组(8)通过A组储能变换器(6)和B组储能变换器(7)并接在微电网交流侧。

2.根据权利要求1所述的一种微网变流储能装置，其特征在于：所述A组储能变换器驱动单元(13)和B组储能变换器驱动单元(14)分别控制变换器中功率开关器件的导通和关断状态，既可以实现从交流侧整流充电储能，又能够从蓄电池侧逆变放电供交流微电网。

3.根据权利要求1所述的一种微网变流储能装置，其特征在于：所述六开关单相逆变器(3)是在传统单相全桥逆变器基础上增加两个开关器件，使得逆变器自然续流状态的通道可控，不受反并联二极管的恢复时间影响，不仅可以向电网注入有功功率，同时可以实现无功功率的可控注入，以维持微电网系统电压稳定，六开关单相逆变器(3)输出的共模电压在开关器件的全导通周期内能够维持恒定(为直流母线电压一半)，极大程度上抑制了对地泄露电流对电网的影响，逆变器驱动单元(12)采用单极性PWM调制，使得六开关单相逆变器(3)具有良好的差模电压抑制特性，同时逆变器能够实现+Vdc、0、-Vdc三电平逆变输出。

4.根据权利要求1所述的一种微网变流储能装置，其特征在于：所述微电网储能蓄电池组(8)通过A组储能变换器(6)和B组储能变换器(7)组成的储能部分直接连接在微电网交流侧，能够四象限运行，可与交流微电网直接进行能量转换，无需增加中间能量转换环节，降低能量转换损耗。

5.根据权利要求1所述的一种微网变流储能装置，其特征在于：所述A组储能变换器(6)和B组储能变换器(7)电路结构一致，均为双向电流型BOOST变换器，由直流电压源输入、一个滤波电感、一个滤波输出电容、和两个功率开关管以及两个续流二极管组成，它们分别产生一个具有直流偏置的正弦波单极性电压输出；A组储能变换器驱动单元(13)和B组储能变换器驱动单元(14)通过PWM调制使两个变换器输出电压相位互差180°，由于微网交流电源跨接在两个变换器之间，变换器分别输出的直流偏置电压在微网交流电源端将相互抵消,产生一个双极性的交流电压输出。