一种交直流微电网的电力集能器系统 |
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| 申请号 | CN201510047544.8 | 申请日 | 2015-01-29 | 公开(公告)号 | CN104578132A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 国家电网公司; 中国电力科学研究院; | 发明人 | 段青; 盛万兴; 梁英; 史常凯; 孟晓丽; 吕志鹏; 马春艳; 李玉凌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种交直流微 电网 的电 力 集能器系统，该系统包括电力 电子 固态模 块 、监测模块、信息处理模块、智能控 制模 块、通信模块、储能模块和 电能 接口 模块，所述储能模块、所述通信模块和所述电能接口模块分别与所述电力电子固态模块相连接，所述智能 控制模块 、所述监测模块、所述信息处理模块分别与所述通信模块相连接，所述监测模块的另一端与所述信息处理模块相连接。本发明提出的技术方案，简化了大量分布式电源接入设备的结构和控制过程，微电网与配电网的并网和 能量 交换由电力集能器系统统一管理，实现了一体化控制，并且可以完全隔离微电网与配电网间的干扰和故障，对电能 质量 统一控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种交直流微电网的电力集能器系统，其特征在于，所述电力集能器系统包括电力电子固态模块、监测模块、信息处理模块、智能控制模块、通信模块、储能模块和电能接口模块；所述储能模块、所述通信模块和所述电能接口模块分别与所述电力电子固态模块相连接；所述智能控制模块、所述监测模块、所述信息处理模块分别与所述通信模块相连接；所述监测模块的另一端与所述信息处理模块相连接。 |
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| 说明书全文 | 一种交直流微电网的电力集能器系统技术领域[0001] 本发明涉及柔性交流输配电技术，具体涉及一种交直流微电网的电力集能器系统。 背景技术[0002] 由于风电、太阳能等绿色可再生能源发电具有间歇性、随机性特点，传统电力装备、电网结构和运行技术等在接纳越来越多的分布式可再生电源方面越来越力不从心，以微电网方式接入配电网是目前解决分布式电源高渗透率接入配电网的有效方法。然而目前构建微电网的方式都基本采用各个分布式电源利用各自的电力电子并网逆变器的方式接入配电变压器低压侧交流线路的方法或利用电力电子整流器增加直流线路，直流型分布式电源再利用直流斩波器接入直流线路,如附图1所示。图1为传统交流微电网结构图；这种方式虽然在一定范围内解决了分布式电源的接入，但是由于各个并网变换器，既要解决分布式电源机侧控制和能量传递问题还要兼顾电网跟踪和并网问题，使得集中化管理困难，不利于协调优化能量管理，并且效率低下，而且还需要其他电能质量控制设备，这种方式不利于微电网的建设，更难于实现即插即用功能。 [0003] 因此，需要提供一种方便分布式电源统一通用接入的一体化柔性控制的电力集能器系统从而解决以上问题。 发明内容[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种交直流微电网的电力集能器系统，所述电力集能器系统包括电力电子固态模块、监测模块、信息处理模块、智能控制模块、通信模块、储能模块和电能接口模块，所述储能模块、所述通信模块和所述电能接口模块分别与所述电力电子固态模块相连接，所述智能控制模块、所述监测模块、所述信息处理模块和所述分别与所述通信模块相连接，所述监测模块的另一端与所述信息处理模块相连接。 [0005] 优选地，所述电力电子固态模块由电力电子变换器、高频变压器、电力滤波器和接口组成。 [0008] 优选地，所述智能控制模块包括控制器、存储器、处理器以及固件。 [0009] 优选地，所述通信模块包括内部信息总线、外部通讯连接接口和处理固件。 [0010] 优选地，所述电能接口模块由交直流标准电气连接端口构成。 [0011] 优选地，所述电力电子固态模块的主电路由并网级、隔离级、交流源荷级和直流源荷级四部分构成，所述并网级通过直流链路与所述隔离级相连，所述交流源荷级和所述直流源荷级通过直流链路分别与所述隔离级相连；所述并网级由三相AC/DC变换器构成，所述隔离级包括依次连接的原边DC/AC变换器、高频变压器和副边AC/DC变换器，所述交流源荷级由低压级DC/AC变换器构成，所述直流源荷级由DC/DC变换器构成。 [0012] 优选地，所述并网级与隔离级之间设置有DC-Link1，所述交流源荷级和直流源荷级都与隔离级之间设置有DC-Link2。 [0013] 优选地，所述三相AC/DC变换器由三相进线平波电感和三桥臂电路变换器组成。 [0014] 优选地，所述原边DC/AC变换器和所述副边AC/DC变换器均由H桥电路变换器组成。 [0015] 优选地，所述低压级DC/AC变换器由四桥臂电路变换器和交流LC滤波电路连接构成。 [0016] 优选地，所述DC/DC变换器由中压直流线路、半桥电路斩波器和直流滤波电路构成。 [0017] 优选地，所述DC-Link1由直流电容器组udc1组成，所述DC-Link2由直流电容器组udc2组成。 [0018] 优选地，所述DC-Link2由直流电容器组C1和C2组成。 [0019] 与最接近的现有技术比，本发明的优异效果： [0020] 本发明提出了一种基于电力电子技术的灵活、全可控的电力集能系统，该系统由电力集能器统一管理并网功能，统一构建直流和交流线路，统一电能质量控制，对分布式电源的即插即用接入，方便统一协调管理和提高效率，简化了大量分布式电源接入设备的结构和控制过程、微电网与配电网的并网和能量交换由电力集能器系统统一管理，实现了一体化控制，并且可以完全隔离微电网与配电网间的干扰和故障，对电能质量统一控制。本发明提供的技术方案具有高可靠性、安全性、稳定性和经济性。 附图说明[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 [0022] 图1为传统交流微电网结构图； [0023] 图2为本发明交直流微电网的电力集能器系统结构图； [0024] 图3为本发明图2中的电力集能器电力电子固态模块原理图； [0025] 图4a为本发明图2中的电力集能器电力电子固态模块主电路结构框图； [0026] 图4b为本发明图2中三相四线制电力集能器电力电子固态模块主电路拓扑； [0027] 图4c为本发明图2中基于电容中线的电力集能器电力电子固态模块主电路拓扑； [0028] 图5为基于本发明电力集能器系统的新型交直流混合微电网架构。 具体实施方式[0029] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。 [0030] 为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。 [0031] 本发明提出了一种基于电力电子技术的灵活、全可控的电力集能器系统以及基于该电力集能器的微电网系统结构。该系统由电力集能器统一管理并网功能，统一构建直流和交流线路，统一进行电能质量控制，对小型分布式电源的即插即用接入，方便统一协调管理和提高效率。适合交直流微电网即插即用构建。电力集能器是一种将电力电子变换技术、基于电磁感应原理的电能交换技术和信息技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备，采用合适的拓扑结构和全可控电力电子器件可以方便实现四象限运行，使得有功、无功的双向传递。如图2所示，图2为本发明交直流微电网的电力集能器系统结构图。图中电力集能器系统包括电力电子固态模块、监测模块、信息处理模块、智能控制模块、通信模块、储能模块和电能接口模块等7大功能模块，所述储能模块、所述通信模块和所述电能接口模块分别与所述电力电子固态模块相连接，所述智能控制模块、所述监测模块、所述信息处理模块分别与所述通信模块相连接，所述监测模块的另一端与所述信息处理模块相连接。以为详细介绍 [0032] (1)电力电子固态模块 [0033] 该模块是电能控制的主要物理装置，主要包括电力电子变换器、高频变压器、电力滤波器以及相关固件和接口组成。它是整个电力集能器的核心物理模块，是实现电能灵活控制的主要机构，它的特性直接决定了整个设备的性能。 [0034] 电力电子固态模块是电能控制和传递的主要装置。它通过电力电子变换器与储能模块以及电能接口模块进行电气相连，并通过电能接口模块与电网、交直流负载、分布式电源和分布式储能相连，实现即插即用。监测模块对电能转换和传输过程中电力电子变换器、储能模块、电能接口模块的各类信息进行监测，监测的数据信息经由通信模块传递给信息处理模块；信息处理模块将运算处理后的数据传递给智能控制模块；最后，智能控制模块将控制信息作用于电力电子固态模块，从而控制其运行。 [0035] (2)监测模块 [0036] 包括各类传感器、检测器和信息传递线路。它对设备自身工作状态、电能质量和环境的测量和监测及反馈，并将信息传递给通讯模块，进而将信息传递给信息处理模块和智能控制模块，得到相应的控制信息作用于电力集能器。 [0037] 监测模块通过设置各个模块的传感器、检测器经通讯模块的内部信息总线收集和检测各模块的各类信息，并传递给信息处理模块；信息处理模块将运算处理后的数据传递给智能控制模块；最后，智能控制模块将控制信息作用于电力集能器，从而控制其运行。 [0038] (3)信息处理模块 [0039] 主要包括处理器、存储器以及相关固件。它对电力集能器自身、控制系统、电力电子固态模块和储能模块其他智能设备的数据收集、整理并进行中间数据的计算，对数据格式进行协议化处理； [0040] 信息处理模块将监测模块对电力集能器进行监测的信息数据，经通讯模块内部信息总线得到的数据信息进行处理后经由通信模块传递给智能控制模块；智能控制模块根据输入的数据信息产生相应的控制信号，从而控制电力集能器运行。 [0041] (4)智能控制模块 [0042] 智能控制模块主要包括控制器、存储器、处理器以及相关固件。它根据信息处理模块传递来的数据信息进行控制算法的运算，最后将得到的控制信息经由通信模块作用于电力集能器的各个模块或通过通讯模块与外部网络进行通讯。它是电力电子固态模块、储能模块和电能接口模块的控制核心，主要功能包括模块间的管理和协调，智能处理和优化，与配电管理系统的协调优化控制等。 [0043] (5)通信模块 [0044] 通信模块主要包括内部信息总线、外部通讯连接接口和相关处理固件。通信模块主要负责将监测模块监测到的数据传递给信息处理模块，以及将信息处理模块处理过的数据传递给智能控制模块和将智能控制模块输出的控制信息传递给电力集能器的各个模块；同时提供面向实时网络的内部和外部通信连接，以及多种通讯协议的转换和多种信息接入接口，实现信息技术的即插即用功能。 [0045] (6)电能接口模块 [0046] 主要包括多种交直流标准电气连接端口。交流电网、分布式发电装置和交直流负荷通过电能接口模块与电力电子固态模块电气相连，进而与储能模块相连，智能控制模块经由通信模块控制电能接口模块的运行。 [0047] 电力集能器具备了双向功率流和同时提供高质量可控的交直流输出、输入的功能，其电能输入和输出接口产生了较大的变化，它将不再是过去传统变压器的三相交流输入和三相交流输出一进一出的模式，考虑到面向应用的不同会提出不同的输入输出结构，多种接口方式将并存，提供多种可供选择的电能接口，针对不同的用户需求会使用不同接口和模型，如：单向电流的交直流纯负荷、双向功率流的交直流分布式电源接入、大规模储能设备的接入等。 [0048] (7)储能模块 [0049] 储能模块主要由各类储能装置构成。是电力集能器的电能存储模块，相当于信息设备中的缓存，可以利用它提供电能质量控制补偿或在系统供电故障时向系统提供有功功率，也可进行微电网系统的功率平衡作用。 [0050] 储能模块通过双向DC/DC或DC/AC变换器与电力电子固态模块进行电气相连，智能控制模块通过监测模块、信息处理模块和通信模块进行信息相连并监测、管理和控制储能模块的运行。 [0051] 其中电力电子固态模块是电力集能器的核心部件，它的特性直接决定了整个设备的性能，如图3所示，图3为本发明图2中的电力集能器电力电子固态模块原理图。该模块在结构上包含两个基本要素：电力电子变换器和高频变压器，此处的电力电子变换器包含了主电路部分和控制部分，高频变压器实现两侧电力电子变换器的链接，高频变压器的功能是隔离及电压等级变换，频率通常工作在千赫兹(kHz)级别，高频的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高容量与效率等。 [0052] 通过对其系统结构和控制策略的设计，它可以实现交流、直流电压的变压和电能质量控制的同时，实现分布式电源的互联以及并入电网，而无需任何外加的调频调压装置，其详细主电路如附图4所示。 [0053] 附图4a为本发明图2中的电力集能器电力电子固态模块主电路结构框图，该模块主要由：并网级、隔离级、交流源荷级和直流源荷级四部分构成。其中并网级主要由三相AC/DC变换器1构成，在供电模式下主要完成交流/直流变换，并保持直流电压恒定和功率因数单位运行，在并网模型下跟踪电网，并控制与电网的电能交换；并网级经DC-Link1与隔离级相连，隔离级主要包括：DC/AC变换器1、高频变压器和AC/DC变换器2，以供电模式为例，隔离级DC/AC变换器1将并网级接入的直流电变换为高频方波交流电，经高频变压器隔离，与AC/DC变换器2相连，AC/DC变换器2将高频方波交流电整流为直流电并保持直流电压恒定，隔离级同样支持双向电能传递，在向电网送电模式时，电流方向与供电模式相反，功能相同。交流源荷级和直流源荷级都与隔离级经DC-Link2相连，交流源荷级主要由DC/AC变换器2构成，负责提供高质量的三相四线交流供电和工频交流分布式电源的直接并网连接；直流源荷级包括中压直流线路和DC/DC变换器，可以提供多个电压等级的交流线路，中压直流线路与DC-Link2线路相连，可以提供电压恒定的中压直流线路方便分布式电源的直流接入也可给中压直流负荷供电，直流源荷级还包括了DC/DC变换器，同样与DC-link2相连，可以直流斩波，直接提供低压直流负荷供电。 [0054] 附图4b和图4c分别给出了两种电力集能器电力电子固态模块的主电路拓扑结构，图4b为本发明图2中三相四线制电力集能器电力电子固态模块主电路拓扑；图4c为本发明图2中基于电容中线的电力集能器电力电子固态模块主电路拓扑；该主电路在图4a的基础上对电力电子固态模块的每个级进行了较详细的电路设计。所有变换器均采用全控型绝缘栅极晶体管(IGBT)为主器件，采用适当的控制策略既可以实现电能的双向流动，其中并网级的三相AC/DC变换器1主要由进线平波电感和三桥臂电路变换器组成；DC-Link1由直流电容器组udc1组成；隔离级DC/AC变换器1和AC/DC变换器2均由H桥电路变换器组成，并经高频变压器(十千赫兹以上级别)互相连接；DC-Link2由直流电容器组udc2组成；交流源荷级主要由四桥臂电路变换器和交流滤波电路构成，形成三相四线制输出；直流源荷级主要由中压直流线路、半桥电路斩波器和直流滤波电路构成，提供中压直流线路和低压直流线路。 [0055] 通过电力集能器可以构建新型交、直流混合微电网，由电力集能器来统一进行并网管理，统一提供交、直流母线，而其他分布式电源接入的电力电子装备只需考虑机侧变流控制，简化了大量分布式电源接入设备的结构和控制过程，微电网与配电网的并网和能量交换由电力集能器统一管理，进行一体化控制，大大提高管理效能，并且可以完全隔离微电网与配电网间的干扰和故障，电能质量统一控制。 [0056] 如附图5所示，图5基于电力集能器的新型交直流混合微电网架构。电力集能器经公共链接点PCC与配电变压器低压侧相连，电力集能器由并网级、隔离级、交流源荷级和直流源荷级四部分构成，且每个部分均由电力电子变换器等固态模块构成，因此它可以灵活变换电流形态，实现双向电能的传递，在提供双向交流线路的同时，还可以提供多种电压等级的双向直流线路，并且统一进行分布式电源并网和电能质量控制。中压直流线路可以方便分布式电源(风电、光伏、燃料电池等)、分布式储能(飞轮储能、电池等)和中压直流负荷的即插即用接入，这些分布式电源和储能装置通过机侧变流器接入中压直流线路，而不再需要传统的网侧变流器，机侧变流器只需控制机侧发电和功率运行，而与配电网的并网功能都由电力集能器的并网级统一管理，从而大大减化了分布式电源和储能装置变流器的结构和控制，便于集中化管理和即插即用接入。低压直流线路可以直接给相关低压直流负荷供电；而交流母线可以方便工频交流型电源直接接入，如：微型燃气轮机等，同样可以提供高质量的交流供电。 |
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