CN105391079A - 一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，包括功率调节器、AC/DC双向隔离变换器和新能源供电***，功率调节器包括两个电压源变流器和一个直流电容，两个电压源变流器与外电网相连，直流电容的两端通过AC/DC双向隔离变换器与新能源供电***相连，AC/DC双向隔离变换器用于实现直流电容与新能源供电***之间的能量流动。本发明还公开一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***的供电方法，包括三种工作模式，分别为充电工作模式、供电工作模式和馈电工作模式。本发明的供电***以及方法均具有实现新能源供电***与外电网之间能量顺利流通、保障能量高效利用以及提高新能源供电***稳压调频能力、改善电能质量、维持***稳定等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及新能源技术领域，特指一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***及方法。
背景技术
随着化石燃料资源的日趋紧张，人们对可再生能源的应用要求越来越强烈，目前可供使用的新能源(如风能、太阳能等)被逐步应用于现有电网，但风电、太阳能等新能源发电自身所固有的间歇性、不连续性和不稳定性等特征，使得大量的风电、光伏设施装机后无法持续使用或并网发电。另外，由于新能源本身的不稳定性，使其对传统配电网产生了很多不良影响，包括使得线路调压、无功补偿复杂化；继电保护选型和配置困难；电网短路容量增大；对电能质量有较大干扰；接受电力***调度困难，使得新能源的大规模发展和推广受到制约。另外现有的新能源供电***大多采用铅酸蓄电池储能，存在环境污染，循环性差，增加投资和维护成本；而且现有的能源互连仅限于新能源发电装置和储能单元间的内部能量流动，局限于传统的能源网络，转换利用率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现新能源供电***与外电网之间能量流动，充分利用新能源供电***并充分保障新能源供电***可靠运行的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，并相应提供一种操作简便的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，包括功率调节器、AC/DC双向隔离变换器和新能源供电***，所述功率调节器包括两个电压源变流器和一个直流电容，所述直流电容与两个电压源变流器并联，两个电压源变流器与外电网相连，所述直流电容的两端通过AC/DC双向隔离变换器与所述新能源供电***相连，所述AC/DC双向隔离变换器用于实现直流电容与新能源供电***之间的能量流动；所述AC/DC双向隔离变换器包括依次相连的全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3，所述全桥电路H1用于实现整流或逆变功能，所述全桥电路H2和全桥电路H3组合用于实现DC/DC变换功能。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3均为由四个IGBT模块构成的H桥电路。
所述全桥电路H2与全桥电路H3之间通过隔离变压器连接。
两个电压源变流器均通过输出电抗器和单相多绕组变压器连接外电网。
所述外电网与新电源供电***之间的能量流动包括三种工作模式：充电工作模式，所述新能源供电***向所述直流电容充电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于AC/DC/DC工作状态且全桥电路H1处于整流状态；供电工作模式，所述直流电容向新能源供电***的负载供电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于无源逆变状态；馈电工作模式，所述直流电容向新能源供电***的电网馈电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于有源逆变状态。
所述新能源供电***包括风能供电***或太阳能供电***。
本发明还公开了一种基于如上所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***的供电方法，包括三种工作模式：
充电工作模式：当新能源供电***的电网功率大于新能源供电***的负载时，所述新能源供电***交流电经AC/DC双向隔离变换器AC/DC转换变成高压直流电，再经正向DC/DC转换将低压直流电给直流电容充电；
供电工作模式：当新能源供电***异常时，所述直流电容的低压直流电经DC/DC双向隔离变换器DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成高压交流电，直接供给新能源供电***的负载；
馈电工作模式：当新能源供电***的电网功率不足时，所述直流电容的低压直流经AC/DC双向隔离变换器的DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电，回馈至新能源供电***的电网。
作为上述技术方案的进一步改进：
处于充电工作模式时，当所述直流电容的电压高于预设电压时，所述直流电容向外电网释放电能；处于供电工作模式或馈电工作模式时，当所述直流电容的电压低于预设电压时，所述外电网向直流电容充电。
当处于充电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H1处于整流状态，用于将高压交流电整流成高压直流电，所述全桥电路H2和全桥电路H3处于正向DC/DC转换状态，用于将高压直流电转换成低压直流电。
当处于供电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，所述全桥电路H1处于无源逆变状态，用于将高压直流电转换成高压交流电。
当处于馈电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，所述全桥电路H1处于有源逆变状态，用于将高压直流电转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，能够实现新能源供电***与外电网之间的能量互连共享，既可将新能源供电***的多余电能馈入外电网供其它用户使用，在新能源供电***电网电能不足时又可通过直流电容从外电网实时补充电能，持续向新能源供电***的负载供电；AC/DC双向隔离变换器可将新能源供电***与外电网相互隔离，降低了新能源供电***的冲击电压对外电网的干扰；当有故障出现时，可快速切断能源之间的双向流动。本发明的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法，不仅具有如上***所述的优点，而且当新能源供电***电压跌落、涌流和瞬时供电中断时，直流电容储能可以起到缓冲作用，补充不足电量，改善电能质量，维持***稳定；当新能源供电***电网功率下降时，通过直流电容可向新能源供电网络馈电，缓解电网压力，提高电网功率。
附图说明
图1为本发明的供电***的结构示意图。
图2为本发明的供电***中AC/DC双向隔离变换器的电路原理图。
图3为本发明的供电***处于充电工作模式时的能量流向图。
图4为本发明的供电***处于供电工作模式时的能量流向图。
图5为本发明的供电***处于馈电工作模式时的能量流向图。
图6为本发明的供电方法在充电工作模式下全桥电路H1的控制方框图。
图7为本发明的供电方法在充电工作模式下全桥电路H2和H3的控制方框图。
图8为本发明的供电方法在供电工作模式下全桥电路H1的控制方框图。
图9为本发明的供电方法在供电工作模式下全桥电路H2和H3的控制方框图。
图10为本发明的供电方法在馈电工作模式下全桥电路H1的控制方框图。
图11为本发明的供电方法在馈电工作模式下全桥电路H2和H3的控制方框图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图5所示，本实施例的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，包括功率调节器、AC/DC双向隔离变换器和新能源供电***，功率调节器包括两个电压源变流器和一个直流电容，直流电容与两个电压源变流器并联，两个电压源变流器与外电网相连，直流电容的两端通过AC/DC双向隔离变换器与新能源供电***相连，AC/DC双向隔离变换器用于实现直流电容与新能源供电***之间的能量流动；AC/DC双向隔离变换器包括依次相连的全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3，全桥电路H1用于实现整流或逆变功能，全桥电路H2和全桥电路H3组合用于实现DC/DC变换功能。本发明的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，能够实现新能源供电***与外电网之间的能量互连共享，既可将新能源供电***的多余电能馈入外电网供其它用户使用，在新能源供电***电网电能不足时又可通过直流电容从外电网实时补充电能，持续向新能源供电***的负载供电；AC/DC双向隔离变换器可将新能源供电***与外电网相互隔离，降低了新能源供电***的冲击电压对外电网的干扰；当有故障出现时，可快速切断能源之间的双向流动；另外实现能量的高效利用，有效的提高了新能源供电***电网的稳压调频能力，拉低电网功率峰谷差，改善电能质量，维持***稳定。当新能源供电***电压跌落、涌流和瞬时供电中断时，直流电容储能可以起到缓冲作用，补充不足电量，改善电能质量，维持***稳定；当新能源供电***电网功率下降时，通过直流电容可向新能源供电网络馈电，缓解电网压力，提高电网功率。
如图2所示，本实施例中，全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3均为由四个IGBT模块构成的H桥电路，通过控制IGBT的导调节输出电压，另外还包括工频电感Ls，高频电感Lt，电容C1、C2、C3以及高频隔离变压器T，其中工频电感Ls在整流的过程中起储能作用，在逆变过程中起滤波作用，高频电感Lt在双向DC/DC工作过程中，起到传递能量的作用；高频隔离变压器T起到隔离以及传递能量的作用，由个整个电路由全桥组成，具有更高的灵活性。在其它实施例中，也可以选择其它不同的功率单元器件，从而组成不同电压等级以及不同容量的装置。
本实施例中，两个电压源变流器均通过输出电抗器和单相多绕组变压器连接外电网，通过电压源变流器连接外电网，直流电容可实现与外电网的能量交换，如对直流电容进行充电，或直流电容向外电网馈电。AC/DC双向隔离变换器采用高频变压器，可将新能源供电***与外电网相互隔离，降低了新能源供电***的冲击电压对外电网的干扰；当有故障出现时，可快速切断能源双向流动。
本实施例中，外电网与新电源供电***之间的能量流动包括三种模式：充电工作模式，如图3所示，新能源供电***向直流电容充电，此时AC/DC双向隔离变换器处于AC/DC/DC工作状态且全桥电路H1处于整流状态；供电工作模式，如图4所示，直流电容向新能源供电***的负载供电，此时AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于无源逆变状态；馈电工作模式，如图5所示，直流电容向新能源供电***的电网馈电，此时AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于有源逆变状态。
本实施例中，新能源供电***包括风能供电***或太阳能供电***或者其它能源***。
本实施例的基于如上所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***的供电方法，包括三种工作模式：
充电工作模式：当新能源供电***的电网功率大于新能源供电***的负载时，即新能源供电***能够提供多于负载所需的能量时，新能源供电***交流电经AC/DC双向隔离变换器的AC/DC转换变成高压直流电，再经正向DC/DC转换成低压直流电给直流电容充电，从而将多余的能量储存在直流电容内，整个AC/DC双向隔离变换器处于AC/DC/DC工作状态；
供电工作模式：当新能源供电***异常时(如新能源供电***电网突然断电时)，直流电容的低压直流电经DC/DC双向隔离变换器的DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成高压交流电，直接供给新能源供电***的负载，整个AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态；
馈电工作模式：当新能源供电***的电网功率不足时(如在夜晚或者风力较弱的情况下)，新能源供电***无法为负载提供足够的能量，此时直流电容的低压直流经AC/DC双向隔离变换器的DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电，回馈至新能源供电***的电网，整个AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态。
本实施例中，处于充电工作模式时，当所述直流电容的电压高于预设电压时，所述直流电容向外电网释放电能；处于供电工作模式或馈电工作模式时，当所述直流电容的电压低于预设电压时，所述外电网向直流电容充电。
本实施例中，当处于充电工作模式时，AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H1处于整流状态，用于将高压交流电整流成高压直流电，全桥电路H2和全桥电路H3处于正向DC/DC转换状态，用于将高压直流电转换成低压直流电，即能量从新能源供电***向外电网流动，其控制过程包括两个独立的闭环控制环节，如图6和图7所示，分别为AC/DC闭环控制和DC/DC闭环控制，实现了充电过程的解耦控制，具体如下：
(a)在AC/DC整流控制过程中，全桥电路H1工作在可控整流状态，需要为正向DC/DC变换提供直流母线电压，因此控制量为直流母线电压UDC和电网输入电流iS，以变换器的电网输入电流iS为内环，以直流母线电压UDC为外环，一起构成双闭环控制***。将UDC实际值与UDC参考值的偏移量经过PI调节后，乘以电网电压US相位，作为电网输入电流的参考值iS参考值，电流iS参考值与iS实际值的偏移量经过PI调节，再加上电压US前馈调节SPWM波。在控制过程中，由于电网的输入电流相位时刻跟踪电网电压相位，且有电压前馈环节，有较好的动态性能，实现了单位功率因数整流，为母线提供稳定的直流电压。
(b)在正向DC/DC控制过程中，全桥H2和H3工作在正向DC/DC变换状态，以直流电容充电电流iB为内环和直流电容充电电压UB为外环构成双闭环控制***。将充电电压UB实际值与UB参考值的偏差经过PI调节，来作为充电电流的参考值iB参考值，将电流iB参考值与iB实际值的偏差经过PI调节后，产生移相角φ来控制PWM波。在双闭环控制过程中，对充电电压进行控制，以恒定的电压值给直流电容充电，同时还限制充电电流的大小，减小能量的消耗。
本实施例中，当处于供电工作模式时，AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，全桥电路H1处于无源逆变状态，用于将高压直流电转换成高压交流电，即能量从外电网向新能源供电***的负载流动。如图8和图9所示，整个供电控制过程同样由两个独立的闭环控制环节，分别为DC/DC闭环控制和DC/AC闭环控制，实现了供电过程的解耦控制，具体如下：
(a)在DC/AC无源逆变控制过程中，全桥电路H1工作在SPWM无源逆变状态，控制量为变换器输出电压UO的有效值和相位，同样也是双闭环控制。UO和UOrms分别为双向AC/DC变换器在供电模式时输出的电压瞬时值和有效值，将双向AC/DC变换器输出电压有效值UOrms实际值与UOrms参考值的偏移量经过PI调节后，乘以正弦相位来作为输出电压瞬时值的参考值UO参考值，将变换器输出电压瞬时值UO实际值与UO参考值的偏差经过PI调节后，来控制SPWM波。
(b)在反向DC/DC控制过程中，全桥电路H2和H3工作在反向DC/DC变换状态，由于要为全桥电路H1的无源逆变提供母线电压及实现输出功率稳定，限制直流电容的放电电流，因此反向DC/DC变换的控制量为直流母线电压UDC和RPC直流电容充电电流iB。将外环直流母线电压UDC实际值与UDC参考值的偏移量经过PI调节后，其输出作为直流电容放电电流的参考值iB参考值，将电流iB参考值与iB实际值的偏差经过PI调节后，产生移相角来控制PWM波。
本实施例中，当处于馈电工作模式时，AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，全桥电路H1处于有源逆变状态，用于将高压直流电转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电，即能量从外电网向新能源供电***流动，如图10和图11所示，馈电控制过程也包括两个独立的闭环控制环节，分别为DC/DC闭环控制和DC/AC闭环控制，实现了馈电过程的解耦控制。
(a)在DC/AC并网逆变控制过程中，全桥电路H1工作在SPWM有源逆变状态，由于变换器的输出端与电网相连，输出电压始终与电网电压相同，因此控制量为变换器输出的并网电流iS。iS和iSrms分别为变换器输出的并网电流瞬时值和有效值，以并网电流瞬时值为内环，其有效值为外环，一起构成双闭环控制***。将并网电流有效值iSrms实际值和iSrms参考值的偏移量经过PI调节后，乘以电网电压US的反相位来作为电流瞬时值的参考值iS参考值，将并网电流瞬时值iS参考值和iS实际值的偏移量经过PI调节后，来控制SPWM波。由于电网电流始终跟随电网电压的反相位，所以电网可从变换器中吸收有功功率。
(b)馈电模式下全桥电路H2和H3工作在反向DC/DC变换状态，与供电模式时的DC/DC控制策略相同，在此不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，包括功率调节器、AC/DC双向隔离变换器和新能源供电***，所述功率调节器包括两个电压源变流器和一个直流电容，所述直流电容与两个电压源变流器并联，两个电压源变流器与外电网相连，所述直流电容的两端通过AC/DC双向隔离变换器与所述新能源供电***相连，所述AC/DC双向隔离变换器用于实现直流电容与新能源供电***之间的能量流动；所述AC/DC双向隔离变换器包括依次相连的全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3，所述全桥电路H1用于实现整流或逆变功能，所述全桥电路H2和全桥电路H3组合用于实现DC/DC变换功能。
2.根据权利要求1所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，所述全桥电路H1、全桥电路H2和全桥电路H3均为由四个IGBT模块构成的H桥电路。
3.根据权利要求2所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，所述全桥电路H2与全桥电路H3之间通过隔离变压器连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，两个电压源变流器均通过输出电抗器和单相多绕组变压器连接外电网。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，所述外电网与新电源供电***之间的能量流动包括三种工作模式：充电工作模式，所述新能源供电***向所述直流电容充电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于AC/DC/DC工作状态且全桥电路H1处于整流状态；供电工作模式，所述直流电容向新能源供电***的负载供电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于无源逆变状态；馈电工作模式，所述直流电容向新能源供电***的电网馈电，此时所述AC/DC双向隔离变换器处于DC/DC/AC工作状态且全桥电路H1处于有源逆变状态。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***，其特征在于，所述新能源供电***包括风能供电***或太阳能供电***。
7.一种基于如权利要求1至6中任意一项所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电***的供电方法，其特征在于，包括三种工作模式：
充电工作模式：当新能源供电***的电网功率大于新能源供电***的负载时，所述新能源供电***交流电经AC/DC双向隔离变换器AC/DC转换变成高压直流电，再经正向DC/DC转换将低压直流电给直流电容充电；
供电工作模式：当新能源供电***异常时，所述直流电容的低压直流电经DC/DC双向隔离变换器DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成高压交流电，直接供给新能源供电***的负载；
馈电工作模式：当新能源供电***的电网功率不足时，所述直流电容的低压直流经AC/DC双向隔离变换器的DC/DC转换成高压直流电，再经反向DC/AC转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电，回馈至新能源供电***的电网。
8.根据权利要求7所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法，其特征在于，处于充电工作模式时，当所述直流电容的电压高于预设电压时，所述直流电容向外电网释放电能；处于供电工作模式或馈电工作模式时，当所述直流电容的电压低于预设电压时，所述外电网向直流电容充电。
9.根据权利要求7或8所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法，其特征在于，当处于充电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H1处于整流状态，用于将高压交流电整流成高压直流电，所述全桥电路H2和全桥电路H3处于正向DC/DC转换状态，用于将高压直流电转换成低压直流电。
10.根据权利要求9所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法，其特征在于，当处于供电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，所述全桥电路H1处于无源逆变状态，用于将高压直流电转换成高压交流电。
11.根据权利要求10所述的基于新能源互连的功率融通型平衡供电方法，其特征在于，当处于馈电工作模式时，所述AC/DC双向隔离变换器中的全桥电路H2和全桥电路H3处于反向DC/DC转换状态，用于将低压直流电转换成高压直流电，所述全桥电路H1处于有源逆变状态，用于将高压直流电转换成与新能源供电***的电网电压等幅、同频同相的交流电。
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