CN108432117B - 操作微电网的方法及管理岛模式下操作互连微电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了由无源滤波器LCCL或LCC和电压源DC/AC变换器形成的新的电路拓扑结构，其被称为基本形成单元。与传统的基于LCL滤波器的DC/AC变换器相比，新的变换器电路可以处理更宽范围的功率，而不会受到谐波电压和电流的干扰。对于高电压和高功率应用，基于多个基本形成单元开发具有多级和多个并联支路的电路。这种电路可以用于通用应用。它们也可以用于微电网应用。此外，还开发了一系列具有LCL滤波器的新型多级DC/AC变换器，以处理高电压和高电流水平下的高功率转换。通过将这些电路应用于以恒定频率运行的微电网中作为电网形成，电网支持和电网馈电发电机，微电网***可以处理高得多的功率并且能够适应可再生能源生产和负载变化的剧烈变化。这种微电网使用本发明中描述的新发明的方法进行操作。

Description

操作微电网的方法及管理岛模式下操作互连微电网的方法
技术领域
本发明涉及滤波器电路拓扑结构，并具体涉及将新的无源LCCL或LCC滤波器电路拓扑结构应用于单级电压源DC/AC变换器，整流器或逆变器，以及将这些滤波器应用于新系列多级电压源DC/AC变换器，用于高压和大功率应用的整流器或逆变器。
本发明主要开发用于微电网***，该微电网***包括多种不同类型的电源，包括太阳能，风能，水力，矿物燃料电力或核聚变或裂变电源以及能量存储等的任意组合。本发明将在下文中参照该特定应用进行描述。然而，应该理解的是，本发明不限于这个特定的应用领域，并且可以用于通用应用。
背景技术
在整个说明书中对背景技术的任何讨论都不应该被认为是承认这样的背景技术是现有技术，也不认为这种背景技术是广为人知的，或者成为澳大利亚或世界范围内本领域公知常识的一部分。
本说明书中引用的所有参考文献，包括任何专利或专利申请，均通过引用并入本文。不承认任何参考文献构成现有技术。对参考文献的讨论陈述了作者的主张，申请人保留质疑所引用文献的准确性和针对性的权利。我们将清楚地认识到，虽然本文提及了许多背景出版物，但是该引用并不构成承认这些文献中的任何一个是现有技术，也不构成澳大利亚或任何其他国家的本领域公知常识的一部分。
具有典型LCL滤波器的传统电压源DC/AC逆变器只能在低电压应用下处理低功率。为了提高高压下的功率处理能力，需要开发新的电路。
此外，为了以相对较高的功率运行具有LCL滤波器的传统并网电压源DC/AC逆变器，与逆变器一起使用的滤波器的串联电感必须保持较小以避免其两端的过大基波电压降。因此，以较低额定功率百分比进入电网的谐波分量可能超过其基本分量。而且，这种具有小串联阻抗的电路可能产生过高的短路电流，这有可能损坏电路的其他部分。当这种变换器在微电网中用作电网形成发电机时，当其运行功率水平仅为其额定功率的一小部分时，其可能失去其发挥电网形成作用的能力。因此，需要为通用和微电网应用开发新的电路拓扑结构。
微电网是包括多个负载和分布式能源(DER)的电力***，其可以与更广泛的公用电网或电岛并联运行。由于通常构成微电网的一部分的可再生能源通常是固有瞬态的(例如太阳能发电)并且通常不可预测(例如，风力发电)，所以很难管理整个微电网的电力可用性。
孤岛微电网是一种微电网，在微电网外部发生干扰时与主电网分离。
由于可再生能源固有的显著发电量差异，微电网中的电网形成发电机和电网支持发电机需要很强的适应性。目前，传统的电路拓扑及其控制方法无法正常运作以适应这种突变。此外，传统的基于电压和频率下垂的微电网管理方法具有以下缺点：a)由于在一个周期内使用有功功率和无功功率的平均值而引起的瞬态性能差或不稳定性问题；b)忽视负载动态变化，这可能导致较大和/或快速负载变化后的故障；c)无法在不受***负载条件限制的情况下在一定限度内缩小电源频率。
本发明克服或改善了现有技术的至少一个或多个缺点，或提供了有用的替代方案。本发明进一步提供用于以高功率水平操作微电网的***和方法，例如高达几十兆瓦或更高。
本文公开了新的LCCL或LCC滤波器用于电压源DC/AC变换器或其用于通用目的的变换器的修改形式以及微电网操作和管理。对于单相，三相和其他多相应用，所述变换器，也可以说整流器或逆变器可以是单级或多级。
需要将本文公开的电路用作微电网中的部件，并将它们与发明的控制方法结合以克服微电网的设计和操作中的缺点。
发明内容
本发明克服或改善了现有技术的至少一个或多个缺点，或提供了有用的替代方案。
一个实施例提供了被配置用于执行如本文所述的方法的***。
本文公开的***和方法提供由无源滤波器LCCL或LCC和电压源DC/AC变换器形成的新电路布局，其被称为基本形成单元。
与传统的基于LCL滤波器的DC/AC变换器相比，本文所公开的变换器电路可以处理更宽范围的功率，而不会受到谐波电压和电流的干扰。对于高电压和高功率应用，基于多个基本形成单元开发具有多级和多个并联支路的电路。这种电路可以用于通用应用。它们也可以用于微电网应用。
此外，还开发了具有LCL滤波器的新系列多级DC/AC变换器以处理高电压和高电流水平下的高功率转换。
通过将这种电路应用于以恒定频率或接近恒定频率运行的微电网中作为电网形成，电网支持和电网馈电发电机，微电网***可以处理更高的功率并且能够适应可再生能源发电的剧烈变化和负载变化。
根据本发明的第一方面，提供了一种第一三相DC/AC变换器电路。该电路可以以例如50Hz或60Hz的基本频率工作。该电路可以适用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率。该电路可以包括具有分离中性点或等效DC负载的DC电源或等效DC源或一个DC链路电容器或两个DC链路电容器。该电路还可以包括具有DC侧和AC侧的三相电压源DC/AC变换器。AC侧可以通过三相LCCL滤波器连接AC电网或AC负载。三相LCCL滤波器的每个相可以各自包括在DC/AC变换器的AC侧的串联电感器和位于串联电感器之后的串联电容器。串联电容器可以与串联电感器串联连接。电路的每个相可以进一步包括位于串联电容器之后的并联电容器。并联电容器可以在串联电容器之后并联连接。电路的每个相可以进一步包括位于并联电容器之后的终端电感器。终端电感器可以在串联电容器和并联电容器之后串联连接。终端电感器可以连接到AC电网或AC负载。三个所述并联电容器，即三相电路的每相一个并联电容器，可以配置成Y或三角连接方式。
根据本发明的第二方面，提供了一种第二三相DC/AC变换器电路。该电路可以以例如50Hz或60Hz的基本频率工作。该电路可以适用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率。该电路可以包括具有分离中性点或等效DC负载的DC电源或等效DC电源或一个DC链路电容器或两个DC链路电容器。该电路还可以包括具有DC侧和AC侧的三相电压源DC/AC变换器。AC侧可通过三相LCC滤波器连接AC电网或AC负载。三相LCC滤波器的每个相可以包括在DC/AC变换器的AC侧的串联电感器。三相LCC滤波器的每个相可以进一步包括位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器。三相LCC滤波器的每个相可以进一步包括位于串联电容器之后的并联电容器。并联电容器可以在串联电容器之后并联连接。三个所述并联电容器，即三相电路每相一个并联电容器，可以配置成Y或三角连接方式。
根据本发明的第三方面，提供了一种第一n相DC/AC变换器电路，用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率，包括相同的n个第一单相DC/AC变换器电路，相同的n个第一增强单相DC/AC变换器电路和相同的n个第一增广单相DC/AC变换器电路中的任意一组。此外，n是大于或等于3的整数，例如，n等于3，4，5，6，7，8，9，10或大于10的任何整数。此外，相同的n个第一单相DC/AC变换器电路的每个第一单相DC/AC变换器电路包括多个级或单元，其中多个级或单元中的第一级或单元包括第一电路，第一电路包括DC源或DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，单相LCCL滤波器，单相LCCL滤波器包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器，位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器，并联电容器位于串联电容器之后且并联在串联电容器之后，终端电感器位于并联电容器之后并串联在串联电容器和并联电容器之后。此外，多个级或单元中的每个后续级或单元包括通过修改第一电路而获得的第一修改电路，使得终端电感器被排除或被短路替换。此外，通过串联连接各级或单元的相应的并联电容器来将多个级或单元电连接。此外，多个级或单元共享来自第一级或单元的第一电路的终端电感器并且与AC电网或AC负载连接。此外，n个第一增强单相DC/AC变换器电路的每个第一增强单相DC/AC变换器电路包括并联电连接的多个第一单相DC/AC变换器电路。此外，n个第一增广单相DC/AC变换器电路中的每个第一增广单相DC/AC变换器电路包括多个第一修改电路，多个第一修改电路并联连接，并且终端电感器置于多个第一修改电路的并联连接之后，且与AC负载或AC电网连接。
根据本发明的第四方面，提供了一种第一增强型DC/AC变换器电路，用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率，包括并联电连接的多个第一单相DC/AC变换器电路。此外，多个第一单相DC/AC变换器电路中的每个第一单相DC/AC变换器电路包括多个级或单元。此外，多个级或单元中的第一级或单元包括第一电路，第一电路包括DC源或等效DC源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的的单相电压源DC/AC变换器，单相LCCL滤波器，单相LCCL滤波器包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器，位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器，并联电容器位于串联电容器之后，且并联在串联电容器之后，终端电感器位于并联电容器之后并串联在串联电容器和并联电容器之后。此外，多个级或单元中的每个后续级或单元包括通过修改第一电路而获得的第一修改电路，使得终端电感器被排除或被短路替换。此外，通过串联连接各级或单元的各个并联电容器来将多个级或单元电连接。而且，多个级或单元共享来自第一级或单元的第一电路的终端电感器并且与AC电网或AC负载连接。
根据本发明的第五方面，提供了一种第一增广型DC/AC变换器电路，用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率，其包括多个第一修改电路，所述多个第一修改电路并联连接，并且终端电感器置于多个第一修改电路的并联连接之后，且与AC电网或AC负载连接。此外，第一修改电路是通过修改第一电路而获得的，使得终端电感器被排除或被短路替换。此外，第一电路包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，单相LCCL滤波器，单相LCCL滤波器包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器，位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器，并联电容器位于串联电容器之后，且并联在串联电容器之后，终端电感器位于并联电容器之后，并串联在串联电容和并联电容之后。
根据本发明的第六方面，提供了一种第一单相DC/AC变换器电路，用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率，包括多个级或单元。此外，多个级或单元中的第一级或单元包括第一电路，第一电路包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，单相LCCL滤波器，单相LCCL滤波器包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器，位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器，并联电容器位于串联电容器之后，且并联在串联电容器之后，终端电感器位于并联电容器之后并串联在串联电容器和并联电容器之后，以及多个级或单元的每个后续级或单元，包括通过修改第一电路获得的第一修改电路，使得终端电感器被排除或被短路替换。此外，多个第一级或单元通过串联连接各级或单元的各个并联电容器而电连接。而且，多个级或单元共享来自第一初级或单元的第一电路的公共终端电感器并且与AC电网或AC负载连接。
根据本发明的第七方面，提供了一种第二单相DC/AC变换器电路，用于将DC功率转换成AC功率或将AC功率转换成DC功率，其包括并联电连接的多个分支，所述多个分支的每个分支包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，LC滤波器，包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器，和位于串联电感器之后并与串联电感器串联连接的串联电容器。此外，多个分支通过位于每个分支的相应串联电容器之后的公共并联电容器连接，并共享与AC电网或AC负载连接的终端电感器。
根据本发明的第八方面，提供了一种第二n相DC/AC变换器电路，其包括相同的n个第二单相DC/AC变换器电路，其中所述相同的n个第二单相DC/AC变换器电路的每个第二单相DC/AC变换器电路包括并联电连接的多个分支，所述多个分支中的每个分支包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，LC滤波器，包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器以及位于串联电感器之后且与串联电感器串联的串联电容器。此外，多个分支通过位于每个分支的相应串联电容器之后的公共并联电容器连接，并共享与AC电网或AC负载连接的终端电感器。此外，n是大于或等于3的整数。
根据本发明的第九方面，提供了一种第二增强单相DC/AC变换器电路，其包括多个级或单元。此外，多个级或单元中的第一级或单元包括第二单相DC/AC变换器电路。此外，第二增强单相DC/AC变换器电路包括并联电连接的多个分支，所述多个分支中的每个分支包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，LC滤波器，包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器和位于串联电感器之后且与串联电容器串联的串联电容器。此外，多个分支通过位于每个分支的相应串联电容器之后的公共并联电容器连接，并共享与AC电网或AC负载连接的终端电感器。此外，每个后续级或单元包括通过修改第二单相DC/AC变换器电路获得的第二修改电路，其中终端电感器被排除或被短路替换。此外，多个级或单元通过串联连接各个并联电容器而电连接。而且，多个级或单元共享来自第一级或单元的终端电感器并且与AC电网或AC负载连接。
根据本发明的第十方面，提供了一种第三n相DC/AC变换器电路，其由n个相同的第二增强单相DC/AC变换器电路组成，其中n是大于或等于3的整数。此外，n个相同的第二增强单相DC/AC变换器电路中的每个第二增强单相DC/AC变换器电路包括多个级或单元。此外，多个级或单元中的第一级或单元包括第二单相DC/AC变换器电路。此外，第二单相DC/AC变换器电路包括并联电连接的多个分支，多个分支中的每个分支包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有DC侧和AC侧的单相电压源DC/AC变换器，LC滤波器，LC滤波器包括位于单相电压源DC/AC变换器的AC侧的串联电感器和位于串联电感器之后且与串联电感器串联的串联电容器。此外，多个分支通过位于每个分支的相应串联电容器之后的公共并联电容器连接，并共享与AC电网或AC负载连接的终端电感器。此外，每个后续级或单元包括通过修改第二单相DC/AC变换器电路获得的第二修改电路，其中终端电感器被排除或被短路替换。此外，多个级或单元通过串联连接相应的并联电容器而电连接。而且，多个级或单元共享来自第一级或单元的终端电感器并且与AC电网或AC负载连接。
根据本发明的第十一方面，提供了一种单相多单元或多级变换器电路，其包括多个相同的级或单元，所述多个相同的级或单元中的每一个包括H桥DC/AC变换器单元和等效LC滤波器，每个H桥DC/AC变换器单元包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有AC侧和DC侧的H桥变换器在H桥变换器的AC侧放置等效LC滤波器。此外，每个等效LC滤波器包括在相应H桥DC/AC变换器的AC侧处的等效电感器和在等效电感器之后的并联电容器，所述并联电容器在等效电感器之后并联连接。此外，多个相同的级或单元通过每个相同的级或单元中的相应并联电容器串联而连接。而且，第一级或单元在所述并联电容器后添加终端电感器。
根据本发明的第十二方面，提供了一种第三单相DC/AC变换器电路，其包括多个单相多单元或多级变换器电路，每个单相多单元或多级变换器电路包括多个相同级或单元，所述多个相同级或单元中的每一个包括H桥DC/AC变换器单元和等效LC滤波器，每个H桥DC/AC变换器单元包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有AC侧和DC侧的H桥变换器在H桥变换器的AC侧放置等效LC滤波器。此外，每个等效LC滤波器包括在相应H桥DC/AC变换器的AC侧处的等效电感器和在等效电感器之后的并联电容器，所述并联电容器在等效电感器后并联连接。此外，多个相同的级或单元通过每个相同的级或单元中的相应并联电容器串联而连接。而且，第一个相同的级或单元在并联电容器之后添加有终端电感器。此外，多个单相多单元或多级变换器电路并联连接。
根据本发明的第十三方面，提供了一种第四n相DC/AC变换器电路，其由n个相同的单相多单元或多级变换器电路或n个相同的第三单相DC/AC变换器电路组成。此外，每个单相多单元或多级变换器电路包括多个相同的级或单元，多个相同的级或单元中的每一个包括H桥DC/AC变换器单元和等效LC滤波器，每个H桥DC/AC变换器单元包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有AC侧和DC侧的H桥变换器在H桥变换器的AC侧放置等效LC滤波器。此外，每个等效LC滤波器包括在相应的H桥DC/AC变换器的AC侧处的等效电感器和在等效电感器后面的并联电容器，所述并联电容器在等效电感器后并联连接。此外，多个相同的级或单元通过每个相同的级或单元中的相应并联电容器串联而连接。此外，第一个相同的级或单元在并联电容器之后添加有终端电感器。此外，每个第三单相DC/AC变换器电路包括多个单相多单元或多级变换器电路，每个单相多单元或多级变换器电路包括多个相同的级或单元，多个相同的级或单元中的每一个包括H桥DC/AC变换器单元和等效LC滤波器，每个H桥DC/AC变换器单元包括DC电源或等效DC电源或等效DC负载，具有AC侧和的DC侧的H桥变换器，在H桥变换器的AC侧放置等效LC滤波器，并且每个等效LC滤波器包括在相应的H桥DC/AC变换器的AC侧处的等效电感器和在等效电感器后面的并联电容器，所述并联电容器在等效电感器后并联连接。此外，多个相同的级或单元通过每个相同的级或单元中的相应并联电容器串联而连接。而且，第一个相同的级或单元在并联电容器之后添加有终端电感器。此外，n是大于或等于3的整数。
根据本发明的第十四方面，提供了一种用于操作微电网的方法，所述方法包括：电网形成发电机，产生具有50Hz或60Hz或其他基频的恒定***频率的参考电压；并且所述电网形成发电机基于其终端电压相对于其额定值或其他预定电压值的变化而产生输出有功功率参考或者产生固定的有功和无功功率参考；并且电网支持发电机将各自与微电网的耦合点处的电压作为参考；并且电网支持发电机基于它们各自的端电压相对于它们各自的额定值或其他预定值的变化产生它们各自的有功功率参考，并且每个电网支持发电机中的每一个具有其各自的用于输出有功功率参考的上限；并且在微电网中的不同位置处采用动态无功功率补偿或功率因子校正，以使功率因子在每个主总线或每个主负载或每组负载或每组等效负载处接近1。
在一个实施例中，该方法进一步包括由电网形成发电机将***所需的无功功率双向传输到伴随的或远程定位的无功功率补偿器并输出接近零或其他少量的无功功率。
在一个实施例中，该方法进一步包括包含常规发电机的域的步骤，其中采用常规发电机例如水力发电和柴油机发电机以域的形式向微电网中的负载供电，其中每个域中包含一个或者多个这样的发电机来为该域中的负载供电；并且每个域在其每个连接点通过背靠背变换器或通过其他AC功率到AC功率变换器而与微电网的其他部分互连；由此在每个域和微电网的其他部分之间交换电力。
在一个实施例中，该方法还包括在重力重质量势能存储***中将额外能量存储在微电网中的步骤，其中当微电网中存在额外的能量时，通过将电机操作为电动机，将重质量物从低重力水平或低地或低平台运输到高重力水平或高地或高平台；当微电网中缺乏有功功率时，为了将电力馈送到微电网，通过将电机操作为发电机，将重质量物从高重力平台或高地运输到低平台或低地。
根据本发明的第十五方面，提供了一种管理在岛模式下操作的互连微电网的方法，其中采用背靠背变换器或其他AC功率到AC功率变换器来连接任意两个相邻的微电网；并且使用如上所述的方法来操作每个微电网；在每个微电网中，采用常规发电机，例如水力发电和柴油机发电机，以域的形式给微电网中的负载供电，其中每个域可包含一个或多个这样的发电机来为该域中的负载供电；并且每个域在其每个连接点处通过背靠背变换器或通过其他AC功率到AC功率变换器而与微电网的其他部分互连；由此在每个域和微电网的其他部分之间交换电力。
在一个实施例中，该方法还包括在重力重质量势能存储***中将额外能量存储在微电网中的步骤，其中当微电网中存在额外的能量时，通过将电机操作为电动机，将重质量物从低重力水平或低地或低平台运输到高重力水平或高地或高平台；当微电网中缺乏有功功率时，为了将电力馈送到微电网，通过将电机操作为发电机，将重质量物从高重力平台或高地运输到低平台或低地。
根据本发明的第十六方面，提供了一种微电网，包括：多个电网形成发电机；多个电网支持发电机；多个电网馈电发电机；其中所述电网形成发电机，所述电网支持发电机和所述电网馈电发电机中的每一个包括从第一三相DC/AC变换器电路、第一n相DC/AC变换器电路、第二n相DC/AC变换器电路、第三n相DC/AC变换器电路和第四n相DC/AC变换器电路所组成的组中选出的任意一个，其中n等于3。
在一个实施例中，微电网是两个或更多个互连微电网中的一个。
在一个实施例中，微电网选自孤岛微电网，独立微电网和独立电网所组成的组，并且包括多个域，多个域中的每个域包括一个或多个常规发电机。
根据本发明的第十五方面，提供了一种微电网，其包括电网形成发电机，电网支持发电机和电网馈电发电机。此外，所述电网形成发电机，所述电网支持发电机和所述电网馈电发电机中的每一个包括从第一三相DC/AC变换器电路，第一n相DC/AC变换器电路，第二n相DC/AC变换器电路，第三n相DC/AC变换器电路和第四n相DC/AC变换器电路所组成的组中选出的任意一个，其中n为3。
根据本发明的第十六方面，提供了一种用于操作独立电网或孤岛微电网的方法，其中传统的发电机如柴油发电机或水力发电机等在域中是以域到电力负载的形式布置。在该域和微电网的其他部分之间的接口的每个点处，采取背靠背变换器或其他AC功率到AC功率变换器以在它们之间交换电力。此外，可以采用重力能量储存来储存来自电网或微电网的可再生能源的额外能量。
附图说明
尽管可能落入本发明的范围内的任何其他形式，现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施例/优选实施例，在附图中：
图1示出了样品微电网的电路图；
图2A示出了具有如本文公开的LCCL滤波器的三相并网DC/AC变换器，其作为逆变器或整流器；
图2B示出具有LCL滤波器的三相并网DC/AC变换器，作为逆变器或整流器；
图2C示出了具有如本文所公开的LCCL滤波器的单相并网DC/AC变换器，其作为逆变器或整流器；
图2D示出了具有LCL滤波器的单相并网DC/AC变换器，作为逆变器或整流器；
图3示出了RLC电路到RL电路的简化；
图4A示出了如本文所公开的用于三相应用的LCCL滤波器；
图4B示出了用于三相应用的LCL滤波器；
图5A示出了将LCCL滤波器应用于多级变换器的第一示例拓扑；
图5B示出了LCC结构；
图6示出了将LCCL滤波器应用于多级变换器的第二示例拓扑；
图7示出了将LCCL滤波器应用于多级变换器的第三示例拓扑；
图8A示出了将LCCL滤波器应用于具有共享电感器L2的多个相同的并联支路的多级变换器；
图8B示出将LCCL滤波器应用于具有在每个分支中具有单独电感器L2的多个相同的并联分支的多级变换器；
图9A示出了修改的LCCL滤波器在具有多个相同并行分支的电路拓扑中的应用；
图9B示出了与图9A中的电路拓扑等效的电路拓扑；
图10A示出了由来自图9A中的电路的多个相同单元形成的多级变换器；
图10B示出了与图10A中的电路拓扑等效的电路拓扑；
图11示出了LCC滤波器；
图12示出了具有LCL滤波器并具有多个相同的并联支路的多级单相DC/AC变换器；
图13示出了LC结构；
图14示出了根据本发明实施例的用于操作微电网的方法。
定义
以下定义是作为一般定义提供的，不应将本发明的范围仅限于这些术语，而是为了更好地理解下面的描述而提出。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，本文中使用的术语应该被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不会被理解为理想化或过度形式化的意义，除非在此明确地如此定义。为了本发明的目的，下面定义附加的术语。此外，如本文所定义和使用的所有定义应理解为控制在字典定义范围内，通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义，除非对特定术语的含义有疑问，这种情况下常用字典定义和/或该术语的常用用法将占上风。
本说明书中引用的所有出版物均通过交叉引用整体并入本文。
为了本发明的目的，以下术语定义如下。
冠词“一”和“一个”在本文中用于指物品的一个或多于一个(即至少一个)语法对象。举例来说，“一个元素”是指一个元素或多于一个元素。
术语“约”在本文中用于指相对于参考量变化达多达30％，优选地多达20％，并且更优选地多达10％的量。使用“约”这个词来限定一个数字仅仅是一个明确的指示，该数字不能被解释为一个精确的数值。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”，“其包括”和“包含”将被理解为暗示包括所陈述的步骤或要素或者步骤或要素组，但不排除任何其他步骤或元素或一组步骤或元素。
本文使用的术语“包括”也是开放式术语，其也意味着至少包括术语后面的要素/特征，但不排除其他术语。因此，“包括”与“包含”是同义的，并且意味着“包含”。
考虑到***的处理限制和准确测量数据所需的时间，术语“实时”(例如“显示实时数据”)是指在没有有意延迟的情况下显示数据。
术语“接近实时”，例如“获得实时或接近实时的数据”是指在无意中延迟(“实时”)或尽可能接近实时地获取数据(即，在用于获取和记录或传输数据的***的限制和处理限制内，有意或无意地具有小但最小量的延迟)。
尽管在本发明的实践或测试中可以使用与本文描述的那些相似或等同的任何方法和材料，但是描述了优选的方法和材料。应该理解的是，这里描述的方法，装置和***可以以各种方式并且用于各种目的来实现。这里的描述仅作为示例。
如本文所使用的，术语“示例性”在提供示例的意义上被使用，而不是指示质量。也就是说，“示例性实施例”是作为示例提供的实施例，而不一定是例如用作理想模型或表示其最佳类型的示例性质量的实施例。
而且，各种发明构思可以体现为一个或多个方法，其中提供了一个示例。作为该方法的一部分执行的行为可以以任何适当的方式进行排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施例，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
本说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的元件的“一个或两个”，即在一些情况下联合地存在的元件，在其他情况下分离地存在。用“和/或”列出的多个元件应该以相同的方式解释，即如此连接的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元件之外，其他元件可以可选地存在，不管与明确标识的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可以仅指代A(可选地包括除了B以外的元件)；在另一个实施例中，仅指代B(可选地包括除A以外的元件)；在又一个实施例中，指代A和B(可选地包括其他元件)等等。
如在本说明书和权利要求书中所使用的，“或”应当被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含至少一个，但也包括多于一个的元件或列表，以及可选的其他未列出项目。只有清楚地表明相反的术语，诸如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求中使用时，“由...组成”将指包含多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般而言，在此使用的术语“或”应当仅被解释为在排他性条款之前指示排他性替代(即“一个或另一个，但不是两个”)，诸如“任一”，“之一”，“只有一个”或“正好一个”。当用于权利要求中时，“基本上由...组成”应具有其在专利法领域中使用的一般含义。
如本文中在说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应理解为意指从元件列表的一个或多个中选择至少一个元件，但不一定包括元件列表内具体列出的每个和每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。该定义还允许元件可以可选地存在，而不是在短语“至少一个”所指的元件列表内具体标识的元件之外，不管与具体标识的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或者等同地，“A或B中的至少一个”，或者等同地“A和/或B中的至少一个”)可以指代在一个实施例中，涉及至少一个，可选地包括多于一个，A，不存在B(并且可选地包括除了B之外的元件)；在另一个实施例中，涉及至少一个，可选地包括多于一个，B，不存在A(并且可选地包括除了A之外的元素)；在又一个实施例中，涉及至少一个，可选地包括多于一个，A和至少一个，可选地包括多于一个，B(并且可选地包括其他元件)等等。
在权利要求以及以上概述和以下描述中，所有过渡性短语，诸如“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”，“持有”，“由...组成”等应被理解为是开放式的，即意味着“包括但不限于”。只有过渡短语“由...组成”和“基本上由...组成”分别应该是封闭式或半封闭式过渡短语。
为了本说明书的目的，在顺序描述方法步骤的情况下，该顺序不一定意味着步骤将按照该顺序的时间顺序执行，除非没有其他合理的解释顺序的方式。
另外，在根据马库什组描述本发明的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到，本发明也由此根据马库什组的任何单个成员或子组成员进行描述。
PQ控制方法
本发明中提到的PQ控制方法表示基于静止参考帧或自然参考帧或同步参考帧的有功和无功功率控制。PQ控制方法的详细描述可以从Erika Twining和Donald GrahameHolmes的“Grid Current Regulation of a Three-Phase Voltage Source Inverterwith a LCL Input Filter”，IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，VOL.18，No.3，MAY 2003，第888-895页，通过交叉引用全文并入本文，以及其他期刊和会议论文。
去耦合PQ控制
本发明中提到的去耦合PQ控制表示由电压源逆变器形成的电网形成发电机分离微电网操作中的有功功率和无功功率控制。它以恒定频率产生自己的参考电压，根据其终端电压与其额定值或其他指定值的偏差产生有功功率参考，并将无功功率参考值设置为零或非常小的值。因此，它只输出微电网所需的有功功率，并输出几乎为零的无功功率。它也可以通过检测其终端的无功功率输出作为无功功率传感器，并向各个无功功率补偿器双向传输***所需的无功功率。通过这样做，来自电网形成发电机的输出有功功率可以精确地跟随其参考值。
电网支持发电机
本发明中所述的电网支持发电机是指在微电网中以其终端电压作为参考的发电机，使用基于其终端电压与其额定值或其他指定值的偏差产生的有功功率参考的PQ控制，并将其无功功率参考设置为零或非常小的值。通过这样做，其输出有功功率可以非常准确地跟随其参考值。它可以预先设定有功功率参考值的上限和下限。
电网馈电发电机
本发明中所述的电网馈电发电机表示以其终端电压作为参考的发电机，并且使用PQ控制方法。它们主要用于利用最大功率点追踪来控制可再生能源。它们也可以用于其他一般用途。
电网形成发电机
本发明中所述的电网形成发电机表示为整个微电网产生基本电压参考的发电机。它自身产生恒定频率的参考电压，并基于其终端电压与其额定值或其他指定值的偏差生成有功率参考值，将无功功率参考值设置为零或非常小的值。它也可以作为无功功率传感器，通过检测其终端的无功功率输出，并将***所需的无功功率双向传输到其他无功功率补偿器。
具体实施方式
在以下描述中应该注意到，不同实施例中的相同的附图标记表示相同或相似的特征。
本文公开了与单级或多级DC/AC变换器(整流器或逆变器)集成的新型无源滤波器拓扑。这种带有无源滤波器的变换器可以用于一般用途。它们也可以应用于微电网的形成和运行，以提供应对来自电网形成，电网支持和电网馈电发电机或负载中的功率输出的快速和/或大的变化的能力。
图1示出了微电网100的整体电路，其中DG1 101充当电网形成分布式发电机(DG)并且由DC源190供电；DG2 102是一台电网支持发电机，而DG3103是一台电网馈电发电机。两者都由直流电源190供电。DG4 104是传统的发电机，可以是柴油发动机驱动的发电机或其他发电机。DG4 104向其本地负载155供电，并且可以通过背靠背变换器115从电网的其他部分输入或输出一些电力。微电网100通过公共耦合点(PCC)与主电网连接。图1所示微电网中的其他组件包括四个变压器Trx1 191，Trx2 192，Trx3 193，Trx4 194和四条线线1 172，线2 174，线3 176，线4 178和五个断路器181，182，183，184，185。在实际的微电网中，必须至少有一个电网形成发电机，同时可能有多个电网支持发电机和电网馈电发电机。如本领域技术人员将会理解的，图1中的微电网100中的DC源190可以被其他基于变换器的源代替。如图2A所示，DG1101，DG2 102和DG3 103中的每一个由具有LCCL滤波器120的电压源逆变器(VSI)110形成，其中DC/AC变换器有两个侧面，一个是DC侧110a与DC源190连接，另一个为AC侧110b，开关可以是本领域技术人员所能理解的IGBT，MOSFET或其它可选开关。图2A中的DC源190可以是两个电容器，其具有用于三相四线应用的分离中性线，其中两个电容器由其他DC源充电。当变换器作为整流器工作时，DC电源被DC负载或等效DC负载所取代。图2B是具有LCL滤波器130的电压源逆变器。图2C所示为具有LCCL滤波器120B的单相DC/AC变换器110C，其中DC/AC变换器有两个侧面，一个是DC侧110a，另一个是AC侧110b。图2D所示为具有LCL滤波器130B的单相DC/AC变换器110C。
LCCL滤波器120中的电感线圈L1p122和电容器C1123在图3中被组合为等效电感器L1124，其中R1121是电感器L1p122和电容器C1123的合成铜电阻，并且因为它可以被忽略而忽略不计。等式(1)，(2)和(3)给出了L1124，L1p122和C1123的基本关系：
Figure GDA0002385942770000181
L1p＝kcoeff·L1 (2)
Figure GDA0002385942770000182
其中kcoeff取决于输出部分额定功率操作中的目标谐波抑制。所述部分越低，kcoeff越高。范围是kcoeff>1。ω0是图1所示微电网***100的基本角频率。
如图3所示，图4A中的LCCL滤波器120可以通过组合L1p 122和C1123而被简化为图4B中的等效LCL滤波器130。然后，图3中的L1124，图4A中的C126和图4A中的L2125的值可以在额定功率下通过使用在Daming,Zhang和R.Dutta，“Application of Partial Direct-Pole-Placement and Differential Evolution Algorithm to Optimize Controllerand LCL Filter Design for Grid-tied Inverter”，AUPEC 2014，澳大利亚珀斯，第1-6页记载的方法确定，其全部内容通过交叉引用或其他方法并入本文，以满足变换器额定功率下进入电网的电流总谐波失真的要求。那么图4A中的L1p122和C1123可以基于选定的kcoeff根据等式(2)和(3)而确定。
图4A中串联的L1p122和C1123在基频处总体效应是电感器并且等效于一个电感器L1124。在较高阶时，当kcoeff足够高时，例如9，串联的L1p122和C1123的总体效应接近于L1p122。因此，LCCL滤波器120对阻断谐波电流具有非常好的效果。通过遵循如最后一段所述的适当设计程序，即使变换器电路工作在小百分比的额定功率下，LCCL滤波器120仍然可以有效地包含谐波电流。
可以采用上面提到的PQ控制方法来控制并网电压源DC/AC变换器。这里说明了这种可能的控制之一，其基于具有自然或abc参考帧的PQ控制。等式(4)给出了具有这种控制的具有图2B所示LCL滤波器130的电压源DC/AC逆变器110的开环传递函数。等式(5)给出了比例-谐振控制器。等式(4)和(5)中的系数K，Kp和Ki是控制器参数，并且可以通过使用在Daming Zhang和R.Dutta，“Application of Partial Direct-Pole-Placement andDifferential Evolution Algorithm to Optimize Controller and LCL Filter Designfor Grid-tied Inverter”，AUPEC 2014，澳大利亚珀斯，第1-6页中记载的方法确定，其全部内容通过交叉引用或本领域熟知的其他方法并入本文。等式(4)中忽略了图2B中LCL滤波器130中电感器L1和电感器L2两者的小串联线圈电阻，因为实际上它们可忽略不计。尽管这些控制参数是针对图2B或图2D中具有LCL滤波器130的DC/AC变换器而设计的，但它们同样适用于图2A或图2C中基于LCCL滤波器120的DC/AC变换器，因为LCCL滤波器120中的串联电感器L1p122和电容器C1 123可以被组合成一个等效电感器L1 124。
Figure GDA0002385942770000191
Figure GDA0002385942770000192
Figure GDA0002385942770000193
等式(6)给出了具有自然或abc参考帧的这种PQ控制方法的闭环传递函数。对于三相或单相应用，可以使用锁相环或本领域技术人员熟知的其它方法来获得参考电压的幅度和角度。对于三相应用，可以从abc帧转换为dq帧以获得电压参考值vgd和vgq，然后使用等式(7)产生参考电流。之后，可以使用逆Park变换将dq电流转换为abc电流。对于单相应用，可以使用等式(8)和(9)来生成参考电流。之后，L1p122和C1123可被视为一个等效电感L1124，然后可以使用与基于LCL滤波器的电压源DC/AC变换器中的PQ控制方法相同的一般程序来产生用于三相或单相应用的选通信号。在Erika Twining和Donald Grahame Holmes的“Grid Current Regulation of a Three-Phase Voltage Source Inverter with an LCLInput Filter”，IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，VOL.18，No.3，MAY 2003，第888-895页中描述了这种过程，通过交叉引用全文并入本文，以及其他期刊和会议论文。
Figure GDA0002385942770000201
Figure GDA0002385942770000202
θI＝θV-tan-1(Qref/Pref) (9)
图5A所示为改进的LCCL滤波器120(其包含LCC滤波器225及共享电感器L2 125)应用到Y连接配置中的多级变换器(整流器或逆变器)。图5A中每个相中的每级控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，其中参考电压是每个相的总电压(用于Y连接的源的相电压)除以每个相中的级数。图5A所示的单相电路也可用于单相应用。
图6中的电路等同于图5A中的电路。其控制信号的产生方式与图5A中的电路相同。
图7所示为改进的LCCL滤波器120，其包含LCC滤波器225和共享电感器L2 125，应用于三角形连接配置的多级变换器(整流器或逆变器)。图7中每个相的每级控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，其中参考电压是跨越各相的总电压(用于三角形连接的源的线-线电压)除以每个相中的级数。图7所示的单相电路也可用于单相应用。
图8A和图8B所示为改进的LCCL滤波器120，其包含LCC滤波器225和共享电感器L2125，其应用到具有多个相同并联分支的单相变换器拓扑，其中每个分支均包含多级相同的单相DC/AC变换器，其分别具有共享和独立电感器L2 125的LCC滤波器225，其中每个DC电压源190可以用其他变换器替换为DC链路电容器。如图8A或8B所示，电路中每个级和每个并联支路的控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，参考电压是图8A或8B中端子X和Y之间的总电压除以每个平行分支中的级数。
图9A所示为包含多个相同并联分支400的新DC/AC变换器电路拓扑，每个并联分支400由单相电压源DC/AC变换器，串联电阻R1 121，串联电感器L1p 122和串联电容器C1 123组成。所有并联支路通过并联电容器C126连接。在电路中，如本领域技术人员可以理解的，每个DC源190可以由DC链路电容器和其他变换器代替。图9B中的电路拓扑等效于图9A。图9A中的电路中每个并联支路400的控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，参考电压是端子X 411和Y 412之间的电压。图9B电路中每个并联支路410的控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，参考电压是端子X 411和Y 412之间的电压。
图10A所示为新的多级DC/AC变换器电路拓扑。第一级与图9A中的相同，而所有后续级相同并且通过去除图9A中的串联电感器L2 125而被改进。所有级通过各级的并联电容器C126串联连接并且从第一级开始共享公共电感L2 125。如图10A所示，电路中每个并联支路的每个级的控制器信号是相同的，并且通过使用PQ控制方法产生，参考电压是端子X和Y之间的总电压除以端子X和Y之间的级数。图10B中的电路等效于图10A中的电路。
图11示出了LCC滤波器，其在变换器侧包含串联连接的L1p122和C1123并且在电网侧并联连接的C126。通过在图2A，4A，5A，6，7，8A，8B，9A，9B，10A和10B中的电路中去除AC电网或AC负载侧的L2 125，形成新的一系列电路。
图8A，8B，9A，9B，10A和10B中的所有电路拓扑可以被复制用于三相或多相应用。
图12所示为根据图8B改进的电压源DC/AC变换器。在图12的电路中，仅采用一个物理电感器L1 124来代替图8B中的串联连接的R1 121，L1p 122和C1 123。图12中的电路部分535在图13中示出，并且它仅包含一个串联电感器L1124和一个并联电容器C126。可以对图5A，图6，图7，图8A，图9A，图9B，图10A和图10B中的电路进行类似的修改，通过仅用一个串联的电感器L1124替换串联连接的R1 121，L1p 122和C1 123。单相形式的所有改进电路可以被复制用于三相和多相应用。然后开发了一系列新的带有无源滤波器的电压源DC/AC变换器电路拓扑结构。
通过将电压源变换器与LCCL或LCC或LCL滤波器一起用作本文所公开的逆变器，其具有如在Daming Zhang和Eliathamby Ambikairajah，“De-coupledPQ Control forOperation of Islanded Microgrid”，9月28-30日，澳大利亚卧龙岗AUPEC 2015，第1-6页中所述的用于控制微电网中的电网形成发电机，电网支持发电机和电网馈电发电机的方法，全文以交叉引用方式并入本文，以及Daming Zhang，“Integration of RenewableEnergy Generation with Conventional Diesel-engine Powered Generation in aMicrogrid”，IEEE APPEEC 2015年11月15日至18日，澳大利亚布里斯班，第1-5页，其全部内容通过交叉引用并入本文，孤岛微电网能够应对可再生能源发电和负载变化的剧烈变化，并以高功率水平和恒定频率运行，并且还可以克服如第[9]段中描述的传统控制方法的缺陷。这种运行微电网的方法被定义为微电网运行的恒频方法，这在下面段落中详细描述。
微电网运行的恒频方法
这种方法的程序在图14中以步骤910至950示出，并在下面段落中详细描述。
微电网由多种来源形成，这些来源通常分为电网形成，电网支持和电网馈电发电机，广泛的负载和一些能量存储***。为了使孤岛微电网正常运行，必须有一个电网形成发电机，如图1所示的微电网中的DG1 101。在该技术中，采用微电网运行的恒频方法。这种方法的实质是对电网形成发电机进行去耦合PQ控制，它产生具有恒定频率50Hz或60Hz或其它基频的自身参考电压，例如vref(t)＝Vm*sin(2*π*50*t+θ)，其中Vm为额定峰值电压或与额定峰值电压偏差较小的值，θ为初始角度，根据其终端电压，如在图1中DG1 101的P1 140处的终端电压，与额定值或其他预定值的偏差，产生有功功率参考，并将其无功功率基准设置为小值或零。电网形成发电机DG1 101还可以通过感测其终端处的无功功率的输出而用作无功功率传感器，并且将***所需的无功功率双向传输到单独的无功功率补偿器，例如图1中所示的本地无功功率补偿器160。无功功率补偿器可以远程定位。然后他们应该与电网形成发电机通信连接。
电网支持和电网馈电发电机都将各自的终端电压作为其控制器的参考电压，并采用PQ控制方法。在图1的微电网100中，DG2 102假定为电网支持发电机，而DG3 103假定为电网馈电发电机。因此端子P2的电压作为其控制器的DG2 102的参考电压，而端子P3的电压作为其控制器的DG3 103的参考电压。为了由电网支持发电机进行有效的有功功率控制，其无功功率输出参考应设置为零或非常小的值，同时根据它们各自的终端电压与它们各自的额定值或其他指定值的偏差，产生其具有预设下限和上限的有功功率参考。
在一些微电网中，可能存在传统的发电机，例如基于柴油发动机的发电机。然后，在这样的***中，可以采用背靠背变换器来将传统发电机与微电网连接。当它们作为电网馈电或电网支持发电机时，其电网侧变换器将公共耦合点处的电压作为其控制器的参考。在图1中的微电网100中，DG4 104被假定为传统发电机。然后采用背靠背变换器115，其中115B是电网侧变换器。如果传统发电机充当电网形成发电机，则它们的电网侧变换器115B需要以与第104段中描述的电网形成发电机DG1 101相同的方式工作。在实际微电网***中，可能存在一个电网形成发电机或多个电网形成发电机。当有多个电网形成发电机时，它们可以并排工作或者其中一些处于活动模式远程定位，而另一些处于通信链路的待机模式。
对于电网形成和电网支持发电机，有必要基于它们各自的终端电压与它们各自的额定值或其他指定值的偏差来产生有功功率参考。此处描述了一种解决方案以实现该目的，并且也可以基于其各自的终端电压与其各自的额定值或其他指定值的偏差来采用其他方法。
在等式(10)中，Vref是DC/AC变换器端子额定电压的均方根值，例如图1中的P1140。它也可以等于与额定值具有小偏差的值。Vmag是电网形成或电网支持发电机的终端处的实时电压的基本分量的均方根值，例如图1中的P1 140。θV是相位A在参考端接地时的实时电压基本分量的角度，例如图1中的端子P1 140所示，而θI是从电网形成或电网支持发电机输出的实时相位A电流基本分量的角度，例如图1中通过断路器181的电流。
XY1＝(Vref-Vmag)×cos(θV-θI) (10)
等式(11)是基于Vref和Vmag产生乘积因子，其中F1的范围大于1。
XY2＝F1×[(Vref/Vmag)-1]+1 (11)
来自等式(10)的输出XY1被反馈到比例积分控制器，其输出被反馈到低通滤波器。最后，低通滤波器的输出乘以等式(11)给出的因子XY2，以便为电网形成发电机或电网支持发电机产生有功功率参考。所产生的有功功率参考值被上限限制，以解决每个电网形成和电网支持发电机的发电能力。
在包括多个电网支持发电机的相对较大的微电网中，电网形成发电机可以仅用于提供具有50Hz或60Hz的恒定频率的参考电压，并且仅输出固定的有功和无功功率。在这种情况下，电网支持发电机的作用是维持不同节点或总线上的电压。
通过使用第104段至第111段中描述的方法来控制电网形成发电机，电网支持发电机和电网馈电发电机，整个微电网***以恒定频率运行。此外，对于微电网中各个位置的所有主要功率负载，可以动态地实施局部无功功率补偿，以确保每个主要负载的总体功率因子接近1，例如将图1中的微电网100的负载2 152，负载3 153和负载4 154中的每一个的功率因子补偿到1。
电网形成发电机可以通过通信链路与其它电网支持和电网馈电发电机、储能单元和其它无功功率补偿器协调微电网中的发电和负载功率消耗之间的有功和无功功率平衡。图1中的能量存储单元170可以采用不同的形式，例如电池，垂直重质量势能存储，压缩氢气加燃料电池等。
重质量重力势能储存***可用于微电网中，以在可再生能源发电量充足时储存额外能量，例如由于强风。重物可能是石块或金属或其他重物，放在箱子或其他固体外壳或容器中。生产多个这种大质量的外壳或容器以允许更多潜在的能量储存。这种储存***是基于工作机制将重物从低平台或低地输送到高平台或高地。通过将电动机器作为电动机运行，可以将具有较大质量的箱子或容器从低平台运输到高平台。通过这样做，微电网中产生的额外电力被转换成存放在高平台上的重物中的势能。当微电网发电量不足时，通过使用电机作为发电机，将重物从高平台运输到低平台。通过这样做，储存在重物中的势能被转换成电力，该电力通过发电机馈送到微电网中。驱动电机与微电网之间的接口可以是背靠背变换器或其他基于固态变压器的双向AC/AC变换器(如果机器是交流电的)。直流电机也可以使用。在这种情况下，采用双向AC/DC变换器来控制机器。
当微电网的额外功率超过负载消耗的功率时，充当电网支持发电机的电池供电DC/AC变换器可以吸收有功功率。在这种情况下，DC/AC变换器工作在整流模式，向微电网输出负的有功功率，或者仅从微电网吸收一些有功功率给电池充电。通过减少由于额外的可再生能源产生的电压升高以及在每个DC/AC变换器与微电网之间的每个耦合点处将电压保持在额定电压附近，变换器仍然承担电网支持的角色。
微电网可以以孤岛模式或并网模式运行。当在并网模式下运行时，微电网通常与主电网连接。对于未来智能电网***的实际应用，可能存在两个或更多个彼此相邻的微电网。然后，可以采用背靠背变换器来将耦合点处的两个相邻微电网互连，例如图1所示的在断路器185之后和与主电网的接合点之前的耦合点。除了使用背靠背变换器来连接两个相邻的微电网，也可以采用带有或不带有高频链路变压器的交流电力到交流电力变换器，如X.She，A.Q.Huang和Rolando Burgos，“Review of solid state transformertechnologies and their application in power distribution systems”，IEEEJournal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，Vol.1，第3号，2013年9月，第186-198页所述。用于连接两个微电网的这种变换器可以被设计为双向的。这是为了在一个微电网缺电、另一个微电网有额外供电的情况下促进相邻微电网的互助。
解释
依据：
如本文所述，“依据”也可以意味着“作为”的函数，并且不一定限于与其相关的指定整数。
实施方案：
贯穿本说明书对“一个实施例”，“实施例”，“一种布置”或“一布置”的引用意味着结合该实施例/布置描述的特定特征，结构或特性被包括在至少一个本发明的实施例/布置中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例/布置中”或“在实施例/布置中”不一定都指代相同的实施例/布置，而是可以。此外，在一个或多个实施例/配置中，可以以任何适当的方式组合特定的特征，结构或特性，如本领域普通技术人员来说显而易见的那样。
类似地，应当认识到，在本发明的示例实施例/布置的以上描述中，为了简化本公开的目的，本发明的各种特征有时在单个实施例/布置，附图或其描述中被组合在一起并帮助理解一个或多个创造性方面。然而，该公开方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例/配置的所有特征。因此，在具体实施方式之后的权利要求在此被明确地并入本具体实施方式中，其中每个权利要求本身作为本发明的单独实施例/配置。
此外，尽管这里描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征但不包括其他特征，但是如本领域技术人员所理解的，不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。
具体细节
在这里提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应该理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，公知的方法，结构和技术未被详细示出以免混淆对本说明的理解。
术语
在描述附图中所示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见将采取特定的术语。然而，本发明不限于如此选择的特定术语，并且应该理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的所有技术等同物。诸如“向前”，“向后”，“径向”，“***”，“向上”，“向下”等术语被用作方便的词语来提供参考点并且不被解释为限制性术语。
对象的不同实例
如本文所使用的，除非另外指明，否则使用序数形容词“第一”，“第二”，“第三”等来描述共同对象仅仅指示正在引用相似对象的不同实例，并不意味着如此描述的对象在时间上，空间上，排序上或以任何其他方式中必须按照给定的顺序。
包括和包含：
在随后的权利要求和本发明的前述描述中，除了由于表达的语言或必要的暗示而另外需要的情况之外，词语“包括”或诸如“包含”的变体用于包含性的意义，即，指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中存在或添加其他特征。
本文所使用的术语“包括”或“包含”中的任何一个也是开放术语，其也意味着“至少包括”术语后面的要素/特征，但不排除其他。因此，包括与之同义并意味着包含。
发明范围
因此，虽然已经描述了被认为是本发明的优选方案的内容，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下可以对其做出其他和进一步的改进，并且其是旨在要求保护落入本发明范围内的所有这些改变和改进。可以从框图添加或删除功能，并且可以在功能块之间交换操作。可以在本发明范围内描述的方法中添加或删除步骤。
尽管已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以以许多其他形式来体现。
工业适用性
从上述显而易见的是，所描述的装置适用于电力行业。
将意识到，上面描述/示出的方法/装置/设备/***至少基本上提供了改进的滤波器电路拓扑结构，并且具体地涉及将新的无源LCCL或LCC滤波器电路或其修改的拓扑结构应用于单级和三相电压源DC/AC变换器，以及将这些滤波器应用于高压和大功率应用的新系列多级电压源DC/AC变换器。
本发明的用于操作微电网的控制方法使其操作更可靠并且不易受负载急剧变化的影响。它还可以抵御可再生能源发电的巨大变化带来的影响。此外，这种微电网***采用重质量能量储能，当储存的能量巨大时，其比基于电池的储能***更有优势。因此它在电力工程领域具有很好的应用潜力。
本文所述和/或附图中所示的***仅作为示例呈现，并不限制本发明的范围。除非另外具体说明，否则本文所述***的各个方面和组分可以被修改，或者可以被已知的等同物替代，或者至今未知的替代物，如在将来可能被开发的，或者在将来可能被认为是可接受的替代物替代。这里描述的***还可以针对各种应用进行修改，同时保持在要求保护的发明的范围和精神内，因为潜在应用的范围很大，并且因为这里描述的本***旨在适用于许多这样的变化。

Claims (6)

1.一种用于操作微电网的方法，所述方法包括：
基于逆变器的电网形成发电机产生具有50Hz或60Hz的恒定***频率的参考电压；和
所述基于逆变器的电网形成发电机基于其终端电压相对于其额定值或其他预定电压值的变化产生输出有功功率参考，或者产生固定的有功和无功功率参考；和
基于逆变器的电网支持发电机将其各自与微电网的耦合点处的电压作为参考；和
所述基于逆变器的电网支持发电机基于它们各自的端电压相对于它们各自的额定值或其它预定值的变化而产生它们各自的有功功率参考，并且所述基于逆变器的电网支持发电机中的每一个具有其各自的用于输出有功功率参考的上限；和
在微电网中的不同位置处采用动态无功功率补偿或功率因子校正，以使功率因子在每个主总线或每个主负载或每组负载或每组等效负载处接近1。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：由所述基于逆变器的电网形成发电机将***所需的无功功率双向传输到安装在同一位置或远程的无功功率补偿器，这样基于逆变器的电网形成发电机输出接近零的无功功率。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：包含常规同步发电机的域，其中，
采用常规同步发电机以域的形式向微电网中的负载供电，其中
每个域中包含一个或多个这样的发电机来为该域中的负载供电；并且
每个域在其每个连接点通过背靠背变换器或通过其他AC功率到AC功率变换器而与微电网的其他部分互连；并且
由此在每个域和微电网的其他部分之间交换电力。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括在重力重质量势能存储***中将额外能量存储在微电网中的步骤，其中
当微电网中有额外的能量时，通过将电机操作为电动机，将重质量物从低平台运输到高平台；并且
当微电网中缺乏有功功率时，为了将电力馈送到微电网，通过将电机操作为发电机，将重质量物从高平台运输到低平台。
5.一种管理在岛模式下操作互连微电网的方法，其中：
采用背靠背变换器或其他AC功率到AC功率变换器来连接任意两个相邻的微电网；和
使用根据权利要求1所述的方法来操作每个微电网；
在每个微电网中，采用常规同步发电机以域的形式给微电网中的负载供电，其中
每个域可包含一个或多个这样的发电机来为该域中的负载供电；和
每个域在其每个连接点通过背靠背变换器或通过其他AC功率到AC功率变换器而与微电网的其他部分互连；并且
由此在每个域和微电网的其他部分之间交换电力。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在重力重质量势能存储***中将额外能量存储在微电网中的步骤，其中
当微电网中有额外的能量时，通过将电机操作为电动机，将重质量物从低平台运输到高平台；并且
当微电网中缺乏有功功率时，为了将电力馈送到微电网，通过将电机操作为发电机，将重质量物从高平台运输到低平台。
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