CN104184151A - 一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，以混合级联H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，直流储能单元采用微网中自带的风电机组-蓄电池组，通过滤波单元串联接入配电网与微网中的敏感负荷之间，动态电压恢复器可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式、孤岛方式3种运行模式，当检测到微网系统将要进行两种运行模式切换时，DVR装置迅速动作，向系统注入补偿电压，使得微网能够平滑地由一种运行模式过渡到另一种运行模式。本发明确保了微网中敏感负荷的供电可靠性；不仅可以解决微网中出现的暂态电能质量问题，而且在很大程度上减少了原有DVR的备用状态，提高了设备的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，属于暂态电能质量扰动信号的分析与治理领域，特别适合于治理微网在进行不同运行模式切换时出现的短暂电压扰动。
背景技术
随着近几年智能电网概念的普及以及各项研究工作的深入，将分布式发电供能系统以微电网的形式接入到大电网并网运行是电网下一步的发展方向。虽然微电网具备灵活性、可接入性、可靠性、经济性等诸多优点，但是微网存在并网与孤岛运行这两种工作模式，当发生这两种运行模式的切换时，会有瞬间电压暂降或暂升的过程，若不采取相关措施，微网内部的微源和敏感负荷的电能质量会受到很大的影响，特别是近年来不同程度的电压暂降、暂升、短时中断以及振荡等暂态电能质量扰动问题已经给医院、机场、银行、精密电子元器件制造业、计算机网络和服务监控中心等场所造成重大的经济损失；同时，因微网一般处于配电网的末端，微网中的敏感负荷极易受电网电压暂降、跌落、短时中断以及其他扰动的影响，而且微网中的随机性能源如太阳能、风能等也会对负荷的电能质量产生或多或少的影响。所有这些负面影响都极大地限制了微网自身优势的最大发挥。
并网和孤岛双模式运行能力是微网实现其技术、经济性优势的关键。当微网根据自身情况需要独立运行或主网内部发生电能质量扰动故障问题时，应迅速断开与主网的公共连接点，转入孤岛运行模式；当主网供电恢复正常时，微网将通过公共连接点重新联入公共电网。两种运行模式间平滑切换是保证微网在两种运行模式间平稳过渡的关键技术，也是对电网中敏感负荷正常供电的保证。在模式转换过程中，会有瞬间电压暂降或暂升的过程，需要采用相应的电能补偿设备，以保证切换过程的平稳性。
目前最常用的改善电能质量扰动的有效方法是采用动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restore, DVR)。它是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间，具有良好的动态性能。当发生短时电压扰动时，DVR能在很短的时间（几个毫秒）内将故障处电压恢复到正常值。相对于其他几种电能质量治理装置而言，DVR具有更高的灵活性，是最经济、最有效的手段，应用前景非常广阔。由于DVR装置是一种比较理想的用户端电能质量的保护装置，所以对其研究成为国内外的一个热点，尤其是在理论研究方面，研究成果主要是针对DVR的直流储能、DVR的拓扑结构、DVR的补偿策略或控制方法等方面。
但是目前大部分都是针对配电网中出现的电能质量扰动开展的研究工作，对微网中DVR装置的研究尚少。随着微网技术的进一步普及，最大程度发挥微网的作用，削弱微网由并网向孤岛运行模式切换时出现的瞬时电能质量扰动对敏感负荷产生的影响，加快研究适合于微网环境下的DVR，减少经济损失，意义重大。
发明内容
针对目前微网在并网运行模式下以及由并网向孤岛运行模式切换中出现的瞬时电压扰动问题，本发明提出了一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，用以解决微网中出现的暂态电能质量问题，确保微网中敏感负荷的供电可靠性。
本发明的技术方案是：
一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restore, DVR)，该动态电压恢复器DVR以一个混合级联的H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，直流储能单元采用微网中自带的风电机组-蓄电池组，通过滤波单元串联接入配电网与微网中的敏感负荷之间。DVR可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式、孤岛方式3种运行模式，当检测到微网系统将要进行两种运行模式切换时，DVR装置迅速动作，向系统注入补偿电压，使得微网能够平滑地由一种运行模式过渡到另一种运行模式，确保了微网中敏感负荷的供电可靠性，该DVR装置不仅可以解决微网中出现的暂态电能质量问题，而且在很大程度上减少了原有DVR的备用状态，提高了设备的利用率。具体包括如下部分：
1. DVR是以一个混合级联H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，无需串联变压器，避免因变压器的接入而带来的谐波、激磁、相位跳变问题。逆变器采用基于d-q变换的电压检测方法以及基于最小能量补偿控制策略，对配电网系统电压进行实时、快速准确地检测与补偿，确保敏感负荷的供电不受配电网故障的影响；
2. DVR采用微网中自带的风电机组-蓄电池储能，可以方便地为DVR提供补偿所需的能量，减少附加储能设备的使用，从而能够精简DVR的体积，降低设备维修成本；
3. 通过控制系统中不同的断路器以及半导体开关器件，可以实现DVR的不同工作状态，从而更为有效地治理微网处在并网以及由并网向孤岛切换的短暂过程中出现的暂态电能质量问题，实现微网并网与孤岛运行状态的平滑切换，可减小两种运行模式在过渡过程中发生的振荡对微网内部敏感负荷的影响，提高微网的电能质量和供电可靠性。
4. 当微网处在孤岛运行模式下，DVR可以运行在微电源方式，实现对微网中敏感负荷的直接供电，而不需要通过外部电网供电，这样可以进一步减少大电网的投入，提高DVR装置的利用率，实现节能减排。
作为本发明的进一步改进，该DVR装置系统包括风电机组、风电机组转子侧AC/DC变换器、蓄电池组、DC/DC变换器、具有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)功能的混合级联H桥多电平逆变器和采用功率因数校正电路的整流器，以及控制断路器QF2跳闸线圈的半导体开关 和功率半导体开关、、。静态开关，作为微网与配电网的公共连接点与分隔点，通过控制此开关可实现微网的不同运行模式；开关用于控制DVR装置以及微网的工作模式。其中，若断开，则表示DVR装置未接入到整个系统中，处于备用状态；若闭合，则表示DVR装置已接入到整个系统中，处于工作状态；控制风电机组的投切运行，、开关用于控制蓄电池组的工作方式，即控制蓄电池组的充放电。所有开关均由能量管理系统控制。
作为本发明的进一步改进，当微网与配电网处于并网运行模式下，与闭合，负荷由配电网直接供电。当检测到负荷电压正常时，闭合，、断开，此时DVR不向电网输送能量，蓄电池组可通过整流器以及降压DC/DC变换器进行充电；当遇到风速强的天气，风电机组也可通过转子侧变换器向蓄电池组进行充电；当配电网或者微电网发生电压暂降或短时中断时，需立即断开，DVR装置迅速动作，由备用状态立即转为工作状态，对电压进行检测补偿，有效地抑制电压暂降，保护敏感负荷免受电能扰动影响；当检测到系统将要进行两种运行模式切换时，无论外界条件如何，能量管理系统都将闭合，蓄电池组处于放电状态，以确保微网中敏感负荷的电能质量不受运行模式切换所带来的瞬时电压扰动影响；当配电网出现电力故障或者微网中的微电源电量充足时，则微网通过公共连接点与配电网断开，进入孤岛运行模式，此时基于风电机组-蓄电池发电单元的DVR装置充当微网中的微电源形式运行，既可以与微网协调给敏感负荷供电，又可将多余的能量通过蓄电池进行蓄电，能够更好地确保本文所提出的DVR在电压暂降、暂升以及短时中断情况下，敏感负荷正常运行，保证了微网中敏感负荷的电能质量要求。
本发明的有益效果是：
本发明使得微网能够平滑地由一种运行模式过渡到另一种运行模式，确保了微网中敏感负荷的供电可靠性；该DVR装置不仅可以解决微网中出现的暂态电能质量问题，而且在很大程度上减少了原有DVR的备用状态，提高了设备的利用率。
附图说明
图1是本发明一实施例，实现微网不同运行模式平滑切换的DVR装置结构示意图；
图2为本发明一实施例，DVR动态控制原理图；
图3是本发明一实施例，微网处在不同运行模式下的系统开关状态信号表；
图4是本发明一实施例，微网处在并网模式下的能量管理系统工作流程图；
图5是本发明一实施例，微网由并网向孤岛模式切换时的能量管理系统工作流程图；
图6是本发明一实施例，微网处在孤岛模式下的能量管理系统工作流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，基于实现微网不同运行模式平滑切换的DVR装置结构图。该DVR装置系统有风电机组、风电机组转子侧AC/DC变换器、蓄电池组、DC/DC变换器、具有脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)功能的混合级联H桥多电平逆变器和采用功率因数校正电路的整流器，以及控制断路器QF2跳闸线圈的半导体开关和功率半导体开关、、。图1中，为等效电源电压，即配电网电压， 为微网中敏感负荷的电压；为静态开关，作为微网与配电网的公共连接点与分隔点，通过控制此开关可实现微网的不同运行模式；断路器开关用于控制DVR装置以及微网的工作模式。其中，若断开，则表示DVR装置未接入到整个系统中，处于备用状态；若闭合，则表示DVR装置已接入到整个系统中，处于工作状态；控制风电机组的投切运行，、开关用于控制蓄电池组的工作方式，即控制蓄电池组的充放电。所有开关均由能量管理系统控制。
参见图2所示，DVR装置动态控制原理图。图中，配电网电压通过电压检测补偿计算环节得到电压补偿指令，然后将微网中负荷电压与检测补偿的配电网电压进行相减得到误差信号，接着将此误差信号通过PI控制器产生PWM电压调制波信号驱动混合级联H桥多电平逆变桥电路，并通过滤波器输出补偿电压，确保DVR装置实际输出电压紧密跟踪微网中负荷的电压。
为了提高微网中敏感负荷的供电可靠性，系统首先需要对配电网系统电压进行实时、快速准确地检测，一旦检测到系统发生电压暂降扰动时，DVR装置中的逆变器立即采取合适的补偿控制策略控制蓄电池组放电，补偿微网中的敏感负荷所需电压和功率，维持负荷电压在额定值，确保敏感负荷的供电不受配电网故障的影响。另一方面，为了能更准确地实现对敏感负荷的电压补偿，最终采用带有负荷电压瞬时值反馈控制的动态补偿控制策略，从而使得DVR中的逆变器输出电压值能够实时和参考电压进行跟踪和调整，对敏感负荷的电压变化进行动态补偿。
参见图3所示，微网处在不同运行模式下的系统开关状态信号表。基于风电机组-蓄电池发电单元的动态电压恢复器结合了DVR和风电-蓄电池发电的优点，可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式、孤岛方式3种运行模式，该DVR装置在很大程度上减少了原有DVR的备用状态，提高了设备的利用率。根据测点电压的变化情况，通过能量管理系统控制图1系统中所有开关的状态，从而明确DVR的工作方式。图3列举了半导体开关在系统处于3种运行模式下的几种典型状态。图中’1’表示开关处于闭合状态，’0’ 表示开关处于断开状态，为配电网的电压，为并网向孤岛切换模式时微网的电压。
参见图4所示，微网处在并网模式下的能量管理系统工作流程图。图中，流程框图中的“结束”模块表示配电网中故障已切除，微网中的敏感负荷电压保持在额定值且蓄电池组电量均达到饱和状态，此时风电机组不再出力，待开关完全闭合后能量管理系统停止工作。
微网与配电网处于并网运行模式下，与均闭合，负荷由配电网直接供电。当检测到负荷电压正常时，闭合，、断开，此时DVR不向电网输送能量，蓄电池组可通过整流器以及降压DC/DC变换器进行充电；当遇到风速强的天气，风电机组也可通过转子侧变换器向蓄电池组进行充电；当配电网或者微电网发生电压暂降或短时中断时，需立即断开，DVR装置迅速动作，由备用状态立即转为工作状态，对电压进行检测补偿，有效地抑制电压暂降，保护敏感负荷免受电能扰动影响。
为了最大程度地提高风电机组的利用率，无论系统处于什么运行模式，也无论风速强弱，风电机组均向蓄电池组输送电量，以确保蓄电池组的电荷随时随地都能够快速的处于饱满状态。
参见图5所示，微网由并网向孤岛模式切换时的能量管理系统工作流程图。图中，“结束”模块表示微网中的敏感负荷电压保持额定值，微网与配电网已进行无缝切换，能量管理系统停止工作。
微网中的分布式电源(Distributed Generation, DG)在与配电网进行运行模式切换的过程中会出现瞬间的电压扰动问题，虽然扰动时间较短，但降低了微网中敏感负荷的供电可靠性。基于确保本地敏感负荷的供电安全考虑，需要尝试利用DVR配合无缝切换以保证敏感负荷的不间断供电，减少微网由并网向孤岛切换时所引起的瞬时电压扰动问题。当检测到系统将要进行两种运行模式切换时，无论外界条件如何，能量管理系统都将闭合，蓄电池组处于放电状态，以确保微网中敏感负荷的电能质量不受运行模式切换所带来的瞬时电压扰动影响。
参见图6所示，微网处在孤岛模式下的能量管理系统工作流程图。当配电网出现电力故障或者微网中的微电源电量充足时，则微网通过公共连接点与配电网断开，进入孤岛运行模式，此时基于风电机组-蓄电池发电单元的DVR装置充当微网中的微电源形式运行，既可以与微网协调给敏感负荷供电，又可将多余的能量通过蓄电池进行蓄电，能够更好地确保本文所提出的DVR在电压暂降、暂升以及短时中断情况下，敏感负荷正常运行，保证了微网中敏感负荷的电能质量要求。
综上所述，本发明一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)，用于解决目前微网在并网运行模式下以及由并网向孤岛运行模式切换中出现的短时电压扰动问题。基于实现微网不同运行模式平滑切换的DVR装置是以一个混合级联的H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，无需串联变压器，避免因变压器的接入而带来的谐波、激磁、相位跳变问题；DVR采用微网中自带的风电机组-蓄电池储能，可以方便地为DVR提供补偿所需的能量，减少附加储能设备的使用，从而能够精简DVR的体积，降低设备维修成本；DVR可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式、孤岛方式3种运行模式，当检测到微网系统将要进行两种运行模式切换时，DVR装置迅速动作，向系统注入补偿电压，使得微网能够平滑地由一种运行模式过渡到另一种运行模式，确保了微网中敏感负荷的供电可靠性。当微网处在孤岛运行模式下，DVR可以运行在微电源方式，实现对微网中敏感负荷的直接供电，而不需要通过外部电网供电，这样可以进一步减少大电网的投入，提高DVR装置的利用率，实现节能减排。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，其特征在于：所述动态电压恢复器DVR以混合级联H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，直流储能单元采用微网中自带的风电机组-蓄电池组，通过滤波单元串联接入配电网与微网中的敏感负荷之间，所述动态电压恢复器可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式、孤岛方式3种运行模式，当检测到微网系统将要进行两种运行模式切换时，DVR装置迅速动作，向系统注入补偿电压，使得微网能够平滑地由一种运行模式过渡到另一种运行模式。
2.根据权利要求1所述的实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，其特征在于包括以下部分：
(1) DVR以一个混合级联H桥多电平逆变器拓扑结构为主体框架，无需串联变压器；逆变器采用基于d-q变换的电压检测方法以及基于最小能量补偿控制策略，对配电网系统电压进行实时、快速准确地检测与补偿；
(2) DVR采用微网中自带的风电机组-蓄电池储能，为DVR提供补偿所需的能量；
(3) 通过控制系统中不同的断路器以及半导体开关器件，实现DVR的不同工作状态，从而治理微网处在并网以及由并网向孤岛切换的短暂过程中出现的暂态电能质量问题，实现微网并网与孤岛运行状态的平滑切换；
(4) 当微网处在孤岛运行模式下，DVR可以运行在微电源方式，实现对微网中敏感负荷的直接供电，而不需要通过外部电网供电，这样可以进一步减少大电网的投入，提高DVR装置的利用率，实现节能减排。
3.根据权利要求2所述基于实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，其特征在于：所述DVR装置系统包括风电机组、风电机组转子侧AC/DC变换器、蓄电池组、DC/DC变换器、具有脉冲宽度调制功能的混合级联H桥多电平逆变器、采用功率因数校正电路的整流器，以及控制断路器QF2跳闸线圈的半导体开关 和功率半导体开关、、；静态开关，作为微网与配电网的公共连接点与分隔点，通过控制此开关可实现微网的不同运行模式；开关用于控制DVR装置以及微网的工作模式；其中，若断开，则表示DVR装置未接入到整个系统中，处于备用状态；若闭合，则表示DVR装置已接入到整个系统中，处于工作状态；控制风电机组的投切运行，、开关用于控制蓄电池组的工作方式，即控制蓄电池组的充放电；所有开关均由能量管理系统控制。
4.根据权利要求3所述基于实现微网不同运行模式平滑切换的动态电压恢复器，其特征在于：当微网与配电网处于并网运行模式下，与闭合，负荷由配电网直接供电，当检测到负荷电压正常时，闭合，、断开，此时DVR不向电网输送能量，蓄电池组可通过整流器以及降压DC/DC变换器进行充电；当遇到风速强的天气，风电机组也可通过转子侧变换器向蓄电池组进行充电；当配电网或者微电网发生电压暂降或短时中断时，需立即断开，DVR装置迅速动作，由备用状态立即转为工作状态，对电压进行检测补偿，抑制电压暂降，保护敏感负荷免受电能扰动影响；当检测到系统将要进行两种运行模式切换时，无论外界条件如何，能量管理系统都将闭合，蓄电池组处于放电状态，以确保微网中敏感负荷的电能质量不受运行模式切换所带来的瞬时电压扰动影响；当配电网出现电力故障或者微网中的微电源电量充足时，则微网通过公共连接点与配电网断开，进入孤岛运行模式，此时基于风电机组-蓄电池发电单元的DVR装置充当微网中的微电源形式运行，既可以与微网协调给敏感负荷供电，又可将多余的能量通过蓄电池进行蓄电，确保所述DVR在电压暂降、暂升以及短时中断情况下，敏感负荷正常运行。
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