CN102723725B - 一种新型能量转换系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型能量转换系统，包括输入端连接到上一级电网的双向整流器及输出端连接到下一级电网的双向逆变器，所述双向整流器的输出端和双向逆变器的输入端分别连接到直流母线，所述直流母线连接到储能装置。本发明还提供一种新型能量转换方法。本发明通过双向整流器和双向逆变器实现了上下级电网间的能量转换，可为微电网提供“主干网”，使得微电网的构建不必依赖于大电网的容量。
Description
技术领域
本发明涉及电网能量转换领域，更具体地说，涉及一种上下两级电网间的能力转换系统及方法。
背景技术
微电网通常指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行，是目前研究的热点，美国能源部更是将微电网视为未来电力系统的三大基础技术之一。
能量转换系统(PCS)是微电网和储能电站的核心。如图1所示，传统的能量转换系统14是一个支持能量双向流动AC/DC变流器。正常状态下，微电网12与大电网11直接相连，能量转换系统14通过调节能量流向来给微电网补充能量或者将能量存入储能设备15；大电网11发生故障时，开关13断开，能量转换系统14切换成电源模式，给微电网12供电。
传统能量转换系统比较简单，但大电网和微网之间没有解耦，它的可靠运行依赖一个强健的大电网，在应用上有很大的局限性。在一些偏远山区或者海岛上，大电网负荷能力比较差，传统能量转换系统无法可靠组网。目前新能源电网恰恰集中比较偏远的地区，大电网无法提供足够的支撑，导致新能源用不掉，送不出。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有能量转换系统在大电网负荷能力较差时无法可靠组网的缺陷，提供一种新型能量转换系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型能量转换系统，包括输入端连接到上一级电网的双向整流器及输出端连接到下一级电网的双向逆变器，所述双向整流器的输出端和双向逆变器的输入端分别连接到直流母线，所述直流母线连接到储能装置，所述上一级电网包括市电或柴油发电机，所述下一级电网包括用户负载和并网逆变器；
还包括输入采样单元及整流控制单元，所述输入采样单元用于采样来自上一级电网的输入电压和输入电流，所述整流控制单元根据从电网能量管理系统获取的功率指令调整双向整流器以实现恒功率输入；
还包括输出采样单元及逆变控制单元，所述输出采样单元用于采样向下一级电网的输出电压、输出电流及输出电感电流，所述逆变控制单元通过采样输出电压并与参考电压进行比较，然后通过PI调节器，PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出以实现对输出电压的恒压控制。
在本发明所述的新型能量转换系统中，所述双向整流器的输入端经由LC滤波电路连接到上一级电网。
本发明还提供一种新型能量转换方法，包括以下步骤：
从电网能量管理系统获取功率指令，其中功率指令包括输入功率为P；
判断电网、自身容量和储能装置能量是否能满足功率指令的需求，若满足功率指令的需求时，整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P，同时通过双向变压器为下一级电网提供输出电压；若判断自身容量和储能装置无法满足功率指令的要求，则不响应功率指令，所述上一级电网包括市电或柴油发电机，所述下一级电网包括用户负载和并网逆变器；
在整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P的步骤中包括：通过电压型逆变器采样输出电压并与参考电压进行比较，然后通过PI调节器，PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出以实现对输出电压的控制。
在本发明所述的新型能量转换方法中，在通过双向整流器将来自上一级电网的三相交流电转化为直流电输入直流母线前，还包括使用LC滤波电路对上一级电网的三相交流电进行滤波。
本发明的新型能量转换系统及方法，通过双向整流器和双向逆变器实现了上下级电网间的能量转换，可为微电网提供“主干网”，使得微电网的构建不必依赖于大电网的容量。本发明能量转换系统使“主干网”不仅能满足传统负荷的用电需求，而且现有的风能变流器和光伏逆变器等装置不需做任何更改即可并入。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有能量转换系统的结构示意图；
图2是本发明新型能量转换系统的结构示意图；
图3是图2中能量转换系统的实施例的结构示意图；
图4是本发明新型能量转换方法实施例的结构示意图；
图5是整流器恒功率控制的示意图；
图6是逆变器恒压控制的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图2、图3所示，是本发明新型能量转换系统实施例的示意图。在本实施例中，该新型能量转换系统包括一个双向整流器21及一个双向逆变器22，二者均支持能量双向流动，其中双向整流器21的输入端连接到上一级电网(例如市电或柴油发电机等)，双向逆变器22输出端连接到下一级电网(例如用户负载和并网逆变器等)。在上述新型能量转换系统中，双向整流器21的输出端和双向逆变器22的输入端分别连接到直流母线24，并且直流母线24连接到储能装置23。这样能量可以在上一级电网、储能装置、下一级电网之间多向流动。
通过新型能量转换系统对能量的管理和控制，对上一级电网而言，新型能量转换系统是一个可控的负载，不仅减小了对电网的冲击，还可以协助稳定电网；对用户端而言，新型能量转换系统是一个不间断电源，持续为用户端提供稳定可靠的电能。
在上述的新型能量转换系统中，为了实现输入端的恒功率输入，还可包括输入采样单元及整流控制单元，其中输入采样单元用于采样来自上一级电网的输入电压和输入电流，而整流控制单元根据从电网能量管理系统(上一级电网)获取的功率指令(该功率指令包括输入功率为P，符号表示能量的流向，例如符号为正表示能量由上一级电网流入，符号为负表示能量流入上一级电网)判断电网、自身容量和储能装置能量是否能满足功率指令的需求，若满足功率指令的需求时，整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P，否则不响应功率指令，从而实现恒功率输入。
此外，在上述的新型能量转换系统中，为了实现输出端电压恒定，还可设置输出采样单元及逆变控制单元，其中输出采样单元用于采样向下一级电网的输出电压、输出电流及输出电感电流，逆变控制单元通过采样输出电压并与参考电压进行比较，然后通过PI调节器，PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出以实现对输出电压的恒压控制。
上述的输入采样单元、整流控制单元、输出采样单元及逆变控制单元可为逻辑单元，在实际应用中，可采用一个或多个DSP(数字信号处理器)及相应软件实现。
通过恒功率输入及恒压输出控制，使得该新型能量转换系统可应用于大电网负荷较差的场合，例如一些偏远地区或者海岛及风力发电设备、光伏发电设备等。
为了进一步增强使用效果，可在双向整流器21的输入端增加LC滤波电路，即双向整流器21经由LC滤波电路连接到上一级电网。
此外，本发明还提供一种新型能量转换方法，该方法通过双向变换器实现了两级电网的解耦，其中整流器和逆变器可以独立控制。该方法包括以下步骤：
步骤S41：从电网能量管理系统获取功率指令，其中功率指令包括输入功率为P，符号表示能量的流向(例如符号为正表示能量由上一级电网流入，符号为负表示能量流入上一级电网)。
步骤S42：判断电网、自身容量和储能装置能量是否能满足功率指令的需求。
步骤S43：若满足功率指令的需求时，整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P，同时通过双向变压器为下一级电网提供输出电压。在进行控制时，将设定电压与实际输入电压之差进行PI调节，并据此对整流器进行输出控制(如图5所示)。
步骤S44:判断自身容量和储能装置无法满足功率指令的要求，则不响应功率指令(例如通过储能装置能量为下一级电网供电)。
上述四个步骤在能量转换装置接入后循环执行。
在上述方法中，为了给下一级电网提供稳定的电能，步骤S43中可采用电压型逆变器来控制目标稳定输出电压，该控制方法如下：通过电压型逆变器采样输出电压(Vfeedback)并与参考电压(Vref)进行比较，然后通过PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出，从而实现对输出电压的控制，如图6所示。
为了增强整体功效，还可在通过双向整流器将来自上一级电网的三相交流电转化为直流电输入直流母线前，使用LC滤波电路对上一级电网的三相交流电进行滤波。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种新型能量转换系统，其特征在于：包括输入端连接到上一级电网的双向整流器及输出端连接到下一级电网的双向逆变器，所述双向整流器的输出端和双向逆变器的输入端分别连接到直流母线，所述直流母线连接到储能装置，所述上一级电网包括市电或柴油发电机，所述下一级电网包括用户负载和并网逆变器；
还包括输入采样单元及整流控制单元，所述输入采样单元用于采样来自上一级电网的输入电压和输入电流，所述整流控制单元根据从电网能量管理系统获取的功率指令调整双向整流器以实现恒功率输入；
还包括输出采样单元及逆变控制单元，所述输出采样单元用于采样向下一级电网的输出电压、输出电流及输出电感电流，所述逆变控制单元通过采样输出电压并与参考电压进行比较，然后通过PI调节器，PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出以实现对输出电压的恒压控制。
2.根据权利要求1所述的新型能量转换系统，其特征在于，所述双向整流器的输入端经由LC滤波电路连接到上一级电网。
3.一种新型能量转换方法，其特征在于：包括以下步骤：
从电网能量管理系统获取功率指令，其中功率指令包括输入功率为P；
判断电网、自身容量和储能装置能量是否能满足功率指令的需求，若满足功率指令的需求时，使双向整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P，同时通过双向变压器为下一级电网提供输出电压；若判断自身容量和储能装置无法满足功率指令的要求，则不响应功率指令，上一级电网包括市电或柴油发电机，所述下一级电网包括用户负载和并网逆变器；
在整流器按功率指令进行工作，并将输入功率控制为指令设定值P的步骤中包括：通过电压型逆变器采样输出电压并与参考电压进行比较，然后通过PI调节器，PI调节器输出给内环电流调节器，控制PWM输出以实现对输出电压的恒压控制。
4.根据权利要求3所述的新型能量转换方法，其特征在于，在通过双向整流器将来自上一级电网的三相交流电转化为直流电输入直流母线前，还包括使用LC滤波电路对上一级电网的三相交流电进行滤波。
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