CN103855722B - 一种微电网并网装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网并网装置，该装置包括：可控开关，其电连接于微电网和大电网之间，用于根据通断信号导通或断开微电网和大电网之间的连接；信号采集电路，其用于采集微电网、大电网和可控开关的电信号；控制器，其电连接于信号采集电路和可控开关之间，用于根据微电网、大电网和可控开关的电信号产生通断信号，以控制可控开关的通断，从而实现微电网的并网或离网。本发明结构简单、接线方便，能够有效、可靠、快速地完成微电网在并网状态和离网状态之间的切换，能够有效保障维护人员以及微电网和大电网的用电设备的安全。

Description

一种微电网并网装置

技术领域

本发明涉及分布式发电技术领域，具体地说，涉及一种微电网并网装置。

背景技术

能源和环境问题是关系社会经济可持续发展的重要因素，当前，煤、石油等化石能源在全球能源结构中占据较大比重。面对能源危机和环境保护的双重压力，新能源得到了越来越广泛地开发与利用。

近年来，光伏、风力等新能源发电在传统电网容量中所占的比例不断增大，预计2020年世界光伏发电总量将占到世界总能源需求的1%，2050年将占到20%。但是，随着新能源发电的发展，这些新能源作为随机能源的波动性对大电网的冲击也日益凸显。

微电网作为一种新的能源组织利用形式，在解决光伏发电等新能源大规模接入问题的同时，也避免了其波动性对大电网的冲击和影响，是实现光伏发电等高渗透并网的有效途径。在我国建设“资源节约型、环境友好型”社会的大背景下，微电网的研究及推广应用具有重要的意义。

微电网由分布式发电技术发展而来，是以分布式发电单元为主、靠近分散型资源或用户的小型供电网络，是实现间歇式能源平滑接入大电网的关键技术之一，能够实现分布式电源和负荷的协调运行，满足用户对供电可靠性、电能质量的多方面要求。目前，微电网公共连接点（Point of Common Coupling，简称为PCC）开关大多都只是专注于微电网并离网运行模式切换时PCC开关快速投切功能的实现，智能化程度不高。加之控制器和开关本体采用单独设计和单独接线安装，接线复杂，系统成本高，占地面积大且系统集成度不高。

微电网通过公共连接点和外部大电网相连，公共连接点的能量可以双向流动，由外部大电网或微电网自身实现微电网的能量平衡控制。微电网具有并网和离网两种运行状态，微电网的并网运行是指在正常情况下，微电网和大电网连接并可同时运行，微电网向大电网提供多余的电能或由大电网补充微电网发电的不足部分；离网运行是指当大电网发生故障或电能质量不能满足相关标准要求时，微电网断开与大电网的连接而独立运行，从而保证对微电网内负荷的高质量供电。目前，为了保证我国配电网保护装置的正常工作，未取得电力部门的许可，微电网不得向大电网输送电能，微电网如需并网，要在公共连接点处增设逆流保护装置，因此公共连接点的监测和控制更加显得重要。

基于上述情况，亟需一种结构简单、能够可靠实现微电网的并网与离网切换的微电网并网装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种微电网并网装置，所述装置包括：

可控开关，其电连接于所述微电网和大电网之间，用于根据通断信号导通或断开所述微电网和大电网之间的连接；

信号采集电路，其用于采集微电网、大电网和可控开关的电信号；

控制器，其电连接于所述信号采集电路和可控开关之间，用于根据所述微电网、大电网和可控开关的电信号产生通断信号，以控制所述可控开关的通断，从而实现所述微电网的并网或离网。

根据本发明的一个实施例，所述信号采集电路包括：

微电网电信号采集电路，其用于采集所述微电网的电压；

大电网电信号采集电路，其用于采集所述大电网的电压；

可控开关信号采集电路，其用于采集流过所述可控开关的电流。

根据本发明的一个实施例，

当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器分别计算所述微电网和大电网的电压的有效值、谐波分量、频率和相位，以及计算流过所述可控开关的电流的有效值和谐波分量，并基于计算结果判断大电网是否异常，如果大电网异常，所述控制器产生断开信号，以控制所述可控开关断开，从而实现所述微电网的离网；

当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器分别计算所述微电网和大电网的电压的有效值、谐波分量、频率和相位，并将计算结果发送到微电网控制中心，来为所述微电网控制中心进行微电网与大电网的同步提供数据，所述控制器判断所述微电网的计算结果与所述的大电网的计算结果是否匹配，如果匹配，则产生导通信号控制所述可控开关闭合，从而实现所述微电网的并网。

根据本发明的一个实施例，当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器分别判断计算得到的大电网的电压的有效值是否超过预设过压限值或低于预设欠压限值、电压的频率是否超过预设过频限值或低于预设欠频限值、电压的谐波分量是否超过预设电压谐波限值，如果在预设持续时长内检测到任一条件成立，则判断所述大电网异常，所述微电网发生孤岛效应。

根据本发明的一个实施例，当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器判断计算得到的流过所述可控开关的电流的有效值是否超过预设逆流限值，如果在预设持续时长内检测到该条件成立，则判断所述微电网发生逆流，所述控制器产生断开信号，以控制所述可控开关断开，从而实现所述微电网的离网。

根据本发明的一个实施例，当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器基于所述微电网和大电网的电压计算所述大电网与微电网的电压的有效值差值、频率差值和相位差值，并分别判断各个差值是否小于相应的预设阈值，如果小于，则判断所述微电网的计算结果与所述大电网的计算结果匹配，否则判断不匹配。

根据本发明的一个实施例，

当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器根据所述微电网和大电网的电压的谐波分量、流过所述可控开关的电流的谐波分量，判断所述公共连接点处的电能质量；

当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器根据所述微电网和大电网的电压的谐波分量，判断所述公共连接点处的电能质量。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括数据通信单元，其与所述控制器连接，用于实现所述控制器与微电网控制中心之间的数据通信。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括电源模块，其与所述控制器连接，用于为所述控制器提供电源，其中，

当所述微电网处于并网状态时，所述电源模块从所述大电网取电，当所述微电网处于离网状态时，所述电源模块从所述微电网取电。

根据本发明的一个实施例，所述装置的各个组成部分都集成在同一箱体中，所述箱体设置在所述微电网和大电网的公共连接点处。

相较于现有的微电网并网装置，本发明提供的微电网并网装置安装在微电网与大电网的并网位置（即公共连接点）处，其集控制功能和开关功能于一体，使得整个装置占用的空间变小、其接线也更加方便。同时，本装置根据微电网、大电网和可控开关处的电信号来实现微电网的孤岛检测和保护、防逆流保护、继电保护、准同期并网等功能，提高了微电网在离网状态与并网状态之间进行快速切换的可靠性，为微电网和大电网中用电设备的安全运行提供了保障。

本发明提供的微电网并网装置作为微电网控制系统的一部分，对于整个微电网系统的安全稳定运行和微电网功能的充分发挥起到了至关重要的作用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的微电网并网装置的结构图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1示出了本实施例中微电网并网装置的结构图。

如图1所示，微电网并网装置包括可控开关101、信号采集电路102、信号转换电路103、控制器104和开关驱动电路105。本实施例中，微电网并网装置的各个组成部分都集成在同一箱体中，该箱体设置在微电网与大电网的并网位置（即公共连接点）处。这样相较于现有的并网装置，本实施例中提供的并网装置所占用的空间更小、其接线也更加方便。

本实施例中，信号采集电路102包括微电网电信号采集电路102a、大电网电信号采集电路102b和可控开关电信号采集电路102c。其中，微电网电信号采集电路102a与微电网连接，用于采集微电网的电压；大电网电信号采集电路102b与大电网连接，用于采集电网的电压；可控开关电信号采集电路102c与可控开关101连接，用于采集流过可控开关101的电流。

信号转换电路103电连接在信号采集电路102和控制器104之间，用于将信号采集电路102采集到的电信号转换为满足控制器104量程范围和输入信号质量要求的电信号，并输出给控制器104。

控制器104根据接收到的电信号分析判断微电网和大电网所处的状态，并产生相应的通断信号，以控制可控开关101的通断，从而实现微电网的并网或离网。

为了使控制器104输出的通断信号能够满足可控开关101的信号要求，本实施例中，在控制器104和可控开关101之间电连接有开关驱动电路105。开关驱动电路105能够对控制器104输出的通断信号进行相应的电量转换，使得转换后的通断信号能够满足可控开关101的要求，从而使得控制器104能够可靠控制可控开关101的通断。这样使得微电网在离网状态和并网状态之间的切换也更加可靠，提高了整个装置的可用性。

可控开关101电连接在微电网和大电网之间，其根据接收到的控制器104发出的通断信号相应地闭合或断开，从而实现微电网的并网与离网。本实施例中，可控开关101优选地采用快速动作性器件结构，但本发明不限于此。通过采用快速动作性器件结构，保证了可控开关101能够快速响应控制器104输出的通断信号，且能够可靠分合。这样保证了本装置能够实现微电网在并网状态和离网状态之间的快速、可靠切换。

本实施例中，微电网并网装置还包括电源模块106。电源模块106用于为装置内的各个组成部分提供电源，其采用双电源架构。当微电网处于离网状态时，电源模块106直接从微电网取电；当微电网处于并网状态时，电源模块106从大电网取电。所以当大电网出现故障时，本实施例所提供的微电网并网装置仍能够进行正常工作，从而使得微电网并网装置对微电网的并网状态与离网状态的切换更加可靠。

再次如图1所示，本实施例中，微电网并网装置还包括人机交互单元107和数据通信单元108。人机交互单元107与控制器104连接，其用于显示微电网的运行状态、电力参数等信息，也用于响应人为保护参数设置、开关动作指令等，从而实现双向的人机交互。本实施例中，人机交互单元107采用触摸显示屏，以用于显示及获取相关信息，但本发明不限于此。

数据通信单元108与控制器104连接，用于实现控制器104与微电网控制中心之间的数据通信。本实施例中，数据通信单元108采用IEC61850通讯规约，其可以将控制器104分析处理后的相关信息上传到微电网控制中心，以供微电网控制中心进行综合调度管理使用，还可以将微电网控制中心的相关指令传输给控制器104，以供控制器104进行相应的控制。

以下以微电网分别处于并网运行状态和离网运行状态为例，来对本发明提供的微电网并网装置的目的、原理以及优点作进一步地阐述。

当微电网并网运行状态时，微电网和大电网连接并同时运行，微电网向大电网提供多余的电能或由大电网补充微电网发电的不足部分。

此时，微电网电信号采集电路102a和大电网电信号采集电路102b分别采集微电网和大电网的电压，同时可控开关电信号采集电路102c采集流过可控开关101的电流。

信号转换电路103将信号采集电路102采集到的电信号进行相应的转换后传输到控制器104，以供控制器104进行进一步的分析处理使用。

当大电网因故障或停电维护等原因停止工作时，如果安装在各个用户端的微电网（例如光伏并网发电系统）未能检测出停电状态，这将导致微电网不能迅速将自身切离大电网，从而造成由微电网向周围负载供电。这种现象也被称为孤岛效应，微电网就可以看做一个孤岛。

孤岛一旦产生，将会危及大电网输电线路上维修人员和用电设备的安全。同时孤岛效应还会影响配电系统上保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；孤岛效应对传输的电能质量会产生不利影响，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定。当大电网供电恢复后，孤岛效应还会造成微电网与大电网的电源不同步。如果微电网为单相分布式发电系统，孤岛效应还会造成大电网供电系统的三相负载欠相供电。因此，对于微电网并网系统，必须进行孤岛检测和保护。

本实施例中，控制器104根据接收到的大电网的电压，分别计算大电网电压的有效值、谐波分量、频率值和相位值。随后，控制器104分别判断计算得到的大电网的电压的有效值是否超过预设过压限值或低于预设欠压限值、电压的频率是否超过预设过频限值或低于预设欠频限值、电压的谐波分量是否超过预设电压谐波限值。如果在预设持续时长内检测到上述任一条件成立，则判断微电网发生孤岛效应。控制器104产生断开信号，来控制可控开关101断开，实现微电网的离网，从而保证大电网输电线路上维修人员和用电设备的安全。

此外，控制器104还根据接收到的流过可控开关101的电流，计算该电流的有效值和谐波分量，并判断流过可控开关的电流的有效值是否超过预设逆流限值。如果在预设持续时长内检测到该条件成立，则判断此时微电网发生逆流。控制器104产生并输出断开信号，以控制可控开关101断开，从而实现微电网的离网。

控制器104还可判断计算得到的流过可控开关101的电流的有效值是否超过预设过流限值。如果在预设持续时长内检测到该条件成立，则判断所述微电网发生过流。此时控制器104将产生并输出断开信号，以控制可控开关101断开，从而实现微电网的离网。该过程实现了对微电网的逆流检测，当微电网向大电网流过的电流在一定时长内持续大于预设过流限值时，本实施例所提供的微电网并网装置能够快速将微电网切换至离网状态，从而保护微电网和大电网中用电设备的安全。

当所述微电网处于离网状态时，微电网和大电网之间的可控开关101处于断开状态。此时，微电网电信号采集电路102a和大电网电信号采集电路102b分别采集微电网和大电网的各相电压。

准同期并网的条件是微电网的电压和大电网的电压有效值相等、相位相同且频率相等。当上述条件不被满足而进行并网时，会引起冲击电流。电压的差值越大，冲击电流就越大；频率的差值越大，冲击电流的周期越短。而冲击电流对微电网和大电网都是不利的。

所以本实施例中，控制器104通过数据通信单元108将根据微电网电压和大电网电压计算得到的结果发送到微电网控制中心。微电网控制中心根据接收到的计算结果控制微电网内的分布式发电单元实现微电网与大电网的同步。控制器104会实时比较微电网与大电网的电压有效值差值、频率差值和相位差值是否小于相应的预设阈值，以此来检测并捕获合适的并网时刻。

如果电压有效值差值、频率差值和相位差值均小于相应的预设阈值，那么控制器104将判断此时微电网的计算结果与大电网的计算结果匹配，微电网和大电网处于准同步状态。

当控制器104监测到微电网与大电网处于准同步状态后，控制器104输出导通信号，控制开关单元101闭合，使得微电网由离网状态快速切换至并网状态，从而实现微电网的准同期并网。本实施例中，当微电网与大电网的电压有效值差值、频率差值和相位差值分别小于相应的差值阈值时，控制器104判断微电网与大电网已同步。

此外，因为微电网内用电负荷各异，这就要求微电网提供的电源能够满足用电负荷多样化的电能质量需求。微电网和大电网的公共连接点作为微电网连接大电网的关键部位，该处的电能质量能否满足并网电能质量要求是关系微电网内负荷能否可靠供电的关键。因此，对公共连接点处的电能质量进行实时监测显得尤为重要。

本实施例中，控制器104分别对接收到的大电网侧和微电网侧的电压信号以及流过可控开关的电流信号进行正交小波分解，分别分析各个信号中各个尺度的分解结果，从而检测出各个信号中各次谐波分量。

另外，不论微电网处于何种运行状态，本实施例所提供的微电网并网装置都能够实时监测公共连接点处的电能质量信息（包括电流、电压各次谐波数据信息）。

当微电网处于并网状态时，控制器104根据微电网和大电网的电压的谐波分量、流过可控开关101的电流的谐波分量，来判断公共连接点处的电能质量。

当微电网处于离网状态时，控制器104根据微电网和大电网的电压的谐波分量，来判断公共连接点处的电能质量。

谐波检测结果除了可以供控制器104进行分析判断外，还可以通过人机接口实时显示，从而满足公共连接点处电能质量日常监测需求。监测得到的电能质量信息既可以通过装置人机接口供相关人员分析微电网运行状态，也可经通讯处理单元上传于微电网控制中心。

本发明提供的微电网并网装置安装在微电网与大电网的并网位置（即公共连接点）处，其集控制功能和开关功能于一体，使得整个装置占用的空间变小、其接线也更加方便。同时，本装置根据微电网、大电网和可控开关处的电信号来实现微电网的孤岛检测和保护、防逆流保护、继电保护、准同期并网等功能，提高了微电网在离网状态与并网状态之间进行快速切换的可靠性，为微电网和大电网中用电设备的安全运行提供了保障。

同时，本发明提供的微电网并网装置还可以作为微电网控制系统的组成部分，与微电网控制系统中的其他装置进行模块化配置后可以满足不同微电网的控制要求。由此可以看出本发明提供的微电网并网装置能够很好的与其他装置配合使用，相较于现有的并网装置，其具有更高的可集成度，这对于整个微电网系统的安全稳定运行和微电网功能的充分发挥将起到重要的作用。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种微电网并网装置，其特征在于，所述装置包括：

可控开关，其电连接于所述微电网和大电网之间，用于根据通断信号导通或断开所述微电网和大电网之间的连接；

信号采集电路，其包括：用于采集微电网电压的微电网电信号采集电路、用于采集大电网电压的大电网电信号采集电路和用于采集流过可控开关的电流的可控开关信号采集电路；

控制器，其电连接于所述信号采集电路和可控开关之间，用于根据所述微电网、大电网和可控开关的电信号产生通断信号，以控制所述可控开关的通断，从而实现所述微电网的并网或离网；

当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器分别计算所述微电网和大电网的电压的有效值、谐波分量、频率和相位，以及计算流过所述可控开关的电流的有效值和谐波分量，并基于计算结果判断大电网是否异常，如果大电网异常，所述控制器产生断开信号，以控制所述可控开关断开，从而实现所述微电网的离网；

当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器分别计算所述微电网和大电网的电压的有效值、谐波分量、频率和相位，并将计算结果发送到微电网控制中心，来为所述微电网控制中心进行微电网与大电网的同步提供数据，所述控制器判断所述微电网的计算结果与所述的大电网的计算结果是否匹配，如果匹配，则产生导通信号控制所述可控开关闭合，从而实现所述微电网的并网。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器分别判断计算得到的大电网的电压的有效值是否超过预设过压限值或低于预设欠压限值、电压的频率是否超过预设频率限值或低于预设欠频限值、电压的谐波分量是否超过预设电压谐波限值，如果在预设持续时长内检测到任一条件成立，则判断所述大电网异常，所述微电网发生孤岛效应。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器判断计算得到的流过所述可控开关的电流的有效值是否超过预设逆流限值，如果在预设持续时长内检测到该条件成立，则判断所述微电网发生逆流，所述控制器产生断开信号，以控制所述可控开关断开，从而实现所述微电网的离网。

4.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器基于所述微电网和大电网的电压计算所述大电网与微电网的电压的有效值差值、频率差值和相位差值，并分别判断各个差值是否小于相应的预设阈值，如果小于，则判断所述微电网的计算结果与所述大电网的计算结果匹配，否则判断不匹配。

5.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，

当所述微电网处于并网状态时，

所述控制器根据所述微电网和大电网的电压的谐波分量、流过所述可控开关的电流的谐波分量，判断公共连接点处的电能质量；

当所述微电网处于离网状态时，

所述控制器根据所述微电网和大电网的电压的谐波分量，判断公共连接点处的电能质量。

6.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括数据通信单元，其与所述控制器连接，用于实现所述控制器与微电网控制中心之间的数据通信。

7.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电源模块，其与所述控制器连接，用于为所述控制器提供电源，其中，

当所述微电网处于并网状态时，所述电源模块从所述大电网取电，当所述微电网处于离网状态时，所述电源模块从所述微电网取电。

8.如权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置的各个组成部分都集成在同一箱体中，所述箱体设置在所述微电网和大电网的公共连接点处。