應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與apf的組合系統(tǒng)及工作方法
【專利說(shuō)明】
(—)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與APF(有源電力濾波器--Active Power Filter, APF)的組合系統(tǒng)及工作方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]微網(wǎng)既能夠與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，又可以獨(dú)立運(yùn)行。對(duì)于大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，微網(wǎng)可看作一個(gè)即插即用的可控“插件”，能夠在短短數(shù)秒內(nèi)快速響應(yīng)來(lái)滿足傳輸系統(tǒng)的要求。從用戶的角度來(lái)說(shuō)，微網(wǎng)可當(dāng)作一個(gè)可調(diào)電源，可以支持小范圍內(nèi)電壓穩(wěn)定，增強(qiáng)局部地區(qū)供電可靠性，以滿足不同用戶多樣化、個(gè)性化的需求。由于微網(wǎng)的靈活可調(diào)度性，它既可適時(shí)向大電網(wǎng)提供重要補(bǔ)充，又解決了分布式電源(Distributed generat1n，DG)的大規(guī)模接入問(wèn)題，還可以更充分地發(fā)揮可再生電源的潛能，給人們帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益。同時(shí)，微網(wǎng)具有的安裝地點(diǎn)靈活、能源利用率高、可靠性高和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，有效地解決了大電網(wǎng)的許多難題，微網(wǎng)作為未來(lái)大電網(wǎng)的有效支撐和有力補(bǔ)充，是電力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展所必需的關(guān)鍵組成之一，極具研究意義。
[0003]由于獨(dú)立微網(wǎng)內(nèi)部各電源不能快速跟蹤外界環(huán)境和負(fù)載變化，難以維持電力供需的動(dòng)態(tài)平衡和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要設(shè)計(jì)出合適的儲(chǔ)能單元來(lái)保證微電源輸出電能的質(zhì)量。同時(shí)，微網(wǎng)中含有大量的電力電子設(shè)備，不可避免地給系統(tǒng)帶來(lái)大量諧波，使微網(wǎng)的電能質(zhì)量受到嚴(yán)重污染。APF被認(rèn)為是抑制諧波最有效的設(shè)備之一，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功。儲(chǔ)能單元的安裝可以使微網(wǎng)由剛性變?yōu)槿嵝裕涔δ茉趯?shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有得到充分利用，甚至很多時(shí)候處于閑置狀態(tài)。眾所周知，儲(chǔ)能單元與APF在主電路結(jié)構(gòu)、功能等方面非常相似，從節(jié)約投資成本、實(shí)現(xiàn)功能最大化的角度考慮，將APF與儲(chǔ)能單元進(jìn)行組合研究具有很實(shí)用的價(jià)值和意義。
[0004]基于以上分析，考慮在微網(wǎng)環(huán)境下，將微網(wǎng)儲(chǔ)能單元與APF進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”，該組合系統(tǒng)既能夠治理微網(wǎng)中的諧波，又能調(diào)節(jié)微網(wǎng)的有功和無(wú)功平衡，有效改善微網(wǎng)電能質(zhì)量。另外，組合系統(tǒng)還能提高儲(chǔ)能單元的利用率，且成本較低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易Ο
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與APF組合系統(tǒng)及工作方法，它利用儲(chǔ)能單元與APF主電路結(jié)構(gòu)、功能相似的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且既能夠治理微網(wǎng)中的諧波，又能調(diào)節(jié)微網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率平衡，有效改善微網(wǎng)電能質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與APF組合系統(tǒng)，其特征在于它包含采樣調(diào)理系統(tǒng)、DSP (Digital Signal Processor——數(shù)字信號(hào)處理器)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主電路系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。其中，所述采樣調(diào)理系統(tǒng)輸入端采集微網(wǎng)中電壓電流信號(hào)，它的輸出端與DSP控制系統(tǒng)的輸入端連接；DSP控制系統(tǒng)的輸出端與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出端與主電路系統(tǒng)的輸入端連接；在組合系統(tǒng)內(nèi)部，主電路系統(tǒng)的輸出端分別與采樣調(diào)理系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的輸入端連接；在組合系統(tǒng)外部，主電路系統(tǒng)與微網(wǎng)雙向連接；保護(hù)系統(tǒng)的輸出端與DSP控制系統(tǒng)的輸入端連接。
[0007]所述采樣調(diào)理系統(tǒng)由電流采樣調(diào)理電路和電壓采樣調(diào)理電路組成。其中，電流采樣調(diào)理電路利用霍爾電流互感器采集電流，然后將信號(hào)送給運(yùn)算放大器，后一個(gè)運(yùn)算放大器相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，經(jīng)電壓偏移縮放后轉(zhuǎn)化為目標(biāo)信號(hào)送入DSP控制系統(tǒng)；電壓采樣調(diào)理系統(tǒng)利用霍爾電壓互感器采集電壓后，經(jīng)差分放大器縮小，濾波器濾波和限壓箝位為0-3V后輸入到DSP控制系統(tǒng)中。
[0008]所述DSP控制系統(tǒng)由A/D采樣模塊、PWM輸出模塊、檢測(cè)、功率計(jì)算模塊和控制模塊組成；其中，A/D采樣模塊接收采樣的電壓電流模擬信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化成處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；A/D采樣模塊的輸出端與檢測(cè)、功率計(jì)算模塊和控制模塊的輸入端連接；檢測(cè)、功率計(jì)算模塊和控制模塊通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)、功率計(jì)算和控制算法將信號(hào)與PWM輸出模塊連接；PWM輸出模塊輸出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0009]所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由輸入電阻、M579系列芯片、推挽電路和一個(gè)穩(wěn)壓二級(jí)管組成；其中，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入電阻進(jìn)入M579系列芯片，M579系列芯片的一個(gè)輸出端直接是IGBT的集電極電壓另一個(gè)輸出端與一個(gè)由兩個(gè)三極管組成的推挽電路的輸入端相連接，推挽電路的輸出端是IGBT所需要的柵極與發(fā)射極之間的門極電壓推挽電路另一個(gè)輸出端與穩(wěn)壓二極管的輸入端連接，穩(wěn)壓二極管的輸出端是IGBT的發(fā)射極電壓uE。
[0010]所述保護(hù)系統(tǒng)由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的整流電路和報(bào)警電路組成；其中，兩個(gè)運(yùn)放分別為運(yùn)放1和運(yùn)放2，它們?yōu)榇?lián)連接，其輸出端輸出電流采樣信號(hào)，與報(bào)警電路的輸入端相連接；報(bào)警電路的輸出端與DSP控制系統(tǒng)的輸入端連接；主要是防止輸出電流可能過(guò)大。
[0011]所述主電路系統(tǒng)是由儲(chǔ)能單元、DC-DC模塊和典型APF主電路模塊組成；其中，儲(chǔ)能單元與DC-DC模塊并聯(lián)，為雙向連接；DC-DC模塊與APF主電路模塊并聯(lián)，為雙向連接；儲(chǔ)能單元為常規(guī)儲(chǔ)能裝置；DC-DC模塊為常規(guī)DC-DC變換器；典型APF主電路模塊為常規(guī)電壓源型DC-AC變換器。
[0012]一種應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能單元與APF組合系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它由以下的步驟所構(gòu)成:
[0013](1)采樣調(diào)理系統(tǒng)分別與微網(wǎng)和主電路系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)地檢測(cè)和調(diào)理網(wǎng)側(cè)電壓電流、負(fù)載電流、電壓型逆變器直流側(cè)母線電壓、儲(chǔ)能單元與APF組合系統(tǒng)發(fā)出的實(shí)際補(bǔ)償電流?目號(hào);
[0014](2)DSP控制系統(tǒng)內(nèi)部的A/D采樣模塊接收采樣調(diào)理系統(tǒng)發(fā)出的模擬信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為DSP控制芯片可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；
[0015](3)DSP控制系統(tǒng)內(nèi)的檢測(cè)、功率計(jì)算模塊根據(jù)⑵得到的電壓、電流信號(hào)計(jì)算得出諧波電流的參考信號(hào)和電網(wǎng)功率的參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制模塊由PWM輸出模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)；控制模塊包括DC-DC變換器的控制算法和DC-AC變換器的控制算法；DC-DC變換器完成對(duì)儲(chǔ)能單元輸出側(cè)電壓的升降壓以及直流母線電壓的穩(wěn)定性處理；DC-AC變換器完成交流和直流之間的相互轉(zhuǎn)換；
[0016](4)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收到DSP控制系統(tǒng)發(fā)出的PWM信號(hào)后，由此信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電路系統(tǒng)的DC-DC變換器和DC-AC變換器，以實(shí)現(xiàn)APF與儲(chǔ)能單元組合系統(tǒng)的能量的雙向流動(dòng)；
[0017](5)組合系統(tǒng)檢測(cè)到微網(wǎng)有剩余能量時(shí)，此時(shí)組合裝置的能量流動(dòng)方向由微網(wǎng)側(cè)至儲(chǔ)能單元側(cè)，DC-AC變換器處于整流狀態(tài)，DC-DC變換器處于Buck狀態(tài)；
[0018](6)組合系統(tǒng)檢測(cè)到微網(wǎng)有能量缺失或者有諧波時(shí)，此時(shí)裝置的能量流動(dòng)方向由儲(chǔ)能單元側(cè)至微電網(wǎng)側(cè)，DC-AC變換器處于逆變狀態(tài)，DC-DC變換器處于Boost狀態(tài)；放電模式下裝置需要檢測(cè)系統(tǒng)是否正常供電，若系統(tǒng)正常供電，組合裝置同時(shí)具備調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率平衡和治理諧波的功能；若系統(tǒng)因故障停止供電，系統(tǒng)可進(jìn)入U(xiǎn)PS模式為負(fù)載供電。
[0019]本發(fā)明的工作原理:組合系統(tǒng)有兩種工作模式，一是充電模式，二是放電模式。儲(chǔ)能單元與APF組合系統(tǒng)控制策略的好壞是系統(tǒng)能否安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)組合系統(tǒng)的控制包括DC-DC變換器的控制和DC-AC變換器的控制。
[0020]DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，列寫數(shù)學(xué)模型，可得到DC-DC變換器的傳遞函數(shù)如圖8所示，其