应用于微网的储能单元与apf的组合系统及工作方法
【专利说明】
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技术领域
[0001]本发明属于微网电能质量调节领域，涉及一种应用于微网的储能单元与APF(有源电力滤波器--Active Power Filter, APF)的组合系统及工作方法。
(二)
【背景技术】
[0002]微网既能够与大电网并网运行，又可以独立运行。对于大电网来说，微网可看作一个即插即用的可控“插件”，能够在短短数秒内快速响应来满足传输系统的要求。从用户的角度来说，微网可当作一个可调电源，可以支持小范围内电压稳定，增强局部地区供电可靠性，以满足不同用户多样化、个性化的需求。由于微网的灵活可调度性，它既可适时向大电网提供重要补充，又解决了分布式电源(Distributed generat1n，DG)的大规模接入问题，还可以更充分地发挥可再生电源的潜能，给人们带来了显著的经济效益和巨大的社会效益。同时，微网具有的安装地点灵活、能源利用率高、可靠性高和绿色环保等特点，有效地解决了大电网的许多难题，微网作为未来大电网的有效支撑和有力补充，是电力系统未来发展所必需的关键组成之一，极具研究意义。
[0003]由于独立微网内部各电源不能快速跟踪外界环境和负载变化，难以维持电力供需的动态平衡和系统的稳定运行，所以需要设计出合适的储能单元来保证微电源输出电能的质量。同时，微网中含有大量的电力电子设备，不可避免地给系统带来大量谐波，使微网的电能质量受到严重污染。APF被认为是抑制谐波最有效的设备之一，能够实时跟踪抑制谐波和补偿无功。储能单元的安装可以使微网由刚性变为柔性，但其功能在实际应用中并没有得到充分利用，甚至很多时候处于闲置状态。众所周知，储能单元与APF在主电路结构、功能等方面非常相似，从节约投资成本、实现功能最大化的角度考虑，将APF与储能单元进行组合研究具有很实用的价值和意义。
[0004]基于以上分析，考虑在微网环境下，将微网储能单元与APF进行组合，实现“一机多能”，该组合系统既能够治理微网中的谐波，又能调节微网的有功和无功平衡，有效改善微网电能质量。另外，组合系统还能提高储能单元的利用率，且成本较低，实现起来较为容易Ο
(三)
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于设计了一种应用于微网的储能单元与APF组合系统及工作方法，它利用储能单元与APF主电路结构、功能相似的特点，将两者结合起来结构简单，并且既能够治理微网中的谐波，又能调节微网的有功功率和无功功率平衡，有效改善微网电能质量。
[0006]本发明的技术方案:一种应用于微网的储能单元与APF组合系统，其特征在于它包含采样调理系统、DSP (Digital Signal Processor——数字信号处理器)控制系统、驱动系统、主电路系统和保护系统。其中，所述采样调理系统输入端采集微网中电压电流信号，它的输出端与DSP控制系统的输入端连接；DSP控制系统的输出端与驱动系统的输入端连接；驱动系统的输出端与主电路系统的输入端连接；在组合系统内部，主电路系统的输出端分别与采样调理系统和保护系统的输入端连接；在组合系统外部，主电路系统与微网双向连接；保护系统的输出端与DSP控制系统的输入端连接。
[0007]所述采样调理系统由电流采样调理电路和电压采样调理电路组成。其中，电流采样调理电路利用霍尔电流互感器采集电流，然后将信号送给运算放大器，后一个运算放大器相当于一个低通滤波器，经电压偏移缩放后转化为目标信号送入DSP控制系统；电压采样调理系统利用霍尔电压互感器采集电压后，经差分放大器缩小，滤波器滤波和限压箝位为0-3V后输入到DSP控制系统中。
[0008]所述DSP控制系统由A/D采样模块、PWM输出模块、检测、功率计算模块和控制模块组成；其中，A/D采样模块接收采样的电压电流模拟信号，然后转化成处理器可识别的数字信号；A/D采样模块的输出端与检测、功率计算模块和控制模块的输入端连接；检测、功率计算模块和控制模块通过相应的检测、功率计算和控制算法将信号与PWM输出模块连接；PWM输出模块输出驱动系统需要的驱动信号。
[0009]所述驱动系统由输入电阻、M579系列芯片、推挽电路和一个稳压二级管组成；其中，输入驱动信号经输入电阻进入M579系列芯片，M579系列芯片的一个输出端直接是IGBT的集电极电压另一个输出端与一个由两个三极管组成的推挽电路的输入端相连接，推挽电路的输出端是IGBT所需要的栅极与发射极之间的门极电压推挽电路另一个输出端与稳压二极管的输入端连接，稳压二极管的输出端是IGBT的发射极电压uE。
[0010]所述保护系统由两个运放构成的整流电路和报警电路组成；其中，两个运放分别为运放1和运放2，它们为串联连接，其输出端输出电流采样信号，与报警电路的输入端相连接；报警电路的输出端与DSP控制系统的输入端连接；主要是防止输出电流可能过大。
[0011]所述主电路系统是由储能单元、DC-DC模块和典型APF主电路模块组成；其中，储能单元与DC-DC模块并联，为双向连接；DC-DC模块与APF主电路模块并联，为双向连接；储能单元为常规储能装置；DC-DC模块为常规DC-DC变换器；典型APF主电路模块为常规电压源型DC-AC变换器。
[0012]一种应用于微网的储能单元与APF组合系统的工作方法，其特征在于它由以下的步骤所构成:
[0013](1)采样调理系统分别与微网和主电路系统相连，实时地检测和调理网侧电压电流、负载电流、电压型逆变器直流侧母线电压、储能单元与APF组合系统发出的实际补偿电流?目号;
[0014](2)DSP控制系统内部的A/D采样模块接收采样调理系统发出的模拟信号，然后转化为DSP控制芯片可识别的数字信号；
[0015](3)DSP控制系统内的检测、功率计算模块根据⑵得到的电压、电流信号计算得出谐波电流的参考信号和电网功率的参考信号，经过控制模块由PWM输出模块产生PWM信号；控制模块包括DC-DC变换器的控制算法和DC-AC变换器的控制算法；DC-DC变换器完成对储能单元输出侧电压的升降压以及直流母线电压的稳定性处理；DC-AC变换器完成交流和直流之间的相互转换；
[0016](4)驱动系统接收到DSP控制系统发出的PWM信号后，由此信号驱动主电路系统的DC-DC变换器和DC-AC变换器，以实现APF与储能单元组合系统的能量的双向流动；
[0017](5)组合系统检测到微网有剩余能量时，此时组合装置的能量流动方向由微网侧至储能单元侧，DC-AC变换器处于整流状态，DC-DC变换器处于Buck状态；
[0018](6)组合系统检测到微网有能量缺失或者有谐波时，此时装置的能量流动方向由储能单元侧至微电网侧，DC-AC变换器处于逆变状态，DC-DC变换器处于Boost状态；放电模式下装置需要检测系统是否正常供电，若系统正常供电，组合装置同时具备调节系统功率平衡和治理谐波的功能；若系统因故障停止供电，系统可进入UPS模式为负载供电。
[0019]本发明的工作原理:组合系统有两种工作模式，一是充电模式，二是放电模式。储能单元与APF组合系统控制策略的好坏是系统能否安全有效运行的关键。对组合系统的控制包括DC-DC变换器的控制和DC-AC变换器的控制。
[0020]DC-DC变换器拓扑结构如图7所示，列写数学模型，可得到DC-DC变换器的传递函数如图8所示，其