基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源管理系统

摘要

本发明提供了一种基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源管理系统，其中包括：光伏阵列、储能单元、以及分别与所述光伏阵列、储能单元配合的即插即用逆变器，并通过逆变器的通信接口实现与远程电力调度中心的即时通信功能，达到本地电源管理系统的即插即用和能量管控功能，其中储能单元起辅助作用。本发明提供的基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源管理系统，通过跟踪在分布式电源并网和离网瞬间产生的瞬间冲击电压、电流变化，以软件的快速采样和算法处理并网和离网时电压峰值变化，控制逆变器实现电流源方式运行，实现分布式电源的有功/无功控制，最终缓解或消除这些影响，达到本系统的即插即用和能量管控的目的。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网领域，具体涉及一种基于光伏系统的用户侧分布式电 源即插即用电源管理系统。

背景技术

随着智能电网的快速发展，在今后的电力系统中，分布式电源的比例里越 来越高，分布式电源的大量接入，要求其即插即用的快速化、标准化强烈，同 时分布式电源接入会导致电网电能质量难以得到保证，研究解决分布式电源接 入带来的各种实际问题具有重要的意义，通过研究合理的即插即用解决方案， 缓解甚至消除这些影响，也就意味着分布式电源可以又好的方式接入，以适应 新的需求。

1、即插即用技术

即插即用是微软为Windows 95和后来的操作系统开发的一种功能，用于让 用户将设备插入计算机，并让计算机识别该设备的存在。随着微软的参与，即 插即用(PnP)已被一个开放的行业标准，通用即插即用(UPnP)，所取代。通 用即插即用是在无缝装置插件上使用互联网协议。

设备的“即插即用”指新的设备可以从物理上接入测控系统网络，同时，监控 中心就可以自动识别新接入的设备，并可以对新设备加以管理。监控中心要实 现的基本功能大致可包括如下几部分：自动识别新添加的设备；确定新设备功 能和服务；创建完整的设备配置信息，并控制设备的工作和获取设备当前的状 态。实现了即插即用，自动识别的测控系统就具有了一定的可扩展和自适应的 能力，当有新设备接入到网络时，监控中心可以自动识别新插入的设备并对其 进行管理，而不需要更改调度系统的应用程序，既减轻了系统编码的复杂性， 使其更容易维护，又提高了系统的灵活性，使系统趋向智能化。

2、光伏逆变器控制技术

通过对逆变器输出电流矢量的控制实现并网及网侧有功和无功的控制。控 制电路的目的就是控制并网逆变器六个开关管的通断，产生与正弦波等效的一 系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把 一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都 用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等 份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化。这样，由n个等幅而不等宽的矩形 脉冲所组成的波形就与正弦半周等效。同样，正弦波负半周也可用相同方法与 一系列负脉冲波来等效。矢量控制最初用于控制异步电机，把交流电动机等效 为直流电动机控制，后来经过多年的发展，逐渐形成了一套比较完整的矢量控 制理论体系。最近二十多年来由于电力电子、计算机及微电子技术的飞速发展， 矢量控制技术在高性能交流驱动领域的应用已经越来越广泛。矢量控制大大简 化了控制的难度，并会获得较好的控制效果。矢量控制由两个电流内环、一个 电压外环的双闭环系统，来达到实际需要的精度和动静态性能。这种方法是取 直流侧电压与给定电压比较，产生作为输入的直轴电流，取逆变器侧电感电流 作为反馈，产生控制逆变器的脉冲信号。当发电机的直流电压不稳定时，通过 逆变器侧电感电流的反馈，可以调节逆变器6个开关管通断时间，使其输出与 电网电压幅值、相位相吻合。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于光伏系统的用户侧分布式电源即 插即用电源管理系统，通过跟踪在分布式电源并网和离网瞬间产生的瞬间冲击 电压、电流，以软件的快速采样和算法处理并网和离网时电压峰值变化，控制 逆变器实现电流源方式运行，实现分布式电源的有功/无功控制，最终缓解或消 除这些影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光伏系统的用户侧分布式电源即 插即用电源管理系统，其包括：光伏阵列和储能单元；其改进之处在于，所述 系统包括：分别与所述光伏阵列和所述储能单元配合的即插即用光伏逆变器； 其中，储能单元起辅助作用，通过逆变器的通信接口实现与远程电力调度中心 的即时通信功能，达到本地电源管理系统的即插即用和能量管控功能。

本发明提供的优选技术方案中，所述储能单元包括：储能电池组和与其进 行配合的储能逆变器电气柜。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述光伏逆变器包括：分布式电源控 制器、功率主电路、检测接口、通信接口、可控功率接口A、B、和机械接口； 所述功率主电路完成所述光伏阵列的直流到交流转换，并通过可控功率接口A 接入外部电网；所述分布式电源控制器通过所述通信接口向远程电网调度中心 实时通信；所述检测接口接收来自PT、CT感知到的外部电网的同步频率和电压 幅值；可控功率接口A实现光伏阵列能量的传递；可控功率接口B实现储能电 池组能量的传递；机械接口分别接收可控功率接口A和可控功率接口B传递的 能量。

本发明提供的第三优选技术方案中，所述功率主电路为直流-交流变换器。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述分布式电源控制器为集成电路板， 包括数字信号处理器芯片和数据存储芯片。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述检测接口，包括：感知电网信号 的PC、CT、模拟信号调理电路以及接收其信号的模数转换电路。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述通信接口为以多种通信电路组成 的通信协议接口，所述通信接口包括远程通信的电力载波模块或以太网接口模 块，和本地通信的485电路模块。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述可控功率接口为大功率电力电子 器件及其驱动电路。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述机械接口包括：大电流大电压插 座和与其配合的插头；其中，大电流大电压是指：系统交流电压380V、电流800A 以上。

与现有技术比，本发明提供的一种基于光伏系统的用户侧分布式电源即插 即用电源管理系统，通过机械接口、功率接口、通信接口实现小功率的分布式 电源即插即用、并网和离网运行；通过分布式电源逆变器本身缓解甚至消除分 布式电源并网时带来的不良影响，即分布式电源逆变器的即插即用技术；主要 通过硬件实时跟踪，检测，依据软件算法的控制策略调节，缓慢调节克服不利 影响；而且，本系统通过专用机械接口、功率接口和通信接口等模块配合实现 光伏逆变器的即插即用并网和离网控制；同时将具有即插即用控制功能的硬件 和软件分别集成于主电路和逆变器的控制系统中，并通过外加调峰用的储能逆 变器或超级电容等辅助实现调节；本系统通过跟踪在分布式电源并网和离网瞬 间产生的瞬间冲击电压、电流，以软件的快速采样和算法处理并网和离网时电 压峰值变化，控制逆变器实现电流源方式运行，实现分布式电源的有功/无功控 制，最终缓解或消除这些影响。

附图说明

图1为基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源管理系统的结构示 意图。

图2为电气接口功能图。

具体实施方式

如图1所示，该框图主要包括4个部分

(1)光伏阵列：用来提供分布式电源能量来源，在小型家居用光伏系统中， 可考虑屋顶式太阳能阵列。

(2)储能电池组及其逆变器(可选)：用以辅助削减分布式电源并网时对外 部电网和负载产生的负面影响，保证负载和系统可靠工作。

(3)带即插即用功能的光伏逆变器：图中粉色虚线框中的部分，就是这种 考虑到用户侧分布式电源即插即用的特点，设计的一种新型逆变器系统，我们 将即插即用部分的功能与逆变器的设计融为一体，除具有光伏逆变器功能外， 还具有即插即用并网的自我调节功能；

检测接口：通过PT、CT用于感知外部电网的同步频率和电压幅值；

通信接口：远程功能用于向外部电网调度中心传递状态信息，近端通信用 于根据需求调节储能电池组；

可控功率接口：用来根据指令控制分布式电源的并网、离网；

机械接口：与可控功率接口配合完成分布式电源的并网和离网，该接口需 要特殊设计，可考虑类似于三相插头和插座的设计。

(4)电网调度中心、外部电网、交流母线、负载：该部分是验证即插即用 分布式电源并网功能的必要系统组成部分。

下面对基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源能量系统作进一步 阐述。

基于光伏系统的用户侧分布式电源即插即用电源管理系统，其中包括：光 伏阵列、储能单元、以及分别与所述光伏阵列、储能单元配合的即插即用逆变 器，并通过逆变器的通信接口实现与远程电力调度中心的即时通信功能，达到本 地电源管理系统的即插即用和能量管控功能，其中储能单元起辅助作用。

所述储能单元包括：储能电池组和与其配合能逆变器电气柜。

所述光伏逆变器包括：分布式电源控制器、功率主电路、检测接口、通信 接口、可控功率接口A、B、和机械接口；所述功率主电路完成所述光伏阵列的 直流到交流转换，并通过可控功率接口A接入外部电网；为实现电源系统的即 插即用，达到传递、汇报实时状态信息的目的，所述分布式电源控制器通过所 述通信接口向远程电网调度中心实时通信；所述检测接口接收来自PT、CT感知 到的外部电网的同步频率和电压幅值以达到配合逆变器完成电流、电压跟踪的 目的；可控功率接口A实现光伏系统能量的传递；可控功率接口B实现储能电 池组能量的传递；机械接口分别接收可控功率接口A和可控功率接口B传递的 能量；机械接口能量传递的最后关口，但此接口一定是在不带电的前提条件下 进行接通和断开的。所述功率电路为直流-交流变换器。所述分布式电源控制器 为集成电路板，主要含数字信号处理器芯片、数据存储芯片等。所述通信接口 为以多种通信电路组成的通信协议接口，包括远程通信的电力载波模块或以太 网接口模块，本地通信的485电路模块。。所述可控功率接口为大功率电力电子 器件(GTO)及其驱动电路。所述机械接口包括：大电流插座和与其配合的插头。

功率接口：由线路开关构成，连接分布式电源和电网，实现分布式电源能 量的无缝连接，其控制部分功能包含在逆变器控制系统中，该部分的控制功能 主要包括：根据指令调节潮流，设定几种运行模式，实现即插即用的功能，具 有相应的保护等；功率接口A实现光伏逆变器的功率转换，功率接口B实现的是 储能逆变器的功率转换。

如图2所示，各个接口的功能如下：

检测接口：该部分是整个系统对外界信号的感知环节，包括通过PT，CT对 外部电网电压、电流等信号进行采样、对系统输出电压、电流进行采样，关键 部件的温度进行采样等，为系统进行自我调节提供依据；

通信接口：也可称为信息接口，该部分接口包含两部分功能，远程通信可 通过以太网等方式与调度中心进行状态沟通，近程通信是指对即插即用逆变器 本身和储能逆变器控制调节功能。

机械接口：分布式电源的并网机械接口是个挑战性的设计工作，在以往的 用途中，还没有这样特殊的用于大电流、大电压的插座和插头产品，分布式电 源即插即用的理念提出后，随时插拔的机械接口端子成为设计中的一个关键部 件，但不是难点，如果要获得与系统相配合的机械接口同样需要一定的设计思 想。其中，大电流、大电压是指系统交流电压380V、可承受电流800A以上。

系统原理：

正常工作条件下，外部电网通过交流母线对负载正常供电，

(1)分布式电源处于离网状态，当需要分布式电源并网时，

第一步：保证通信接口、检测接口都连接正常，

第二步：通过机械接口将系统与交流母线连接，此时功率接口是打开的

第三步：光伏逆变器开启，正常工作后，根据合闸指令，自我调节跟踪外 部电网信号，控制功率接口闭合；

第四步：根据功率接口合闸后出现的过电流、过电压尖峰、抖动等，利用 储能电池组进行调节；

第五步：根据提供的功率状态，对电气节点的有功和无功功率进行调整；

第六步：完成一系列操作，系统稳定后向电网调度中心发布并网状态信息；

(2)当需要分布式电源离网时，

第一步：控制功率接口打开；

第二步：根据功率接口合闸后出现的过电流、过电压尖峰、抖动等，利用 储能电池组进行调节；

第三步：外部系统稳定后，通过功率切除储能电池组；

第四步：切除机械接口、检测接口；

第五步：向电网调度中心发布离网状态信息；

第六步：完成一系列操作后，切除远程通信接口。

本申请是国家高技术研究发展计划(863计划)中项目号是2011AA05A116的、 名称为智能配用电信息及通信支撑技术研究与开发的相关专利申请。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方 案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发 明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修 改均在申请待批的保护范围内。