一种主动配电网电能治理装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统技术领域，尤其涉及一种主动配电网电能治理装置及其使用方法。

背景技术

分布式发电是解决能源需求的可靠且必要的手段，既符合环保的需求，又能缓解能源短缺的现状。主动配电网是分布式发电设备无缝接入大电网的关键环节，也是建设智能电网的重要基础。主动配电网运行方式灵活，能够提高用户的供电可靠性和分布式能源的利用率，减少对大电网冲击，具有良好的经济和社会效益。相比传统电网，主动配电网的电能质量表现出以下特点：1、谐波渗透率高、多种并网变流设备谐波相互影响；2、无功功率成分大，功率因素较低；3、电压波动和暂降问题频繁；4、功率双向流动；5、三相不对称突出；6、电网的波动容易对主动配电网造成扰动，影响主动配电网的稳定。

综上所述，现有的主动配电网的电能质量控制方面还不够完善，输入或输出电能的可靠性不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种合理控制电能质量、提高输入或输出电能可靠性的一种主动配电网电能治理装置及其使用方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一方面本发明提供了一种主动配电网电能治理装置，包括

电流采样单元(1)，分别与主动配电网和MCU电性连接，获取主动配电网的电流信号；

电压采样单元(2)，分别与主动配电网和MCU电性连接，获取主动配电网的电压、频率和相位信号；

储能设备(3)，选择性的与功率控制单元(4)电性连接；

功率控制单元(4)，用于使储能设备(3)吸收电网的能量，或者使储能设备(3)向主动配电网放电；

及MCU，MCU分别与电流采样单元(1)、电压采样单元(2)、储能设备(3)和功率控制单元(4)电性连接；MCU用于接收电流采样单元(1)采集的主动配电网的电流信号、电压采样单元(2)采集的主动配电网的电压、频率及相位信号，选择性的改变功率控制单元(4)的工作状态，并将储能设备(3)与功率控制单元(4)电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述电流采样单元(1)包括若干电流互感器、第一运放、第二运放和ADC芯片U4，各电流互感器获取主动配电网的感应电流信号后将该感应电流信号进一步转换为电压信号输入第一运放的差分输入端，第一运放将输入的电压信号转为单端信号后输出，该单端信号送入第二运放的同相输入端，由第二运放将该单端信号放大后输入ADC芯片U4的一路输入通道中，经ADC芯片U4模数转换后输出主动配电网的电流信号至MCU中。

进一步优选的，所述电压采样单元(2)包括若干组变压器T2、第三运放、第四运放、第五运放、锁相器U6和分频器U7，各变压器T2的原边与主动配电网的两个不同相线电性连接，变压器T2的副边经RC滤波器滤波后与第三运放的同相输入端电性连接，第三运放的反相输入端与其输出端电性连接，第三运放的输出端与第四运放的反相输入端和第五运放的同相输入端并联，第四运放及其外围组件构成反相放大器，第四运放的输出端经限幅后与MCU的一ADC端口电性连接；第五运放的反相输入端接地，第五运放进行过零比较输出脉冲信号至锁相器U6和分频器U7，分频器U7对脉冲信号进行分频后，将分频后的脉冲信号发生至MCU的另一ADC端口中。

更进一步优选的，所述功率控制单元(4)包括若干组双向变流组件、若干滤波组件及隔离变压器T1；隔离变压器T1的原边与主动配电网的各相线电性连接，隔离变压器T1的副边分别与一滤波组件电性连接；滤波组件包括第一端、第二端和第三端，滤波组件的第一端和第二端分别与隔离变压器T1的副边电性连接，滤波组件的第三端和第二端还与双向变流组件电性连接，双向变流组件还与储能设备(3)电性连接；双向变流组件具有触发输入端，触发输入端与MCU电性连接，双向变流组件可工作在整流或者逆变状态。

再进一步优选的，所述双向变流组件包括两组并联的IGBT单元，每组IGBT单元由两个IGBT顺次串联而成，一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端与滤波组件的第三端电性连接，另一种IGBT单元的两IGBT的串联公共端与滤波组件的第二端电性连接。每组IGBT单元的并联公共端分别与储能设备(3)的正极或者负极电性连接。

更进一步的优选的，所述各滤波组件均包括第一滤波电感、第二滤波电感、滤波电容和阻尼电阻；第一滤波电感的一端、第二滤波电感的一端和滤波电容的一端均并联，第一滤波电感的另一端和滤波电容的另一端分别作为滤波组件的第一端和第二端与一隔离变压器T1的副边电性连接；第二滤波电感的另一端作为滤波组件的第三端与一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端电性连接，滤波电容的另一端还与另一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端电性连接；滤波电容的两端还并联有阻尼电阻。

更进一步的优选的，所述功率控制单元(4)还包括若干IGBT驱动组件；各IGBT驱动组件包括光耦合器U8和门驱动器U9；光耦合器U8的引脚2与MCU电性连接，光耦合器U8的引脚3接地，光耦合器U8的引脚4与门驱动器U9的引脚1、引脚3和引脚5并联，门驱动器U9的引脚11与一IGBT的门极电性连接。

进一步优选的，还包括电量检测单元，电量检测单元包括电量检测芯片U10、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，电量检测芯片U10的引脚5与第一MOS管Q1的源极电性连接，第一MOS管Q1的漏极与储能设备(3)的正极电性连接，第一MOS管Q1的漏极还与电阻R46和R47的一端并联，电阻R46的另一端分别与二极管D6的负极和第一MOS管Q1的栅极电性连接，二极管D6的正极接地；电阻R47的另一端与第二MOS管Q2的漏极电性连接，第二MOS管Q2的栅极与电量检测芯片U10的引脚6电性连接，电量检测芯片U10的引脚7接地，电量检测芯片U10的引脚13与第二MOS管Q2的源极和电阻R48的一端电性连接，电阻R48的另一端接地；电量检测芯片U10的引脚2与引脚4之间并联有电阻R53，电阻R53的一端接地，电阻R53的另一端与储能设备(3)的负极电性连接；电量检测芯片U10的引脚8、引脚11和引脚12分别与MCU电性连接。

另一方面，本发明还提供了一种主动配电网电能治理装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：配置上述的若干套主动配电网电能治理装置并与主动配电网电性连接；

S2：通过电流采样单元(1)对主动配电网的电流进行实时采集，获取主动配电网的电流信号并发送至MCU中；通过电压采样单元(2)获取主动配电网的电压、频率和相位信号并发送至MCU中；通过电量检测单元获取储能单元的荷电状态；

S3：MCU将获取主动配电网的电压信号进行傅里叶分解，得到主动配电网当前的谐波含量THD，设定谐波含量THD的阈值，当谐波含量THD超过该阈值时，启动功率控制单元(4)；储能设备(3)的电能经过功率控制单元(4)进行逆变，MCU调节IGBT驱动组件调整双向变流组件的开启时刻，储能设备(3)的电能通过隔离变压器T1输入主动配电网；

S4：继续检测主动配电网的电流以及电压、频率和相位信号，并检测储能设备(3)的当前电量，维持或者改变IGBT驱动组件的输出状态，当储能神电量较低，且主动配电网能量充裕时，从主动配电网向储能设备(3)进行充电，此时双向变流组件工作在整流状态，实现对主动配电网的削峰填谷。

进一步优选的，所述谐波含量THD的阈值是：三次谐波的有效值超过基波有效值的20％，或者三次谐波的有效值不超过基波有效值的20％，但2k+1次谐波的有效值超过基波有效值的20％，k≥4。

本发明提供的一种主动配电网电能治理装置及其使用方法，相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明通过检测主动配电网的实时电压及电流信号，分析电能的质量，当电网因发电波动或者负荷突变，出现明显的电压突降、功率因数低、三相不平衡、谐波含量大等状况时，由功率控制单元将储能设备的电能逆变后输入电网，隔离变压器进行励磁补偿，使电网的质量保持稳定；在电网电能需求过剩时，双向变流器将电能输送至储能设备，进行充电的同时，对电网实现削峰填谷；

(2)电流采样单元通过电流互感器获取感应电流信号，经电流电压转换后，经第一运放输出单端信号，经第二运放放大后再做模数转换，送入MCU中；

(3)电压采样单元通过变压器获取降压后的电压信号，经第三运放电压跟随后，一路经第四运放进行反相放大和限幅后输入MCU，另一路经第五运放过零比较转换为脉冲信号后进行100倍分频，使MCU能更好的获取电压频率、相位及其变化趋势，提供后续运算的精度；

(4)功率控制单元的双向变流组件受IGBT驱动组件的驱动相应开启，可实现各IGBT开启和关断时间的控制，实现电能补偿的超前或者滞后调节；

(5)电量检测单元；获取储能设备的当前电量，为切换功率控制单元的双向变流组件的工作状态提供依据；

(6)MCU内设谐波含量THD的阈值，检测到主动配电网的电压对应的谐波含量超过阈值后，即电网电能质量发生明显波动，功率控制单元介入主动配电网，将储能设备的电能馈入电网，并进行励磁补偿，稳定当前主动配电网的工作情况；当主动配电网平稳运行后，功率控制单元反向工作向储能设备充电。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的结构框图；

图2为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的一种功率控制单元和储能设备的接线图；

图3为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的电流采样单元的接线图；

图4为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的电压采样单元的接线图；

图5为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的IGBT驱动单元的接线图；

图6为本发明一种主动配电网电能治理装置及其使用方法的电量检测单元的接线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一方面本发明提供了一种主动配电网电能治理装置，包括电流采样单元1、电压采样单元2、储能设备3、功率控制单元4、电量检测单元和显示单元等，其中，

电流采样单元1，分别与主动配电网和MCU电性连接，获取主动配电网的电流信号；

电压采样单元2，分别与主动配电网和MCU电性连接，获取主动配电网的电压、频率和相位信号；可以相应的获得主动配电网当前实时的电流、电压值、电压频率和相位信息，为后续可能的功率计算或者谐波含量THD计算提供数据；

储能设备3，选择性的与功率控制单元4电性连接；储能设备3既可以输出电能，又能进行充电，实现反复使用；

功率控制单元4，用于使储能设备3吸收电网的能量，或者使储能设备3向主动配电网放电；

及MCU，MCU分别与电流采样单元1、电压采样单元2、储能设备3和功率控制单元4电性连接；MCU用于接收电流采样单元1采集的主动配电网的电流信号、电压采样单元2采集的主动配电网的电压、频率及相位信号，选择性的改变功率控制单元4的工作状态，向主动配电网或者储能设备3提供能量，并将储能设备3与功率控制单元4电性连接。本发明的MCU选用意法半导体的STM32F103系列单片机。

进一步如图3所示，图示提供了一种非接触式获取主动配电网电流的电路结构。电流采样单元1包括若干电流互感器、第一运放、第二运放和ADC芯片U4，各电流互感器获取主动配电网的感应电流信号后将该感应电流信号进一步转换为电压信号输入第一运放的差分输入端，第一运放将输入的电压信号转为单端信号后输出，该单端信号送入第二运放的同相输入端，由第二运放将该单端信号放大后输入ADC芯片U4的一路输入通道中，经ADC芯片U4模数转换后输出主动配电网的电流信号至MCU中。针对图3最上方的一路电流采样单元1为例进行说明，图示的电流采样单元1有三路，分别对应不同的相线，从主动配电网的U相获取的感应电流信号经过电阻R11进行电流/电压转换后，分别输入第一运放U1.1的两个输入端，经第一运放U1.1比例放大后输出一单端信号，经二极管D1、电容C17、C18和电阻R15、R16限幅和滤波后输入第二运放U1.2进行二次放大并输入ADC芯片U4中进行模数转换，输出的数字信号由ADC芯片U4的SPI端口输入MCU中。其余两路电路结构类似。本发明的ADC芯片U4可采用AD7904芯片。

如图4所示，图示提供了一种电压采样单元2的接线图。本发明的电压采样单元2包括三组变压器T2、第三运放、第四运放、第五运放、锁相器U6和分频器U7。以图4为例，图示的变压器T2的原边与主动配电网的两个不同相线电性连接，变压器T2的副边经电阻R38和电容C23并联组成的RC滤波器滤波后与第三运放U5.1的同相输入端电性连接，第三运放U5.1的反相输入端与其输出端电性连接，第三运放U5.1形成一电压跟随器；第三运放U5.1的输出端与第四运放U5.2的反相输入端和第五运放U5.3的同相输入端并联，第四运放U5.2及其外围组件构成反相放大器，第四运放U5.2的输出端经稳压二极管D4限幅、电阻R42和电容C24滤波后与MCU的一ADC端口电性连接；第五运放U5.3的反相输入端接地，第五运放U5.3进行过零比较输出脉冲信号至锁相器U6和分频器U7，分频器U7对脉冲信号进行100倍分频后，将分频后的脉冲信号发生至MCU的另一ADC端口中。锁相器U6采用CD4046B，其可以锁定输入脉冲的相位，由分频器U7对信号分隔，更好的确定主动配电网电压频率和相位的精度。分频器U7可采用CD4518B。其余两路电压采样的结构基本类似。

如图2所示，功率控制单元4包括三组双向变流组件、三个滤波组件及隔离变压器T1；图示的隔离变压器T1的原边与主动配电网的各相线电性连接，隔离变压器T1的三个副边分别与一滤波组件电性连接；滤波组件包括第一端、第二端和第三端，滤波组件的第一端和第二端分别与隔离变压器T1的副边电性连接，滤波组件的第三端和第二端还与双向变流组件电性连接，双向变流组件还与储能设备3电性连接；双向变流组件具有触发输入端，触发输入端与MCU电性连接，双向变流组件可工作在整流或者逆变状态。当双向变流组件向主动配电网或者储能设备3传递电能时，各双向变流组件的两端均设置有缓冲组件，缓冲组件有两个较大容量的极性电容串联而成，如C1与C2、C7与C8和C9与C10，能减缓双向变流组件处的电压的突变。

其中每个双向变流组件包括两组并联的IGBT单元，每组IGBT单元由两个IGBT顺次串联而成，一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端与滤波组件的第三端电性连接，另一种IGBT单元的两IGBT的串联公共端与滤波组件的第二端电性连接。每组IGBT单元的并联公共端分别与储能设备3的正极或者负极电性连接。

以最上部的一路双向变流组件、滤波组件和隔离变压器T1的副边为例，该处滤波组件包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、滤波电容C4和阻尼电阻R37；第一滤波电感L1的一端、第二滤波电感L2的一端和滤波电容C4的一端均并联，第一滤波电感L1的另一端和滤波电容C4的另一端分别作为滤波组件的第一端和第二端与一隔离变压器T1的副边电性连接；第二滤波电感L2的另一端作为滤波组件的第三端与一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端电性连接，滤波电容C4的另一端还与另一组IGBT单元的两IGBT的串联公共端电性连接；滤波电容C4的两端还并联有阻尼电阻R37。各滤波组件构成T形的LCL滤波器，滤波电容的两端并联的阻尼电阻既不影响滤波组件的低频特性又不影响其高频特性。

如图2结合图5所示，功率控制单元4还包括若干IGBT驱动组件；各IGBT驱动组件包括光耦合器U8和门驱动器U9；光耦合器U8的引脚2与MCU电性连接，光耦合器U8的引脚3接地，光耦合器U8的引脚4与门驱动器U9的引脚1、引脚3和引脚5并联，门驱动器U9的引脚11与一IGBT的门极电性连接。

如图2和图6所示，本发明还包括电量检测单元，电量检测单元包括电量检测芯片U10、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，电量检测芯片U10的引脚5与第一MOS管Q1的源极电性连接，第一MOS管Q1的漏极与储能设备3的正极电性连接，第一MOS管Q1的漏极还与电阻R46和R47的一端并联，电阻R46的另一端分别与二极管D6的负极和第一MOS管Q1的栅极电性连接，二极管D6的正极接地；电阻R47的另一端与第二MOS管Q2的漏极电性连接，第二MOS管Q2的栅极与电量检测芯片U10的引脚6电性连接，电量检测芯片U10的引脚7接地，电量检测芯片U10的引脚13与第二MOS管Q2的源极和电阻R48的一端电性连接，电阻R48的另一端接地；电量检测芯片U10的引脚2与引脚4之间并联有电阻R53，电阻R53的一端接地，电阻R53的另一端与储能设备3的负极电性连接；电量检测芯片U10的引脚8、引脚11和引脚12分别与MCU电性连接。电量检测芯片U10采用MAX17215芯片，其IIC端口与MCU电性连接。

进一步如图2和图6所示，本发明的储能设备3可以包括蓄电池组及蓄电池开关，通过MCU控制蓄电池开关的导通和关断，防止蓄电池组过度充电或者过度放电，更好的配合电量检测单元工作。蓄电池组由多个蓄电池串联而成，其正极和负极即为图6中的PACK+和PACK—。

另一方面，本发明还提供了一种主动配电网电能治理装置的使用方法，具体包括如下步骤：

S1：配置上述的若干套主动配电网电能治理装置并分别与主动配电网电性连接；

S2：通过电流采样单元1对主动配电网的电流进行实时采集，获取主动配电网的电流信号并发送至MCU中；通过电压采样单元2获取主动配电网的电压、频率和相位信号并发送至MCU中；通过电量检测单元获取储能单元的荷电状态；

S3：MCU将获取主动配电网的电压信号进行傅里叶分解，得到主动配电网当前的谐波含量THD，设定谐波含量THD的阈值，当谐波含量THD超过该阈值时，启动功率控制单元4；储能设备3的电能经过功率控制单元4进行逆变，MCU调节IGBT驱动组件调整双向变流组件的开启时刻，储能设备3的电能通过隔离变压器T1输入主动配电网；

S4：继续检测主动配电网的电流以及电压、频率和相位信号，并检测储能设备3的当前电量，维持或者改变IGBT驱动组件的输出状态，当储能神电量较低，且主动配电网能量充裕时，从主动配电网向储能设备3进行充电，此时双向变流组件工作在整流状态，实现对主动配电网的削峰填谷。

上述谐波含量THD的阈值是：三次谐波的有效值超过基波有效值的20％，或者三次谐波的有效值不超过基波有效值的20％，但2k+1次谐波的有效值超过基波有效值的20％，k≥4。

功率控制单元4输出的有功功率P和无功功率Q的表达式为：

其中U为主动配电网的电压有效值，E和φ是功率控制单元4不与主动配电网连接时的空载的电压幅值及电压相位；Z和θ为功率控制单元4的输出阻抗幅值和阻抗相位；功率控制单元4输出的视在功率S＝P+jQ。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。