一种电力变换装置和微电网的制作方法

本实用新型涉及电力变换技术领域，具体涉及一种电力变换装置和微电网。

背景技术：

随着电力变换技术的发展，现有技术中电力变换器可以实现交-直变换、直-直变换等多种电力变换。但是现有的电力变换器往往对适用环境有着严格的要求，例如，要求电源端的输出电压在较窄的范围内。因而现有的电力变换器并不适合应用在许多输出电压不稳定的环境中。

例如，大电网目前虽然已经高度发展，但是对于较为偏僻的农林牧矿区，边防哨所或者远离大陆的海岛，由于远离发电中心，电网电压偏低或者不稳定是常见的现象。近些年快速发展的微电网技术，可以就近消纳分布式能源的输出，改善偏远地区的电能质量，具备对大电网的削峰填谷作用，可以很好地解决目前大电网供电孤岛的用电难问题。但是，在微电网的联网模式下，需要应用电力变换装置，一端与该区域的区域电网连接，另一端与微电网中的储能装置进行连接，而区域电网就存在上述的电压偏低或者不稳定的问题，而且储能装置千差万别，即使同一种介质的储能装置也会因为其剩余荷电容量(Sate of Charge,SOC)的不同，而表现出不同的输出电压，因此现有的电力变换装置并不能很好地应用在类似的环境中。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的电力变换装置和微电网。

依据本实用新型的一个方面，提供了一种电力变换装置，包括：

依序连接的直流侧端口、直流预充电电路、直流稳压谐振电路、四象限运行电力变换器、交流滤波电路、交流预充电电路、交流侧端口；

所述直流预充电电路包括多个限流电阻，用于对直流侧电流进行限流；其中，接入电路的限流电阻数量可调节；

所述交流预充电电路包括多个限流电阻，用于对交流侧电流进行限流；其中，接入电路的限流电阻数量可调节。

可选地，所述直流预充电电路包括：N个限流电阻和N+1个开关，其中，所述N个限流电阻与一个开关并联，并且每个限流电阻与一个开关串联；

所述交流预充电电路包括：M个限流电阻和M+1个开关，其中，所述M个限流电阻与一个开关并联，并且每个限流电阻与一个开关串联；

其中，M与N均为自然数。

可选地，所述直流稳压谐振电路包括：LC串联谐振电路和与之并联的稳压电容器；

所述交流滤波电路为LC型滤波电路或LCL型滤波电路。

可选地，所述四象限运行电力变换器为全桥式拓扑结构，包括：四个全控性开关器件，其中，每个全控性开关器件还并联有高频电容。

可选地，该装置还包括：

控制器，包括与所述四象限运行电力变换器连接的第一端口，用于输出将直流电转换为交流电的控制指令或将交流电转换为直流电的控制指令。

可选地，所述控制器还包括：

第二端口，用于对所述微电网所连接的区域电网的输出电压进行采样；

第三端口，用于当采样得到的区域电网的输出电压在第一预设范围外时，输出控制所述微电网和区域电网间的并网开关断开连接的指令，使得所述微电网处于离网模式。

可选地，所述控制器还包括：第四端口、第五端口、第六端口、第七端口、第八端口；

所述控制器，还用于在所述第二端口采样得到的区域电网的输出电压在第一预设范围内时，根据采样得到的区域电网的输出电压，由所述第四端口输出将相应数量的限流电阻接入所述交流预充电电路的指令；在相应数量的限流电阻接入所述交流预充电电路达到第一延时时间时，由所述第五端口对所述直流预充电电路和所述直流稳压谐振电路间的直流电压进行采样；当采样得到的直流电压与所述采样得到的区域电网的输出电压的差值在第二预设范围外时，由所述第六端口输出断开所述电力变换装置中的所有电路的指令；当采样得到的直流电压与所述采样得到的区域电网的输出电压的差值在第二预设范围内时，由所述第四端口输出切除所述交流预充电电路中接入的所有限流电阻的指令，由所述第七端口对所述微电网中的储能装置的输出电压进行采样；根据采样得到的储能装置的输出电压，由所述第八端口输出将相应数量的限流电阻接入所述直流预充电电路的指令；在相应数量的限流电阻接入所述直流预充电电路达到第二延时时间时，由所述第五端口再次对所述直流预充电电路和所述直流稳压谐振电路间的直流电压进行采样，当新采样得到的直流电压与所述采样得到的储能装置的输出电压的差值在第三预设范围外时，由所述第六端口输出断开所述电力变换装置中的所有电路的指令；当新采样得到的直流电压与所述采样得到的储能装置的输出电压的差值在第三预设范围内时，由所述第八端口输出切除所述直流预充电电路中接入的所有限流电阻的指令。

依据本实用新型的另一方面，提供了一种微电网，包括：

并网开关、交流母线、如上述任一项所述的电力变换装置、储能装置、分布式电源、本地负载，多个支路开关；

其中，所述交流母线通过所述并网开关与所述微电网所连接的区域电网电连接；

所述本地负载通过支路开关与所述交流母线电连接；

所述分布式电源中的各电源分别通过支路开关与所述交流母线电连接；

所述电力变换装置的直流侧端口外端与所述储能装置电连接，所述电力变换装置的交流侧端口外端通过支路开关与所述交流母线电连接。

可选地，所述并网开关和/或支路开关以如下的任一种器件实现：并网接触器、空气开关、静态开关。

可选地，所述微电网还包括：微电网中央控制器，用于向所述支路开关发送闭合/断开指令，相应地控制所述支路开关闭合或断开；用于向所述电力变换装置发送启动/停止指令，相应地控制所述电力变换装置的启动/停止；以及用于向所述电力变换装置发送充电/放电指令，控制所述电力变换装置对所述储能装置进行充电/放电。

由上述内容可知，本实用新型的技术方案，通过依序连接的直流侧端口、直流预充电电路、直流稳压谐振电路、四象限运行电力变换器、交流滤波电路、交流预充电电路、交流侧端口构成电力变换装置，并分别通过调节直流预充电电路中接入电路的限流电阻数量和交流预充电电路中接入电路的限流电阻数量来对直流侧电流和交流侧电流进行限流。该技术方案使得电力变换装置直流侧端口和交流侧端口可接入的电压在一个较宽的范围内，从而将该电力变换装置的应用环境大大拓宽，例如应用于微电网中，可以适应区域电网的电压波动，具有良好的稳定性，内部器件不易损坏。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一个实施例的一种电力变换装置的结构示意图；

图2-a示出了根据本实用新型一个实施例的直流预充电电路的电路图；

图2-b示出了根据本实用新型一个实施例的交流预充电电路的电路图；

图3示出了根据本实用新型一个实施例的一种直流稳压谐振电路130的电路图；

图4示出了根据本实用新型一个实施例的四象限运行电力变换器140的结构示意图；

图5示出了根据本实用新型一个实施例的一种微电网的结构示意图；

图6示出了四象限运行电力变换器交流输出侧的电压矢量计算示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的一种电力变换装置的结构示意图，该装置可应用于微电网中。如图1所示，电力变换装置100包括：

依序连接的直流侧端口110、直流预充电电路120、直流稳压谐振电路130、四象限运行电力变换器140、交流滤波电路150、交流预充电电路160、交流侧端口170。

例如，直流侧端口110可与微电网中的储能装置连接，交流侧端口170可与微电网所接入的区域电网连接。

直流预充电电路120包括多个限流电阻，用于对直流侧电流进行限流；其中，接入电路的限流电阻数量可调节；交流预充电电路160包括多个限流电阻，用于对交流侧电流进行限流；其中，接入电路的限流电阻数量可调节。

直流预充电电路120对直流侧电流进行限流，可以防止直流侧电流过大损坏直流稳压谐振电路130中的电容器件；类似地，交流预充电电路160对交流侧电流进行限流，可以防止交流侧电流过大损坏交流滤波电路150中的电容器件。

四象限运行电力变换器140可以将直流电变换为交流电，也可以将交流电变换为直流电，将其应用于微电网中，可以为微电网的储能装置充电，此时通过交流侧端口170输入交流电，四象限运行电力变换器140可以将交流电变换为直流电，通过直流侧端口110为储能装置充电；当储能装置为区域电网供电时，通过直流侧端口110输入直流电，四象限运行电力变换器140可以将直流电变换为交流电，通过交流侧端口170为区域电网供电。

在上述过程中，直流侧电流会产生二次脉动，直流稳压谐振电路130用于消除二次脉动，可以提高储能装置的使用寿命；四象限运行电力变换器140在将直流电变换为交流电的工作过程中，其内部开关器件的开闭会产生高频谐波，交流滤波电路150用于滤除高频谐波，使得交流侧端口输出的电流和电压可以满足区域电网的并网要求。

可见，图1所示的电力变换装置，通过依序连接的直流侧端口、直流预充电电路、直流稳压谐振电路、四象限运行电力变换器、交流滤波电路、交流预充电电路、交流侧端口构成电力变换装置，并分别通过调节直流预充电电路中接入电路的限流电阻数量和交流预充电电路中接入电路的限流电阻数量来对直流侧电流和交流侧电流进行限流。该技术方案使得电力变换装置直流侧端口和交流侧端口可接入的电压在一个较宽的范围内，从而将该电力变换装置的应用环境大大拓宽，例如应用于微电网中，可以适应区域电网的电压波动，具有良好的稳定性，内部器件不易损坏。

图2-a示出了根据本实用新型一个实施例的直流预充电电路的电路图。如图2-a所示，直流预充电电路120包括：N个限流电阻(R₁、R₂……R_n)和N+1个开关(K、K₁、K₂……K_n)。其中，N个限流电阻(R₁、R₂……R_n)与一个开关(K)并联，并且每个限流电阻与一个开关串联(R₁与K₁串联，R₂与K₂串联……R_n与K_n串联)。

图2-b示出了根据本实用新型一个实施例的交流预充电电路的电路图。如图2-b所示，交流预充电电路160包括：M个限流电阻(R₁、R₂……R_m)和N+1个开关(K、K₁、K₂……K_m)。其中，M个限流电阻(R₁、R₂……R_m)与一个开关(K)并联，并且每个限流电阻与一个开关串联(R₁与K₁串联，R₂与K₂串联……R_m与K_m串联)。

其中，限流电阻接入电路的数量可根据限流电阻的大小、外部电压和内部器件的性能进行选择。例如，为保护直流稳压谐振电路130中的电容不被大电流击穿，已知电容的耐受电流为2A，直流测外部电压为10V，则直流预充电电路120需要接入的总限流电阻为5Ω。如果直流预充电电路120中预置的限流电阻均为5Ω，那么只需要闭合一个开关(例如K₁)，将其余开关保持断开，即可保证电容不会受到损坏。而正是由于直流预充电电路120中预置了多个限流电阻，可以根据外部电压进行调节，因而可以保证电力变换装置100可以应用的环境更为宽泛。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的一种直流稳压谐振电路130的电路图。如图3所示，直流稳压谐振电路130包括：LC串联谐振电路，包括电感L₁，电容C₁；以及与LC串联谐振电路并联的稳压电容器C₂。交流滤波电路150为LC型滤波电路或LCL型滤波电路，可以根据需求进行选择。

在一个本实用新型的一个实施例中，电力变换装置100的交流侧端口170接入区域电网，直流稳压谐振电路130的谐振频率设定为区域电网输出电压频率的2倍。该实施例中区域电网的输出电压为220V单相交流电，四象限运行电力变换器140采用单相脉冲整流，设交流侧端口170的输出电压为：u_ac＝U_ac·sin(wt)

其中，U_ac为输出电压的峰值，w为输出电压的角频率。假设输出单位功率因数(功率因数为1)，则输出电流可以表示为：i_ac＝I_ac·sin(wt)。其中，I_ac为输出电流的峰值。

由于四象限运行电力变换器140交流输出侧与交流侧端口170之间串联有交流滤波电路150，交流滤波电路150中包括电感，因此四象限运行电力变换器140交流输出侧的电压由U_ac电感上的电压UL矢量叠加而成，如图6所示，因此，四象限运行电力变换器140的交流侧电压可以表示为：其中，α为电感两侧电压的相角偏差。

直流侧电压纹波含量很小，可以近似为完全的直流电压，设为U_dc，四象限运行电力变换器140损耗很小，根据能量守恒定律可知，四象限运行电力变换器两侧的输入输出瞬时功率近似一致，即：u_out×i_ac＝U_dc×i_dc。

综合上述，直流侧电流idc可得：

根据上式可知，直流侧电流中，除了直流分量，还包含一个两倍于交流电压频率的脉动。由于该交流电压为交流侧端口170的输出电压，也即是区域电网的输出电压，因此为了吸收该二次脉动，需将直流稳压谐振电路130的谐振频率设定为区域电网输出电压频率的2倍。

图4示出了根据本实用新型一个实施例的四象限运行电力变换器140的结构示意图，如图4所示，四象限运行电力变换器140为全桥式拓扑结构，包括：四个全控性开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，其中，每个全控性开关器件还并联有高频电容(C1、C2、C3、C4)。在本实施例中全控性开关器件选用了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，在其他实施例中也可将其替换为IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)等其他全控性开关器件。并联的高频电容可以有效吸收全控性开关器件开通或关断时产生的电压尖峰。

在本实用新型的一个实施例中，图1所示的装置还包括：控制器180，包括与四象限运行电力变换器140连接的第一端口181，用于输出将直流电转换为交流电的控制指令或将交流电转换为直流电的控制指令。

在本实用新型的一个实施例中，上述装置中，控制器180还包括：第二端口182，用于对微电网所连接的区域电网的输出电压进行采样；第三端口183，用于当采样得到的区域电网的输出电压在第一预设范围外时，输出控制微电网和区域电网间的并网开关断开连接的指令，使得微电网处于离网模式。

可以根据当地区域电网的电压，相应地设置第一预设范围，例如，10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％；220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7％-10％。如果采样得到的区域电网的输出电压超出第一预设范围，说明区域电网可能存在故障，还可以根据该采样电压生成故障提示信号进行输出。

在本实用新型的一个实施例中，上述装置中，控制器180还包括：第四端口184、第五端口185、第六端口186、第七端口187、第八端口188；控制器180，还用于在第二端口182采样得到的区域电网的输出电压在第一预设范围内时，根据采样得到的区域电网的输出电压，由第四端口184输出将相应数量的限流电阻接入交流预充电电路的指令；在相应数量的限流电阻接入交流预充电电路达到第一延时时间时，由第五端口185对电力变换装置的直流预充电电路120和直流稳压谐振电路130间的直流电压进行采样；当采样得到的直流电压与采样得到的区域电网的输出电压的差值在第二预设范围外时，由第六端口186输出断开电力变换装置中的所有电路的指令；当采样得到的直流电压与采样得到的区域电网的输出电压的差值在第二预设范围内时，由第四端口184输出切除交流预充电电路中接入的所有限流电阻的指令，由第七端口187对微电网中的储能装置的输出电压进行采样；根据采样得到的储能装置的输出电压，由第八端口188输出将相应数量的限流电阻接入直流预充电电路的指令；在相应数量的限流电阻接入直流预充电电路达到第二延时时间时，由第五端口185再次对直流预充电电路120和直流稳压谐振电路130间的直流电压进行采样，当新采样得到的直流电压与采样得到的储能装置的输出电压的差值在第三预设范围外时，由第六端口186输出断开电力变换装置中的所有电路的指令；当新采样得到的直流电压与采样得到的储能装置的输出电压的差值在第三预设范围内时，由第八端口188输出切除直流预充电电路中接入的所有限流电阻的指令。

上述实施例中控制器180的各端口在图1中未明确标识。控制器的上述运行逻辑可以烧录在核心处理器上，核心处理器可以从选取MCU、DSP等数字信号处理器中任意选取，本实用新型对此不作限制。例如，选取TI DSP F2812作为控制器的核心处理器。上述实施例中虽然仅示出了对直流预充电电路120和直流稳压谐振电路130间的直流电压、交流侧的输出电压等进行采样，但也可以根据需求采样其他信息，例如，直流侧电流I_dc、交流侧电流I_ac、交流滤波电路150中电感电流IL、电容电流IC、交流滤波电路150和交流预充电电路160间的交流电压U_ac，等等，直流预充电电路120和直流稳压谐振电路130间的电压U_dc、直流侧电流I_dc可以用于储能装置的恒压和恒流充电控制；电感电流IL可以作为控制器电流环的反馈信号，电容电流IC作为虚拟电容阻抗补偿，以减小输出电流的纹波；交流滤波电路150和交流预充电电路160间的交流电压U_ac作为主控制器电压环的反馈信号，交流侧电流I_ac作为电力变换装置输出电流的测量信号。

结合上述实施例中，电力变换装置100的预充电过程变得清楚明了。以电力变换装置100的直流侧端口和交流侧端口分别与微电网中的储能装置和区域电网分别连接为例，具体地：

(1)首先采样区域电网电压Ugrid，判断其是否处于正常的阈值范围，如果超出正常阈值，则判断电网故障，断开微电网和区域电网间的并网开关STS，提示故障，并显示只能进入离网工作模式。

(2)若Ugrid处于正常阈值范围内，则根据电压的大小，在交流预充电电路160中接入相应数目的限流电阻，保证在宽范围的电网电压范围内，预充电电流的大小都处于设定的范围，从而保证器件的安全。

(3)接入限流电阻后进入延时(第一延时时间)，确保交流滤波电路150和直流稳压谐振电路130中的电容都完成充电，延时结束后采样直流侧电压U_dc。第一延时时间可以根据电容的充电性能进行设置。

(4)判断U_dc是否已经上升到合理水平(与区域电网电压接近，几乎一致)，若没有则表明电力变换装置100内存在故障，断开内部电路的所有开关，装置停机，反之则切除限流电阻，闭合电路，进入下一步骤。

(5)采样储能装置的输出电压，根据电压大小，在直流预充电电路120接入相应数目的限流电阻，保证在宽范围的储能装置电压范围内，预充电电流的大小都处于设定的范围，从而保证器件的安全。

(6)直流预充电电路120接入限流电阻后，进入延时(第二延时时间)，确保直流稳压谐振电路130中的电容充电完成，延时结束后判断直流侧电压U_dc是否上升到新的合理水平(与储能装置的输出电压相当)。同样地，第二延时时间可以根据直流稳压谐振电路130中电容的充电性能进行设置。

(7)若U_dc满足条件，则切除限流电阻，闭合电路，整个预充电过程完成，四象限运行电力变换器140可以接收控制器180的指令启动运行(进行交-直变换或直-交变换，即储能装置的充电/放电)，反之，则表明电力变换装置100内存在故障，断开装置内的所有电路，装置停机。

其中，控制器180向四象限运行电路变换器140输出的指令可以为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)驱动信号，对限流电阻的接入/切除可以参照图2-a和图2-b，分别向直流/交流预充电电路输出继电器开关控制的开出量。

图5示出了根据本实用新型一个实施例的一种微电网的结构示意图，如图5所示，微电网500包括：

并网开关510、交流母线520、如上述任一实施例中的电力变换装置100、储能装置530、分布式电源540、本地负载550，多个支路开关560；其中，交流母线520通过并网开关510与微电网所连接的区域电网电连接；本地负载550通过支路开关560与交流母线520电连接；分布式电源540中的各电源541分别通过支路开关560与交流母线520电连接；电力变换装置100的直流侧端口110外端与储能装置530电连接，电力变换装置100的交流侧端口170外端通过支路开关560与交流母线520电连接。

在实际应用中，区域电网一般为中低压电网，从单相220V到三相380V至35KV不等。在并网开关510和区域电网间可以设置区域电网电压采样点，与电力变换装置100的控制器180的第二端口182连接，以实现其对区域电网的输出电压进行采样。交流母线(AC BUS)520连接着微电网500内部的分布式电源540和本地负载550，是交流电能的传输通道。

微电网500在离网运行时，需要靠自身来提供电压和频率的参考基准，保证整个网络的正常工作，此时储能装置530就会作为主电源来承担起稳定电压和频率的重任，储能装置500作为微电网的电压源，其余分布式电源540则作为电流源依据储能装置输出的电压和频率来工作。分布式电源540是微电网500中的主要发电部分，可以给交流母线520单向馈电；电力变换装置100连接于储能装置530和交流母线520之间，可以实现储能装置530的直流电到交流母线520的交流电之间的电能转换，以及储能装置530和交流母线520之间的能量双向传输，即给微电网500发电或者给储能装置530充电；储能装置530起到了实现微电网500电能平滑输出抑制电压波动和削峰填谷的蓄水池作用。

分布式电源540在微电网500中充当电流源的角色，以微电网500并网运行时的区域电网或者离网运行时的主电源的电压频率信号为基准输出电流，分布式电源540包含但不局限于分布式光伏发电系统、风力发电系统。以分布式光伏系统为例，分布式光伏系统主要由M个光伏逆变器和N个光伏阵列组成，光伏阵列分别与光伏逆变器一一对应，光伏阵列输出的直流电，经过光伏逆变器逆变为交流后馈送到微电网500的交流母线520中。

在本实用新型的一个实施例中，图5所示的微电网中，并网开关510和/或支路开关560以如下的任一种器件实现：并网接触器、空气开关、静态开关。

上述微电网中的各开关可以由手动控制，也可以实现自动控制。在本实用新型的一个实施例中，图5所示的微电网还包括：微电网中央控制器570，用于向支路开关560发送闭合/断开指令，相应地控制支路开关560闭合或断开；用于向电力变换装置100发送启动/停止指令，相应地控制电力变换装置100的启动/停止；以及用于向电力变换装置100发送充电/放电指令，控制电力变换装置100对储能装置530进行充电/放电。

综上所述，本实用新型的技术方案，通过依序连接的直流侧端口、直流预充电电路、直流稳压谐振电路、四象限运行电力变换器、交流滤波电路、交流预充电电路、交流侧端口构成电力变换装置，并分别通过调节直流预充电电路中接入电路的限流电阻数量和交流预充电电路中接入电路的限流电阻数量来对直流侧电流和交流侧电流进行限流。该技术方案使得电力变换装置直流侧端口和交流侧端口可接入的电压在一个较宽的范围内，从而将该电力变换装置的应用环境大大拓宽，例如应用于微电网中，可以适应区域电网的电压波动，具有良好的稳定性，内部器件不易损坏。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。