CN100336277C - 一种采用超导储能的串联型动态电压补偿器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用超导储能作为储能模块的串联型动态电压补偿器，属于电力设备技术领域。本补偿器包括：用于对超导储能模块进行充电的充电模块，包括一个三相整流桥以及一个滤波器和一个电子开关；用于存储上述直流电形式电能的超导储能模块，该模块并联在充电模块和逆变模块的直流侧，由超导线圈，一个电子开关，一个功率二极管以及一个电容组成；用于输出补偿电压的逆变单元，包括一个三相逆变桥；用于将动态电压补偿器接入电力系统的隔离滤波单元，包括三个隔离变压器和三个电容。本发明提出的动态压补偿器，满足了对电力系统中电压短时跌落的补偿要求，同时相比较于采用传统储能单元的动态电压补偿器具有更好的动态响应，更长的补偿时间。

Description

一种采用超导储能的串联型动态电压补偿器
技术领域
本发明涉及一种采用超导储能的串联型动态电压补偿器，属于电力设备技术领域。
背景技术
用户要求获得的电压是持续的、三相对称、频率固定在50Hz、幅度维持标称的正弦交流电压，没有畸变和谐波。当不符合这一要求时，即认为存在电压质量问题。以持续时间为特征，电压质量问题通常可分为稳态电压质量问题和动态电压质量问题，后者最具代表性的就是动态电压跌落和电压上升。
动态电压补偿器(以下简称DVR)是一种柔性交流输电(FACTS)技术，是串联型电能质量调节器的一种，是目前最有效和经济的解决电压跌落和上升问题的方法。其基本思想是在用户线路中插入一个动态受控的电压源，采用适当的控制方法使该电压抵消由于电力系统扰动对负荷电压造成的任何不良影响。
储能单元的设置是DVR设计中的重要课题之一。在系统发生故障时，DVR必须向系统提供有功功率。传统的DVR通常通过以下几种方式得到：1、利用大电容储能；2、利用不控整流从系统中直接得到；3、利用蓄电池储能；4、利用飞轮储能；但是这几种方法都有各自的缺点。利用大电容储能方式，电容设计参数与系统容量以及补偿要求有关，并且由于实际电容的充放电电流的限制，电容能提供的瞬时功率有限，响应速度不快。同时受到目前制造水平的限制，电容储能的能量密度不高，储存大量电能时，装置体积将非常庞大。
利用不控整流从系统中得到能量时，直流侧100赫兹低频纹波将对输出电压产生影响，同时电压跌落较多时将无法提供足够高的直流侧电压，当系统发生电压波动的时候，直流母线电压也随着发生波动。同时，这种方式下有功功率只能从系统向逆变器单方向流动。在可能发生能量反向流动的情况下(例如浪涌)，有可能导致直流母线电压升高，损坏开关器件或储能元件。
采用蓄电池作为直流储能单元时，蓄电池造价昂贵，维护费用高，寿命短，电能转换效率低，同时由于自身充放电电流的限制，它不能够提供较大的功率，往往不能满足DVR进行电压补偿时的瞬时释放大功率的要求。
利用飞轮储能时，由于其主要组成部分是飞轮、轴承等。这就使得其体积庞大，同时由于机械能转化为电能过程的存在，能量转换效率低。而且飞轮是高速旋转部件，用来稳定和定位飞轮的控制系统将非常复杂。
因此，在造价允许的情况下，采用传统储能单元的DVR，其性能受到了很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用超导储能(以下简称SMES)的串联型动态电压补偿器，用一个SMES模块实现调节器直流侧的储能要求，以取代传统的储能方式。
本发明提出的采用超导储能的串联型动态电压补偿器，包括：
(1)用于对超导储能模块进行充电的充电模块，包括一个由六个功率二极管组成的三相整流桥、一个由电容组成的滤波器以及一个第一电子开关，其中，整流桥用于将从系统获取的交流电形式的电能通过不控整流转换成直流电形式的电能，并将该电能从整流桥的直流侧输出，用以给超导储能模块充电，滤波器并联在整流桥的直流侧，用于滤除输出电压中的高频谐波成分，第一电子开关串联在充电模块直流侧的负极，用于控制充电模块对超导储能模块充电；
(2)用于存储上述直流电形式电能的超导储能模块，超导储能模块并联在充电模块和逆变模块的直流侧，由超导线圈、一个第二电子开关、一个功率二极管以及一个电容组成，其中超导线圈和第二电子开关并联在三相整流桥的直流侧，并通过功率二极管与并联在逆变模块的直流侧的电容并联；
(3)用于输出补偿电压的逆变模块，包括一个由六个开关管组成的三相逆变桥，用于从超导储能模块获取直流电形式的电能，并将其转换成交流电形式的电能后从逆变桥的交流输出侧输出；
(4)用于将动态电压补偿器接入电力系统的隔离滤波单元，包括第一、第二、第三隔离变压器和第一、第二、第三电容，三个隔离变压器的原边的一端分别与逆变单元直流侧的三个输出端相连，另一端联在一起，三个隔离变压器的副边分别串联接入电力系统的三相，用于实现动态电压补偿器与系统的电气隔离，第一、第二、第三电容分别并联在三个隔离变压器的副边，与三个隔离变压器的漏抗组成滤波器，用于滤除逆变单元输出电压中的高频谐波成分。
上述补偿器中的逆变模块使用的开关管为绝缘栅双极性晶闸管、门极关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。
本发明提出的采用SMES作为储能模块的串联型动态电压补偿器相比较传统的DVR，具有以下效果和优点：
转换效率高：SMES装置所储存的是电磁能，其损耗主要在于整流/逆变器损耗和制冷所消耗的功率，转换效率很高。
响应时间快：由于线圈是无损的，SMES允许通过的电流很大，通过电力电子器件与其他器件或系统连接，能量几乎可以瞬间从线圈输出，从最大充电功率到最大放电功率的转换只需几十毫秒。
输出功率大：由于SMES允许瞬时输出大电流，因此拥有比其他储能方式大得多的充放电功率。
功率调节性能好：SMES既可进行有功功率的调节，又可进行无功功率的调节，可调节的范围很大，具有很高的灵活性。
其他优点：SMES系统中除了真空和制冷系统外，没有转动部件，因此系统寿命很长；SMES的建设不受地点限制，维护方便，无污染。由于是通过磁场储能，其储能密度比其他储能方式要高的多。
综上所述，SMES有着其他储能方式无法比拟的优点，采用SMES作为储能单元的DVR的动态响应速度，储能容量，瞬时补偿能力可维护性等都有较大的提高。
附图说明
图1是本发明设计的串联型动态电压补偿器的电路图。
图2是SMES模块的电路图。
图3是SMES模块充电时的等效电路图。
图4是SMES模块续流时的等效电路图。
图5是SMES模块放电时的等效电路图。
具体实施方式
本发明提出的采用SMES作为储能模块的串联型动态电压补偿器，其电路图如图1所示，包括：
(1)用于对SMES模块进行充电的充电模块，包括一个由六个功率二极管组成的三相整流桥以及一个由电容C1组成的滤波器和一只IGBT(T1)。其中，整流桥用于将从系统获取的交流电形式的电能通过不控整流转换成直流电形式的电能，并将该电能从整流桥的直流侧输出，用以给SMES模块充电。滤波器并联在整流桥的直流侧，用于滤除输出电压中的高频谐波成分。T1串联在充电模块直流侧的负极，用于控制充电模块是否给SMES模块充电；
(2)用于存储上述直流电形式电能的SMES模块，SMES模块并联在充电模块和逆变模块的直流侧，由超导线圈L，一个IGBT(T2)，一个功率二极管D以及一个电容C2组成。其中超导线圈L和电子开关T2并联在整流模块的直流侧，并通过功率二极管D和并联在逆变模块的直流侧的C2并联；
(3)用于输出补偿电压的逆变单元，包括一个由六个IGBT组成的三相逆变桥，用于从SMES模块获取直流电形式的电能，并通过脉宽调制将其转换成交流电形式的电能后从逆变桥的交流输出侧输出；
(4)用于将动态电压补偿器接入电力系统的隔离滤波单元，包括第一隔离变压器B1、第二隔离变压器B2、第三隔离变压器B3和第一电容C3、第二电容C4、第三电容C5。B1、B2、B3的原边的一端分别与逆变单元直流侧的三个输出端相连，另一端连在一起，三个隔离变压器的副边分别串联接入电力系统的三相，用于实现动态电压补偿器与系统的电气隔离。C3、C4、C5分别相应地并联在B1、B2、B3的副边，和B1、B2、B3的漏抗组成滤波器用于滤除逆变单元输出电压中的高频谐波成分。
以下详细介绍本发明的动态电压补偿器中SMES充放电过程的工作原理：
用于存储上述直流电形式电能的SMES模块如图2所示。其中下正上负的直流电源E代表对SMES模块进行充电的充电模块中的整流滤波部分。SMES模块中的储能元件超导线圈L和电子开关T2并联，并通过电子开关T1并联在整流模块的直流侧，同时通过功率二极管D和并联在逆变模块的直流侧的电容C2并联。
整个SMES充放电过程分为三个部分：充电、续流和放电。
当超导线圈L中的电流小于设定值时，需要对超导线圈充电。此时断开电子开关T2，导通电子开关T1，等效电路图如图3所示。
当超导线圈L中的电流大于设定值，且电容C2的电压大于设定值时，需要使得超导线圈自身续流。此时导通电子开关T2，断开电子开关T1，等效电路图如图4所示。
当超导线圈L中的电流大于设定值，且电容C2的电压小于设定值时，需要用超导线圈对电容C2进行放电。此时断开电子开关T2和T1，等效电路图如图5所示。

Claims (2)

1、一种采用超导储能的串联型动态电压补偿器，其特征在于该补偿器包括：
(1)用于对超导储能模块进行充电的充电模块，包括一个由六个功率二极管组成的三相整流桥、一个由电容组成的滤波器以及一个第一电子开关，其中，整流桥用于将从系统获取的交流电形式的电能通过不控整流转换成直流电形式的电能，并将该电能从整流桥的直流侧输出，用以给超导储能模块充电，滤波器并联在整流桥的直流侧，用于滤除输出电压中的高频谐波成分，第一电子开关串联在充电模块直流侧的负极，用于控制充电模块对超导储能模块充电；
(2)用于存储上述直流电形式电能的超导储能模块，超导储能模块并联在充电模块和逆变模块的直流侧，由超导线圈、一个第二电子开关、一个功率二极管以及一个电容组成，其中超导线圈和第二电子开关并联在三相整流桥的直流侧，并通过功率二极管与并联在逆变模块的直流侧的电容并联；
(3)用于输出补偿电压的逆变模块，包括一个由六个开关管组成的三相逆变桥，用于从超导储能模块获取直流电形式的电能，并将其转换成交流电形式的电能后从逆变桥的交流输出侧输出；
(4)用于将动态电压补偿器接入电力系统的隔离滤波单元，包括第一、第二、第三隔离变压器和第一、第二、第三电容，三个隔离变压器的原边的一端分别与逆变单元直流侧的三个输出端相连，另一端联在一起，三个隔离变压器的副边分别串联接入电力系统的三相，用于实现动态电压补偿器与系统的电气隔离，第一、第二、第三电容分别并联在三个隔离变压器的副边，与三个隔离变压器的漏抗组成滤波器，用于滤除逆变单元输出电压中的高频谐波成分。
2、如权利要求1所述的补偿器，其特征在于逆变模块使用的开关管为绝缘栅双极性晶闸管、门极关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。
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Denomination of invention: Dynamic voltage compensator in series type by using super conduct to store energy

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License type: Exclusive License

Open date: 20051116

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