CN101710704A - 用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，属于电力电子技术领域。该装置采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现高压并网，通过控制每个逆变单元直流母线上的大电容器的充放电对装置输出的无功功率和瞬时有功功率进行调节、或对并网处电压的低电压、三相不平衡等现象进行补偿；利用每个逆变单元直流母线上的电池组单元对装置输出或储存的稳态有功功率进行调节。本发明的调节装置将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力，并且无需变压器，占地面积小，输出无谐波，维护简单，具有比较全面的功能和突出的性价比。

Description

用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，属于电力电子技术领域。

背景技术

作为一种清洁能源，风力发电近年来得到了迅猛发展。由于自然界中风能是变化的，因此风力发电系统所发出的有功功率亦是波动的。随着并入电网的风电场容量的不断增大，这个波动将会引起严重的电能质量问题并危害到电网的稳定运行。因此，风力发电系统中需要装入有能够进行有功功率调节、抑制电能波动的电力装置。

另外，在电网发生扰动或故障时，一般还需要风力发电场对电网具有足够的动态无功功率支撑能力，即向电网发送无功功率，从而稳定电网电压和频率。因此，风力发电场自身还需要装备能够进行无功功率调节、稳定电网电压的电力装置。

目前在风力发电系统的实际应用中，一般使用电能储存装置对有功功率进行调节，例如当风机发出的有功功率大于电网所需功率时就将多余的有功存储在电池、超级电容等储能元件中；当发出的有功功率小于电网所需功率时则将储能元件中的能量送入电网。对于无功功率的调节，现在则大多采用并联的补偿电容器组或静止无功补偿器、静止无功发生器等无功补偿装置来实现。其中投切电容器组虽然在一定程度上可以实现无功补偿，但因其调节不平滑、响应速度慢并且补偿容量受装置自身容量的限制，在实际中的补偿效果并不好。而基于电力电子逆变技术的动态无功补偿装置，如静止无功补偿器、静止无功发生器等，由于采用了门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管等大功率全控器件，不仅可以吸收还可以向电网发送无功，能够更加快速有效地实现对无功功率的调节。但这类系统没有对风电场输出的有功功率的波动进行抑制的功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，该装置采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现高压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，利用每个单元直流母线上的电池组单元(以下简称：BBU)对缓慢变化的有功功率进行调节。该装置将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力，运行中无谐波输出，并且无需并网变压器、占地面积小、维护简单，相较于目前风力发电系统中所使用的储能装置或无功补偿装置具有更加全面的功能和十分突出的性价比优势。

本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，包括：

U相级联单元、V相级联单元和W相级联单元，三相级联单元之间成星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组、n个自动开关和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组相并连；所述的电池组单元通过自动开关与所述的大电容器组相连；所述的全桥逆变单元由4个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接；所述的电池组单元由一个电池组和一个双向“直流-直流”变换器组成，电池组与双向“直流-直流”变换器相连；

三台电抗器，用于根据电能调节装置接入点的电压与级联单元产生的电压在电抗器上的电压降产生调节电流，并滤除来自级联单元电流的高次谐波，三台电抗器的一端分别与相应的级联单元相连，三台电抗器的另一端分别与三个断路器相连；

三个断路器，用于在电能调节装置发生故障或维修时使三相级联单元与电网切断，三个断路器的一端分别与相应的三台电抗器相连，三个断路器的另一端分别与相应的隔离开关相连；

三个隔离开关，用于在断路器断开时保证三相级联单元与电网完全切断，三个隔离开关的一端分别与相应的三个断路器相连，三个隔离开关的另一端分别与电网的三相连接。

本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，其优点在于：

1、本发明提出的电能调节装置，具有有功波动和无功调节、以及三相电压不平衡补偿等功能，一机多用，与已有的储能装置或无功补偿装置相比，功能更为全面，性价比优势十分明显。

2、本发明提出的电能调节装置，能够完全替代现有的动态无功补偿装置实现对电网的无功补偿功能，但是比起现有的静止补偿器等装置来说，省去了复杂笨重的并网变压器，结构简单，占地面积小。

3、本发明提出的电能调节装置，在对风力发电电能波动的调节中，与已有的储能装置相比，由于利用了直流母线上大电容的充放电能力，从而对快速波动的输入电能具有更好的调节作用。

4、本发明提出的电能调节装置，BBU可以在线切出或投入，这对于定期维护或更换BBU中的电池组而言，操作容易而且安全。

附图说明

图1是本发明提出的电能装置的结构示意图。

图2是图1中电池组单元的结构示意图。

图3是利用本发明装置实现有功功率和无功功率控制的框图。

图4是本发明装置的四个基本工作状态原理图。

图5是利用本发明装置采用有功控制所得到的运行曲线图。

图6是利用本发明装置采用无功控制所得到的运行曲线图。

具体实施方式

本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，其结构如图1所示，包括：

U相级联单元、V相级联单元和W相级联单元，三相级联单元之间成星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组(C_u1、C_u2……C_un)、n个自动开关(K₁、K₂……K_n)和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组相并连；所述的电池组单元通过自动开关与所述的大电容器组相连；所述的全桥逆变单元由4个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接；所述的电池组单元，其结构如图2所示，由一个电池组和一个双向DC/DC变换器组成，电池组与双向DC/DC变换器相连；

三台电抗器(L_u、L_v、L_w)，分别用于：1)根据电能调节装置接入点的电压(u_su，u_sv，u_sw)与级联单元产生的电压(u_u，u_v，u_w)在其上的电压降来产生调节电流；2)滤除来自级联单元电流的高次谐波。三台电抗器的一端分别与相应的级联单元相连，三台电抗器的另一端分别与三个断路器相连；

三个断路器，用于在调节装置发生故障或维修时使三相级联单元与电网切断，三个断路器的一端分别与相应的三台电抗器相连，三个断路器的另一端分别与相应的隔离开关相连；

三个隔离开关，用于在断路器断开时保证三相级联单元与电网完全切断，三个隔离开关的一端分别与相应的三个断路器相连，三个隔离开关的另一端分别与电网的三相连接。

以下结合附图，详细介绍本发明用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置的工作原理和工作过程：

调节装置对于有功和无功的控制方法如图3所示。通过以电网电压定向的同步旋转变换，分别得到电网电压和负载电流在d轴和q轴的分量u_sd、u_sq、i_d以及i_q。由于是以电网电压定向，所以u_sq＝0，且有功功率p和无功功率q分别等于

p＝u_sdi_sd，q＝u_sdi_sq

因此i_d、i_q分别为负载电流中的有功分量和无功分量，只要对i_d、i_q进行闭环控制就能够分别实现对有功功率p和无功功率q的控制。

上述对i_d和i_q的控制通过调节装置的输出电压(即图1中的电压u_u，u_v，u_w)来实现。图4所示为装置运行的四个基本工作状态：令p^*＝0，控制调节装置的输出电压

与电网电压

同相，即可实现对无功的控制。如图4(a)所示，若使得

电压大于则负载电流领先电网电压90度电角度，调节装置发出容性无功功率；反之如图4(b)所示，若

的电压小于

则负载电流落后电网电压90度电角度，调节装置发出感性无功功率。令q^*＝0，控制输出电压与电网电压的差相量

与

垂直，则可以实现对有功功率的控制。如图4(c)所示，若控制领先

90度电角度，则负载电流与电网电压同相，有功流向装置进行储能；反之如图4(d)所示，若控制落后

90度电角度，则负载电流与电网电压反相，有功由装置送向电网。基于上述的四个基本工作状态，装置可以通过调节输出电压

的大小及相位，实现有功和无功的连续调节。

在上述的有功和无功调节过程中，调节装置均采用载波移相脉冲宽度调制方法控制级联单元发出阶梯波来构成所需的输出电压。在进行无功补偿时，本调节装置控制全桥逆变单元中的直流母线电压恒定，而在进行有功波动调节时，调节装置允许直流母线电压在一定范围内波动。这是因为：①相较于调节装置中的其他部件来说，主要储能元件电池的寿命受限于充放电次数，因此要避免频繁的充放电操作；②储能元件电池的最佳充放电速度是有限的，难以对快速变化的瞬时有功功率进行有效调节。因此在有功波动调节中对于快速变化部分，调节装置利用直流母线上的大电容器的充放电来实现。例如当风电场发出的电能突然增大时，调节装置控制母线上的大电容充电以吸收能量，同时直流母线电压升高，而BBU则通过DC/DC变换器的控制，使得电池组依然按照最佳充电曲线进行充电，反之同理。这种有功调节过程将电容的高功率密度特性与电池的高能量密度特性有机的结合在一起，能够极大提高对于快动态过程的调节特性。在上述的BBU充放电过程中，调节装置中的电池管理系统对每个BBU中电池的充放电状态(以下简称：SOC)进行实时监控，并依据SOC平衡的原则，配合BBU的最佳电流充放电曲线，控制双向DC/DC变换器，对BBU的充放电进行控制。

在调节装置中，BBU到达使用寿命或发生故障需要更换时，大电容器的存在使得这个更换过程能够在线的条件下完成。首先通过BBU中的双向DC/DC变换器控制电池组释放能量，将电压降至安全范围内，然后控制双向DC/DC变换器的输出电流为零，断开自动开关使BBU与母线脱离，从而确保了更换维护过程的安全方便。

以下介绍本发明的一个实施例：

图1所示中，级联数N＝3，为了实验方便，电网与本装置的各项参数如下表所示：

表1实验参数

在MATLAB仿真环境下，按照所述工作原理和工作工程得到的仿真结果如下：

1、有功控制时，由于风电场输出功率是波动的，且频率是变化的，而向电网输出功率是平滑的，因此电能装置需要吸收和释放的有功功率亦是波动的，如图5(a)所示；而电池组按照既定的最佳电流曲线充电，因此吸收的功率是平滑的，如图5(c)所示，图5(d)所示是时间轴放大后电池组吸收的有功功率；瞬时波动的有功功率或者短时间的有功功率由电容器组吸收，如图5(b)所示；图5(e)表示的是由于电容器组吸收有功功率，各个单元的直流侧电容电压都要上升，但由于各个电容值不一致，因此各个电容器上的电压值有一定的差别。

2、无功控制时，当无功指令q^*＜0，装置发出感性无功功率，电网电压超前电流90度电角度。当无功指令q^*＞0，装置发出容性无功功率，电网电压滞后电流90度电角度，电网电压与电流波形如图6(a)所示，装置发出的无功功率如图6(b)所示。当未做稳压控制时，由于线路和装置等自身的损耗，使得直流侧电容电压有所下降，如图6(c)所示。当采用稳压控制时，由于装置向电网吸收了部分有功功率，使得直流侧电容电压保持不变，如图6(d)所示。

从以上仿真结果可以看出，本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，在有功和无功控制时具有良好的动态性能。

Claims (1)

1.一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，其特征在于，该调节装置包括：

U相级联单元、V相级联单元和W相级联单元，三相级联单元之间成星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组、n个自动开关和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组相并连；所述的电池组单元通过自动开关与所述的大电容器组相连；所述的全桥逆变单元由4个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接；所述的电池组单元由一个电池组和一个双向“直流-直流”变换器组成，电池组与双向“直流-直流”变换器相连；

三台电抗器，用于根据电能调节装置接入点的电压与级联单元产生的电压在电抗器上的电压降产生调节电流，并滤除来自级联单元电流的高次谐波，三台电抗器的一端分别与相应的级联单元相连，三台电抗器的另一端分别与三个断路器相连；

三个断路器，用于在电能调节装置发生故障或维修时使三相级联单元与电网切断，三个断路器的一端分别与相应的三台电抗器相连，三个断路器的另一端分别与相应的隔离开关相连；

三个隔离开关，用于在断路器断开时保证三相级联单元与电网完全切断，三个隔离开关的一端分别与相应的三个断路器相连，三个隔离开关的另一端分别与电网的三相连接。

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