CN101807799B - 超级电容储能型电能质量补偿器 - Google Patents

超级电容储能型电能质量补偿器 Download PDF

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Abstract

一种超级电容储能型电能质量补偿器,系统结构包括补偿变压器、串联补偿器、并联补偿器、超级电容器组、限流电路、双向DC/DC斩波电路、信号采样电路、控制电路、驱动电路、人机界面以及相应辅助电路,形成三相三线制拓扑结构。本发明利用超级电容器功率密度大、充放电速度快和循环寿命长的优良特性,与双向DC/DC电路配合构成储能控制系统,在工作中起功率调节作用,稳定直流母线电压;本发明兼具动态电压恢复、有源滤波和无功补偿的功能,能够保证负载得到额定、正弦电压,电网电流为与电压基波正序有功分量同向(单位功率因数)的正弦电流,综合提高电能质量。无论对于公共电网还是用户来说,都具有积极的推广应用价值。

Description

超级电容储能型电能质量补偿器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能质量治理中的用户电力技术领域,特别是涉及一种超级电容储能型电能质量补偿器。
【背景技术】
[0002] 电能质量从技术层面上讲包含电压质量和电流质量两个方面。电压质量是指实际电压与理想电压间的偏差,反映供电企业向用户供给的电力是否合格,其包括电压凸升、电压凹陷、电压波动、三相不平衡和电压中断等;电流质量指对用户取用电流提出恒频率、正弦波形要求,并使电流波形与供电电压同相位,以保证系统以高功率因数供电。电流质量问题包括谐波、无功电流和三相电流不平衡等。电能质量问题实际上使供、用电系统偏离理想的、正常的供、用电状态,因此,电能质量问题会给供、用电系统带来很多危害,具体表现在以下方面:电压质量问题,特别是短时电压中断会对设备的正常工作产生影响或损坏,甚至造成生产线的巨大损失、计算机的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失,影响如银行结算中心、证券交易系统、电信和移动电话通信系统、航空管理系统、公路和铁道调度以及售票系统等的正常运行;谐波会增加公用电网的附加输电损耗,降低发电、输电设备的利用率,甚至会严重影响用电设备的正常工作,瞬时的谐波高压还可能损坏其它一些对过电压敏感的电子设备。此外,谐波还引起某些继电器、接触器的误动作,使得常规电气仪表测量不准确,对周围的环境产生电磁干扰,影响通信、电话等设备的正常工作,也容易使电网产生局部的并联或串联谐振,而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了所有前述问题;无功电流在电网中流动的危害主要体现在降低发电、输电设备的利用率,增加线路损耗上。
[0003] 为了保证用户的供电质量,一方面要加强输电系统的输送能力和运行安全性,保证对配电系统的供电可靠性,另一方面应抑制或消除各种包括来自系统侧的和用户侧的干扰,避免对电能质量的污染。早期的稳压电源,无源滤波装置,自启动电源等,能够稳定电压,滤除电网或负载侧的谐波,可以提高供电系统的稳定性和可靠性,但随着电网结构日趋复杂,各种敏感负荷的使用,这些装置已不能解决日益复杂的电能质量问题,人们不得不寻找其它解决方法,典型的也是目前研究的最多的是基于电力电子技术的用户电力技术 (Custom Power),该技术由美国EPRI于1992年提出,又称为定制电力技术,即把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来,以用户对供电可靠性和电能质量要求为依据,面向低压配电系统,主要解决供电的可靠性和电能质量控制问题,如消除电压的波动、跌落、 上升、闪变、不对称、电能的中断、谐波及无功等,为用户配置所需要的电力,使得电力用户获得满意的供电品质,保证电力用户的供电可靠性。其中最有代表及最具影响的有不间断电源(UPS),晶闸管开关阻抗型动态无功补偿装置(SVC),静止无功发生器(SVG),配电型静止同步补偿器(DSTATC0M),有源电力滤波器(APF),动态电压调节器(DVR),蓄电池储能系统(BESS),超导磁能存储系统(SMES),统一电能质量控制器(UPQC),分布式发电系统(DG)寸。
4[0004] 自1976年Gyugyi L.等提出有源电力滤波器概念以来,随着大功率高频电力电子技术的发展,有源电力滤波器技术的研究不断得到加强。现在该技术正从实验室走向工业应用,国外一些著名大公司都有一些有源电力滤波装置的实际产品,但其技术研究始终在不断地进行着。DVR和DSTATC0M的研究都与有源电力滤波器的研究几乎是同步的。APF、 DSTATCOM、DVR等在美国、日本、德国等发达国家已开始形成系列化,产品进入了实用阶段。 尤其在日本,已有500多台APF应用于工业领域,容量范围为50KVA〜60MVA,其中大容量的多用于电弧炉和电气化铁路中,国外制造这些产品的著名公司如ABB,日本三菱公司,德国西门子公司,美国西屋公司,GE,以色列Elspec公司等。国内方面,由清华大学与河南省电力局签定了合作研制的中国首台20MVA IOKV STATC0M于1999年3月在河南省洛阳变电站投入运行,该项目在2000年6月通过由中国电力部组织的鉴定;这标志着我国继美日德之后已成为世界上第4个拥有此项高新技术的自主知识产权国家。
[0005] 在配电系统中对大容量的UPS的研究也是在不断地进行着,经历了后备式、互动在线式、双变换在线式UPS后,1995年由美国APC Silcon首先提出的双逆变电压补偿在线式UPS更是把UPS的研究与Cuspow技术紧密地结合在一起。另外,开展新能源在Cuspow 技术中的应用也在进行之中。综上所述,基于电力电子技术的Cuspow控制设备主电路和实现功能具有较大的包容性。
[0006] 目前统一电能质量调节器(UPQC)作为一种电能质量综合调节装置,以电力电子技术为基础,实现畸变波形的补偿、动态电压恢复,实现用户灵活供电,属于用户电力技术的重要研究方向之一。UPQC改变了电能质量治理中传统电压或电流波形分别补偿方法,整体适应系统电流和电压的补偿要求,具有较远的发展前景,但是目前UPQC直流母线两端一般并接普通电容器,随着充放电次数的增多,电容器寿命会很快缩短。此外,因普通电容器储能量小,难以起到UPS的作用。
【发明内容】
[0007] 本发明目的是提高配电系统中电能质量,即防止因电网电源出现的电压波动、凸升、凹陷、闪变、电压短时中断对负载端电压造成影响、抑制非线性负载产生的谐波电流以及进行无功补偿,提高电网功率因数,使得电力用户获得满意的供电品质,保证电力用户的供电可靠性,提供一种超级电容储能型电能质量补偿器。
[0008] 本发明提供的超级电容储能型电能质量补偿器包括:
[0009] 并联补偿器:与电网电源并联连接,由并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(L1)和第一滤波电容(C1)组成,用于产生电流补偿量。其中并联变流器三相交流侧依次经第一滤波电感、第五接触器的常开触点(K5)和第一滤波电容串联后并接于电网电源三相进线端, 直流侧接直流母线。该电能质量补偿器还包括:
[0010] 串联补偿器:由串联变流器(SVSI)、第二滤波电感(L2)和第二滤波电容(C2)组成,用于产生电压补偿量。其中串联变流器交流侧经第二滤波电感和第二滤波电容后接至补偿变压器(Ts)原边,直流侧与直流母线并联。
[0011] 所述的串、并联变流器直流侧共用直流母线,且所述串、并联变流器皆为由六组绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联二极管模块构成的三相全控桥,采用高频PWM控制技术, 具有双向四象限工作特性;
5[0012] 补偿变压器:采用三个独立的单相变压器或采用三相耦合的三相变压器,串接于交流电网电源和非线性负载之间,采用星型接法,用于将串联补偿器输出的补偿电压按所选变压器变比叠加到电网电源电压上;
[0013] 超级电容器组(Cs):作为能量存储装置,经限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接,用于调节有功功率;
[0014] 双向DC/DC斩波电路:由两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成的模块、储能电感(L)和直流母线电容器(Cf)组成,输入端经限流电路接超级电容器组两端,输出端并接于直流母线上,用于超级电容器组端电压的变换;
[0015] 第一限流电路:由并联在第一滤波电感(L1)上的第一限流电阻(R1)和第四接触器的常开触点(K4)串联组成,用于对直流母线电容器和超级电容器组预充电开始阶段限制充电电流;第二限流电路:由第二限流电阻(Rs)和限流电感(Ls)串联后再与第六接触器的常开触点(K6)并联组成,用于限制超级电容器组的充电电流和过电压。
[0016] 信号采样电路包括信号采集电路和信号调理电路。信号采集电路又分电压信号采集电路和电流信号采集电路两种,其中电压信号采集电路采用霍尔电压传感器,共8路,电流信号采集电路采用霍尔电流传感器,共7路。其中,第一霍尔电压传感器(HVSl)经第一输入电阻(Ril)、第二霍尔电压传感器(HVS2)经第二输入电阻0?i2)、第三霍尔电压传感器 (HVS3)经第三输入电阻(Ri3)分别并联于电网电源A、B、C相输出端,用于实时采集三相电网电源的电压信号,第四霍尔电压传感器(HVS4)经第四输入电阻(Ri4)、第五霍尔电压传感器 (HVS5)经第五输入电阻(Ri5)、第六霍尔电压传感器(HVS6)经第六输入电阻(Ri6)分别并联于补偿变压器原边,用于实时采集三相实际补偿电压信号,而第七霍尔电压传感器(HVS7) 经第七输入电阻(Ri7)并联于直流母线两端,用于测量直流母线电压,第八霍尔电压传感器 (HVS8)经第八输入电阻(Ri8)并联于超级电容器组两端,用于采集超级电容器组端电压。第一、第二、第三霍尔电流传感器HCS1、HCS2、HCS3分别安装在三相负载进线端,实时采集负载电流信号,而第四、第五、第六霍尔电流传感器HCS4、HCS5、HCS6安装在并联变流器三相输出端,用于采集实际补偿电流信号,第七霍尔电流传感器(HCS7)安装在双向DC/DC电路中储能电感(L)附近,用于采集流过储能电感(L)的电流。
[0017] 信号调理电路:其输入端连接信号采集电路的输出端,输出接至控制电路中数字信号处理器的模数转换模块,用于将信号采集电路中的霍尔传感器输出的范围为(-5V, +5V)的电压信号转换为控制芯片DSP可接受的(_3V,+3V)范围内的电压信号;
[0018] 控制电路以双DSP为控制核心,工作在主从模式,DSP芯片之间具有数据通讯功能;
[0019] 驱动电路由专用的IGBT驱动模块组成,用于隔离放大PWM信号以驱动装置中IGBT 的开通和关断;
[0020] 人机界面采用按钮和液晶显示器的组合或者采用触摸屏,用于完成人机信息交换。
[0021] 优选的,本发明补偿器是否投入运行通过控制第一接触器的常开触点K1、第二接触器的常开触点K2和第三接触器的常开触点K3实现。
[0022] 优选的,为安全起见,控制电路和驱动电路采用不同的开关电源供电。
[0023] 优选的,所述超级电容器组作为直流侧的储能元件,经第二限流电路,通过双DC/DC斩波电路并联于直流母线两端,其有两种工作模式:充放电模式和功率调节模式。此外, 超级电容单体耐压值一般低于3V,实际应用中需要大量电容器串联使用以达到可用的电压水平,但为节省占用空间和储能系统费用,因此采用双DC/DC变换电路,其中利用boost电路将超级电容器端电压进行DC/DC升压变换来维持直流母线电压稳定,以满足装置对直流母线电压的补偿要求,而当电网提供的有功功率高于负荷需要时,直流母线通过buck电路进行DC/DC降压变换后为超级电容器组充电。
[0024] 优选的,所述功率调节模式是指当检测到电网电压出现波动、凸升、凹陷、短时中断时,装置快速吸收或者发出有功功率,维持系统有功平衡和直流母线电压恒定。所述充放电模式是指在装置最初安装或检修后重启时将超级电容器组充电到预先设定的电压值 VJ,在装置故障或检修时将超级电容器组储存的电能释放。
[0025] 本发明的优点和积极效果:
[0026] 本发明公开的超级电容储能型电能质量补偿器,利用超级电容的优良特性、起功率调节作用,使其具有针对电压和电流质量问题的综合补偿能力,一方面通过动态电压补偿功能,防止系统电压干扰造成敏感负荷工作异常,保证负荷端电压为额定等级的纯正正弦波,另一方面通过有源滤波,保证进入到电网电流为与电网电压基波正序成分同相位的纯正正弦波,提高功率因数,防止负荷谐波电流对电网造成污染。总之,无论对于公共电网还是用户来说,本发明都具有积极的推广应用价值。
[0027] 本发明与现有技术相比,具有以下有效效果:
[0028] 1、本发明利用超级电容器组作为储能元件,因其具有功率密度大、充电速度高、循环寿命长等显著优点,与传统的UPQC装置比较,能够更加方便、快捷、有效地进行电能质量补偿,节省因长期频繁充放电更换直流母线滤波电容造成的损失。
[0029] 2、利用双DC/DC直流变换电路对超级电容器组端电压进行升降压控制,可以降低超级电容器组所包含的单体个数,进而降低装置成本。
[0030] 3、本发明不仅能够进行有源滤波,动态电压恢复和无功补偿,还能够起到一定的 UPS功能,其储存的能量可以保证负荷在断电后运行一定时间,提高负荷运行安全性的同时,为后续断电保护处理节省宝贵时间。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明提供的超级电容储能型电能质量补偿器系统结构图;
[0032] 图2为本发明的控制原理图;
[0033] 图3为本发明中所用霍尔电压传感器连接图;
[0034] 图4为本发明中所用霍尔电流传感器连接图;
[0035] 图5为本发明中所用的信号调理电路;
【具体实施方式】
[0036] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0037] 本发明属于电能质量治理中的用户电力技术范畴,对于改善电能质量具有积极意义,首先详细说明本发明的组成和功能:[0038] 图1为本发明提供的超级电容储能型电能质量补偿器系统结构图。
[0039] 参照图1,本发明提供的超级电容储能型电能质量补偿器,由补偿变压器(Ts)、串联补偿器、并联补偿器、超级电容器组(Cs)、限流电路和双向DC/DC斩波电路、信号采样电路、控制电路、驱动电路、人机界面以及相应辅助电路组成,构成三相三线制结构。
[0040] 本发明中所述补偿变压器采用三个完全相同的独立的单相变压器,它串接于交流电网和负载之间,原边采用星型接法,公共点接至电网电源中线上,其作用是将原边电压按照变比传递到副边。
[0041] 所述串联补偿器由串联变流器(SVSI)、第二滤波电感(L2)和第二滤波电容(C2)组成,其中串联变流器为由六组绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联二极管模块构成的三相全控桥,其交流侧经第二滤波电感和第二滤波电容后接至补偿变压器(Ts)原边,直流侧与直流母线并联,为电压源型变流器,采用高频PWM控制技术,具双向四象限工作特性,其原理为:在补偿过程中,串联补偿器被控制为受控电压源,输出补偿电压V。,使其补偿电网电源电压波动、凸升、凹陷或短时中断的影响,使负荷端电压满足额定电压的要求。
[0042] 所述并联补偿器由并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(L1)和第一滤波电容(C1)组成,其中并联变流器与串联变流器组成结构相同,其交流侧依次经第一滤波电感、第五接触器的常开触点(K5)和第一滤波电容串联后并接于电网电源三相进线端,直流侧接直流母线。在工作中并联补偿器被控制为受控电流源,输出与负载电流中谐波和无功成分之和大小相等、方向相反的电流,注入电网后使得电网电流中只含有基波有功成分。
[0043] 所述超级电容器组由多个单体超级电容通过均压电路串并联连接组成,本发明直接采用已经做好均压保护的超级电容器组模块,耐压值和容量的选择根据不用的使用场合选择。其经第二限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接,作为出现电压质量问题时起功率调节作用的储能系统,同时,在电网出现短时电压中断的情况下,其储存的能量供给负载,起不间断电源(UPS)作用。
[0044] 所述双向DC/DC斩波电路由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联二极管构成的模块、储能电感(L)和直流母线电容器(Cf)组成,作用是在发生电压波动、凸升、凹陷或短时中断时对超级电容进行充放电以维持直流母线电压恒定。需要说明的是,CF尽量取大, 其作用有二,一是用于稳定直流母线电压,作为能量交换的介质,二是作为双向DC/DC斩波电路的平波电容器,使得直流斩波电路输出近似恒定。
[0045] 第一限流电路:由并联在第一滤波电感(L1)上的第一限流电阻(R1)和第四接触器(KM4)的常开触点串联组成,用于对直流母线电容器和超级电容器组预充电开始阶段限制充电电流;第二限流电路:由第二限流电阻(Rs)和限流电感(Ls)串联后再与第六接触器的常开触点(K6)并联组成,用于限制超级电容器组的充电电流和过电压。
[0046] 信号采样电路包括信号采集电路和信号调理电路。信号采集电路又分电压信号采集电路和电流信号采集电路两种。
[0047] 参照图3,电压信号采集电路采用霍尔电压传感器,共8路,其中,第一霍尔电压传感器(HVSl)经第一输入电阻(Ril)、第二霍尔电压传感器(HVS2)经第二输入电阻(Ri2)、第三霍尔电压传感器(HVS3)经第三输入电阻(Ri3)分别并联于电网电源A、B、C相输出端,用于实时采集三相电网电源的电压信号,第四霍尔电压传感器(HVS4)经第四输入电阻(Ri4)、 第五霍尔电压传感器(HVSO经第五输入电阻(Ri5)、第六霍尔电压传感器(HVS6)经第六输入电阻(Ri6)分别并联于补偿变压器原边,用于实时采集三相实际补偿电压信号,而第七霍尔电压传感器(HVS7)经第七输入电阻(Ri7)并联于直流母线两端,用于测量直流母线电压, 第八霍尔电压传感器(HVS8)经第八输入电阻(Ri8)并联于超级电容器组两端,用于采集超级电容器组端电压。
[0048] 参照图4,电流信号采集电路由霍尔电流传感器电路和信号调理电路组成,共7 路。第一、第二、第三霍尔电流传感器HCS1、HCS2、HCS3分别安装在三相负载进线端,实时采集负载电流信号,而第四、第五、第六霍尔电流传感器HCS4、HCS5、HCS6安装在并联变流器三相输出端,用于采集实际补偿电流信号,第七霍尔电流传感器(HCS7)安装在双向DC/DC 电路中储能电感(L)附近,用于采集流过储能电感的电流。
[0049] 参照图5,信号调理电路用于将信号采集电路输出的范围为(-5V,+5V)的电压信号转换为控制芯片DSP可接受的(-3V,+3V)范围内的电压信号,共15路且各路完全相同, 输入端接信号采集电路,输出端接数字信号处理器(DSP)的模数转换模块(ADC)。
[0050] 除主电路之外,本发明还包括控制电路、驱动电路和人机界面,其中控制电路以双数字信号处理器(DSP)为控制核心,工作在主从模式,DSP芯片之间具有数据通讯功能;驱动电路采用专用的IGBT驱动模块,用于隔离放大PWM信号以驱动装置中IGBT的开通和关断;人机界面可以采用按钮和液晶显示器的组合,也可以采用触摸屏,完成人机信息交换。
[0051] 需要说明的是,为安全起见,控制电路和驱动电路采用不同的开关电源供电。
[0052] 在上述本发明组成和功能的基础上,其具体工作过程为:
[0053] 图2为本发明的控制原理框图。参照图2,主DSP负责电压采样信号的处理,开关量、串联侧变流器、双DC/DC电路的控制,以及与人机界面的通讯;从DSP负责与主DSP的通讯以及并联变流器的控制。
[0054] 下面就预充电过程、电力有源滤波、动态电压恢复以及直流侧电压控制,对本发明的具体工作过程进行分别说明:
[0055] 1)预充电过程
[0056] 参照图1,通过控制第一、第二和第三接触器常开触点ΚΙ、K2、K3的闭合来控制本发明是否投入工作。电网电源主开关合上后,负载通过Kl接入电网工作,K2、K3均处于断开状态。装置启动前,依次合上装置主开关、控制电路开关、驱动电路开关以及辅助风扇开关,装置进入启动等待状态。当装置通过人机界面接收到启动信号后,控制电路发出控制信号断开Κ1,闭合Κ2、Κ3、Κ4,装置进入到预充电状态,通过并联侧变流器中的续流二极管对直流母线电容和超级电容器组进行预充电。预充电过程为:Κ4闭合后,DSP封锁并联变流器中IGBT的触发脉冲,三相电网通过并联变流器中的续流二极管整流后,首先对直流母线电容进行预充电,当检测到直流母线电容两端的电压升值直流母线电压稳定值的80%时, 控制双DC/DC中降压斩波电路中的IGBT(VT13)开通,直流母线通过VT13和储能电感(L)以及第二限流电路中的第二限流电阻(Rs)和限流电感(Ls)开始对超级电容器组进行预充电, 当检测到其端电压达到设定值Vj时,由控制电路发出开关控制信号,关断VT13,并断开K4、 K5,同时K6合闸,切除限流电路。预充电过程完成后,装置随时等待进入补偿状态。需要说明的是,以上所述开关量的控制信号由主DSP的I/O 口发出。
[0057] 2)电力有源滤波
[0058] 电力有源滤波部分完成指令电流的检测和补偿电流的发生。指令电流检测原理
9为:基于瞬时无功功率理论,从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流,然后将其反极性作用后得到补偿电流的指令信号。其具体工作过程为:本发明采用七个霍尔电流传感器,其管脚连接参照图4,分别安装在负荷三相进线端和并联补偿器三相输出端,将三相负荷电流和三相实际补偿电流按照霍尔线圈比转换为小电流信号,然后经过采样电阻被转换为(_5V,5V)之间的电压信号。每个霍尔电流传感器的信号输出端与控制板上一路信号调理电路相连,将(_5V,5V)之间的电压信号调理为DSP所接受的逻辑电平,具体电路如图 5。参照图2,DSP再通过内部的ADC模块进行AD转换后便得到所对应的参数数字量,然后反运算出采集电流的实际大小,最后根据瞬时无功功率理论中的同步坐标变换的方法,将负荷电流中的基波正序有功成分提取出来,该成分与三相负荷电流作差便得到谐波电流、 基波正序无功电流和基波负序电流的总和,即电流补偿指令I。k*(k = a,b, c)。需要说明的是,为实现无功补偿,即令电流基波正序有功分量与电网电压的基波分量相位相同,根据同步坐标变换的要求,需要提取三相电网电压A相电压的相位,这可通过对电网电压的信号采样值进行锁相处理来完成。补偿电流的发生是指通过对并联补偿器的控制,使得其输出与指令电流大小相等的电流以补偿负荷电流中的谐波、负序和无功分量,也即实现电流的跟踪控制。其工作过程为:DSP根据电流指令运算的结果,按照软件所采用的控制策略,计算出控制并联补偿器中IGBT的六路PWM触发信号,并由事件管理器EVA模块发出,此触发脉冲经驱动电路后作用于并联补偿器中的IGBT,使其输出的补偿电流快速跟踪指令电流, 并保证系统频率特性不变。这样电源电流中只含有基波正序有功分量,从而达到消除谐波和无功补偿目的。
[0059] 3)动态电压补偿
[0060] 串联补偿器通过补偿变压器串联在电网和负荷之间,起动态电压恢复作用,保证负荷电压为恒定的额定电压。其工作过程为:参照图3,各霍尔电压传感器输入端和高精度的输入电阻组成串联支路,并接在被测电路两端,将被测电压按照霍尔线圈比转换为小电流信号,然后经过采样电阻被转换为(_5V,5V)之间的电压信号。每个霍尔电压传感器的信号输出端同样与控制板上一路信号调理电路相连,将(_5V,5V)之间的电压信号调理为DSP 所接受的电平。信号调理电路输出的模拟测量值经DSP内部ADC模块进行AD转换再反运算出所采集电压的实际大小。本发明中,当检测到电网电压幅值满足负载运行条件时,认为配电系统正常供电情况,此时动态电压补偿部分工作在备用状态,其损耗相当低。一旦检测到电网电压有效值发生变化即电压发生波动、凸升、凹陷或者短时中断故障,DSP内部根据采样实际值计算出其与负荷额定电压间的电压差,即补偿电压指令U。k*(k = a, b,c),然后按照一定的控制策略,计算出控制串联补偿器中VT1〜VT6的六路PWM触发信号,并由事件管理器EVA模块发出,此触发脉冲经驱动电路后作用于串联变流器中的IGBT,串联补偿器立即通过补偿变压器向系统注入幅值和相角均可控制的补偿电压,用以补偿故障下的电压差,使负荷端电压迅速恢复正常。
[0061 ] 4)直流母线电压稳定性控制
[0062] 直流母线电压的稳定通过超级电容器组的功率调节来实现。双向DC/DC变换器是二阶电路,有两个状态变量——超级电容器组(Cs)的电压和储能电感(L)的电流。根据最优控制理论,实现全状态反馈的系统是最优控制系统。因此,本发明采用具两种反馈信号的双闭环控制策略。直流母线电压的控制采用电压、电流双闭环串级控制结构,电压外环控
10制直流母线电压保持不变,电流内环控制超级电容器充放电电流的动态变化,避免超级电容器充放电电流超过限制。对于电压环,当系统受到某种扰动,无论是电压变化还是其他扰动,都必须反映到输出端,使输出电压变化后,电压环才起作用,虽然调节滞后,但却保证了电网电压在规定范围内波动。电流环动态特性好,响应速度快,可有效地消除由电容,电感等元件引起的扰动。
[0063] 确定直流母线电压参考值为Udc*,则电压给定U:与电压反馈Udc (由直流母线电压信号采样电路完成)进行比较,得到的电压误差AUtk经电压PI调节器输出作为电流给定 IL% Il*与电流反馈l·进行比较,得到的电流误差Δ Il经电流PI调节器,通过运算得到驱动双向DC/DC变换器中IGBT的占空比,最后由主DSP内部的EVB发出两路PWM控制信号。
[0064] 当直流母线电压下降时即需要装置进行有功补偿调节时,通过VT14构成的升压斩波(Boost)电路将超级电容器组端电压升至需要的直流母线电压,提供所需有功,以维持直流母线电压值Udc*稳定,此时VT7〜VT12作为PWM逆变器工作;而当直流母线电压上升时, 即系统向直流母线传递有功时,通过冗13构成的降压斩波(Buck)电路向超级电容器组充电,VT7〜VT12作为PWM整流器工作。
[0065] 需要说明的是,本发明工作过程中,超级电容器组两端的信号采样电路始终检测超级电容器组两端电压,一旦检测到端电压超出电压最高允许值Vsanax,则控制断开第六接触器的常开触点(K6),接入第二限流电路,起到过电压保护的作用。
[0066] 综上所述,本发明公开的超级电容储能型电能质量补偿器,利用超级电容器的优良特性、起功率调节作用,使其具有针对电压和电流质量问题的综合补偿能力,一方面通过动态电压补偿功能,防止系统电压干扰造成敏感负荷工作异常,保证负荷端电压为额定等级的纯正正弦波,另一方面通过有源滤波,保证进入到电网电流为与电网电压基波正序成分同相位的纯正正弦波,提高功率因数,防止负荷谐波电流对电网造成污染。总之,无论对于公共电网还是用户来说,本发明都具有积极的推广应用价值。
[0067] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1. 一种超级电容储能型电能质量补偿器,该电能质量补偿器包括:并联补偿器:与交流电网电源并联连接,由并联变流器(PVSI)、第一滤波电感(L1)和第一滤波电容(C1)组成,用于产生电流补偿量,其中并联变流器三相交流侧依次经第一滤波电感、第五接触器的常开触点(K5)和第一滤波电容串联后并接于电网电源三相进线端, 并联变流器直流侧接直流母线;其特征在于该电能质量补偿器还包括:串联补偿器:由串联变流器(SVSI)、第二滤波电感(L2)和第二滤波电容(C2)组成,用于产生电压补偿量;其中串联变流器交流侧经第二滤波电感和第二滤波电容后接至补偿变压器(Ts)原边,串联变流器直流侧与直流母线并联;所述的串、并联变流器直流侧共用直流母线,且所述串、并联变流器皆为由六组绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反并联二极管模块构成的三相全控桥,采用高频PWM控制技术,具有双向四象限工作特性;补偿变压器:采用三个独立的单相变压器或采用三相耦合的三相变压器,串接于交流电网电源和非线性负载之间,副边采用星型接法,用于将串联补偿器输出的补偿电压按其变比叠加到电网电源电压上;超级电容器组(Cs):作为能量存储装置,经第二限流电路和双向DC/DC斩波电路后与直流母线并联连接,用于调节有功功率;双向DC/DC斩波电路:由两个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管模块、储能电感(L)和直流母线电容器(Cf)组成,双向DC/DC斩波电路输入端经第二限流电路接超级电容器组两端,双向DC/DC斩波电路输出端并接于直流母线上,用于超级电容器组端电压的变换;第一限流电路:由第一限流电阻(R1)和第四接触器的常开触点(K4)串联组成,第一限流电路与由第一滤波电感和第五接触器的常开触点组成的串联电路并联,用于限制直流母线电容器和超级电容器组在预充电开始阶段的充电电流;第二限流电路:由第二限流电阻(Rs)和限流电感(Ls)串联后再与第六接触器的常开触点(K6)并联组成,用于限制超级电容器组的充电电流和过电压;信号采样电路:包括信号采集电路和信号调理电路,其中,信号采集电路分电压信号采集电路和电流信号采集电路,用于将被测电压或电流信号转换为(-5V,+5V)之间的电压信号;信号调理电路用于将信号采集电路中的霍尔传感器输出的范围为(_5V,+5V)的电压信号转换为控制芯片DSP可接受的(_3V,+3V)范围内的电压信号;控制电路:以双控制芯片DSP为控制核心,工作在主从模式,双控制芯片DSP之间具有数据通讯功能;驱动电路:由专用的绝缘栅双极型晶体管驱动模块组成,用于隔离放大PWM信号以驱动电能质量补偿器中绝缘栅双极型晶体管的开通和关断;人机界面:采用按钮和液晶显示器的组合或者采用触摸屏,用于完成人机信息交换。
2.如权利要求1所述的超级电容储能型电能质量补偿器,其特征在于,所述的电压信号采集电路采用霍尔电压传感器,共8路,其中,第一霍尔电压传感器 (HVSl)经第一输入电阻(Ril)、第二霍尔电压传感器(HVS2)经第二输入电阻(Ri2)、第三霍尔电压传感器(HVS3)经第三输入电阻(Ri3)分别并联于电网电源A、B、C相输出端,用于实时采集电网电源的电压信号,所述电网电源为三相交流电网电源,第四霍尔电压传感器 (HVS4)经第四输入电阻(Ri4)、第五霍尔电压传感器(HVS5)经第五输入电阻(Ri5)、第六霍尔电压传感器(HVS6)经第六输入电阻(Ri6)分别并联于补偿变压器原边,用于实时采集三相实际补偿电压信号,而第七霍尔电压传感器(HVS7)经第七输入电阻(Ri7)并联于直流母线两端,用于测量直流母线电压,第八霍尔电压传感器(HVS8)经第八输入电阻(Ri8)并联于超级电容器组两端,用于采集超级电容器组端电压;所述的电流信号采集电路采用霍尔电流传感器,共7路,其中,第一霍尔电流传感器 (HCSl)、第二霍尔电流传感器(HCS2)、第三霍尔电流传感器(HCS3)分别安装在负载进线端,实时采集负载电流信号,所述负载为三相非线性负载,而第四霍尔电流传感器(HCS4)、 第五霍尔电流传感器(HCS5)、第六霍尔电流传感器(HCS6)安装在并联变流器三相交流侧, 用于采集实际补偿电流信号,第七霍尔电流传感器(HCS7)安装在双向DC/DC斩波电路中储能电感(L)附近,用于采集流过储能电感(L)的电流。
3.如权利要求1或2所述的超级电容储能型电能质量补偿器,其特征在于,在并联补偿器与电网电源之间的线路上设置有第二接触器的常开触点(K2),在串联补偿器与负载之间的线路上设置有第三接触器的常开触点(K3),同时,在电网电源与负载之间的传输线路中设置一个带有第一接触器的常开触点(Kl)的控制旁路,通过控制第一接触器的常开触点(Kl)、第二接触器的常开触点(K2)和第三接触器的常开触点(K3)的开启与关闭控制超级电容储能型电能质量补偿器是否投入运行。
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