CN102882230A - 一种基于风电的电能质量串联补偿器 - Google Patents

Abstract

一种基于风电的电能质量串联补偿器，由风轮机、同步发电机、整流单元、三相H桥逆变单元、串联变压器构成，它串接在电网中，电网正常运行时，该电能质量补偿器将风能转换为电能，输出功率给负荷，当电网发生故障引起电网电压骤降（陷落、跌落）或骤升（浪涌）时，该电能质量补偿器输出相应的补偿电压量，使得负荷端的电压保持不变，从而保护负荷免受电网故障的影响，它利用了风能，解决了传统串联补偿器储能的问题，本发明具有利用风能发电与储能，同时解决电压骤降与骤升的问题，提高电能质量的特点。

Description

一种基于风电的电能质量串联补偿器

技术领域

本发明涉及电能质量技术领域，特别是一种基于风电的电能质量串联补偿器。

背景技术

发达国家对电能质量水平的要求很高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量，造成营销困难而损害公司形象及和用户的良好商业关系等，而且也会给医疗等重要用电部门的设备带来危害，引起严重的生产和运行事故，美国电力研究院(EPRI)研究显示,电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元(Electric PowerResearch Institute,1999)，在新加坡，每次电压瞬间下降都会造成超过100万新元的经济损失；随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求也越来越高，电压骤降（陷落、跌落）和骤升（浪涌）是其中的主要问题，电压陷落和浪涌不仅会引起电力系统的电压质量问题，也会危及用电设备的安全工作，电力系统故障，大型电机启动，支路电路短路等都会引起电压陷落，电压浪涌是由闪电、接通供电系统和其他原因造成过压而引起的，大型电机和空调器是大的电压浪涌产生源，虽然电压陷落和浪涌时间短，但是它会引起工业过程的中断或停工，而所引起工业过程的停工期间远远大于电压陷落和浪涌事故的本身时间，因此所造成的损失很大，电压陷落的特征是电源电压骤然下降至10%到90%的正常电压值并持续0.5到50个周期，电压浪涌的特征是电源电压骤然上升至110%到180%的正常电压值并持续0.5到50个周期，绝大部分电压陷落和浪涌，其电压变化幅度在50%以内，且持续时间不超过500毫秒；

传统的方法，如电压调节器和浪涌抑制器并不能解决这些问题，而不间断电源UPS装置虽能解决这些问题，但是其成本和运行费用都极其昂贵，为了解决上述问题，国内外对动态电压补偿器开展了研究。相比于UPS，动态电压补偿器能有效解决电压陷落、浪涌的问题。但是，储能问题也一直困扰着动态电压补偿器的问题，虽然有人提出最小能量注入法等先进的方法，但是额外的储能始终影响其进一步推广、发展。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于风电的电能质量串联补偿器，它充分利用了风能，电网正常时，它利用绿色的风能，将风能转换为电能，供给负荷；当电网电压出现故障时，如陷落或浪涌时，它输出相应的电压量，补偿电网电压的差值，确保负荷电压不变化，因而保护了负荷。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于风电的电能质量串联补偿器，特点在于构成包括：风轮机、同步发电机、整流单元、三相H桥逆变单元和串联变压器；

上述部件的连接关系如下：

所述的风轮机将风能转换为机械能，其输出机械轴与所述的同步发电机的转子轴相连，该同步发电机的定子交流电输出端与所述整流单元的输入端相连；该整流单元的输出端与所述的三相H桥逆变单元的直流输入端相连，该三相H桥逆变单元的交流输出端的两电线与所述的串联变压器的初级线圈的两端相连，所述串联变压器的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的公共端和负荷端相连。

本发明的原理如下：

电源电压负荷电压

所述电能质量串联补偿器向电网注入电压

之间关系如下式所示：

${\stackrel{\‾}{V}}_L={\stackrel{\‾}{V}}_i+{\stackrel{\‾}{E}}_S-{\stackrel{\‾}{Z}}_S{\stackrel{\‾}{I}}_i---\left(1\right)$

其中，为电网电源等值阻抗，为所述电能质量串联补偿器向电网注入电流，“-”为向量符号。

负荷容量表示为

${\stackrel{\‾}{S}}_L=P_L+j{Q}_L---\left(2\right)$

设

为负荷电流，则

${\stackrel{\‾}{V}}_L\·{\stackrel{\‾}{I}}_L^{*}=P_L+j{Q}_L---\left(3\right)$

${\stackrel{\‾}{V}}_i\·{\stackrel{\‾}{I}}_i^{*}=P_i+j{Q}_i---\left(4\right)$

其中，

为的共轭值，文中上标“*”为共轭符号。

负荷电流与所述电能质量串联补偿器向电网注入电流分别为：

${\stackrel{\‾}{I}}_L=\frac{P_L-j{Q}_L}{{\stackrel{\‾}{V}}_L^{*}}---\left(5\right)$

${\stackrel{\‾}{I}}_i=\frac{P_i-j{Q}_i}{{\stackrel{\‾}{V}}_i^{*}}---\left(6\right)$

5由于所述电能质量串联补偿器串接于电网中，因此，所述电能质量串联补偿器向电网注入的电流

与负荷电流

相等，即

根据上述（5）、（6）两式，可得

${\stackrel{\‾}{V}}_i=\frac{P_i+j{Q}_i}{P_L+j{Q}_L}{\stackrel{\‾}{V}}_L---\left(7\right)$

将上述式（7）代入(1)，可得

$V_L^2[(P_L-P_i)+j(Q_L-Q_i)]={\stackrel{\‾}{E}}_S{\stackrel{\‾}{V}}_L^{*}(P_L+j{Q}_L)-{\stackrel{\‾}{Z}}_S{S}_L^2---\left(8\right)$

上述式子（8）实部、虚部分别相等，可得：

$\left.\begin{array}{c}{V}_L^2(P_L-P_i)+(-E_S{P}_L{V}_L\mathrm{Cos\θ}-E_S{Q}_L{V}_L\mathrm{Sin\θ})+R_S{S}_L^2=0\\ V_L^2(Q_L-Q_i)+(-E_S{Q}_L{V}_L\mathrm{Cos\θ}+E_S{P}_L{V}_L\mathrm{Sin\θ})+X_S{S}_L^2=0\end{array}\right\}---\left(9\right)$

其中，θ为负荷电压相角，V_L为负荷电压幅值；

式（9）表明：通过调节所述电能质量串联补偿器输出的有功功率P_i与无功功率Q_i，可维持负荷电压相角与幅值的不变；

所述三相H桥逆变单元的容量S_r，l必须符合下列关系：

$S_{r,l}\≥\sqrt{P_i^2+Q_i^2}---\left(10\right)$

与现有技术相比，本发明的特点如下：

1．利用了风能，既环保、又解决了电压串联补偿储能的问题；

2．解决电网电压陷落（骤降、跌落）与浪涌（骤升）的问题，保护了重要负荷；

3．电网正常时，将风能转换为电能，供电给负荷。

附图说明

图1是本发明一种基于风电的电能质量串联补偿器的结构示意图。

图2是本发明电压补偿原理示意图。

图3是本发明电网电压陷落电压补偿仿真图。

图4是本发明电网电压浪涌电压补偿仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明一种基于风电的电能质量串联补偿器的结构示意图。由图可见，一种基于风电的电能质量串联补偿器，包括：风轮机2、同步发电机3、整流单元4、三相H桥逆变单元5和串联变压器6；

上述部件的连接关系如下：

所述的风轮机2将风能转换为机械能，其输出机械轴与所述的同步发电机3的转子轴相连，该同步发电机3的定子交流电输出端与所述整流单元4的输入端相连；该整流单元4的输出端与所述的三相H桥逆变单元5的直流输入端相连，该三相H桥逆变单元5的交流输出端的两电线与所述的串联变压器6的初级线圈的两端相连，所述串联变压器6的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的公共端PCC和负荷端相连。

图2为电压补偿原理示意图，以

为Reference（参考）画出了注入电压

PCC(公共点)母线电压

负荷电压负荷电流等各向量之间的关系，从图2中看出，根据电网电压

本发明的电能质量串联补偿器向电网注入电压

就可以得到负荷所需的电压

图3为电网电压陷落（骤降）时的仿真图，当电网故障引起电网电压陷落时，本发明的电能质量串联补偿器注入电网电压

使得负荷电压的幅值与相角都不受电网故障影响，图4为电网电压浪涌（骤升）时的仿真图，当电网故障引起电网电压浪涌时，本发明的电能质量串联补偿器注入电网电压

使得负荷电压的幅值与相角都不受电网故障影响，从而保护了负荷。

Claims (1)

1.一种基于风电的电能质量串联补偿器，特征在于构成包括：风轮机（2）、同步发电机（3）、整流单元（4）、三相H桥逆变单元（5）和串联变压器（6）；

上述部件的连接关系如下：

所述的风轮机（2）将风能转换为机械能，其输出机械轴与所述的同步发电机（3）的转子轴相连，该同步发电机（3）的定子交流电输出端与所述整流单元（4）的输入端相连；该整流单元（4）的输出端与所述的三相H桥逆变单元（5）的直流输入端相连，该三相H桥逆变单元（5）的交流输出端的两电线与所述的串联变压器（6）的初级线圈的两端相连，所述串联变压器（6）的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的公共端（PCC）和负荷端相连。

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