CN103441505B - 基于风电的电能质量串联补偿方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风电的电能质量串联补偿方法，其包括步骤：采用风力发电机将风能转化为交流电输出；采用整流模块将风力发电机输出的交流电转换为稳定的直流电，并对整流模块进行最大功率跟踪控制以使整流模块输出的直流电有功功率最大；将整流模块输出的直流电转变为交流电；检测电网电压，若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行补偿。相应地，本发明还公开了一种基于风电的电能质量串联补偿装置，其包括：风力发电机、整流模块、H桥逆变单元、并网逆变器以及控制器等。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网电压补偿方法及装置，尤其涉及一种基于风电的电能质量串联补偿方法及装置。
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(ElectricPowerResearchInstitute,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)是其中的主要问题，电压陷落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，虽然电压陷落时间短，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时间远远大于电压陷落事故的本身时间，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。
传统的方法，如电压调节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骤降的问题，但是，储能问题一直困扰着动态电压补偿器的研究，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
本发明的目的在于提供一种基于风电的电能质量串联补偿方法，该方法将风力发电机输出的电能用于电网电能质量串联补偿，从而不需要设置额外的储能元件，同时还能确保电网电压保持稳定不变，从而保护电网负荷，减少因电网电能质量问题所造成的损失。
本发明的另一目的在于提供一种基于风电的电能质量串联补偿装置。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于风电的电能质量串联补偿方法，其包括步骤：
采用风力发电机将风能转化为交流电输出；
采用整流模块将风力发电机输出的交流电转换为一稳定的直流电，并对整流模块进行最大功率跟踪控制以使整流模块输出的直流电有功功率最大；
采用H桥逆变单元和并网逆变器将整流模块输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压并根据检测结果判断是否进行压降补偿：若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行串联补偿；若电网未发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电电压为零，且控制并网逆变器将交流电注入电网。
本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法充分利用了绿色环保的风能，在电网电压发生压降时，将风能转化成的电能作为能量来源对电网电压进行补偿，而不必设置额外的储能元件，从而保证了电网发生压降时的快速响应，保证负荷电压不受电网故障的影响。
具体来说，当电网未发生压降时，控制器控制并网逆变器将风能转换的交流电并入电网，控制器控制H桥逆变单元向电网输出的补偿电压Uj为零；当电网发生压降时，则控制H桥逆变单元向电网输出补偿电压Uj＝Us0-Us1，其中Us0为电网正常时的电压值，Us1为电网发生压降时的电压值，同时将风能转换得到的剩余电能通过并网逆变器注入到电网中。另外，还存在一种特殊情况，当风能转换的电能不足以对电网的压降进行补偿时，并网逆变器会从电网取电以自动维持直流母线电压稳定。
进一步地，所述对整流模块进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测整流模块输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大于上次输出的有功功率，若判断为是，则增大风力发电机的转速，若判断为否，则维持风力发电机的转速不变。
更进一步地，在上述基于风电的电能质量串联补偿方法中，分别采用直流电流检测装置和直流电压检测装置检测整流模块输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得整流模块输出的有功功率Pw＝Uw×Iw。
其中，直流电流检测装置可以采用直流电流传感器。直流电压检测装置可以采用直流电压传感器。
在上述基于风电的电能质量串联补偿方法中，可以采用交流电压互感器检测电网电压。
相应地，本发明还提供了一种基于风电的电能质量串联补偿装置，其包括：
风力发电机，其将风力转化为交流电输出；
整流模块，其输入端与所述风力发电机连接，将风力发电机输出的交流电转换为直流电输出；
H桥逆变单元，其直流母线与所述整流模块的输出端连接，将整流模块输出的直流电转换为交流电；
并网逆变器，其直流母线与H桥逆变单元的直流母线连接，将整流模块输出的直流电转换为交流电，并网逆变器的输出端用于与电网连接；
直流电流检测装置，其与整流模块的输出端连接，以检测整流模块输出的电流；
直流电压检测装置，其与整流模块输出端的连接，以检测整流模块输出的电压；
交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压；
控制器，其分别与所述直流电流检测装置、直流电压检测装置、整流模块和风力发电机连接，接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压值，调节风力发电机的转速以对整流模块进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、H桥逆变单元和并网逆变器连接，接收交流电压检测装置传输的交流电压值判断电网的工作状态，以控制H桥逆变单元输出交流电压对电网电压进行串联补偿或是控制并网逆变器将交流电注入电网。
进一步地，在上述基于风电的电能质量串联补偿装置中，所述控制器可以包括数字信号处理器或单片机或计算机。
进一步地，在上述基于风电的电能质量串联补偿装置中，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
进一步地，在上述基于风电的电能质量串联补偿装置中，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
进一步地，上述基于风电的电能质量串联补偿装置还包括变压器，该变压器的初级线圈与所述H桥逆变单元的输出端连接，该变压器的次级线圈用于串接在电网中。
进一步地，在上述基于风电的电能质量串联补偿装置中，所述交流电压检测装置包括交流电压传感器。
本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法将风力发电机输出的电能用于电网电能质量串联补偿，解决了电网电压补偿的储能问题，当电网电压出现压降故障时，利用风力发电机输出的电能输出相应的电压量补偿电网电压的差值，确保电网电压不变化，从而保护了电网负荷，减少了因电网电能质量问题所造成的损失。
本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿装置同样具有上述效果。
附图说明
图1为本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿装置在一种实施方式下的结构框图。
图2为本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法在一种实施方式下的流程图。
图3为本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法在一种实施方式下的仿真信号图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法及装置做进一步的解释和说明。
图1显示了本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿装置在一种实施方式下的结构框图。如图1所示，本实施例中的基于风电的电能质量串联补偿装置包括：风力发电机8，其将风能转化为交流电输出；整流模块1，其与风力发电机8连接，将风力发电机8输出的交流电转换为稳定的直流电输出；H桥逆变单元2，其直流母线与整流模块1的输出端连接，将整流模块1输出的直流电转换为交流电输出；变压器4，其初级线圈与H桥逆变单元2的输出端连接，其次级线圈串接在电网9的输电线路中的供电端和负荷端之间用于输出补偿电压Uj；并网逆变器10，其直流母线与H桥逆变单元2的直流母线连接，其输出端与电网9连接；直流电压传感器5，其与整流模块1的输出端连接，测量整流模块1输出的直流电的电压Uw；直流电流传感器6，其与整流模块1的输出端连接，测量整流模块1输出的直流电的电流Iw；交流互感器7，其与电网9连接，测量电网9的电压Us；控制模块3，其分别与直流电流传感器6、直流电压传感器5、整流模块1和风力发电机8连接，根据接收到的整流模块1输出的直流电流的电流值和电压值判断其是否输出了最大的有功功率，即将本次输出的有功功率与上一次输出的有功功率进行比较，若本次输出的有功功率大于上一次输出的有功功率，则说明整流模块1输出的有功功率还没有达到最大值，那么控制器3就控制风力发电机8增大转速，直至本次输出的有功功率不再大于上一次输出的有功功率，则说明整流模块1输出的有功功率达到了最大值，控制器3维持风力发电机8的转速不变，同时控制器3还与交流互感器7、H桥逆变单元2和并网逆变器10连接，根据交流互感器7传输的交流电压值判断电网9是否发生了压降，在电网9未发生压降时，控制H桥逆变单元2输出的交流电为0，控制并网逆变器10将风能转化的交流电注入电网9；在电网9发生了压降时，则控制H桥逆变单元2输出交流电压对电网电压进行串联补偿，并控制并网逆变器10将多余的电能注入电网9。此外控制器3还接收风力发电机8的转子转速和转子角度，以对风力发电机8的工作状态进行监控。
图2显示了本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法在一种实施方式下的流程步骤。结合图1和图2，基于风电的电能质量串联补偿方法在一种实施方式下的步骤为：
风力发电机8将风能转化为交流电输出至整流模块1；
整流模块1将风力发电机8输出的交流电转换为稳定的直流电，分别采用直流电流传感器5和直流电压传感器6检测整流模块1输出的直流电的电流Iw和电压Uw；
控制器3计算整流模块1输出的有功功率Pw＝Uw×Iw；
控制器3判断整流模块1本次输出的有功功率Pwi是否大于上次输出的有功功率Pwi-1，若是，则说明整流模块1输出的有功功率Pwi尚未达到最大，此时控制器3增大风力发电机8的转速，若否，则说明整流模块1输出的有功功率Pwi已经达到最大，仅需维持风力发电机的转速不变即可；
交流电压互感器测量电网交流电压Us，并将测得的交流电压Us的数值也传输给控制器3用来判断电网9的工作状态，若所测交流电压Us达到标准电压Us0，则电网工作状态正常，控制器3控制H桥逆变单元2输出的交流电压为零，从而使得变压器4输入电网9的电压也为零，同时控制并网逆变器将风能转化的电能注入电网9；若所测交流电压Us，小于标准电压Us0，则控制器3计算电网电压的跌落量，该跌落量即为需要补偿的电压量Ui＝Us0-Us，然后控制器3控制H桥逆变单元2向电网9输出电压量Ui的交流电对电网跌落的电压进行补偿，保证电网中的电压稳定不变。
图3显示了本发明所述的基于风电的电能质量串联补偿方法及装置在一种实施方式下的仿真信号图。如图3所示，图中(a)为电网9的电压Us的波形，(b)为变压器4输出的补偿电压Uj的波形，(c)为电网9的负荷端电压UL的波形。该图清晰地显示了在电网9的电压Us骤降时，通过补偿电压Uj的电压补偿使得电网9的负荷端电压UL的幅值与相角都不产生变化，始终保持在电网正常电压水平。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，包括步骤：
采用风力发电机将风能转化为交流电输出；
采用整流模块将风力发电机输出的交流电转换为稳定的直流电，并对整流模块进行最大功率跟踪控制以使整流模块输出的直流电有功功率最大；
采用H桥逆变单元和并网逆变器将整流模块输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压并根据检测结果判断是否进行压降补偿：若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行串联补偿，同时将风能转换得到的剩余电能通过并网逆变器注入到电网中；若电网未发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电电压为零，且控制并网逆变器将交流电注入电网；当风能转换的电能不足以对电网的压降进行补偿时，并网逆变器从电网取电以自动维持直流母线电压稳定。
2.如权利要求1所述的基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，所述对整流模块进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测整流模块输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大于上次输出的有功功率，若判断为是，则增大风力发电机的转速，若判断为否，则维持风力发电机的转速不变。
3.如权利要求2所述的基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，分别采用直流电流检测装置和直流电压检测装置检测整流模块输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得整流模块输出的有功功率Pw＝Uw×Iw。
4.如权利要求3所述的基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
5.如权利要求3所述的基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
6.如权利要求1所述的基于风电的电能质量串联补偿方法，其特征在于，采用交流电压互感器检测电网电压。
7.一种基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，包括：
风力发电机，其将风力转化为交流电输出；
整流模块，其输入端与所述风力发电机连接，将风力发电机输出的交流电转换为直流电输出；
H桥逆变单元，其直流母线与所述整流模块的输出端连接，将整流模块输出的直流电转换为交流电；
并网逆变器，其直流母线与H桥逆变单元的直流母线连接，将整流模块输出的直流电转换为交流电，并网逆变器的输出端用于与电网连接；
直流电流检测装置，其与整流模块的输出端连接，以检测整流模块输出的电流；
直流电压检测装置，其与整流模块输出端的连接，以检测整流模块输出的电压；
交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压；
控制器，其分别与所述直流电流检测装置、直流电压检测装置、整流模块和风力发电机连接，接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压值，调节风力发电机的转速以对整流模块进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、H桥逆变单元和并网逆变器连接，接收交流电压检测装置传输的交流电压值判断电网的工作状态，以控制H桥逆变单元输出交流电压对电网电压进行串联补偿或是控制并网逆变器将交流电注入电网：若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行串联补偿，同时将风能转换得到的剩余电能通过并网逆变器注入到电网中；若电网未发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电电压为零，且控制并网逆变器将交流电注入电网；当风能转换的电能不足以对电网的压降进行补偿时，并网逆变器从电网取电以自动维持直流母线电压稳定。
8.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理器。
9.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述控制器包括单片机。
10.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述控制器包括计算机。
11.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
12.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
13.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，还包括变压器，该变压器的初级线圈与所述H桥逆变单元的输出端连接，该变压器的次级线圈用于串接在电网中。
14.如权利要求7所述的基于风电的电能质量串联补偿装置，其特征在于，所述交流电压检测装置包括交流电压传感器。
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