CN104104109A - 一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置及方法 - Google Patents

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赵艳萍
戴明明
刘瑞
王奎红
李志永
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Abstract

本发明公开了一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其包括：风力发电机；整流单元；H桥逆变单元；旁路开关；并网逆变器；直流chopper单元；直流电流检测装置；直流电压检测装置；交流电压检测装置；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、整流单元和风力发电机连接，所述控制器根据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而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单元释放电能。本发明还公开了一种基于上述装置进行电压跌落浪涌补偿的方法。

Description

一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电压补偿装置和方法，尤其涉及一种基于风电的电压补偿装置和方法。
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)；日本等发达国家对电能质量要求也很高。随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求越来越高，电压跌落、浪涌是其中的主要问题，虽然电压跌落、浪涌持续时间短，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事故的本身时间，因此所造成的损失很大。
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陷落的问题，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
本发明的目的之一是提供一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其利用风能发电对电网中的电压跌落浪涌进行补偿，从而确保负荷电压不发生变化，进而保护了负荷；同时，该装置可利用风能发电为电网电能提供补充供给，从而不需要设置额外的储能元件。
本发明的另一目的是提供一种采用上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其包括：
风力发电机，其将风力转化为交流电输出；
整流单元，其交流输入端与所述风力发电机的输出端连接，将风力发电机输出端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单元的直流输出端连接，所述H桥逆变单元的交流输出端用于串接于电网中，以分别与电网的供电端和负载端连接；
并网逆变器，其直流母线与所述整流单元的直流输出端连接，并网逆变器的输出端用于与电网连接；
直流chopper单元，其直流母线与所述整流单元的直流输出端连接；
旁路开关，其用于串接于电网中，以使其两端分别与H桥逆变单元的交流输出端连接；
直流电流检测装置，其与整流单元的直流输出端连接，以检测整流单元输出的电流；
直流电压检测装置，其与整流单元的直流输出端连接，以检测整流单元输出的电压；
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、整流单元和风力发电机连接，所述控制器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单元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、并网逆变器、旁路开关和直流chopper单元连接，所述控制器根据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，以控制旁路开关导通或关闭，同时控制H桥逆变单元输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单元释放电能。
本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述控制器可以是数字信号处理器、单片机、计算机等电子器件或智能设备；所述判断电网的工作状态包括检测电网电压Us是否正常，如是否有电压跌落或浪涌。本发明所述的装置对风力发电机产生的电能进行控制分配；控制器根据交流电压检测装置输出判断电网的工作状态；判断电网的工作状态正常时，控制器控制旁路开关导通，H桥逆变单元两端被短接，电网供电端直接通过旁路开关向负载端供电，同时控制器控制风力发电机产生的电能通过并网逆变器向电网注入；判断电网发生电压跌落时，控制器控制旁路开关关闭(即断开)，电网供电端通过串接H桥逆变单元向负载端供电，控制器控制风力发电机产生的电能通过H桥逆变单元快速输出相应的补偿电压量，使得负载端的电压保持不变，从而保护了负载，同时控制风力发电机产生的电能通过并网逆变器向电网注入；判断电网发生电压浪涌时，控制器控制旁路开关关闭(即断开)，电网供电端通过串接H桥逆变单元向负载端供电，控制器控制风力发电机产生的电能通过H桥逆变单元快速输出相应的补偿电压量，使得负载端的电压保持不变，从而保护了负载，同时利用直流Chopper单元释放直流母线多余的能量，维持直流母线电压的稳定；所述直流母线同时是H桥逆变单元、并网逆变器以及直流chopper单元的直流母线。
本发明所述的装置利用了绿色环保的风能，解决了电网电压跌落与浪涌的补偿以及储能问题，此外装置中的并网逆变器采取前馈方式，从而不增加H桥逆变单元的额外容量。
进一步地，在上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述控制器包括数字信号处理器。
进一步地，在上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述控制器包括单片机。
进一步地，在上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
进一步地，在上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
进一步地，在上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置中，所述交流电压检测装置包括交流电压传感器。
相应地，本发明还提供了一种采用上述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法，其包括步骤：
采用风力发电机将风能转化为交流电输出；
采用整流单元将风力发电机输出的交流电转换为稳定的直流电，并对整流单元进行最大功率跟踪控制以使整流单元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单元输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压Us是否正常：若判断为是，控制器控制旁路开关导通且控制H桥逆变单元向电网输出的交流电压为零，同时控制器控制并网逆变器将风力发电机产生的全部电能注入电网；若判断为否，则进一步判断电网是发生了电压跌落还是发生了电压浪涌：若判断为电压跌落，控制器控制旁路开关关闭且H桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj＝Us0-Us，同时控制器控制并网逆变器将风力发电机产生的剩余的电能注入电网；若判断为电压浪涌，则控制旁路开关关闭且H桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj＝Us0-Us，同时控制直流chopper单元释放风力发电机产生的多余电能，以维持直流母线电压的稳定；其中Us0为电网标准交流供电电压值。
本发明所述的方法利用本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置实现。直流母线同时是H桥逆变单元、并网逆变器以及直流chopper单元的直流母线；电网电压Us通过交流电压检测装置检测。
进一步地，所述对整流单元进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测整流单元输出的有功功率，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单元输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得整流单元输出的有功功率Pw＝Uw×Iw。
进一步地，在上述方法中，当90％US0≤US≤110％US0，则判断电网电压Us为正常；当US＜90％US0，则判断为电压跌落；当US＞110％US0，则判断为电压浪涌。
本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，具有以下优点：
1)能够有效解决电网电压跌落与浪涌的补偿问题，从而保护负荷；
2)用旁路开关而不使用变压器，使得装置体积更小、成本更低；
3)有效利用了绿色环保的风能，可以不用额外设置储能单元；
4)装置中的并网逆变器采取前馈方式，从而不增加H桥逆变单元的额外容量。
本发明所述基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿方法基于上述装置同样具有上述优点。
附图说明
图1为本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置在一种实施方式下的结构示意图。
图2为本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置的H桥逆变单元拓扑图。
图3为本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置的并网逆变器拓扑图。
图4为本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法在一种实施方式下的流程图。
具体实施方式
以下将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置及方法做进一步说明，但是该说明并不构成对本发明的不当限定。
图1显示了本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置的一种实施例。图2和图3分别显示了该实施例中的H桥逆变单元3和并网逆变器8的拓扑图。
如图1所示，该装置包括：控制器1、整流单元2、H桥逆变单元3、旁路开关4、直流电压传感器5、直流电流传感器6、交流电压传感器7、并网逆变器8、直流Chopper单元9以及风力发电机10；其中，控制器1由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理器；控制器1的整流控制端与整流单元2相应的控制端相连，控制器1的H桥逆变控制端与H桥逆变单元3相应的控制端相连；控制器1的直流电压输入端与直流电压传感器5的输出端相连，控制器1的直流电流输入端与直流电流传感器6的输出端相连，控制器1的交流电流输入端与交流电压传感器7的输出端相连，控制器1的转子转速、转子角度输入信号输入端与风力发电机10的测速码盘输出端相连，控制器1的并网逆变控制端与并网逆变器8相应的控制端相连，控制器1的直流Chopper单元控制端与直流Chopper单元9相应的控制端相连；整流单元2的交流输入端与风力发电机10的输出端相连，整流单元2的直流输出端与H桥逆变单元3、并网逆变器8和直流Chopper单元9的直流母线端相连；H桥逆变单元3的交流输出端与旁路开关4并联后串接于电网的供电端S和负载端L；直流电压传感器5的输入端与整流单元2的直流输出端相连；直流电流传感器6的输入端串接于整流单元2的直流输出端；交流电压传感器7的输入端与电网供电端S相连；并网逆变器8的直流母线端与H桥逆变单元3的直流母线端、整流单元2的直流输出端以及直流Chopper单元9的直流母线端相连，并网逆变器8的交流输出端与电网供电端S相连。如图2所示，H桥逆变单元3的拓扑结构包括若干三极管，其连接方式如图，图中DC+和DC-分别为直流母线的正极和负极；AC为交流输出端。如图3所示，并网逆变器8的拓扑结构包括若干三极管，其连接方式如图，图中DC+和DC-分别为直流母线的正极和负极；AC为交流输出端。
该装置工作时，整流单元2将风力发电机10产生的交流电转换为直流电输出；控制器1接收直流电流传感器6和直流电压传感器5传输的直流电流值和直流电压值，调节风力发电机10的转速以对整流单元2进行最大功率跟踪控制；控制器1还根据交流电压传感器7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3输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，具体来说，控制器1判断电网的工作状态正常时，控制器1控制旁路开关4导通，电网供电端S直接通过旁路开关向负载端L正常供电，控制器1还控制风力发电机10产生的电能通过并网逆变器8向电网注入；控制器1判断电网发生电压跌落时，控制器1控制旁路开关4关闭(即断开)，电网供电端S通过串接H桥逆变单元3向负载端L供电，此时控制器1控制风力发电机10产生的电能通过H桥逆变单元3快速输出相应的补偿电压量，使得负载端L的电压UL保持不变，从而保护了负载，此外，控制器1还控制风力发电机10产生的电能通过并网逆变器8向电网注入；控制器1判断电网发生电压浪涌时，控制器1控制旁路开关4关闭(即断开)，电网供电端S通过串接H桥逆变单元3向负载端L供电，此时控制器1控制风力发电机10产生的电能通过H桥逆变单元3快速输出相应的补偿电压量，使得负载端L的电压UL保持不变，从而保护了负载，同时利用直流Chopper单元9释放直流母线多余的能量，维持直流母线电压的稳定。
图4为基于上述装置的本发明所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿方法在一种实施方式下的流程图。
请结合图1参考图4，该方法应用于上述装置，通过所测的直流电压Uw和直流电流Iw计算整流单元2输出的功率Pw，并对其进行最大功率跟踪控制；通过检测电网的交流供电电压US，判断电网交流电压是否正常，当发现电网电压跌落或浪涌时，控制器1控制H桥逆变单元3输出相应的交流电压变化量对负载端电压UL进行补偿，从而使负载端电压UL不受电网电压异常影响，同时控制并网逆变器8将风力发电机10输出的电能注入到电网；当电网电压浪涌引起直流母线电压上升时，通过直流Chopper单元9将多余的能量释放掉。
具体步骤如下：
1)通过控制器1测量交流供电电压US、整流单元2输出的直流电压Uw与直流电流Iw、风力发电机10的转速与转子角度；
2)通过控制器1计算整流单元2输出有功功率Pw：Pw＝Uw×Iw；
3)通过控制器1控制整流单元2进行风电的最大功率跟踪：
判断本次整流单元2输出有功功率Pw是否大于上次输出值，若是则继续增大风力发电机10的转速；否则，维持风力发电机10的转速不变；
4)设US0为电网正常时交流供电电压值，控制器1通过交流电压传感器7检测电网电压Us是否正常：
若交流供电电压US低于正常电压US0的90％时，则判断为电网电压跌落，控制器1迅速关闭(即断开)旁路开关4，并控制风力发电机10产生的电能通过H桥逆变单元3输出补偿，该补偿电压Uj满足Uj＝(US0-US)(此时H桥逆变单元3输出的交流电压相位与电网电压的相位相同)，同时将多余的风电通过并网逆变器8向电网注入功率；
若交流供电电压US高于正常电压US0的110％时，则判断为电网电压浪涌，控制器1迅速关闭(即断开)旁路开关4，并控制风力发电机10产生的电能通过H桥逆变单元3输出补偿，该补偿电压Uj满足Uj＝(US0-US)(此时H桥逆变单元输出的交流电压相位与电网电压的相位相反)，同时通过直流Chopper单元9释放多余的能量，从而维持直流母线电压稳定。
若以上两种情况都不符合，则判断为电网电压Us正常，即交流供电电压US满足90％US0≤US≤110％US0，控制器1控制H桥逆变单元3输出补偿为零，同时导通旁路开关4使得H桥逆变单元3被短接，电网供电端S直接通过旁路开关4向负载端L正常供电，此外，控制器1控制风力发电机10产生的电能通过并网逆变器8向电网注入功率。
需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，包括：
风力发电机，其将风力转化为交流电输出；
整流单元，其交流输入端与所述风力发电机的输出端连接，将风力发电机输出端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单元的直流输出端连接，所述H桥逆变单元的交流输出端用于串接于电网中，以分别与电网的供电端和负载端连接；
并网逆变器，其直流母线与所述整流单元的直流输出端连接，并网逆变器的交流输出端用于与电网连接；
直流chopper单元，其直流母线与所述整流单元的直流输出端连接；
旁路开关，其用于串接于电网中，以使其两端分别与H桥逆变单元的交流输出端连接；
直流电流检测装置，其与整流单元的直流输出端连接，以检测整流单元输出的电流；
直流电压检测装置，其与整流单元的直流输出端连接，以检测整流单元输出的电压；
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、整流单元和风力发电机连接，所述控制器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单元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、并网逆变器、旁路开关和直流chopper单元连接，所述控制器根据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，以控制旁路开关导通或关闭，同时控制H桥逆变单元输出交流电压而对电网电压跌落或浪涌进行补偿，所述控制器还控制并网逆变器向电网注入电能，以及控制直流chopper单元释放电能。
2.如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理器。
3.如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，所述控制器包括单片机。
4.如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
5.如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
6.如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置，其特征在于，所述交流电压检测装置包括交流电压传感器。
7.一种采用如权利要求1所述的基于风电的前馈型电压跌落浪涌补偿装置进行电压跌落浪涌补偿的方法，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；
采用整流单元将风力发电机输出的交流电转换为稳定的直流电，并对整流单元进行最大功率跟踪控制以使整流单元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单元输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压Us是否正常：若判断为是，控制器控制旁路开关导通且控制H桥逆变单元向电网输出的交流电压为零，同时控制器控制并网逆变器将风力发电机产生的全部电能注入电网；若判断为否，则进一步判断电网是发生了电压跌落还是发生了电压浪涌：若判断为电压跌落，控制器控制旁路开关关闭且H桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj＝Us0-Us，同时控制器控制并网逆变器将风力发电机产生的剩余电能注入电网；若判断为电压浪涌，则控制旁路开关关闭且H桥逆变单元向电网输出的交流电压Uj＝Us0-Us，同时控制器控制直流chopper单元释放风力发电机产生的多余电能，以维持直流母线电压的稳定；其中Us0为电网标准交流供电电压值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对整流单元进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测整流单元输出的有功功率，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。
9.如权利要求8所述的方法，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单元输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得整流单元输出的有功功率Pw＝Uw×Iw。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当90％US0≤US≤110％US0，则判断电网电压Us为正常；当US＜90％US0，则判断为电压跌落；当US＞110％US0，则判断为电压浪涌。
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