CN107732893A - 一种基于储能的直流系统动态电压恢复器 - Google Patents

一种基于储能的直流系统动态电压恢复器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于储能的直流系统动态电压恢复器，适用于直流配电网系统，通过并联在直流母线上的充电回路，以及串联设置在直流母线上的电压补偿回路，实现直流系统的电压补偿。即在直流母线没有出现电压跌落时，利用充电电路给储能模块充电，在直流母线出现电压跌落时，储能模块通过电压补偿回路补偿直流母线上跌落的电压，对电压进行快速补偿，保证负载持续稳定运行。

Description

一种基于储能的直流系统动态电压恢复器
技术领域
本发明属于直流配电网与储能技术领域，具体涉及一种基于储能的直流系统动态电压恢复器。
背景技术
直流配电网正得到越来越多的应用，其原因在于，直流配电网具备以下优点：1)直流配电网没有无功补偿、谐波和低频振荡问题，系统运行更加稳定；2)直流配电网系统没有相位差，能够更加容易地实现两个系统的互联；3)直流配电网更易于分布式发电的并网运行。大多数分布式电源接入交流配电网时都需要经过逆变环节，但是接入直流配电网时则可以省掉该环节，进一步提高电能利用率。
但是，直流配电网与交流系统一样，存在电压跌落的问题。电压跌落，顾名思义，是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象，当母线电压跌落时，将造成系统振荡，降低负载效率和寿命，甚至对接入的分布式电源产生冲击，导致设备退出运行，降低分布式发电渗透率，严重者还将烧毁设备。
目前，交流系统中通过引入动态电压恢复器，能够很好的解决电网电压的跌落问题。动态电压恢复器(dynamic voltage restorers，DVR)是一种串联型电能质量控制器，其工作原理如图1所示，当电网电压Vs发生电压暂降后，DVR中的检测电源将对逆变器发出指令信号进行控制，产生一个串联补偿电压Vinj来补偿，维持负荷的电压恒定，该电压的幅值及相位可控。常见DVR的结构如图2所示，主要由5个部分组成，分别是储能装置、逆变器、控制电路、LC滤波器、和相对应的旁路保护系统。
现有技术中，动态电压恢复器仅限于交流配电网系统，并无专门针对直流配电网系统的动态电压恢复器，因此，随着直流配电网的快速发展，急需一种适应于直流配电网的动态电压恢复器，当直流母线电压发生跌落时，对电压进行快速补偿，保证负载持续稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于储能的直流系统动态电压恢复器，用于解决现有直流系统中不能解决电压暂降的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于储能的直流系统动态电压恢复器，包括以下解决方案：
包括电压补偿回路、充电回路、储能模块和控制电路，其中，电压补偿回路和分别设有高压端口和低压端口，充电回路分别设有高压端口和低压端口，电压补偿回路的高压端口用于串联到直流母线上，电压补偿回路的低压端口连接储能模块，储能模块用于通过电压补偿回路输出补偿电压；充电回路的高压端口用于并联到直流母线上，充电回路的低压端口连接所述储能模块，充电回路用于通过直流母线上的电压为储能模块充电；控制电路用于根据直流母线上的电压，控制电压补偿回路和充电回路的通断。
所述电压补偿回路包括第一直流电压变换器，第一直流电压变换器的高压侧连接电压补偿回路的高压端口，第一直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。
所述充电回路包括第二直流电压变换器，第二直流电压变换器的高压侧连接充电回路的高压端口，第二直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。
所述控制电路分别连接第一直流电压变换器与第二直流电压变换器的开关器件。
电压补偿回路设置有直流电压变换器，充电回路设置有直流电压变换器，且电压补偿回路和充电回路采用同一直流电压变换器；直流电压变换器的高压侧通过第一切换开关连接电压补偿回路的高压端口、通过第二切换开关连接充电回路的高压端口；直流电压变换器的低压侧分别连接电压补偿电路的低压端口和充电回路的低压端口。
所述第一切换开关和第二切换开关之间进行互锁。
所述控制电路分别连接第一切换开关和第二切换开关，用于根据直流母线上的电压，控制第一切换开关和第二切换开关的通断。
还包括连接所述控制电路的电压检测电路，电压检测电路用于检测直流母线的电压，控制电路用于获取电压检测电路检测的电压，当该电压大于第一设定值时，控制充电回路导通、电压补偿电路关断，当该电压小于第二设定值时，控制电压补偿回路导通、充电回路关断。
所述电压检测电路包括电压传感器，和连接电压传感器的信号调理电路，其中，电压传感器用于串设在直流母线上，信号调理电路连接所述控制电路。
所述储能模块为超级电容。
本发明的有益效果是：
本发明通过并联在直流母线上的充电回路，以及串联设置在直流母线上的电压补偿回路，实现直流系统的电压补偿。即在直流母线没有出现电压跌落时，利用充电电路给储能模块充电，在直流母线出现电压跌落时，储能模块通过电压补偿回路补偿直流母线上跌落的电压，对电压进行快速补偿，保证负载持续稳定运行。
进一步，通过设置电压检测电路，实时检测直流母线的电压，并将电压检测值实时上传至控制电路，控制电路根据检测得到的电压值，判断是否发生跌落，并在发生电压跌落时，控制电压补偿回路和充电回路的通断，保证跌落电压的快速补偿。
本发明的电压补偿回路和充电回路均设有直流电压变换器，采用两种方式连接，第一种连接方式为电压补偿回路和充电回路采用同一直流电压变换器，第二种连接方式为电压补偿回路和充电回路分别采用单独的直流电压变换器。针对第一种连接方式，采用的直流电压变换器分别通过第一切换开关连接电压补偿回路的高压端口、通过第二切换开关连接充电回路的高压端口，也就是采用一个直流电压变换器既能够实现充电回路为储能模块充电的功能，又能够实现电压补偿回路为直流系统补偿电压的功能。
由于第一种连接方式采用了切换开关，在直流系统发送电压跌落时，需要保证及时向直流系统进行电压补偿，稳定直流系统的电压在正常的电压范围，而切换开关的过程会产生一定的延时，影响直流系统的电压补偿效果，时效性差。为了解决这种问题，本发明还可采用第二种连接方式，电压补偿回路和充电回路分别采用单独的直流电压变换器，不需要设置开关，仅需要控制各自回路中直流电压变换器，就能实现储能模块的充电和放电，保证直流系统能够及时对跌落的电压进行补充，时效性高。
本发明可以在线监测直流母线电压，当直流母线电压正常时处于充电待机状态，将高电压等级电能转换为低电压等级电能储存入超级电容中，当系统检测到直流母线电压跌落时将迅速计算出缺额电压，然后凭借超级电容功率密度大、充放电速度快的特点快速将电力释放，使动态电压恢复器迅速输出稳定的补偿电压，保证负载电压的稳定性，确保受保护的负载不受电压变化的影响，直至直流母线电压恢复正常。
附图说明
图1是适用于交流系统的动态电压恢复器的工作原理图；
图2是适用于交流系统的动态电压恢复器的结构示意图；
图3是适用于直流系统的动态电压恢复器应用场景示意图；
图4是一种直流系统的动态电压恢复器结构示意图；
图5是另一种直流系统的动态电压恢复器结构示意图；
图6是基于本发明动态电压恢复器的电压补偿方法流程图；
图7是本发明动态电压恢复器的动态电压补偿仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明针对直流配电网的实际需求，针对直流配电网存在的电压跌落问题，提出一种基于储能的直流系统动态电压恢复器，包括电压补偿回路、充电回路及储能模块，还包括控制电路。其中，电压补偿回路和充电回路分别设有高压端口和低压端口，电压补偿回路的高压端口用于串联到直流母线上，电压补偿回路的低压端口连接储能模块；充电回路的高压端口用于并联到直流母线上，充电回路的低压端口连接储能模块；控制电路用于接收检测直流母线的电压信号，并根据直流母线上的电压，控制电压补偿回路和充电回路的通断。
上述电压补偿回路和充电回路均设有直流电压变换器，采用两种方式连接，第一种连接方式为电压补偿回路和充电回路采用同一直流电压变换器，如图4所示，第二种连接方式为电压补偿回路和充电回路分别采用单独的直流电压变换器，如图5所示。
针对第一种连接方式，采用的直流电压变换器通过单刀双掷开关分别连接电压补偿回路的高压端口、充电回路的高压端口，且直流变压器并联的直流正极母线(即直流母线DC+)上设置有切换开关，直流电压变换器的低压侧分别连接电压补偿电路的低压端口和充电回路的低压端口。也就是采用一个直流电压变换器、一个单刀双掷开关以及一个用于旁路电压变换器的切换开关，就既能够实现充电回路为储能模块充电的功能，又能够实现电压补偿回路为直流系统补偿电压的功能。
上述单刀双支开关和切换开关是通过连接控制电路进行控制的，控制电路根据直流母线上的电压，控制单刀双支开关和切换开关的通断，控制切换开关断开，且控制单刀双掷开关连接端口a1，实现直流电压变换器的电压补偿；或者控制切换开关闭合，且控制单刀双掷开关连接端口a2，对直流电压变换器充电，在一定程度上保证电路切换的时效性。作为其他实施方式，还可以采用两个单独的切换开关代替单刀双掷开关，对切换开关单独进行控制，实现连接直流母线正极和负极的切换。
由于第一种连接方式采用了切换开关，在直流系统发送电压跌落时，需要保证及时向直流系统进行电压补偿，稳定直流系统的电压在正常的电压范围，而切换开关的过程会产生一定的延时，影响直流系统的电压补偿效果，时效性差。为了解决这种问题，本发明还可采用第二种连接方式。即电压补偿回路包括第一直流电压变换器，第一直流电压变换器的高压侧连接电压补偿回路的高压端口，第一直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。上述充电回路包括第二直流电压变换器，第二直流电压变换器的高压侧连接充电回路的高压端口，第二直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。控制电路通过控制连接第一直流电压变换器与第二直流电压变换器的开关器件，控制电压补偿回路和充电回路的通断。第二种连接方式不需要在直流电压变换器的高压侧的连接支路上设置开关，仅需要控制各自回路中直流电压变换器，就能实现储能模块的充电和放电，保证直流系统能够及时对跌落的电压进行补充，时效性高。
为了使上述电压恢复器具备直流母线电压检测功能，电压恢复器还包括用于检测直流母线电压的电压检测电路，控制电路采集连接该电压检测电路。优选的，本发明的电压检测电路包括电压传感器和连接电压传感器的信号调理电路，其中，电压传感器用于串设在直流母线上，信号调理电路连接控制电路。控制电路接收电压检测电路检测的直流母线电压后，对直流母线电压进行判断，当直流母线电压大于第一设定值时，控制充电回路导通、电压补偿电路关断，当直流母线电压小于第二设定值时，控制电压补偿回路导通、充电回路关断，保证动态电压恢复器的充电功能和电压补偿功能的实现。
DCDVR(直流动态电压恢复器)的应用场景如图3所示，直流负载挂接在直流配电网的直流母线上，DCDVR串接在直流母线上并时刻检测系统电压，忽略线路阻抗端电压，Unet为系统电压，UDCDVR为DCDVR输出电压，ULoad为负载电压，由基尔霍夫定律可知：
ULoad＝Unet+UDCDVR
因此，可根据直流配电网系统电压的变动进行缺额电压的计算，然后通过控制算法使DCDVR的输出电压稳定在补偿电压，保证负载电压的稳定性。
图3中DCDVR的补偿接入方式，为DCDVR中的电压补偿回路的串联接入直流母线方式。DCDVR的内部结构如图5所示，DCDVR共分为1#回路(实线部分)与2#回路(虚线部分)，1#回路串联接入直流母线，为电压补偿回路，用于将超级电容的电能释放以实现对系统电压的快速补偿，保证负载电压的稳定性；2#回路并联接入直流母线，为充电回路，用于对超级电容进行充电，保证补偿回路所需的稳定电能。电压补偿回路与充电回路不能同时运行，当某个回路运行时必须通过控制电路闭锁另一个回路，且两部分回路的拓扑完全一致，皆为双向DC/DC，它们的低压侧输出端并联后共同接入超级电容。
基于本发明的动态电压恢复器，采用以下步骤对直流母线上的电压进行检测和补偿，如图6所示：
DCDVR实时检测直流母线电压，并判断电压是否跌落，如果直流母线电压未跌落，则闭锁串联回路(电压补偿回路)，同时切换至并联回路(充电回路)对超级电容进行充电，此时，DCDVR处于待机状态，为超级电容储存电能；当直流母线电压跌落时则闭锁并联回路，打开串联回路，然后根据跌落情况计算补偿电压，最后通过闭环控制使输出电压稳定在补偿电压值，保证负载电压的稳定性。
如图7所示为DCDVR动态电压补偿仿真波形图，初始时刻直流母线电压与负载电压均为1500V，DCDVR处于充电待机状态，补偿电压为0V；在t1时刻直流母线电压与负载电压跌落至850V，为了突出补偿效果此时DCDVR暂未启动，因此t1至t2时刻DCDVR补偿电压依然为0V；t2时刻启动DCDVR，DCDVR根据电压跌落情况迅速计算补偿电压，并将超级电容储存的电能由低电压等级快速转换为高电压等级(补偿电压为650V)，负载电压迅速得到补偿重新恢复至1500V；在t3时刻，直流母线电压由850V跌落至800V，DCDVR根据最新跌落情况进行快速补偿(补偿电压为700V)，将负载电压再次恢复至1500V，由波形可知，DCDVR的补偿速度十分迅速，未出现较大冲击且基本无缝隙；在t4时刻，直流母线电压恢复正常，DCDVR补偿电压为0V，重新进入充电待机状态。
本发明当直流母线电压发生跌落时，可将超级电容中储存的电能通过DCDVR(直流动态电压恢复)系统产生一个合适的补偿电压注入直流配电网系统，保证输出侧(即负载侧)电压稳定，确保受保护的负载不受电压变化的影响，直至直流母线电压恢复正常。该系统在直流母线电压正常时处于充电待机状态，将高电压等级电能转换为低电压等级电能储存入超级电容中，超级电容由于具备功率密度大、充放电速度快等优点，可实现快速的充放电，因此非常适合于发生严重电压跌落等需要大功率电力释、储能的场合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，包括电压补偿回路、充电回路、储能模块和控制电路，其中，电压补偿回路分别设有高压端口和低压端口，充电回路分别设有高压端口和低压端口，电压补偿回路的高压端口用于串联到直流母线上，电压补偿回路的低压端口连接储能模块，储能模块用于通过电压补偿回路输出补偿电压；充电回路的高压端口用于并联到直流母线上，充电回路的低压端口连接所述储能模块，充电回路用于通过直流母线上的电压为储能模块充电；控制电路用于根据直流母线上的电压，控制电压补偿回路和充电回路的通断。
2.根据权利要求1所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述电压补偿回路包括第一直流电压变换器，第一直流电压变换器的高压侧连接电压补偿回路的高压端口，第一直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。
3.根据权利要求2所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述充电回路包括第二直流电压变换器，第二直流电压变换器的高压侧连接充电回路的高压端口，第二直流电压变换器的低压侧连接电压补偿回路的低压端口。
4.根据权利要求3所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述控制电路分别连接第一直流电压变换器与第二直流电压变换器的开关器件。
5.根据权利要求1所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，电压补偿回路设置有直流电压变换器，充电回路设置有直流电压变换器，且电压补偿回路和充电回路采用同一直流电压变换器；直流电压变换器的高压侧通过第一切换开关连接电压补偿回路的高压端口、通过第二切换开关连接充电回路的高压端口；直流电压变换器的低压侧分别连接电压补偿电路的低压端口和充电回路的低压端口。
6.根据权利要求5所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述第一切换开关和第二切换开关之间进行互锁。
7.根据权利要求5或6所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述控制电路分别连接第一切换开关和第二切换开关，用于根据直流母线上的电压，控制第一切换开关和第二切换开关的通断。
8.根据权利要求1所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，还包括连接所述控制电路的电压检测电路，电压检测电路用于检测直流母线的电压，控制电路用于获取电压检测电路检测的电压，当该电压大于第一设定值时，控制充电回路导通、电压补偿电路关断，当该电压小于第二设定值时，控制电压补偿回路导通、充电回路关断。
9.根据权利要求8所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述电压检测电路包括电压传感器，和连接电压传感器的信号调理电路，其中，电压传感器用于串设在直流母线上，信号调理电路连接所述控制电路。
10.根据权利要求1所述的基于储能的直流系统动态电压恢复器，其特征在于，所述储能模块为超级电容。
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