CN112448395B - 一种混合储能的配电网动态电压恢复器及其运行模式 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种混合储能的配电网动态电压恢复器及其运行模式。所述混合储能的配电网动态电压恢复器接入配电网与微电网互联系统为敏感负载供电，包括光伏系统、一号DC‑DC变换器、混合储能装置、二号DC‑DC变换器、逆变单元、滤波器、整流器、变压器T、功率半导体开关K1、旁路开关K2、接地开关K3、连接开关K4、K5、K6以及并联开关K7；所述混合储能的配电网动态电压恢复器的运行模式包括混合储能装置初始化充电模式、电压暂降补偿模式、电网电压正常时动态电压恢复器工作模式以及电压中断时动态电压恢复器工作模式。

Description

一种混合储能的配电网动态电压恢复器及其运行模式
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种混合储能的配电网动态电压恢复器及其运行模式。
背景技术
电压暂降是指供电电压方均根值在短时间内突然下降的事件，其典型持续时间为0.5～30周波，会严重影响电压敏感负荷的正常工作。动态电压恢复器(DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置，能在系统电压质量低于一定标准的时候从储能装置汲取电能，通过逆变单元供给重要负荷，在ms级内将跌落的电压补偿到额定电压值，能有效地解决电压暂降问题。其良好的动态性能和容量上的相对优势使得它成为治理电压暂降问题的经济、有效手段。但传统DVR也存在补偿能力不足，设备利用率低等缺陷，因此需要对其储能系统和运行模式进行优化改进。
发明内容
在配电网电压暂降程度较深时，由于传统DVR储能装置容量限制，对电压暂降补偿能力不足；当以单一的蓄电池作为DVR储能单元时，虽然成本低，运行操作简便，但蓄电池电能转化效率低，对突变情况反映缓慢，而且由于自身充放电电流的限制，它不能提供较大的功率，在实时性上不能满足DVR进行电压补偿时瞬间释放大功率的要求；传统DVR只在微电网发生电压暂降时发挥补偿功能，但在微电网正常运行时处在待机备用状态，设备利用率较低。本发明就是要针对这些问题对配电网DVR进行技术改进。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种混合储能的配电网动态电压恢复器，接入配电网与微电网互联系统为敏感负载供电，包括光伏系统、一号DC-DC变换器、混合储能装置、二号DC-DC变换器、逆变单元、滤波器、整流器、变压器T、功率半导体开关K1、旁路开关K2、接地开关K3、连接开关K4、K5、K6以及并联开关K7；
所述光伏系统与一号DC-DC变换器连接，一号DC-DC变换器输出端通过连接开关K6连接到混合储能装置和二号DC-DC变换器，二号DC-DC变换器的输出端串联有逆变单元、滤波器、变压器T，所述变压器T与旁路开关K2并联；所述配电网的输出端通过功率半导体开关K1、旁路开关K2连接到微电网和敏感负载，功率半导体开关K1和旁路开关K2之间设置接地开关K3，配电网和功率半导体开关K1之间接入整流器，整流器的输出端接有连接开关K4、K5，整流器通过连接开关K4连接储能装置中的蓄电池、通过连接开关K5连接储能装置中的超级电容器。
进一步，所述混合储能装置包括蓄电池和超级电容器，所述蓄电池和超级电容器之间设有并联开关K7。
一种所述的混合储能的配电网动态电压恢复器的运行模式，包括混合储能装置初始化充电模式、电压暂降补偿模式、电网电压正常时动态电压恢复器工作模式以及电压中断时动态电压恢复器工作模式；
所述混合储能装置初始化充电模式为：动态电压恢复器初始化时，若光照充足，则由光伏系统向混合储能装置充电，光伏系统首先向超级电容器充电，当超级电容器的端电压上升到蓄电池额定端电压时，蓄电池开始接受充电电流；若光照不足，则由配电网通过整流器向混合储能装置充电，充电完毕后蓄电池与超级电容器并联开关K7断开；
所述电压暂降补偿模式为：当检测到微电网或配电网发生电压暂降时，将旁路开关K2断开使动态电压恢复器接入，此时电压暂降的补偿控制策略包括前馈控制和反馈控制部分，前馈部分采用配电网电压Us作为前馈信号，与额定参考电压Unref比较得到的差值为需要补偿的电压，反馈控制部分得到需要补偿的电压后，与逆变单元实际输出的电压Uo作差，经PI调节后作为逆变单元的输出电流Io参考值，再经过电流环控制逆变单元的实际输出电流，从而达到补偿电压的作用；
发生电压暂降时，首先由超级电容器释放能量向逆变单元供电，如果超级电容器可以完全恢复电压至额定值，则仅由超级电容器供电，并联开关K7保持断开；若电压暂降严重导致仅由超级电容器供电不能使敏感负载电压完全恢复，则闭合并联开关K7，蓄电池切入向逆变单元供电，同时向超级电容器充电，但此时主要敏感负载电流仍由超级电容器提供，若蓄电池放电深度为70％仍不能完全补偿敏感负载电压，则停止由混合储能装置提供补偿电压，并将敏感负载切除；
所述电网电压正常时动态电压恢复器工作模式为：当电网电压正常时，如果光照充足，满足敏感负载要求，则光伏系统配合微电网为敏感负载供电，将配电网与微电网连接开关K1断开，接地开关K3闭合，此时微电网中的各逆变型DG，连同作为微电源的动态电压恢复器，进入孤网运行状态，此时光伏系统一方面给混合储能装置充电，一方面通过一号DC/DC变换器，逆变单元和滤波器将电能输送给敏感负载；如需进入微电网与配电网并网运行状态，闭合功率半导体开关K1、断开接地开关K3即可；动态电压恢复器作为微电源与微电网一同并网运行或者孤网运行时，采用与其他DG相配合的下垂控制策略；
所述电压中断时动态电压恢复器工作模式为：在微电网电压正常状态下，当动态电压恢复器所接光伏系统所受光照充足时，由光伏系统作为微电源配合微电网协同给敏感负载供电，光伏系统一方面通过一号DC/DC变换器和逆变器给敏感负载供电，另一方面给蓄电池和超级电容器充电，当检测到微电网电压中断时，动态电压恢复器作为不间断电源为敏感负载供电；在光照不足时，由配电网和微电网向敏感负载供电，同时配电网通过整流器给混合储能装置充电，当检测到配电网或微电网供电中断时，混合储能装置通过逆变单元为敏感负载供电，供电中断时动态电压恢复器采用所述电压暂降的补偿控制策略。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
该混合储能DVR采用复合控制策略进行电压暂降或电压中断补偿时，先由对突变响应快的超级电容器供电，补偿效果不足时再由蓄电池供电，与传统DVR单一使用蓄电池储能相比，可增大补偿容量、延长蓄电池寿命，补偿效果良好；电网电压正常时DVR将控制模式切换成下垂控制与其他DG协同运行，与传统DVR相比减少了待机时间，设备利用率更高。
附图说明
图1为传统串联型动态电压恢复器基本结构；
图2为本发明的混合储能动态电压恢复器结构；
图3为本发明的动态电压恢复器复合控制框图；
图4为本发明的电压暂降补偿流程；
图5为本发明在线式UPS功能动态电压恢复器功率流向；
图6为本发明后备式UPS功能动态电压恢复器功率流向。
具体实施方式
传统串联型动态电压恢复器结构(图1)包括储能装置、逆变单元、滤波单元和串联变压器。当检测到电网发生电压暂降迅速启动DVR，储能单元释放能量，通过逆变并滤波后将电能送入敏感负载，保证负载电压水平。
本发明设计的配电网DVR拓扑见图2。蓄电池适合长时间持续放电，但对突变情况反映缓慢，而超级电容则可以快速反应各种突变，但不适合长时间持续放电，两者具有互补作用。因此将储能系统设计为蓄电池和超级电容器混合储能，蓄电池与超级电容器通过功率二极管K7直接并联，微电网与配电网通过功率半导体开关K1连接。储能系统一方面通过具有最大功率点跟踪的DC/DC变换器与光伏阵列连接，一方面通过整流器直接与配电网连接，储能单元可根据需求从不同回路汲取电能。DVR旁路开关K2断开时，储能单元释放的电能可通过DC/DC变换器，逆变环节和滤波器送入敏感负载。
本发明的一种混合储能的配电网动态电压恢复器，接入配电网与微电网互联系统为敏感负载供电，包括光伏系统、一号DC-DC变换器、混合储能装置、二号DC-DC变换器、逆变单元、滤波器、整流器、变压器T、功率半导体开关K1、旁路开关K2、接地开关K3、连接开关K4、K5、K6以及并联开关K7；
所述光伏系统与一号DC-DC变换器连接，一号DC-DC变换器输出端通过连接开关K6连接到混合储能装置和二号DC-DC变换器，二号DC-DC变换器的输出端串联有逆变单元、滤波器、变压器T，所述变压器T与旁路开关K2并联；所述配电网的输出端通过功率半导体开关K1、旁路开关K2连接到微电网和敏感负载，功率半导体开关K1和旁路开关K2之间设置接地开关K3，配电网和功率半导体开关K1之间接入整流器，整流器的输出端接有连接开关K4、K5，整流器通过连接开关K4连接储能装置中的蓄电池、通过连接开关K5连接储能装置中的超级电容器。所述混合储能装置包括蓄电池和超级电容器，所述蓄电池和超级电容器之间设有并联开关K7。
一种所述的混合储能的配电网动态电压恢复器的运行模式，混合储能装置初始化充电模式、电压暂降补偿模式、电网电压正常时动态电压恢复器工作模式以及电压中断时动态电压恢复器工作模式；
所述混合储能装置初始化充电模式为：动态电压恢复器初始化时，若光照充足，则由光伏系统向混合储能装置充电，蓄电池成本较高，充电环境不佳会缩短蓄电池寿命。为抑制光伏系统输出电流波动对蓄电池的冲击，光伏系统首先向超级电容器充电，当超级电容器的端电压上升到蓄电池额定端电压时，蓄电池开始接受充电电流；若光照不足，则由配电网通过整流器向混合储能装置充电，充电完毕后蓄电池与超级电容器并联开关K7断开。
所述电压暂降补偿模式为：当检测到微电网或配电网发生电压暂降时，将旁路开关K2断开使动态电压恢复器接入，此时电压暂降的补偿控制策略采用如图3所示的复合控制策略：包括前馈控制和反馈控制部分，前馈部分采用配电网电压Us作为前馈信号，与额定参考电压Unref比较得到的差值为需要补偿的电压，保证系统快速响应。反馈控制部分得到需要补偿的电压后，与逆变单元实际输出的电压Uo作差，经PI调节后作为逆变单元的输出电流Io参考值，再经过电流环控制逆变单元的实际输出电流，从而达到补偿电压的作用；
发生电压暂降时，首先由超级电容器释放能量向逆变单元供电，如果超级电容器可以完全恢复电压至额定值，则仅由超级电容器供电，并联开关K7保持断开；若电压暂降严重导致仅由超级电容器供电不能使敏感负载电压完全恢复，则闭合并联开关K7，蓄电池切入向逆变单元供电，同时向超级电容器充电，但此时主要敏感负载电流仍由超级电容器提供，有效利用超级电容器，保护蓄电池。蓄电池寿命受放电深度DOD影响，为尽量避免蓄电池深放电，若蓄电池放电深度为70％仍不能完全补偿敏感负载电压，则停止由混合储能装置提供补偿电压，并将敏感负载切除，电压暂降补偿流程如图4所示。
所述电网电压正常时动态电压恢复器工作模式为：
在电网电压未跌落处于正常状态下时，传统DVR处于待机状态，这造成了设备利用率低下的问题。大部分微电网的电源是基于电力电子技术的逆变型分布式电源，如光伏发电系统，燃料电池等。而有源电能质量治理装置如DVR正好与逆变型DG的变流器拓扑一致。因此利用这种优势，可在电网电压正常时，将接有光伏发电系统的DVR作为微电源运行，与微电网内其他DG一同采用下垂控制，在孤网和并网中切换。
当电网电压正常时，如果光照充足，满足敏感负载要求，则光伏系统配合微电网为敏感负载供电，将配电网与微电网连接开关K1断开，接地开关K3闭合，此时微电网中的各逆变型DG，连同作为微电源的动态电压恢复器，进入孤网运行状态，此时光伏系统一方面给混合储能装置充电，一方面通过一号DC/DC变换器，逆变单元和滤波器将电能输送给敏感负载；如需进入微电网与配电网并网运行状态，闭合功率半导体开关K1、断开接地开关K3即可；动态电压恢复器作为微电源与微电网一同并网运行或者孤网运行时，需将DVR由图3所示的电压补偿策略切换为与其他DG相配合的下垂控制策略。
所述电压中断时动态电压恢复器工作模式为：在微电网电压正常状态下，当动态电压恢复器所接光伏系统所受光照充足时，由光伏系统作为微电源配合微电网协同给敏感负载供电，光伏系统一方面通过一号DC/DC变换器和逆变器给敏感负载供电，另一方面给蓄电池和超级电容器充电，当检测到微电网电压中断时，动态电压恢复器作为不间断电源为敏感负载供电；由于在微电网正常和微电网供电中断时DVR均通过逆变器给负载供电，因此DVR相当于在线式UPS功能，在线式UPS功能DVR功率流向如图5所示。
在光照不足时，由配电网和微电网向敏感负载供电，同时配电网通过整流器给混合储能装置充电，当检测到配电网或微电网供电中断时，混合储能装置通过逆变单元为敏感负载供电，由于电网正常状态下混合储能装置未供电，电网供电中断时混合储能装置通过逆变单元供电，此时DVR相当于后备式UPS功能，后备式UPS功能DVR功率流向如图6所示，供电中断时动态电压恢复器采用所述电压暂降的补偿控制策略。

Claims (1)

1.一种混合储能的配电网动态电压恢复器的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括混合储能装置初始化充电模式、电压暂降补偿模式、电网电压正常时动态电压恢复器工作模式以及电网电压中断时动态电压恢复器工作模式；
所述混合储能装置初始化充电模式为：动态电压恢复器初始化时，若光照充足，则由光伏系统向混合储能装置充电，光伏系统首先向超级电容器充电，当超级电容器的端电压上升到蓄电池额定端电压时，蓄电池开始接受充电电流；若光照不足，则由配电网通过整流器向混合储能装置充电，充电完毕后蓄电池与超级电容器并联开关K7断开；
所述电压暂降补偿模式为：当检测到微电网或配电网发生电压暂降时，将旁路开关K2 断开使动态电压恢复器接入，此时电压暂降的补偿控制策略包括前馈控制和反馈控制部 分，前馈部分采用配电网电压
Figure 389218DEST_PATH_IMAGE002
作为前馈信号，与额定参考电压
Figure 775200DEST_PATH_IMAGE004
比较得到的差值为 需要补偿的电压，反馈控制部分得到需要补偿的电压后，与逆变单元实际输出的电压
Figure 227041DEST_PATH_IMAGE006
作 差，经PI调节后作为逆变单元的输出电流
Figure 91091DEST_PATH_IMAGE008
参考值，再经过电流环控制逆变单元的实际输 出电流，从而达到补偿电压的作用；
发生电压暂降时，首先由超级电容器释放能量向逆变单元供电，如果超级电容器能够完全恢复电压至额定值，则仅由超级电容器供电，并联开关K7保持断开；若电压暂降严重导致仅由超级电容器供电不能使敏感负载电压完全恢复，则闭合并联开关K7，蓄电池切入向逆变单元供电，同时向超级电容器充电，但此时主要敏感负载电流仍由超级电容器提供，若蓄电池放电深度为70%仍不能完全补偿敏感负载电压，则停止由混合储能装置提供补偿电压，并将敏感负载切除；
所述电网电压正常时动态电压恢复器工作模式为：当电网电压正常时，如果光照充足，满足敏感负载要求，则光伏系统配合微电网为敏感负载供电，将配电网与微电网连接开关K1断开，接地开关K3闭合，此时微电网中的各逆变型DG，连同作为微电源的动态电压恢复器，进入孤网运行状态，此时光伏系统一方面给混合储能装置充电，一方面通过一号DC/DC变换器，逆变单元和滤波器将电能输送给敏感负载；如需进入微电网与配电网并网运行状态，闭合功率半导体开关K1、断开接地开关K3即可；动态电压恢复器作为微电源与微电网一同并网运行或者孤网运行时，采用与其他DG相配合的下垂控制策略；
所述电网电压中断时动态电压恢复器工作模式为：在微电网电压正常状态下，当动态电压恢复器所接光伏系统所受光照充足时，由光伏系统作为微电源配合微电网协同给敏感负载供电，光伏系统一方面通过一号DC/DC变换器和逆变器给敏感负载供电，另一方面给蓄电池和超级电容器充电，当检测到微电网电压中断时，动态电压恢复器作为不间断电源为敏感负载供电；在光照不足时，由配电网和微电网向敏感负载供电，同时配电网通过整流器给混合储能装置充电，当检测到配电网或微电网供电中断时，混合储能装置通过逆变单元为敏感负载供电，供电中断时动态电压恢复器采用所述电压暂降的补偿控制策略；
所述动态电压恢复器接入配电网与微电网互联系统为敏感负载供电，包括光伏系统、一号DC-DC变换器、混合储能装置、二号DC-DC变换器、逆变单元、滤波器、整流器、变压器T、功率半导体开关K1、旁路开关K2、接地开关K3、连接开关K4、K5、K6以及并联开关K7；
所述光伏系统与一号DC-DC变换器连接，一号DC-DC变换器输出端通过连接开关K6连接到混合储能装置和二号DC-DC变换器，二号DC-DC变换器的输出端串联有逆变单元、滤波器、变压器T，所述变压器T与旁路开关K2并联；所述配电网的输出端通过功率半导体开关K1、旁路开关K2连接到微电网和敏感负载，功率半导体开关K1和旁路开关K2之间设置接地开关K3，配电网和功率半导体开关K1之间接入整流器，整流器的输出端接有连接开关K4、K5，整流器通过连接开关K4连接储能装置中的蓄电池、通过连接开关K5连接储能装置中的超级电容器；
所述混合储能装置包括蓄电池和超级电容器，所述蓄电池和超级电容器之间设有并联开关K7。
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