CN1571235A - 一种采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用直流储能模块进行电气隔离的统一电能质量调节器，属于电力设备技术领域。本调节器包括：用于对电力系统进行电流补偿的电流补偿器，包括一个由四个开关管组成的第一逆变桥和一个由电感组成的滤波器；用于存储上述直流电形式电能的直流储能模块，直流储能模块并联在电压补偿器和电流补偿器的直流侧；用于对电力系统进行电压补偿的电压补偿器，包括一个由四个开关管组成的第二逆变桥和一个由电容与电感组成的滤波器。本发明提出的统一电能质量调节器，既满足了对电力系统与本调节器之间进行电气隔离的要求，又满足了电流、电压补偿控制过程中对于能量流动的要求，同时能够避免已有技术中采用变压器隔离所带来的各种弊端。

Description

一种采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器

技术领域

本发明涉及一种采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器，属于电力设备技术领域。

背景技术

电能质量调节器是电力系统中，通过抵偿系统中存在的电压、电流的畸变分量，消除系统中电能质量所受到的污染的一种装置。按其工作对象可以划分为电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两种。

统一电能质量调节器(以下简称UPQC)是一种柔性交流输电(FACTS)技术，它结合了电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两者的功能，可以同时保证负载侧的电压质量和系统侧的电流质量。与其他FACTS元件相比，它具有更多的控制变量，能在运行过程中同时改变多种系统参数，使系统运行更加灵活，因而受到越来越多的重视。

传统的UPQC采用变压器实现系统和装置之间的隔离，其电路图如图1所示，其主电路主要包括串联单元、并联单元、直流储能单元三个部分，两个脉宽调制(PWM)逆变单元分别构成串联单元和并联单元的主要部分，直流储能装置则是两个逆变单元公用的，这三个部分共同组成一个完整的用户电力装置。由于UPQC的串联和并联两部分共用直流单元，因此系统和装置之间必须进行隔离，否则会出现电容直通、相间短路等情况。隔离变压器的接入不仅为装置和系统提供了隔离还可以扩大装置的容量，使得器件的选择更加灵活。但是由于变压器的非线性及其它特性的影响，变压器的引入也带来了很多问题：

(1)在进行电压和电流谐波补偿时，逆变器产生的各次谐波都需要通过变压器，而目前工频或高频变压器的频带都很窄，只能允许额定频率附近的电流通过，不能满足谐波补偿的要求，很大程度上影响了补偿效果。

(2)逆变器产生的高次谐波在通过变压器时产生很大的谐波损耗，另外高次谐波的通过使得变压器所需的容量上升。

(3)变压器增加了装置的功率损耗；降低了装置的效率。

(4)对于串联隔离变压器，和滤波的电感电容互相影响会带来附加的相移和电压降落，影响装置对电压补偿的性能。

另外变压器还存在饱和及电压跌落时的瞬间涌流(inrush current)等问题。因此，在电压等级较低或者是开关器件的容量足够的情况下引入变压器所带来的缺陷远远大于所带来的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器，用一个直流储能模块实现电力系统与调节器之间的电气隔离，以取代传统的变压器隔离。

本发明提出的采用直流储能模块进行电气隔离的统一电能质量调节器，包括：

(1)用于对电力系统进行电流补偿的电流补偿器，包括一个由四个开关管组成的第一逆变桥，用于将从系统获取的交流电形式的电能通过脉宽调制转换成直流电形式的电能，并将该电能从第一逆变桥的直流侧输出，用以给直流储能模块充电，并向系统输出负荷所需要的无功及谐波电流，以及一个由电感组成的滤波器，用于滤除输出电流中的高频谐波成分；

(2)用于存储上述直流电形式电能的直流储能模块，直流储能模块并联在电压补偿器和电流补偿器的直流侧，由第一、第二、第三、第四电子开关以及电压补偿用储能电容、电流补偿用储能电容、公用储能电容和限流电感组成，其中，公用储能电容和限流电感串联后通过第一电子开关和第三电子开关与电压补偿用储能电容并联，第一电子开关连接在电压补偿用储能电容和公用储能电容的正极之间，第三电子开关连接在电压补偿用储能电容和公用储能电容的负极之间，公用储能电容和限流电感串联后通过第二电子开关和第四电子开关与电流补偿用储能电容并联，第二电子开关连接在公用储能电容和电流补偿用储能电容的正极之间，第四电子开关连接在公用储能电容和电流补偿用储能电容的负极之间；

(3)用于对电力系统进行电压补偿的电压补偿器，包括一个由四个开关管组成的第二逆变桥，用于从直流储能模块获取直流电形式的电能，并通过脉宽调制将其转换成交流电形式的电能后从第二逆变桥的交流输出侧输出，以及一个由电容与电感组成的滤波器，用于滤除输出电压中的高频谐波成分。

上述装置中，组成第一、第二逆变器的开关管为绝缘栅双极性晶闸管(以下简称IGBT)、门极关断晶闸管(以下简称GTO)、集成门极换向晶闸管(IGCT)中的任何一种。

本发明提出的采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器，具有以下效果和优点：

1、在系统和装置间进行了电气隔离；

2、实现了被隔离的电压补偿器和电流补偿器之间能量的双向流动；

3、装置中允许通过的谐波频带很宽，能够很好的满足对系统负荷进行谐波补偿的要求；

4、装置中逆变桥产生的高次谐波在通过直流储能模块时不会产生较大的能量损耗，因此不会降低装置的能量利用效率。

综上所述，本发明提出的统一电能质量调节器，既满足了电力系统与本调节器之间进行电气隔离的要求，又满足了电流、电压补偿控制过程中对于能量流动的要求，同时能够避免已有技术中采用变压器隔离所带来的各种弊端。

附图说明

图1是已有的统一电能质量调节器的电路图。

图2是本发明设计的统一电能质量调节器的电路图。

图3是直流储能模块的电路图。

图4是直流储能模块中电流补偿用储能电容、公用补偿电容的电压仿真波形。

图5是直流储能模块中限流电感的电流仿真波形。

具体实施方式

本发明提出的采用直流储能进行电气隔离的统一电能质量调节器，其电路图如图2所示，包括：

(1)用于对电力系统进行电流补偿的电流补偿器，包括一个由四个IGBT组成的第一逆变桥，用于将从系统获取的交流电形式的电能通过脉宽调制转换成直流电形式的电能，并将该电能从第一逆变桥的直流侧输出，用以给直流储能模块充电，同时通过脉宽调制向系统输出负荷所需要的无功及谐波电流，以及一个由电感L₂组成的滤波器，用于滤除输出电流中的高频谐波成分；

(2)用于存储上述直流电的直流储能模块，直流储能模块并联在电压补偿器和电流补偿器的直流侧，由T₁、T₂、T₃和T₄四只双向晶闸管、电压补偿用储能电容C_s、电流补偿用储能电容C_p、公用储能电容C_com和限流电感L_com组成，其中，C_com与L_com串联后通过T₁和T₃与C_s并联，T₁位于C_s和C_com的正极之间，T₃位于C_s和C_com的负极之间，C_com与L_com串联后通过T₂和T₄与C_p并联，T₂位于C_com和C_p的正极之间，T₄位于C_com和C_p的负极之间；

(3)用于对电力系统进行电压补偿的电压补偿器，包括一个由四个IGBT组成的第二逆变桥，用于从直流储能模块获取直流电能，并通过脉宽调制转换成交流电形式的电能后从第二逆变桥的交流输出侧输出，以及一个由电容C₁与电感L₁组成的滤波器，用于滤除输出电压中的高频谐波成分。

以下详细介绍本发明的统一电能质量调节器中直流储能的工作原理：

用于隔离系统和装置的直流单元如图3所示。直流单元采用三组相同大小的电容互相并联(图中的C_s、C_com和C_p)，电容之间采用电子开关进行连接(图中的T₁、T₂、T₃和T₄)，开关T₁和T₃用同一个控制信号控制(见图5中用实线表示的触发脉冲)、T₂和T₄用另一个控制信号控制(见图5中用虚线表示的触发脉冲)，两组电子开关的开关状态互补，从而隔绝了串联单元和并联单元间的电气联系。在T₁和T₃关断，T₂和T₄导通的时候，C_p和C_com进行均压，当T₁和T₃导通，T₂和T₄关断的时候，C_com和C_s进行均压，从而实现串联单元和并联单元之间的能量双向流动。为避免电容均压过程中充放电电流尖峰，在C_com支路上采用电感进行限流。

由于在结构上两边完全对称，下文仅讨论虚线框中电路的运行情况。如图3所示为L限流电感L_com的电感值，R为限流电感L_com的内阻，三个电容上的电压依次为u_s、u_com、u_p。

设T₁和T₃断开，T₂和T₄闭合，电流为i_L，不考虑外电路的影响，于是有：

整理得：

$L\frac{d^2{i}_L}{{\mathrm{dt}}^2}+R\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}+\frac{C_p+C_{\mathrm{com}}}{C_p{C}_{\mathrm{com}}}{i}_L=0$

设 $\mathrm{\α}=\frac{R}{2L},$ $C=\frac{C_p{C}_{\mathrm{com}}}{C_p+C_{\mathrm{com}}},$ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}},$ 则上式可以写作：

$\frac{d^2{i}_L}{d{t}^2}+2\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_0^2\·i_L=0---\left(2\right)$

R是限流电感L_com的内阻，通常都很小(品质因数在30以上)，可以认为α＜＜ω₀(或 $\frac{R}{2L}<<\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$ )，所以系统处于欠阻尼状态。在闭合瞬间，C_p上的电压为U_p，C_com上的电压为U_com，ΔU＝U_p-U_com， ${\mathrm{\&omega;}}_d=\sqrt{{\mathrm{\&omega;}}_0^2-{\mathrm{\&alpha;}}^2}\&ap;{\mathrm{\&omega;}}_0,$ 则

α＜＜ω₀，故有 ${\mathrm{tg}}^{-1}\frac{{\mathrm{\&omega;}}_d}{\mathrm{\&alpha;}}\&ap;{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{\mathrm{\&alpha;}}\&ap;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ 即电流和电压的相位相差约为90度。取ΔU＝50V，在T₁和T₃断开，T₂和T₄闭合(0.05s时动作)的情况下，可以得到电容电压和电感电流的波形如图4所示，本发明的一个实施例中各仿真各参数如下：

U_s＝220V，C_s＝C_com＝C_p＝5000uF，C₁＝30uF，L₁＝0.7mH，L₂＝6mH，R₂＝0.3Ohm，f＝10kHz，限流电感L_com＝1mH，限流电感内阻R＝0.2Ohm，直流单元电子开关的开关频率f_DC＝100Hz，负荷为不控全桥整流负荷。

在谐振过程中，电感电流在过零点时(图5中的t_A时刻)，电容C_p与C_com之间相差的能量ΔE除了在内阻R上的损耗外都传递给了C_com。因此可以设想在t_A时断开T₂和T₄，闭合T₁和T₃，如果此时C_s的电压小于C_com的电压，则C_com和C_s降重复上面C_p与C_com之间的谐振过程，在谐振电流的过零点再次闭合T₂和T₄，断开T₁和T₃，则C_s将获得由C_com传递过来的能量。重复上述过程即可实现能量从C_p到C_s的传送。

由对称性可知，上述控制方法也可以实现能量从C_s到C_p的传送，从而实现串联单元和并联单元之间的能量双向流动。

在整个过程中电容之间的充放电电流始终通过电感得到限制。因此限流电感L取值在一定程度上决定了直流单元的运行特性。

根据(3)式可得在上文提到的电感电流过零控制的方法下可得充放电电流的峰值和电子开关的动作频率分别为：

所以在直流侧三组电容容抗值一定的情况下，影响限流电感的大小L的因素有如下两个：

三个电容充放电电流的大小。由(4-1)式可知在C不变的情况下，L越大则电流越小，ΔU越大则电流越大；

LC谐振频率(充放电频率)f_DC的影响。电容充(放)电的时间为： $t_{\mathrm{cha}}=\frac{1}{{2f}_{\mathrm{DC}}}\&ap;\frac{1}{4\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}},$ 因此L越大，谐振频率越小，电容充(放)电时间则越长，从而电容上的电压波动ΔU也就越大；

综合考虑以上因素，取C_p＝C_com＝C_s＝5000uF，L＝1mH，则有C＝2500uF，f_DC＝100Hz，电容间的充放电电流I_L＜100A。

Claims (2)

1、一种采用直流储能模块进行电气隔离的统一电能质量调节器，其特征在于该调节器包括：

(1)用于对电力系统进行电流补偿的电流补偿器，包括一个由四个开关管组成的第一逆变桥，用于将从系统获取的交流电形式的电能通过脉宽调制转换成直流电形式的电能，并将该电能从第一逆变桥的直流侧输出，用以给直流储能模块充电，并向系统输出无功及谐波电流，以及一个由电感组成的滤波器，用于滤除输出电流中的高频谐波成分；

(2)用于存储上述直流电形式电能的直流储能模块，直流储能模块并联在电压补偿器和电流补偿器的直流侧，由第一、第二、第三、第四电子开关以及电压补偿用储能电容、电流补偿用储能电容、公用储能电容和限流电感组成，其中，公用储能电容和限流电感串联后通过第一电子开关和第三电子开关与电压补偿用储能电容并联，第一电子开关连接在电压补偿用储能电容和公用储能电容的正极之间，第三电子开关连接在电压补偿用储能电容和公用储能电容的负极之间，公用储能电容和限流电感串联后通过第二电子开关和第四电子开关与电流补偿用储能电容并联，第二电子开关连接在公用储能电容和电流补偿用储能电容的正极之间，第四电子开关连接在公用储能电容和电流补偿用储能电容的负极之间；

(3)用于对电力系统进行电压补偿的电压补偿器，包括一个由四个开关管组成的第二逆变桥，用于从直流储能模块获取直流电形式的电能，并通过脉宽调制将其转换成交流电形式的电能后从第二逆变桥的交流输出侧输出，以及一个由电容与电感组成的滤波器，用于滤除输出电压中的高频谐波成分。

2、如权利要求1所述的调节器，其特征在于其中组成第一、第二逆变器的开关管为绝缘栅双极性晶闸管、门极关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。

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