CN203504198U - 一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置 - Google Patents

Abstract

一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，它涉及电力电子技术领域，三相级联单元之间呈星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组、n个自动开关和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；它采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现中压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，利用每个单元直流母线上的电池组单元对缓慢变化的有功功率进行调节；并且无需并网变压器、占地面积小、维护简单。

Description

一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置

技术领域：

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置。

背景技术：

作为一种清洁能源，风力发电近年来得到了迅猛发展。由于自然界中风能是变化的，因此风力发电系统所发出的有功功率亦是波动的。随着并入电网的风电场容量的不断增大，这个波动将会引起严重的电能质量问题并危害到电网的稳定运行。因此，风力发电系统中需要装入有能够进行有功功率调节、抑制电能波动的电力装置。

另外，在电网发生扰动或故障时，一般还需要风力发电场对电网具有足够的动态无功功率支撑能力，即向电网发送无功功率，从而稳定电网电压和频率。因此，风力发电场自身还需要装备能够进行无功功率调节、稳定电网电压的电力装置。

目前在风力发电系统的实际应用中，一般使用电能储存装置对有功功率进行调节，例如当风机发出的有功功率大于电网所需功率时就将多余的有功存储在电池、超级电容等储能元件中；当发出的有功功率小于电网所需功率时则将储能元件中的能量送入电网。对于无功功率的调节，现在则大多采用并联的补偿电容器组或静止无功补偿器、静止无功发生器等无功补偿装置来实现。其中投切电容器组虽然在一定程度上可以实现无功补偿，但因其调节不平滑、响应速度慢并且补偿容量受装置自身容量的限制，在实际中的补偿效果并不好。而基于电力电子逆变技术的动态无功补偿装置，如静止无功补偿器、静止无功发生器等，由于采用了门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管等大功率全控器件，不仅可以吸收还可以向电网发送无功，能够更加快速有效地实现对无功功率的调节。但这类系统没有对风电场输出的有功功率的波动进行抑制的功能。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，它采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现中压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，利用每个单元直流母线上的电池组单元对缓慢变化的有功功率进行调节；将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力，运行中无谐波输出，并且无需并网变压器、占地面积小、维护简单。

为了解决背景技术所存在的问题，本实用新型是采用如下技术方案：它包含U相级联单元1、V相级联单元2和W相级联单元3，三相级联单元之间呈星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组C、n个自动开关K和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器L相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组C相并联；所述的电池组单元通过自动开关K与所述的大电容器组C相连。

所述的全桥逆变单元由四个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接。

所述的电池组单元由一个电池组和一个双向DC/DC变换器组成，电池组与双向DC/DC变换器相连。

本实用新型有如下优点：

一、具有有功波动调节、无功调节以及三相电压不平衡补偿等功能，一机多用，与已有的储能装置或无功补偿装置相比，功能更为全面，性价比优势十分明显。

二、能够完全替代现有的动态无功补偿装置实现对电网的无功补偿功能，但是比起现有的静止补偿器等装置来说，省去了复杂笨重的并网变压器，结构简单，占地面积小。

三、在对风力发电电能波动的调节中，与已有的储能装置相比，由于利用了直流母线上大电容的充放电能力，从而对快速波动的输入电能具有更好的调节作用。

四、每个单元直流母线上的电池组单元可以在线切出或投入，这对于定期维护或更换每个单元直流母线上的电池组单元中的电池组而言，操作容易而且安全。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中电池组单元的结构示意图；

图3a为实施例中装置需要吸收的有效功率的示意图；

图3b为实施例中电容器实际吸收的有效功率的示意图；

图3c为实施例中电池组实际吸收的有效功率的示意图；

图3d为实施例中时间轴放大后电池组吸收的有功功率的示意图；

图3e为实施例中电容器上的电压值的示意图；

图4a为实施例中电网电压与电流波形的示意图；

图4b为实施例中装置发出的无功功率的示意图；

图4c为实施例中线路和装置等自身的损耗的示意图；

图4d为实施例中装置向电网吸收了部分有功功率的示意图。

具体实施方式：

参看图1-2，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含U相级联单元1、V相级联单元2和W相级联单元3，三相级联单元之间呈星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组C、n个自动开关K和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器L相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组C相并联；所述的电池组单元通过自动开关K与所述的大电容器组C相连。

所述的全桥逆变单元由四个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接。

所述的电池组单元由一个电池组和一个双向DC/DC变换器组成，电池组与双向DC/DC变换器相连。

一台三相电抗器分别用于：(1)、根据电能装置接入点的电压与级联单元产生的电压在其上的电压降来产生调节电流；(2)、滤除来自级联单元电流的高次谐波。电抗器的一端分别与相应的级联单元相连，电抗器的另一端分别与断路器相连。

一台三相断路器用于在电能装置发生故障或维修时使三相级联单元与电网切断，断路器的一端分别与相应的电抗器相连，断路器的另一端分别与相应的隔离开关相连。

一台三相隔离开关用于在断路器断开时保证三相级联单元与电网完全切断，隔离开关的一端分别与相应的断路器相连，隔离开关的另一端分别与电网的三相连接。

实施例：

如图1所示中，级联数N=3，为了实验方便，电网与本装置的各项参数如下所示：

在MATLAB仿真环境下，按照所述工作原理和工作工程得到的仿真结果如下：

1、有功控制时，由于风电场输出功率是波动的，且频率是变化的，而向电网输出功率是平滑的，因此电能装置需要吸收和释放的有功功率亦是波动的，如图3a所示；而电池组按照既定的最佳电流曲线充电，因此吸收的功率是平滑的，如图3c所示；图3d所示是时间轴放大后电池组吸收的有功功率；瞬时波动的有功功率或者短时间的有功功率由电容器组吸收，如图3b所示；图3e表示的是由于电容器组吸收有功功率，各个单元的直流侧电容电压都要上升，但由于各个电容值不一致，因此各个电容器上的电压值有一定的差别。

2、无功控制时，当无功指令q*＜0，装置发出感性无功功率，电网电压超前电流90度电角度。当无功指令q*＞0，装置发出容性无功功率，电网电压滞后电流90度电角度，电网电压与电流波形如图4a所示，装置发出的无功功率如图4b所示。当未做稳压控制时，由于线路和装置等自身的损耗，使得直流侧电容电压有所下降，如图4c所示。当采用稳压控制时，由于装置向电网吸收了部分有功功率，使得直流侧电容电压保持不变，如图4d所示。

从以上仿真结果可以看出，本实施例在有功和无功控制时具有良好的动态性能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，其特征在于它包含U相级联单元(1)、V相级联单元(2)和W相级联单元(3)，三相级联单元之间呈星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组(C)、n个自动开关(K)和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器(L)相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组(C)相并联；所述的电池组单元通过自动开关(K)与所述的大电容器组(C)相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，其特征在于所述的电池组单元由一个电池组和一个双向DC/DC变换器组成，电池组与双向DC/DC变换器相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，其特征在于所述的全桥逆变单元由四个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接。

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