CN204905880U - 一种基于低压的有功和无功调节的电能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种同时具有有功功率调节和无功功率调节功能的电能装置。该装置采用多个三相全桥逆变单元通过电抗器并联方式接入电网以便增大系统输出容量；利用每个功率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、或对并网处电压的低电压、三相不平衡等现象进行补偿；利用每个逆变单元直流母线上的BBU单元对装置输出或储存的稳态有功功率进行调节。该装置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，并且占地面积小，维护简单，具有比较全面的功能和突出的性价比。

Description

一种基于低压的有功和无功调节的电能装置

技术领域

本实用新型属于多功能电力电子装置的控制技术领域，特别涉及一种用于三相电系统、同时具有有功功率调节和无功功率调节功能的电能装置。

背景技术

石化能源的瓶颈制约和生态环境恶化使得风力发电作为一种清洁能源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。随着并入电网的风机容量不断增大，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。因此对于风力发电系统，需要有能够进行有功功率调节、抑制电能波动的电力装置。

另外，目前并网发电的大型风力发电机组通常采用异步发电机，而异步发电机在向电网输送有功功率的同时，还会从电网吸收滞后的无功功率，因此整个风电场增加了对电网无功的需求，导致电网电压的稳定性降低。此外，在电网发生大扰动或故障时，一般还需要风力发电场具有动态无功功率支撑能力，即向电网输出无功功率，从而稳定电网电压和频率。因此对于风力发电系统来说，还需要有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，为了提高电能质量，增强电网的稳定性和可靠性。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如SVC、SVG等无功补偿装置来实现。其中投切电容器组（TSC）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SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静止同步补偿器）等，由于采用了GTO、IGBT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。但这类系统通常大部分需要隔离变压器，结构复杂，占地大，价格高昂。

实用新型内容

针对当前风力发电系统对电能波动调节和无功调节的需求，本实用新型的目的是提出一种同时具有有功功率波动调节和无功功率调节功能的电能装置。该装置采用多个三相全桥逆变单元经电抗器并连接入电网，利用每个逆变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BBU（Batterybankunit）对缓慢变化的有功功率进行调节。该装置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，相较于目前风力发电系统中所使用的储能装置或无功补偿装置具有更加全面的功能和十分突出的性价比优势。

为解决上述技术问题，本实用新型技术方案如下：

一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，所述电能装置包括n个三相全桥逆变单元、n个电抗器、n个断路器、n个自动开关及n个BBU单元；n个三相全桥逆变单元并联接入电网；每个三相全桥逆变单元依次经过一个电抗器、一个电路器接入电网；每个三相全桥逆变单元的直流母线上并联m个电容器；每个三相全桥逆变单元的直流母线上通过一个自动开关并联接入1个BBU单元；n≥1，m≥1；n、m均为整数；所述逆变单元的直流母线上并联m个电容器用于无功功率调节以及吸收瞬时变化的有功功率，电容器的具体数量根据系统的容量进行配置；BBU单元通过自动开关(K1、K2……Kn)接入直流母线，以便于BBU单元的维护。

进一步的，每个三相全桥逆变单元由IGCT或IGBT大功率全控器件构成。

进一步的，每个BBU单元包括一个电池组和一个双向DC/DC变换器，所述电池组与所述双向DC/DC变换器相连，根据需求和电池组的状态对电池组的充放电进行控制。

进一步的，所述电能装置依次通过总断路器及隔离开关接入电网。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统通过输出控制信号驱动所述三相全桥逆变单元工作，实现系统的既有功能。

进一步的，还包括电池管理系统，所述电池管理系统和每一个BBU单元相连，用于对BBU单元中的电池组进行监视和控制。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1）本实用新型提出的装置同时具有有功波动和无功调节、以及三相电压不平衡补偿等功能，一机多用，相比于单独的储能装置或无功补偿装置来说，功能更为全面，性价比优势十分明显。

2）本实用新型提出的装置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，比起现有的SVC等装置来说，结构简单，占地小。

3）本实用新型提出的电能装置在对风力发电电能波动的调节中，相较于已有的储能装置来说，由于利用了直流母线上大电容的充放电能力从而对快动态过程具有更佳的调节性能。

4）本实用新型提出的电能装置中，储能单元BBU易于更换，这对相较于系统其他部件寿命较短的电池组而言，维护更加容易安全。

5）本实用新型采用多个三相全桥逆变单元通过电抗器并联方式接入电网可以增大系统输出容量，以满足系统大容量的需求。

附图说明

图1为本实用新型所提出的电能装置的系统结构。

图2为本实用新型中涉及的BBU单元的详细结构。

图3为本实用新型有功功率和无功功率的控制框图。

图4为本实用新型的四个基本工作状况原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置进一步描述。

如图1所示，本实用新型提出一种用于有功波动调节和无功调节的电能装置，所述装置由大功率全控器件IGBT构成多个三相全桥逆变单元，每个逆变单元通过一个电抗器并联接入电网。每个逆变单元的直流母线上并联两个大容量电解电容，每个逆变单元的直流母线通过一个自动开关接入一个BBU单元。BBU单元的结构如图2所示，用一个双向DC/DC变换器对储能电池组进行充放电控制。

对于三相全桥逆变单元采用SPWM调制方法（SinusoidalPWM），保证输出电压的谐波满足国家相关标准。控制系统依据瞬时无功理论分别对有功功率和无功功率进行控制，并输出相关信号驱动三相全桥逆变单元工作。当电网发生低压、三相不平衡、以及电网需要输入无功功率时，系统根据需要发出连续可调的感性无功或容性无功，动态地补偿电网无功功率，稳定电网电压。在风电场输出有功功率时，装置对其输出的有功波动进行调节：若风电场发出的电能功率大于电网所需功率，就控制有功功率流向装置进行储能，反之，则控制有功由装置送向电网。其中对于有功功率中快速波动的部分，装置利用直流母线大电容器的充放电来进行调节，因此在此过程中允许直流母线电压在一定范围内波动，而对于缓慢变化的部分则由BBU单元来进行调节。

电池管理系统BMS（Batterymanagesystem）直接和每一个BBU相连，用于对BBU中的电池组中的进行监视和控制，从而保证电池组安全高效的工作，特别是要判断每个BBU电池组的充电状态SOC（State-of-charge），并据此解决各个BBU电池组的SOC平衡问题。BMS对电池组的充放电控制通过双向DC/DC变换器来实现。在电池组的充放电过程中，系统根据逆变单元直流母线电压的变化实时调整DC/DC变换器输出脉冲的占空比，使得电池组能够按照预先设定的充放电特性曲线对电能进行充放。在电池组需要更换或维护时，系统控制DC/DC变换器的输出电流为零，断开自动开关，从而保证维护过程的安全方便。

本实用新型的电能装置对于有功和无功控制方法如图3所示，通过以电网电压定向的同步旋转变换分别得到电网电压和负载电流在d轴和q轴的分量、、以及。由于是以电网电压定向，所以且有功功率和无功功率分别等于

，

因此、分别为负载电流中的有功分量和无功分量，只要对、进行闭环控制就能够分别实现对有功功率和无功功率的控制。

系统对和的控制则通过调节装置的输出电压来实现，图4所示为电能装置运行的四个基本工作状态。令，控制装置的输出电压与电网电压同相时可以实现对无功的控制。如图4(a)，若使的电压大于，则负载电流领先电网电压90度，装置发出容性无功功率；反之如图4(b)，若的电压小于，则负载电流落后电网电压90度，装置发出感性无功功率。令，而如果控制输出电压与电网电压的差相量与垂直，则可以实现对有功功率的控制。如图4(c)，若控制领先90度，则负载电流与电网电压同相，有功流向装置进行储能；反之如图4(d)，若控制落后90度，则负载电流与电网电压反相，有功由装置送向电网。基于上述的四个基本工作状态，装置可以通过调节输出电压的大小及相位实现对有功和无功的连续调节。

在上述的有功和无功控制过程中，装置均采用SPWM的调制方法控制三相桥式逆变单元发出矩形波来构成所需的输出电压。不同之处在于，在进行无功补偿时系统控制直流母线电压恒定，而在进行有功波动调节时系统允许直流母线电压在一定范围内波动。这是因为：1）相较于其他系统部件来说，作为有功调节的主要储能单元BBU寿命较短且主要受限于充放电次数，因此要避免频繁的充放电操作；2）BBU对电能的充放速度是有限的，无法对系统中快速变化的瞬时有功功率进行有效调节。因此在有功波动调节中对于快速变化的部分装置利用直流母线上的大电容器的充放电来实现。例如当风电场发出的电能突然增大时，装置控制母线上的大电容充电以吸收能量，同时直流母线电压升高，而BBU则通过双向DC/DC变换器的控制使得电池组依然按照既定的充电曲线进行充电，反之同理。需要注意的是，在调节动态有功的过程中直流母线电压的波动范围是有限的，需要根据系统配置以及电容型号选择母线电压合理的上下限。这种有功调节方法将电容的高功率密度特性与电池的高能量密度特性有机的结合在一起，能够极大提高对于快速动态过程的调节特性。在上述的BBS充放电过程中，系统中的电池管理系统BMS对每个BBU的SOC进行实时监控，并依据SOC平衡的原则配合系统有功调节指令向双向DC/DC变换器发出指令信号，对BBU的充放电进行控制。

在装置中BBU单元到达使用寿命或者发生故障需要更换时，大电容器的存在使得维护过程能够在装置在线的条件下完成。首先通过BBU单元中的双向DC/DC变换器控制电池组释放能量，将电压降至安全范围内，然后控制双向DC/DC变换器的输出电流为零，断开自动开关使BBU与母线脱离，从而确保了更换维护过程的安全方便。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本实用新型，而不是用来限制本实用新型的。本领域技术人员均可以利用本实用新型的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本实用新型的思想和要点，仍然在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：所述电能装置包括n个三相全桥逆变单元、n个电抗器、n个断路器、n个自动开关及n个BBU单元；n个三相全桥逆变单元并联接入电网；每个三相全桥逆变单元依次经过一个电抗器、一个断路器接入电网；每个三相全桥逆变单元的直流母线上并联m个电容器；每个三相全桥逆变单元的直流母线上通过一个自动开关并联接入一个BBU单元；n≥1，m≥1；n、m均为整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：每个三相全桥逆变单元由IGCT或IGBT大功率全控器件构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：每个BBU单元包括一个电池组和一个双向DC/DC变换器，所述电池组与所述双向DC/DC变换器相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：所述电能装置依次通过总断路器及隔离开关接入电网。

5.根据权利要求1所述的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统通过输出控制信号驱动所述三相全桥逆变单元工作。

6.根据权利要求1所述的一种基于低压的有功和无功调节的电能装置，其特征在于：还包括电池管理系统，所述电池管理系统和每一个BBU单元相连，用于对BBU单元中的电池组的进行监视和控制。