CN207677450U - 一种基于statcom-ess的光伏低电压穿越装置 - Google Patents

一种基于statcom-ess的光伏低电压穿越装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于STATCOM‑ESS的光伏低电压穿越装置。光伏阵列通过DC/AC光伏并网逆变器向电网供电。光伏低电压穿越装置加装在逆变器交流侧并与负载相连接，装置含静止同步补偿器STATCOM和储能系统ESS。STATCOM由逆变器和电容组成，通过电感L并联到电网，储能系统ESS由DAB双向直流变换器和超级电容SC组成，两者间通过DAB双向直流变换器连接，DAB双向直流变换器的前级连接STATCOM直流侧电容C，后级并联储能系统ESS的超级电容SC。本新型利用STATCOM进行无功补偿，迅速抬升并网点电压；利用ESS吸收多余的有功功率，缓解逆变器输出电流的压力并在故障清除后将能量返送电网。超级电容容量大功率密度高、能量转换效率高、大电流充放电能力强、循环使用寿命长、对环境无污染。

Description

一种基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置
技术领域
本发明属于太阳能发电范畴，涉及电网光伏并网系统，具体是一种基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置。
背景技术
低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)指在光伏并网系统电网侧发生电压暂降时，逆变器直流侧能够保持与交流侧电网的连接，支撑到电网故障恢复，从而穿越电压跌落时间，以避免引起电网故障扩大化，提高供电可靠性。现有技术中，采用静止同步补偿器STATCOM来提高光伏并网系统的低压穿越能力能够已经得到较为广泛的应用。在逆变器交流侧加装静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)可以在电压跌落时进行无功补偿，在光伏并网系统并网电压跌落时，保证光伏发电系统不脱网地连续运行。然而目前采用静止同步补偿器STATCOM解决低电压穿越质量还有待提高，有时还不能实现顺利穿越。同时，采用静止同步补偿器STATCOM解决低电压穿越时均忽视了对有功功率的控制。因此，在电压跌落时期，光伏发电系统冗余的有功功率导致输出电流激增，在给电气设备耐受能力带来压力的同时，电能还不能够得到充分利用。
中国专利CN201610361614.1《一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统》，公开了一种光伏并网逆变器低电压穿越控制系统。解决了在采用无功注入低电压穿越时子模块电容电压波动会造成不能顺利穿越、一些逆变器不能很好的实现低电压穿越的问题，对系统质量有提高。但是，仍然没有解决在电压跌落时期，光伏发电系统冗余的有功功率所导致的输出电流激增问题和有功功率储存问题。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种实现光伏并网系统的低电压穿越，增强系统的有功和无功控制能力，提高电能利用效率、供电可靠性的装置。基本思路是采用储能系统(EnergyStorage System，ESS)结合静止同步补偿器STATCOM的功率控制装置，在电网侧发生电压暂降时，利用静止同步补偿器STATCOM满足无功补偿的需求，利用储能系统ESS吸收储存多余的有功功率，待清除故障后，这部分能量又返送到电网中。最终达到同时有效调节系统有功和无功的目的，实现低电压穿越，提高电能利用效率。
本实用新型的目的是这样达到的：
光伏阵列通过DC/AC光伏并网逆变器向电网供电，光伏低电压穿越装置加装在逆变器交流侧并与负载相连接。
光伏低电压穿越装置包括静止同步补偿器STATCOM和储能系统ESS。静止同步补偿器STATCOM由6个开关管Q构成的逆变器和直流侧电容C组成，通过电感L并联到电网；储能系统ESS由DAB双向直流变换器和超级电容SC组成，超级电容SC作为储能装置。
静止同步补偿器STATCOM和储能系统装置ESS之间通过DAB双向直流变换器连接；DAB双向直流变换器的前级连接STATCOM直流侧电容C，后级并联储能系统ESS的超级电容SC。
所述静止同步补偿器STATCOM的逆变器由6个开关管Q构成，静止同步补偿器STATCOM在其电网侧的电压及电流在abc坐标系下分布为Uabc和Iabc，电容C两端的电压为Vdc。
所述DAB双向直流变换器主电路由左右两个桥式直流变换器和隔离变压器T构成，隔离变压器T的变比为n：1，隔离变压器T的输入端设有电感L，L为漏感和外接电感之和。
所述DC/AC光伏并网逆变器由6个相同的开关管Q组成；逆变器直流侧接入光伏阵列，输入直流电压VPV；交流侧通过电感L与电网的abc三相接连，电网交流电压为Vabc，电流为Iabc。
所述储能系统ESS采用超级电容SC作为储能装置，其超级电容由活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构；超级电容包括一个正极，一个负极及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个电层。
所述DAB双向直流变换器主电路的左右两个桥式直流变换器，左侧桥式变换器的开关管为Q1、Q2、Q3和Q4，右侧桥式变换器的开关管为Q5、Q6、Q7和Q8，左侧的开关管Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通，各导通180°电角，同一桥臂的开关管间有死区时间以防直通；右侧的开关管Q5、Q8和Q6、Q7的导通规律、开关频率和左侧相同。
本实用新型的积极效果是：
1、本新型采用基于STATCOM-ESS的低电压穿越装置，在光伏并网系统电网侧发生电压暂降时，同时有效调节系统的有功和无功功率。利用静止同步补偿器STATCOM向系统提供充足的无功功率，满足无功补偿的需求，支撑电网电压；利用储能系统ESS吸收多余的有功功率，减缓逆变器输出电流压力。不仅能够连续、准确补偿无功功率，顺利实现低电压的穿越，还有效解决了低电压穿越时光伏发电系统冗余的有功功率控制，解决了输出电流激增给电气设备耐受能力带来的压力问题和有功功率储存问题，待故障清除后，这部分能量又返送到电网中，实现能源的高效利用。
2、基于STATCOM-ESS的低电压穿越装置结构简单可靠，使用方便灵活，适用性强，可广泛应用于现有的光伏并网系统中。
3、储能系统ESS由超级电容SC作为储能装置。超级电容利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构使得其容量较之传统电容有了巨大的提升。超级电容具有容量大、功率密度高、大电流充放电能力强、能量转换效率高、循环使用寿命长和对环境无污染等优点。因而在光伏低电压穿越的暂态过程中，利用超级电容来吸收短时较大的不平衡功率具有其他储能装置不具备的优势。
4、静止同步补偿器STATCOM和储能系统装置ESS之间通过DAB双向直流变换器连接，提高系统的质量。
附图说明
图1是本新型的基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置结构方框图。
图2是DC/AC光伏并网逆变器结构示意图。
图3是静止同步补偿器STATCOMSTATCOM结构图。
图4是储能系统ESS中的超级电容结构图。
图5是储能系统ESS结构图。
图6(a)是在发生光伏低电压穿越时未加装STATCOM/ESS装置的效果图。
图6(b)是在发生光伏低电压穿越时加装STATCOM/ESS装置的效果图。
图中，1为光伏阵列，2为直流/交流(DC/AC)光伏并网逆变器，3为电网，4为功率负载，5为静止同步补偿器STATCOM，6为储能系统ESS，7为超级电容正极板，8为超级电容负极板，9为超级电容的两电极板之间的隔膜，10为电解液，11为DAB双向直流变化器。
具体实施方式
本新型基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置在电网侧发生电压暂降时，STATCOM-ESS一方面快速、精准、灵活地进行无功补偿，支撑并网点电压，减小逆变器输出电流压力，另一方面吸收储存冗余的有功功率，待故障清除之后，通过DAB双向直流变换器完成功率返送电网。使用DAB双向直流变换器，可以应用于电压等级较高的电网中。与传统的STATCOM相比，采用STATCOM-ESS装置保留了能够连续、准确补偿无功功率的优点，同时还具备吸收储存有功功率的功能，实现能源的高效利用。
参见附图。
光伏阵列1通过DC/AC光伏并网逆变器2向电网3供电，DC/AC光伏并网逆变器由6个相同的开关管Q组成；逆变器直流侧接入光伏阵列，输入直流电压VPV；交流测通过电感L与电网的abc三相接连，电网交流电压为Vabc，电流为Iabc。光伏低电压穿越装置加装在逆变器交流侧并与负载相连接。
光伏低电压穿越装置由静止同步补偿器STATCOM 5和储能系统ESS 6组成。静止同步补偿器STATCOM 5由6个开关管Q构成的逆变器和电容组成，通过电感L并联到电网。电网侧的电压及电流在abc坐标系下为Uabc和Iabc，电容C两端的电压为Vdc。
储能系统ESS 6由DAB双向直流变换器11和超级电容SC组成，超级电容SC作为储能装置。静止同步补偿器STATCOM和储能系统装置ESS之间通过DAB双向直流变换器11连接。DAB双向直流变换器的前级连接STATCOM直流侧电容C，后级并联储能系统ESS的超级电容SC。
DAB双向直流变换器11主电路由左右两个桥式直流变换器和隔离变压器T构成，隔离变压器T的变比为n：1，隔离变压器T的输入端设有电感L，L为漏感和外接电感之和。
DAB双向直流变换器11主电路由左右两个桥式直流变换器和隔离变压器T构成，左侧桥式变换器的开关管为Q1、Q2、Q3和Q4，右侧桥式变换器的开关管为Q5、Q6、Q7和Q8，左侧的开关管Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通，右侧的开关管Q5、Q8和Q6、Q7轮流导通，隔离变压器T的变比为n：1，隔离变压器T的输入端设有电感L，L为漏感和外接电感之和；
储能系统ESS采用超级电容SC作为储能装置，其超级电容由活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构；超级电容包括一个正极7，一个负极8及这两个电极之间的隔膜9，电解液10填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个电层。
双向直流变换器DAB主电路中的左侧桥式变换器的开关管Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通，各导通180°电角，同一桥臂的开关管间有死区时间以防直通；右侧的开关管Q5、Q8和Q6、Q7的导通规律、开关频率和左侧相同；双向直流变换器DAB的前级连接STATCOM直流侧电容C，电容C两端电压为Vdc，后级并联用于储能的超级电容SC，超级电容端口电压为UC，电流为IC。
DC/AC光伏并网逆变器由6个相同的开关管Q组成；逆变器直流侧接入光伏阵列，输入直流电压VPV；交流测通过电感L与电网的abc三相接连，电网交流电压为Vabc，电流为Iab。
参见图6(a)、6(b)。
模拟仿真相同电压暂降条件下，加装STATCOM-ESS与否时并网点某一相的电流和电压对比图。从图中可明显表明，加装本基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置的优势明显。在光伏并网系统的电网侧发生电压暂降时，静止同步补偿器STATCOM能准确向系统提供充足的无功功率，支撑电网电压；储能系统ESS吸收多余的有功功率，减缓逆变器输出电流压力，完成光伏并网系统的低电压穿越。电网侧故障清除之后，储存在ESS中的电能还可以返送回电网，实现能源的高效利用。

Claims (3)

1.一种基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置，其特征在于：光伏阵列(1)通过DC/AC光伏并网逆变器(2)向电网(3)供电，光伏低电压穿越装置加装在逆变器(2)交流侧并与负载相连接；
光伏低电压穿越装置包括静止同步补偿器STATCOM(5)和储能系统ESS(6)；静止同步补偿器STATCOM(5)由6个开关管Q构成的逆变器和直流侧电容C组成，通过电感L并联到电网；储能系统ESS(6)由DAB双向直流变换器(11)和超级电容SC组成，超级电容SC作为储能装置；
静止同步补偿器STATCOM和储能系统装置ESS之间通过DAB双向直流变换器(11)连接；DAB双向直流变换器的前级连接STATCOM直流侧电容C，电容C两端电压为Vdc，后级并联储能系统ESS的超级电容SC，超级电容端口电压为UC，电流为IC；
所述静止同步补偿器STATCOM的逆变器由6个开关管Q构成，静止同步补偿器STATCOM在其电网侧的电压及电流在abc坐标系下分布为Uabc和Iabc，电容C两端的电压为Vdc；
所述DAB双向直流变换器(11)主电路由左右两个桥式直流变换器和隔离变压器T构成隔离变压器T的变比为n：1，隔离变压器T的输入端设有电感L，L为漏感和外接电感之和；
所述DC/AC光伏并网逆变器由6个相同的开关管Q组成；逆变器直流侧接入光伏阵列，输入直流电压VPV；交流侧通过电感L与电网的abc三相接连，电网交流电压为Vabc，电流为Iabc。
2.如权利要求1所述的基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置，其特征在于：所述储能系统ESS采用超级电容SC作为储能装置，其超级电容由活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构；超级电容包括一个正极(7)，一个负极(8)及这两个电极之间的隔膜(9)，电解液(10)填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个电层。
3.如权利要求1所述的基于STATCOM-ESS的光伏低电压穿越装置，其特征在于：所述双向直流变换器DAB主电路的左右两个桥式直流变换器，左侧桥式变换器的开关管为Q1、Q2、Q3和Q4，右侧桥式变换器的开关管为Q5、Q6、Q7和Q8，左侧的开关管Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通，各导通180°电角，同一桥臂的开关管间有死区时间以防直通；右侧的开关管Q5、Q8和Q6、Q7的导通规律、开关频率和左侧相同。
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