CN101950974A - 基于超级电容器储能的电能质量调节*** - Google Patents

Abstract

一种基于超级电容器储能的电能质量调节***，属于电能质量调节技术领域。其特征在于：***由三相电压型PWM整流器3、双向DC/DC变换器4、超级电容器5组成，***并联接入电网***1；正常运行时，三相电压型PWM整流器3稳定直流侧电压，同时实现无功、谐波补偿，超级电容5经双向DC/DC变换器4控制充电；电网***1发生短路故障时，超级电容器5经双向DC/DC变换器4控制输出稳定直流电压，三相电压型PWM整流器3发出无功功率以支撑电网***1电压，改善电压质量。本发明的效果和益处是：该***兼具有无功、谐波补偿及低电压穿越能力，减少了设备冗余；超级电容器5具有较长的使用寿命，降低了运行成本；***可对超级电容器5充电，节省了额外的充电装置。

Description

基于超级电容器储能的电能质量调节***

技术领域

本发明属于电能质量调节技术领域。涉及到一种加入超级电容器的新型电能质量调节***通过并联方式接入电网***，对电网***的电能质量进行调节，特别涉及该***中的三相电压型PWM整流器及BUCK-BOOST型双向DC/DC变换器在电网***正常运行、电网***故障运行时的控制设计。

背景技术

随着国民经济和科学技术的迅猛发展，各种电力电子设备得到广泛应用，必然使得各行各业对电能的需求量不断增长，电力部门和用户对电能质量的关注也日益增加。

阻感负载在工业和生活用电中占有很大的比例，阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力***中的异步电动机、变压器、各种相控装置，如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时都要消耗大量的无功功率。同时，在电力***中，负载具有非线性特性时，电流就会含有谐波，波形就会发生畸变，而成为含有谐波的非正弦波。引起电力***谐波的主要谐波源有：电力变压器的非线性励磁；旋转电动机引起的谐波；电弧炉引起的波形畸变；电气化铁路引起的谐波；各电力电子装置产生的谐波。

电力***中无功功率的盈亏及谐波电流的存在给电力***带来的危害如下：会使电力设备和线路的损耗也随之增加；会使电网电压产生剧烈的波动，严重影响供电质量；谐波影响各种电气设备的正常工作，降低发电、输电及用电设备的效率；谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。近年来，随着可再生能源技术尤其是风力发电技术的不断发展，风电装机容量及发电量大幅度增加。风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但风电场输出功率具有不可控和不可预期性。当电力***中接纳的风电机组容量超过一定比例，风电输出的波动功率在电力***的无功功率、电网的谐波与闪变等电能质量方面给并网***带来一系列的技术难题。由此可见，传统的静止无功补偿器在现代电力***的安全、稳定运行方面具有越来越重要的意义。

并网风力发电机与其他的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间不能够维持电网的电压和频率，这对电力***的稳定性非常不利。当风电在电网中占有较大比重时，若风机在电压跌落时仍采取被动的保护式解列，则会增加整个***的故障恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致***其他机组全部解列。为此各国电网公司依据自身实际对风电场风电机组并网提出了严格的技术要求，其中包括低电压穿越能力，即指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。不同国家所提出的LVRT要求不尽相同。例如，美国风能协会制定的风电机组低电压穿越能力规定：电压跌落前，风电场并网点电压维持在额定水平；0s时电网发生短路故障引起电压跌落，风电场不低于额定电压的15％时，在625ms时间范围内风电场必须保持并网运行；另外当风电场并网点电压在电网故障3s恢复至额定电压的90％以上时，此过程中风电场必须保持并网运行。

传统并联式STATCOM依靠反馈控制维持其直流侧的电压稳定，同时实现交流侧无功功率的吞吐，在电力***正常运行时能够满足谐波及无功动态补偿的要求。当风电并网***发生短路故障时，电网电压的下降，实践表明此时电压环控制失效，导致STATCOM无法发出大量无功功率以支撑电网电压。若要保证STATCOM在电网发生故障时正常工作，必须给其提供稳定的直流侧电压，这可以通过额外增加一套与电网电压无关的电源装置来在电网发生故障时维持其直流侧电压稳定，但会造成设备的冗余与闲置。

为解决上述问题，本发明将传统STATCOM装置的直流侧加入超级电容器及其控制***。通过控制方式的切换，使得本***能够满足电网正常运行和故障运行时对无功功率的不同需求，改善电能质量，在提高电网运行安全稳定性的同时，有效降低了投资成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统STATCOM的不足，设计一种加入储能装置的电能质量调节***，使其在电网正常运行时，能够满足谐波、无功补偿需求的同时，还可在电网出现短路故障时，快速发出大量无功功率，对电网电压进行有效支撑，改善电压质量，增强电网***运行的安全稳定性。电网故障运行时，该***需能够不借助外部电源满足电网***的无功需求；电网正常运行时，该***需能够对超级电容器进行容量的补充，省去额外的充电装置。

本发明的技术方案是：一种基于超级电容器储能的电能质量调节***，其特征在于：该***由超级电容器5、双向DC/DC变换器4、三相电压型PWM整流器3组成，***经并联方式接入电网***1中。当电网***1正常运行时，该***一方面经由双向DC/DC变换器4对超级电容器5充电，另一方面实时进行电网***1的无功及谐波补偿；当电网***1发生短路故障时，超级电容器5经由双向DC/DC变换器4放电提供稳定直流输出电压，三相电压型PWM整流器3工作于逆变状态，向电网***1发出大量无功功率，支撑电网电压。

该电能质量调节***的特征在于：超级电容器5接于双向DC/DC变换器4的低压侧，双向DC/DC变换器4的高压侧与三相电压型PWM整流器3的直流侧接在一起，三相电压型PWM整流器3的交流侧以并联方式接入电网***1中。为便于能量的双向流动，本***中，并联于电网***1的无功发生装置采用了三相电压型PWM整流器3，该整流器在DQ旋转坐标系下可以并行实现有功功率(直流侧电压)、无功功率的解耦控制。本***中的双向DC/DC变换器4可以灵活控制超级电容器5的能量“流入”、“流出”，特别是在电网发生短路故障时，通过双向DC/DC变换器4的控制可以有效稳定三相电压型PWM整流器3直流侧电压，以利于三相电压型PWM整流器3运行于逆变状态，向电网***1发出大量无功功率，实现风电并网***的低电压穿越。

当电网***1正常运行时，三相电压型PWM整流器3稳定其直流电压，超级电容器5经由双向DC/DC变换器4控制充电；当电网***1发生短路故障时，超级电容器5、DC/DC变换器4快速响应，提供稳定输出的直流电压，三相电压型PWM整流器3发出大量无功功率，以支撑电网电压。由于超级电容器5具有循环寿命长、故障率低，响应速度快的特点，大大降低了运行和维护成本。

本***的运行控制策略分析如下：

(1)电网***正常运行时

三相电压型PWM整流器在DQ旋转坐标下，可以并行实现有功功率和无功功率的解耦控制。当电网***正常运行时，三相电压型PWM整流器运行于整流状态，维持其直流侧电压的稳定，同时根据需求实时控制交流侧与电网***进行无功交换：当电网***的功率因数不满足要求时，可以控制三相电压型PWM整流器收发相应无功功率维持电网功率因数的恒定；当电网***的谐波电流不满足要求时，可以控制三相电压型PWM整流器发出相应的补偿电流，以抵消原有的谐波电流。由于三相电压型PWM整流器可以控制其直流侧电压的稳定，此时便可通过双向DC/DC变换器对超级电容器进行充电控制，一般采取先恒流再恒压的方式。当超级电容器充满后，可以采用控制双向DC/DC变换器低压侧电压恒定的方式来对超级电容器浮充。电网***正常运行时，要随时保持超级电容器处于充满状态，以应对电网突发短路故障时的响应需求。

(2)电网***发生短路故障时

电网***发生短路故障时，电网电压会出现骤降，导致三相电压型PWM整流器无法保持直流侧电压的恒定，之前的控制环路失效。此时，超级电容器放电，双向DC/DC变换器工作于维持高压侧电压恒定的恒压输出状态，也即维持了三相电压型PWM整流器直流侧电压的稳定。三相电压型PWM整流器转而运行于逆变状态，根据电网的实时电压情况，发出无功功率用以支撑PCC点电压，改善电压质量，最短维持625ms，实现低电压穿越。

本***中的超级电容器一般采用双电层电容器。在使用过程中，一般将多个单体超级电容器通过串并联组成超级电容器组，提高超级电容器的容量及耐压水平，使其性能满足实际使用需求。

本发明的效果和益处是：

(1)本电能质量调节***可以根据电网***的运行情况，与电网***进行无功功率交换，达到无功、谐波补偿的目的，综合改善电力***的电能质量。

(2)本电能质量调节***，在当电网***发生短路故障时，可以维持三相电压型PWM整流器直流侧电压的稳定，使其发出大量无功功率以支撑电网电压，改善电压质量，提高风电并网***的故障运行能力，增强其安全稳定性。

(3)本电能质量调节***中，直流侧的储能装置采用了超级电容器，同时配有相应的双向DC/DC变换器作为其充放电控制器。其中，双向DC/DC变换器除在电网故障时用于控制三相电压型PWM整流器的直流电压的稳定外，还可在电网正常运行时用于对超级电容器充电控制，补充超级电容器的能量。因此，超级电容器一经安装后，便会由***控制适时进行能量的充放，由于其能量最终都源于电网，因此无需额外的充电电源及装置。

(4)超级电容器由于具有功率密度大、功率响应速度快、循环寿命长的优点，因此可有效降低运行、维护成本。

(5)本电能质量调节***，将谐波补偿、无功补偿、低电压穿越的功能集于一身，在满足了电网***运行对电能质量调节***需求的同时，有效降低了设备的冗余与闲置。

附图说明

图1是基于超级电容器储能的电能质量调节***接入电网***结构图。

图中：1电网***；2负载；3三相电压型PWM整流器；4双向DC/DC变换器；5超级电容器。

图2是基于超级电容器储能的电能质量调节***在电网正常运行状态时三相电压型PWM整流器控制框图。

图3是基于超级电容器储能的电能质量调节***在电网故障状态时三相电压型PWM整流器控制框图。

图4是基于超级电容器储能的电能质量调节***中双向DC/DC变换器结构原理图。

图5是基于超级电容器储能的电能质量调节***中三相电压型PWM整流器结构原理图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明基于超级电容器储能的电能质量调节***通过并联方式接入电网***1中。***组成包括：三相电压型PWM整流器3、双向DC/DC变换器4、超级电容器5。超级电容器5接于双向DC/DC变换器4的低压侧，双向DC/DC变换器4的高压侧接于三相电压型PWM整流器3的直流侧，三相电压型PWM整流器3的交流侧以并联方式接入电网***1中。

电网***1正常运行时，三相电压型PWM整流器3运行于整流状态，根据其数学模型分析可知道，在dq旋转坐标系下(同步速旋转)，其有功功率与无功功率可以实现解耦的并行控制。其中，电压(有功功率)控制环用于控制直流侧电压的稳定，无功功率控制环用于根据电网***1无功、谐波补偿的需求发出相应的无功功率和补偿电流。在电网电压沿q轴定向时，电网电流的q轴分量代表有功分量，d轴分量代表无功分量。电网电流的q轴分量用于调节直流侧电压的稳定，其目标值通过直流侧电压实测值与直流侧电压的目标值做差后经PI环节得到。电网电流的d轴分量用于调节无功功率、谐波电流的发出，因而其目标值是根据无功、谐波补偿的需求，经由瞬时无功理论得出。在得到电流d、q轴分量的目标值后，变可采取三相电压型PWM整流器3的经典解耦控制算法得到控制信号，用该控制信号驱动三相电压型PWM整流器3的三个桥臂开关管便可以实现对直流侧电压及交流侧无功功率、谐波电流的精确控制，此时的三相电压型PWM整流器3的控制框图如图2所示。由于三相电压型PWM整流器3维持了直流侧电压的稳定，因此三相电压型PWM整流器3相对于双向DC/DC变换器4等同于恒压源，可以根据需求从电网***1中自动抽取有功功率。此时双向DC/DC变换器4通过加入PI环节的闭环控制可以精确控制低压侧电流、低压侧电压的大小，从而实现对超级电容器5先恒流，后恒压的充电控制。

电网***1发生短路故障时，由于电网电压的骤降，导致三相电压型PWM整流器3的电压控制环无法维持其直流侧电压的稳定，导致无功环控制失败。此时应控制双向DC/DC变换器4运行于升压状态，通过对高压侧电压的闭环控制来维持高压侧输出电压的恒定，也即保证了三相电压型PWM整流器3直流侧电压的恒定。此时控制三相电压型PWM整流器3运行于逆变状态，同样采用同步速旋转下的dq解耦控制。其中，电流q轴分量(有功分量)的目标值设为0，电流d轴分量(无功分量)的目标值根据电网电压下降对无功功率的需求情况来设定，在设定好电流d、q分量的目标值后，采用三相电压型PWM整流器3的经典解耦控制算法得到控制信号，用该控制信号驱动三相电压型PWM整流器3的三个桥臂开关管便可以实现大量无功功率的输出，起到了支撑电网电压的作用，改善了电压质量。此时的三相电压型PWM整流器3的控制框图如图3所示。

在本发明中，双向DC/DC变换器4在电网***1正常运行及短路故障时分别起到了超级电容器5充电控制器和维持三相电压型PWM整流器3直流侧电压稳定的作用。这两种工作状态，需要变换器能够进行能量的双向流动控制，本发明所中的双向DC/DC变换器4采用BUCK-BOOST型双向DC/DC变换器结构，如图4所示：双向DC/DC变换器4由储能电感L1、功率开关管G1、G2，续流二极管D1、D2及输出滤波电容C1组成。低压侧电源正级经储能电感L1接到功率开关管G1的漏级、功率开关管G2的源级，功率开关管G1的源极接入变换器的负极，功率开关管G2的漏极接入高压侧电源的正极，滤波电容C1并联到高压侧两端，续流二极管D1、D2反并联到功率开关管G1、G2的漏--源级之间。通过对功率开关管G1、G2的进行通断控制，可以实现能量由低压侧到高压侧或由高压侧到低压侧的双向流动，现将该变换器的工作模式进行如下分析(假设高压侧与低压侧都接有能量源)：

(1)模态1，功率开关管G1导通，功率开关管G2关断，低压侧电源通过G1对储能电感L1充电，电感电流增大。

(2)模态2，功率开关管G1关断，功率开关管G2导通，此时由于电感L1电流不能突变，电流仍从低压侧到高压侧通过续流二极管D2续流，此时从低压侧到高压侧的电流逐渐减少。

(3)模态3，此时仍然是功率开关管G1关断，功率开关管G2导通，当电感中从低压侧到高压侧的电流逐渐减小为零后，由高压侧电源经功率开关G2对电感L1进行反向充电，此时流经电感L1的反向电流逐渐增大。

(4)模态4，功率开关管G1导通，功率开关管G2关断，此时由于电感L1电流不能突变，电感L1中的反向电流沿着续流二极管D1反向续流，此时电感L1中的反向电流逐渐减小，当电感L1中的反向电流减少到0时，又重新进入模态1，从而开始下一次控制循环。

由上述分析可见，在一个循环周期内，通过对功率开关管G1，G2进行通断控制，可以实现能量在低压侧与高压侧间的双向流动，当一个周期内由低压侧流向高压侧的能量大于由高压侧流向低压侧的能量时，变换器运行于升压斩波状态，反之变换器运行于降压斩波状态。每个周期内两个方向流动能量的大小取决于功率开关管G1，G2的通断时间，以及低压侧电源与高压侧电源能量的大小。通过对变换器加入闭环控制，不仅可以控制能量的流动方向，还可以对低压侧电压、电流及高压侧电压、电流的大小进行精确控制，这为该变换器在本发明中的使用奠定了技术基础。

三相电压型PWM整流器3的结构为(如图5所示)：功率开关管G3、G4、G5的漏极连接到一起接到直流侧电容C2的正极，功率开关管G3、G4、G5的源极分别与功率开关管G6、G7、G8的漏极相连接，功率开关管G6、G7、G8的源极连接到一起接到直流侧电容C2的负极。续流二极管D3、D4、D5、D6、D7、D8分别反并联在每个功率开关管的漏--源极之间。L2、L3、L4为交流侧滤波电感，滤波输出后接入三相交流电网***1中。通过对以上各开关管进行通断控制可以实现该变换器整流状态、逆变状态的灵活转换及直流侧电压、交流侧无功功率的精确控制。

上述双向DC/DC变换器4、三相电压型PWM整流器3的功率开关管可选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，它是一种可关断器件，具有开关响应速度快，导通压降低等特点。在实际使用过程中可采用IPM功率模块，IPM内部在集成了IGBT及其反并联二极管的基础上还带有驱动、逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减少了***的体积，缩短了开发时间，也增强了***的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向。

Claims (3)

1.一种基于超级电容器储能的电能质量调节***，其特征在于：该***包括超级电容器(5)、双向DC/DC变换器(4)、三相电压型PWM整流器(3)；***通过并联方式接入电网***(1)中；当电网***(1)正常运行时，该***一方面对超级电容器(5)充电，另一方面实时进行电网***(1)的功率因数调整及谐波补偿；当电网***(1)发生短路故障时，超级电容器放电(5)，通过双向DC/DC变换器(4)维持三相电压型PWM整流器(3)直流侧电压稳定，保证***向电网***(1)发出所需无功功率，支撑调节***与电网的公共连接点(PCC)的电压，改善电压质量，实现风电并网***的低电压穿越。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器储能的电能质量调节***，其特征在于：超级电容器(5)接于双向DC/DC变换器(4)的低压侧，双向DC/DC变换器(4)的高压侧接入三相电压型PWM整流器(3)的直流侧，三相电压型PWM整流器(3)的交流侧并行接入电网***(1)。

3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容器储能的电能质量调节***，其特征在于：电网***(1)正常运行时，三相电压型PWM整流器(3)运行于旋转坐标系下的dq双环解耦控制的整流状态，其中有功电流控制环用于从电网***(1)中吸收有功功率并维持其直流侧电压稳定，无功电流环用于根据电网***(1)需求控制无功功率的输出以完成功率因数及谐波补偿的任务，双向DC/DC变换器(4)负责超级电容器(5)的先恒流后恒压的充电控制；电网***(1)发生短路故障时，三相电压型PWM整流器(3)运行于逆变状态，向电网***(1)发出大量无功功率，支撑电网***(1)电压，改善电压质量，双向DC/DC变换器(4)工作于高压侧恒压输出状态，以保持三相电压型PWM整流器(3)直流侧电压的稳定。

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