CN104410086A - 天然气电站冲击负载动态补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

天然气电站冲击负载动态补偿装置及方法，涉及天然气电站冲击负载动态补偿技术。解决了天然气发电机组的动态功率调节能力差，制约了天然气发电机组在供电网络中有冲击性负载场合的应用的问题。本发明的电站网络信息检测单元用于检测天然气电站供电网的三相电流信号，电站网络信息检测单元的电流采集信号输出端连接四象限整流/逆变单元的电网电流采集信号输入端，电站网络信息检测单元的三相电流信号经LCL滤波单元滤波后输入至四象限整流/逆变单元的三相电流信号输入端，超级电容充放电时多重化双向充放电控制；多重DC/DC单元有升压和降压两种工作模式。降压模式用于实现超级电容的充电控制。本发明用于对天然气电站冲击负载进行动态补偿。

Description

天然气电站冲击负载动态补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气电站冲击负载动态补偿技术。

背景技术

天然气电站是由若干台天然气发电机组构成的具有较大功率的供电***。天然气发电机组较比传统柴油发电机组的碳、硫排放量低，同时同等能量下天然气较比柴油的价格低。因此，采用天然气发电机组***在节能减排和降低发电成本方面都有很大优势。

但是，天然气发电机组的动态功率调节能力较比柴油发电机组差，这种动态响应慢的特性制约了其在供电网络中有冲击性负载场合的应用，当负载变化率和前后功率差较大时，往往会造成天然气发电机组的停车事故。

发明内容

本发明是为了解决天然气发电机组的动态功率调节能力差，制约了天然气发电机组在供电网络中有冲击性负载场合的应用的问题，提出了一种天然气电站冲击负载动态补偿装置及方法。

本发明所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置，该装置包括基于PAC的主控单元、储能单元、多重DC/DC单元、四象限整流/逆变单元、LCL滤波单元、电站网络信息检测单元和隔离电源；

电站网络信息检测单元用于检测天然气电站供电网的三相电流信号，电站网络信息检测单元的电流采集信号输出端连接四象限整流/逆变单元的电网电流采集信号输入端，电站网络信息检测单元的三相电流信号经LCL滤波单元滤波后输入至四象限整流/逆变单元的三相电流信号输入端，

基于PAC的主控单元的电网电流信号输入电流转换控制信号输出端连接四象限整流/逆变单元的电网电流信号输出电流转换控制信号输入端，多重DC/DC单元的储能信号输出端连接储能单元的储能信号输入端，多重DC/DC单元的充放电控制信号输入充放电状态反馈信号输出端连接基于PAC的主控单元的充放电控制信号输出充放电状态反馈信号输入端，基于PAC的主控单元的采集开关控制信号输出端连接电站网络信息检测单元的采集开关控制信号输入端，基于PAC的主控单元的储能开关控制信号输出端连接储能单元的储能开关控制信号输入端，所述隔离电源用于为多重DC/DC单元、四象限整流/逆变单元和基于PAC的主控单元供电。

采用上述天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：开启隔离电源为多重DC/DC单元、四象限整流/逆变单元和基于PAC的主控单元供电，，主控制器单元根据天然气电站和负载对天然气电站冲击负载动态补偿装置进行参数设定；

所述设置的参数包括对补偿装置输出的额定电压、补偿装置输出的额定电流、补偿装置输出的额定功率、四象限整流/逆变单元的闭环控制参数，多重DC/DC单元的充电和放电闭环控制参数所述四象限整流/逆变单元的闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益，多重DC/DC单元的充电和放电闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益；

步骤二：当电站网络信息检测单元的开关合闸，多重DC/DC单元内的直流母线电压到达预定值；多重DC/DC单元对储能单元进行充电；(该预定值为直流母线额定电压的80％；)

步骤三：主控制器单元控制四象限整流/逆变单元工作于PWM整流模式，多重DC/DC单元工作于Buck斩波模式，给储能单元充电，直到储能单元的超级电容的电压上升到预定值时停止充电，电站网络信息检测单元开始对天然气电站的负载进行检测；

步骤四：当天然气电站出现冲击负载时，主控制器单元根据冲击性负载的自适应补偿控制算调整四象限整流/逆变单元的功率输出，且令多重DC/DC单元工作于Boost模式，实现固定直流母线电压不变，实现对冲击负载动态有功功率的补偿；

步骤五：当四象限整流/逆变单元输出的功率总电流超出了补偿装置输出电流的额定值时，主控制器单元根据P/Q容量自动分配控制算法，计算瞬变有功补偿电流和无功补偿电流，控制四象限整流/逆变单元优先输出瞬变有功功率，同时输出无功功率；实现对天然气电站出现时的瞬变电流动态有功功率的补偿；

步骤六：当天然气电站存在非线性负载时，主控制器单元根据谐波功率吸纳控制算法，调整四象限整流/逆变单元输出谐波电流，使天然气发电机输出正弦波电流，实现对负载谐波功率的吸纳，实现对天然气电站出现非线性负载时的动态有功功率补偿。

本发明所具有的优点：提高了天然气电站抗冲击负载的能力，增强了天然气电站的适应性；对负载谐波功率进行吸纳，大大减小了非线性负载对天然气电站的谐波污染；***能够自动分配P/Q容量，补偿负载所需无功功率，不从天然气电站索取无功，运行效率高；***可自适应补偿负载冲击功率，使天然气发动机柔和输出功率，可显著提高天然气发动机使用寿命；采用集成化设计方案，一体化程度高，体积小，使用灵活方便。本发明可应用于天然气电站深井钻探，天然气电站轧钢机等冲击性负载的领域，具有广泛的应用前景和较大的推广价值。

附图说明

图1为本发明所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置的电路示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置，该装置包括基于PAC的主控单元1、储能单元2、多重DC/DC单元3、四象限整流/逆变单元4、LCL滤波单元5、电站网络信息检测单元6和隔离电源7；

电站网络信息检测单元6用于检测天然气电站供电网的三相电流信号，电站网络信息检测单元6的电流采集信号输出端连接四象限整流/逆变单元4的电网电流采集信号输入端，电站网络信息检测单元6的三相电流信号经LCL滤波单元5滤波后输入至四象限整流/逆变单元4的三相电流信号输入端，

基于PAC的主控单元1的电网电流信号输入电流转换控制信号输出端连接四象限整流/逆变单元4的电网电流信号输出电流转换控制信号输入端，多重DC/DC单元3的储能信号输出端连接储能单元2的储能信号输入端，多重DC/DC单元3的充放电控制信号输入充放电状态反馈信号输出端连接基于PAC的主控单元1的充放电控制信号输出充放电状态反馈信号输入端，基于PAC的主控单元1的采集开关控制信号输出端连接电站网络信息检测单元6的采集开关控制信号输入端，基于PAC的主控单元1的储能开关控制信号输出端连接储能单元2的储能开关控制信号输入端，所述隔离电源用于为多重DC/DC单元3、四象限整流/逆变单元4和基于PAC的主控单元1供电。

多重DC/DC单元3的主要功能是实现超级电容的电能与四象限整流/逆变单元4直流桥臂电能的转换。该环节的设计按照如下原则：

(1)、多重DC/DC单元3的一号控制板具有移相功能，各功率模块的移相角为360/N，

N是功率模块的个数；

(2)、多重DC/DC单元3具有功率模块自动均流功能；

(3)、多重DC/DC单元3具有过流保护功能。

四象限整流/逆变单元4的主要功能是实现供电网络的交流能量到直流桥臂之间的能量转换。当通过多重DC/DC单元3给超级电容充电时，该单元处于PWM高频整流状态；当超级电容放电时，该单元处于逆变状态。该模块的设计原则如下：

(1)、四象限整流/逆变单元4具有双向能量传输功能；该单元能够进行PWM整流/逆变；

(2)、四象限整流/逆变单元4在PWM整流时，能够控制功率因数在0～1的范围内；

(3)、四象限整流/逆变单元4在逆变时，能够按照补偿装置的容量合理的分配P/Q值。

超级电容充放电时多重化双向充放电控制；多重DC/DC单元3有升压和降压两种工作模式。降压模式用于实现超级电容的充电控制，采用先恒流后恒压的控制方式。升压模式用于对超级电容输出功率进行控制，通过采用直流电压恒定控制来实现。根据当前直流电压值和超级电容的电压来决定充放电控制电路的工作模式。在正常的工作过程中，多重DC/DC单元3中每个桥臂的两个功率器件中，每一时刻只有一个开关工作。当工作在降压变换器模式时，上桥臂工作，下桥臂截止，当工作在升压变换器模式时，下桥臂工作，上桥臂截止。为了防止上下桥臂同时导通导致直流母线短路而损坏变换器，变换器必须在这两个工作状态之间安全切换，因此驱动信号要在一个开关截止后留有一定的空余时间，然后另一个开关导通。

冲击负载动态补偿主要进行瞬态有功和无功电流的给定量的运算，并完成瞬态功率输出控制。对于冲击性负载，在判断出产生冲击性负载时，则执行有功电流变化率闭环控制策略，以保证燃气发电机的输出功率变化率小于其极限值，在燃气发电机的输出功率与负载功率相一致时，有功电流变化率等于零，此时功率调节器自动退出有功功率补偿，避免其长时间输出有功功率。在未产生冲击性负载时，应为超级电容充电，通过多重DC/DC单元和四象限整流/逆变单元4来实现。多重DC/DC单元用于直流母线电压的恒定控制，此时功率调节器吸收功率。在负载有功功率小于零时，即需要吸收再生能量时，功率调节器的有功电流变为负值，则由超级电容吸收能量，进而减少燃料的消耗，达到节能效果。对于无功功率补偿算法，直接将负载无功电流作为功率调节器的给定，则其无功功率输出将自动实现与负载侧相平衡。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置的进一步说明，控制单元1包括模拟量采集板11、PAC控制器12和开关量板13；

储能单元2包括超级电容CSC、放电电阻R1、放电控制开关SW2、电压传感器VT3、隔离开关QF2、保险F6和保险F7；隔离开关QF2包括两个开关，所述两个开关为联动开关，

多重DC/DC单元3包括功率开关模块CM31、功率开关模块CM32、功率开关模块CM33、功率开关模块CM34、一号控制板32、电压传感器TV1、电压传感器TV2和直流母线滤波电容CO；

功率开关模块CM31包括高频滤波电容C31、绝缘栅双极型功率管T31、绝缘栅双极型功率管T32、电流传感器CT31、平波电抗器L31和高频滤波电容C32；

功率开关模块CM32包括高频滤波电容C33、绝缘栅双极型功率管T33、绝缘栅双极型功率管T34、电流传感器CT32、平波电抗器L32和高频滤波电容C34；

功率开关模块CM33包括高频滤波电容C35、绝缘栅双极型功率管T35、绝缘栅双极型功率管T36、电流传感器CT33、平波电抗器L34和高频滤波电容C36；

功率开关模块CM34包括高频滤波电容C37、绝缘栅双极型功率管T37、绝缘栅双极型功率管T38、电流传感器CT34、平波电抗器L34和高频滤波电容C38；

四象限整流/逆变单元4包括四个功率开关模块，功率开关模块CM41、功率开关模块CM42、功率开关模块CM43和二号控制板42；

功率开关模块CM41包括电流传感器CT41、绝缘栅双极型功率管T41、绝缘栅双极型功率管T42和高频率波电容C41；

功率开关模块CM42包括电流传感器CT42、绝缘栅双极型功率管T43、绝缘栅双极型功率管T44和高频率波电容C42；

功率开关模块CM43包括电流传感器CT43、绝缘栅双极型功率管T45、绝缘栅双极型功率管T46和高频率波电容C43；

LCL滤波单元5包括平波电抗器L51、平波电抗器L52、平波电抗器L53、平波电抗器L54、平波电抗器L55、平波电抗器L56、滤波电容C51、滤波电容C52和滤波电容C53

电站网络信息检测单元6包括三相隔离开关QF1、三相空气开关KM1、电压传感器VT61、电压传感器VT62、保险F61、保险F62和保险F63；

三相隔离开关QF1和三相空气开关KM1均为三相联动开关，三相隔离开关QF1与三相空气开关KM1串联，三相隔离开关QF1的的三个固定端分别连接天然气电站的三相电源，三相空气开关KM1的三个活动端分别通过保险F61、保险F62和保险F63与LCL滤波单元5的波电抗器L51、平波电抗器L53和平波电抗器L55串联；波电抗器L51的另一端同时连接平波电抗器L52的一端和滤波电容C51的一端，滤波电容C51的另一端接滤波电容的三相中性点CN、平波电抗器L53的另一端同时连接平波电抗器L54的一端和滤波电容C52的一端，滤波电容C52的另一端接滤波电容的三相中性点CN，平波电抗器L55的另一端同时连接平波电抗器L56的一端和滤波电容C53的一端，滤波电容C53的另一端接滤波电容的三相中性点CN，

平波电抗器L52的另一端连接电流传感器CT41的一端，电流传感器CT41的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T41的漏极和绝缘栅双极型功率管T42的源极，缘栅双极型功率管T41的源极同时连接电容C41的一端、电压传感器TV1的一端、直流母线滤波电容CO的一端、高频滤波电容C31的一端、高频滤波电容C37的一端、绝缘栅双极型功率管T37的源极和绝缘栅双极型功率管T31的源极，绝缘栅双极型功率管T42的漏极同时连接电容C41的另一端、电压传感器TV1的另一端、高频滤波电容C31的另一端、绝缘栅双极型功率管T32的漏极和电容C32的一端；

电流传感器CT31的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T31的漏极和绝缘栅双极型功率管T32的源极；电流传感器CT31的另一端连接平波电抗器L31的一端，

平波电抗器L54的另一端连接电流传感器CT42的一端，电流传感器CT42的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T43的漏极和绝缘栅双极型功率管T44的源极，绝缘栅双极型功率管T43的源极同时连接高频滤波电容C33的一端、高频滤波电容C42的一端和绝缘栅双极型功率管T33的源极；绝缘栅双极型功率管T44的漏极同时连接电容C42的另一端、高频滤波电容C33的另一端、绝缘栅双极型功率管T34的漏极和电容C34的一端；

电流传感器CT32的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T33的漏极和绝缘栅双极型功率管T34的源极；电流传感器CT32的另一端连接平波电抗器L32的一端；

平波电抗器L56的另一端连接电流传感器CT43的一端，电流传感器CT43的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T45的漏极和绝缘栅双极型功率管T46的源极，绝缘栅双极型功率管T45的源极同时连接高频电容C43的一端高频滤波电容C35的一端和绝缘栅双极型功率管T35的源极，

绝缘栅双极型功率管T46的漏极同时连接电容C43的另一端、高频滤波电容C35的另一端、绝缘栅双极型功率管T36的漏极和高频电容C36的一端；

电流传感器CT33的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T35的漏极和绝缘栅双极型功率管T36的源极；电流传感器CT33的另一端连接平波电抗器L33的一端，

直流母线滤波电容CO的另一端同时连接高频滤波电容C37的另一端、绝缘栅双极型功率管T38的漏极、高频滤波电容C38的一端和高频电容C36的一端、高频电容C34的一端、高频电容C34的一端、电压传感器TV2的一端和保险F7的一端，

电流传感器CT34的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T37的漏极和绝缘栅双极型功率管T38的源极，电流传感器CT34的另一端连接平波电抗器L34的一端，平波电抗器L34的另一端同时连接平波电抗器L31的平波电抗器L31的另一端、高频滤波电容C32的另一端、平波电抗器L32的另一端、高频滤波电容C34的另一端、平波电抗器L33的另一端、高频滤波电容C36的另一端、高频滤波电容C38的另一端、电压传感器TV2的另一端和保险F6的一端；

保险F6的另一端连接隔离开关QF2中一个开关的一端，该开关的另一端同时连接电压传感器VT3的一端、放电控制开关SW2的一端和超级电容CSC的一端，

保险F7的另一端同时连接隔离开关QF2中另一个开关的一端，该开关的另一端同时连接电压传感器VT3的另一端、电阻R2的一端和超级电容CSC的另一端，电阻R2的另一端连接放电控制开关SW2的另一端；

绝缘栅双极型功率管T41的栅极、绝缘栅双极型功率管T42的栅极、绝缘栅双极型功率管T43的栅极、绝缘栅双极型功率管T44的栅极、绝缘栅双极型功率管T45的栅极和绝缘栅双极型功率管T46的栅极均连接二号控制板42的驱动信号输出端；

一号控制板32的驱动信号输出端同时连接绝缘栅双极型功率管T31的栅极、绝缘栅双极型功率管T32的栅极、绝缘栅双极型功率管T33的栅极、绝缘栅双极型功率管T34的栅极、绝缘栅双极型功率管T35的栅极、绝缘栅双极型功率管T36的栅极、绝缘栅双极型功率管T37的栅极和绝缘栅双极型功率管T38的栅极；

电流传感器CT31采集信号端同时连接电流传感器CT32采集信号端、电流传感器CT33采集信号端、电流传感器CT34采集信号端和一号控制板32的电流采集信号输入端，

电压传感器TV2的电压采集信号输出端连接一号控制板32的转换后电压信号输入端，电压传感器TV1的电压采集信号输出端连接一号控制板32的逆变/整流后电压信号输入端，

隔离电源7同时为一号控制板32、PAC控制器12和二号控制板42供电；

一号控制板32充放电控制信号输入充放电状态反馈信号输出端连接PAC控制器12的充放电控制信号输出充放电状态反馈信号输入端，二号控制板42的电网电流信号输入电流转换控制信号输出端连接PAC控制器12的电网电流信号输入出电流转换控制信号输入端，

PAC控制器12的采集信号输入采集控制信号输出端连接模拟量采集板11的采集信号输出采集控制信号输入端；模拟量采集板11的采集信号输入端连接电压传感器VT3的采集信号输出端；

PAC控制器12的开关控制信号输出端连接开关量板13的开关控制信号输入端，开关量板14用于控制三相隔离开关QF1、三相空气开关KM1和相隔离开关QF2。

PAC控制器采用XP-8741-ATOM、控制单元1还包括总线模块CAN-8423CAN，PAC控制器、一号控制板和二号控制板均挂接在总线模块CAN-8423CAN上，数字量输入I-8041W、数字量输出I-8040PW和模拟量输入I-8014。

PAC控制器XP-8741-ATOM采用Intel ATOMZ500 Series CPU(32-bit)，配备了1GB内存和8GB的闪存，具有两个以太网接口、四个USB2.0的接口、双电源输入、两个看门狗以及双电池后备的SRAM，采用WindowsEmbedded Standard 2009操作***；CAN-8423CAN是一种具有高度安全性且有效支持分散式实时控制的串行通讯总线，

超级电容选择美国Maxwell的2.7V单体超级电容器通过串并联形式实现较高电压。多重DC/DC单元3中功率开关选择英飞凌产品，一号控制板中数字信号处理器DSP实现对功率开关管的控制，本实施例中一号控制板采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片，电压传感器VT2选用LEM的霍尔高精度传感器，直流母线滤波电容采用多个电解电容串并联实现，电流传感器选择LEM的1000A霍尔电流传感器。四象限整流/逆变单元4中功率开关选择英飞凌产品，二号控制板中数字信号处理器DSP实现对功率开关管的控制，本实施例二号控制板采用TI公司的TMS320F28XX系列芯片，电流传感器选择LEM的1000A霍尔电流传感器。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置的进一步说明，主控制器单元1还包括触摸屏14，所述触摸屏14的控制信号输出显示信号输入端连接PAC控制器12的控制信号输入显示信号输出端。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式二所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置的进一步说明，主控制器单元1还包括无线收发装置15；所述无线收发装置15的无线收发控制信号输入数据输出端连接PAC控制器12无线收发控制信号输出数据输入端。

具体实施方式五、本实施方式是采用具体实施方式一所述天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：开启隔离电源为多重DC/DC单元3、四象限整流/逆变单元4和基于PAC的主控单元1供电，主控制器单元1根据天然气电站和负载对天然气电站冲击负载动态补偿装置进行参数设定；

所述设置的参数包括对补偿装置输出的额定电压、补偿装置输出的额定电流、补偿装置输出的额定功率、四象限整流/逆变单元4的闭环控制参数，多重DC/DC单元3的充电和放电闭环控制参数所述四象限整流/逆变单元4的闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益，多重DC/DC单元3的充电和放电闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益；

步骤二：当电站网络信息检测单元6的开关合闸，多重DC/DC单元3内的直流母线电压到达预定值；多重DC/DC单元3对储能单元2进行充电；(该预定值为直流母线额定电压的80％；)

步骤三：主控制器单元1控制四象限整流/逆变单元4工作于PWM(脉冲宽度调制)整流模式，多重DC/DC单元3工作于Buck斩波模式，给储能单元2充电，直到储能单元2的超级电容的电压上升到预定值时停止充电，电站网络信息检测单元6开始对天然气电站的负载进行检测；

Buck斩波模式，为降压斩波模式，实现直流母线电压到储能单元的降压变换，此时电流由直流母线流向超级电容，达到给超级电容充电的目的；

boost斩波模式，为升压斩波模式，实现储能单元到直流母线电压的升压变换，这时电流由超级电容流向直流母线，达到由超级电容放电的目的；

步骤四：当天然气电站出现冲击负载时，主控制器单元1根据冲击性负载的自适应补偿控制算调整四象限整流/逆变单元4的功率输出，且令多重DC/DC单元3工作于Boost模式，实现固定直流母线电压不变，实现对冲击负载动态有功功率的补偿；

步骤五：当四象限整流/逆变单元4输出的功率总电流超出了补偿装置输出电流的额定值时，主控制器单元1根据P/Q容量自动分配控制算法，计算瞬变有功补偿电流和无功补偿电流，控制四象限整流/逆变单元4优先输出瞬变有功功率，同时输出无功功率；实现对天然气电站出现时的瞬变电流动态有功功率的补偿；

步骤六：当天然气电站存在非线性负载时，主控制器单元1根据谐波功率吸纳控制算法，调整四象限整流/逆变单元4输出谐波电流，使天然气发电机输出正弦波电流，实现对负载谐波功率的吸纳，实现对天然气电站出现非线性负载时的动态有功功率补偿。

冲击负载动态补偿算法得出电流指令后，通过四象限整流/逆变单元4动作实现对***输出功率的控制，进而实现补偿装置输出电流自适应跟踪电流指令。这里使用电流的滞环控制，这种方法可实现对电流的直接控制，采用PWM控制技术对电流波形的实时值进行反馈跟踪控制。与间接控制相比，这种电流的直接控制具有较快的响应速度和较高的控制精度。在这种控制方法下，电能补偿单元实际上相当于一个受控电流源，通过对负荷电流的检测，可以得到需要补偿的功率电流，对***功率进行调节。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法的进一步说明，步骤四所述的控制器单元1根据冲击性负载的自适应补偿控制算调整四象限整流/逆变单元4的功率输出的方法为：

通过电站网络信息检测单元6采集天然气电站的负载电流i_LOAD，同时采集补偿装置电流i_UPQC，对负载电流i_LOAD和补偿装置电流i_UPQC进行abc/dq坐标变换(三相静止坐标系abc/两相同步旋转坐标系dq)，获取负载有功电流i_qLOAD和补偿装置有功电流i_qUPQC；负载有功电流i_qLOAD通过高通滤波得到有功电流高频暂态分量i_hp，主控制器单元1控制四象限整流/逆变单元4输出有功电流i_qUPQC＝i_hp。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式五所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法的进一步说明，步骤五中四象限整流/逆变单元4输出的功率总电流为：式中，i_qUPQC为补偿侧有功电流；i_pUPQC为补偿侧无功电流；

当四象限整流/逆变单元4输出的功率总电流超出了补偿装置输出电流的额定值时；瞬变有功补偿电流为：i_qUPQC；

无功补偿电流为：

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式五所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法的进一步说明，步骤六中，当天然气电站存在非线性负载时，天然气电站中的负载有功电流为i_LOAD＝i_lLOAD+i_hLOAD，其中i_lLOAD为负载有功电流低频成分，i_hLOAD为负载有功电流高频成分；

控制器单元1根据谐波功率吸纳控制算法，调整四象限整流/逆变单元4输出谐波电流为：i_UPQC+i_hLOAD；

负载的负载有功电流高频成分由补偿装置输出，天然气发电机只输出负载有功电流的低频部分，天然气发电机输出正弦波电流。

供电网络冲击性负载的辨识与补偿原理：

通过采集天然气电站负载电流i_LOAD和补偿侧电流i_UPQC，经过abc/dq坐标变换，取出负载有功电流i_qLOAD和补偿侧有功电流i_qUPQC。将负载有功电流i_qLOAD通过高通滤波器得到其有功电流高频暂态分量i_hp，主控制器发出补偿电流指令，令i_qUPQC＝i_hp，使得补偿侧有功电流i_qUPQC按该指令值变化，从而进行动态有功功率补偿。高通滤波器的滤波时间常数τ决定了补偿电流的持续时间和幅值。

天然气电站供电网络中存在以下电流关系：

i_qLOAD＝i_qDG+i_qUPQC    (1)

式中i_qLOAD表示负载有功电流、i_qDG表示发电机输出有功电流、i_qUPQC表示冲击性负载动态补偿输出有功电流，因此当负载有功突变时：

Δi_qLOAD＝Δi_qDG+Δi_qUPQC    (2)

由一阶高通滤波器的阶跃全响应可知：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qUPQC}}=\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}\right|\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(3\right)$

式中|Δi_qLOAD|是负载电流有功分量的瞬态变化量；

将式(3)代入式(1)中得到：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qDG}}+\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}\right|\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(4\right)$

当负载功率的有功分量瞬态变化时，即时间为零时。

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qUPQC}}=\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}\right|\×e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}=\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}\right|---\left(5\right)$

所以：

Δi_qDG＝Δi_qLOAD-Δi_qUPQC＝0    (6)

由上式可知，通过实时功率有功分量的补偿后，在负载功率有功分量的瞬态变化时，发电机输出的电流有功部分不会发生较大变化，也就是说发电机组不会受负载功率有功分量瞬态变化的影响。发电机组输出电流的有功部分随时间变化规律为：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qDG}}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}-{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qUPQC}}={\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}-\left|{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qLOAD}}\right|\·e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(7\right)$

冲击负载有功补偿***以负指数规律随时间逐步减少输出电流，随之发电机组的电流有功分量逐渐增加。达到新的稳定状态时，冲击负载有功补偿***的输出电流为零，而天然气电站发电机组输出电流的有功分量与负载相等。

Δi_qDG＝Δi_qLOAD    (8)

因此冲击负载有功补偿***具有瞬时功率有功分量补偿的自适应退出机制。

超级电容的配置：

$C=\left(\frac{8}{{3U}^2}\right)\underset{0}{\overset{3\mathrm{\τ}}{\∫}}{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{qload}}{e}^{-t/\mathrm{\τ}}{U}_L\mathrm{dt}---\left(9\right)$

上式是考虑了超级电容的额定电压值U，供电网络电压U_L，t为时间，τ为高通滤波器的滤波时间常数，电容的取值可按式(9)确定。

Claims (8)

1.天然气电站冲击负载动态补偿装置，其特征在于，该装置包括基于PAC的主控单元(1)、储能单元(2)、多重DC/DC单元(3)、四象限整流/逆变单元(4)、LCL滤波单元(5)、电站网络信息检测单元(6)和隔离电源(7)；

电站网络信息检测单元(6)用于检测天然气电站供电网的三相电流信号，电站网络信息检测单元(6)的电流采集信号输出端连接四象限整流/逆变单元(4)的电网电流采集信号输入端，电站网络信息检测单元(6)的三相电流信号经LCL滤波单元(5)滤波后输入至四象限整流/逆变单元(4)的三相电流信号输入端，

基于PAC的主控单元(1)的电网电流信号输入电流转换控制信号输出端连接四象限整流/逆变单元(4)的电网电流信号输出电流转换控制信号输入端，多重DC/DC单元(3)的储能信号输出端连接储能单元(2)的储能信号输入端，多重DC/DC单元(3)的充放电控制信号输入充放电状态反馈信号输出端连接基于PAC的主控单元(1)的充放电控制信号输出充放电状态反馈信号输入端，基于PAC的主控单元(1)的采集开关控制信号输出端连接电站网络信息检测单元(6)的采集开关控制信号输入端，基于PAC的主控单元(1)的储能开关控制信号输出端连接储能单元(2)的储能开关控制信号输入端，所述隔离电源用于为多重DC/DC单元(3)、四象限整流/逆变单元(4)和基于PAC的主控单元(1)供电。

2.根据权利要求1所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置，其特征在于，控制单元(1)包括模拟量采集板(11)、PAC控制器(12)和开关量板(13)；

储能单元(2)包括超级电容CSC、放电电阻R1、放电控制开关SW2、电压传感器VT3、隔离开关QF2、保险F6和保险F7；隔离开关QF2包括两个开关，所述两个开关为联动开关，

多重DC/DC单元(3)包括功率开关模块CM31、功率开关模块CM32、功率开关模块CM33、功率开关模块CM34、一号控制板(32)、电压传感器TV1、电压传感器TV2和直流母线滤波电容CO；

功率开关模块CM31包括高频滤波电容C31、绝缘栅双极型功率管T31、绝缘栅双极型功率管T32、电流传感器CT31、平波电抗器L31和高频滤波电容C32；

功率开关模块CM32包括高频滤波电容C33、绝缘栅双极型功率管T33、绝缘栅双极型功率管T34、电流传感器CT32、平波电抗器L32和高频滤波电容C34；

功率开关模块CM33包括高频滤波电容C35、绝缘栅双极型功率管T35、绝缘栅双极型功率管T36、电流传感器CT33、平波电抗器L34和高频滤波电容C36；

功率开关模块CM34包括高频滤波电容C37、绝缘栅双极型功率管T37、绝缘栅双极型功率管T38、电流传感器CT34、平波电抗器L34和高频滤波电容C38；

四象限整流/逆变单元(4)包括四个功率开关模块，功率开关模块CM41、功率开关模块CM42、功率开关模块CM43和二号控制板(42)；

功率开关模块CM41包括电流传感器CT41、绝缘栅双极型功率管T41、绝缘栅双极型功率管T42和高频率波电容C41；

功率开关模块CM42包括电流传感器CT42、绝缘栅双极型功率管T43、绝缘栅双极型功率管T44和高频率波电容C42；

功率开关模块CM43包括电流传感器CT43、绝缘栅双极型功率管T45、绝缘栅双极型功率管T46和高频率波电容C43；

LCL滤波单元(5)包括平波电抗器L51、平波电抗器L52、平波电抗器L53、平波电抗器L54、平波电抗器L55、平波电抗器L56、滤波电容C51、滤波电容C52和滤波电容C53

电站网络信息检测单元(6)包括三相隔离开关QF1、三相空气开关KM1、电压传感器VT61、电压传感器VT62、保险F61、保险F62和保险F63；

三相隔离开关QF1和三相空气开关KM1均为三相联动开关，三相隔离开关QF1与三相空气开关KM1串联，三相隔离开关QF1的的三个固定端分别连接天然气电站的三相电源，三相空气开关KM1的三个活动端分别通过保险F61、保险F62和保险F63与LCL滤波单元(5)的波电抗器L51、平波电抗器L53和平波电抗器L55串联；波电抗器L51的另一端同时连接平波电抗器L52的一端和滤波电容C51的一端，滤波电容C51的另一端接滤波电容的三相中性点CN、平波电抗器L53的另一端同时连接平波电抗器L54的一端和滤波电容C52的一端，滤波电容C52的另一端接滤波电容的三相中性点CN，平波电抗器L55的另一端同时连接平波电抗器L56的一端和滤波电容C53的一端，滤波电容C53的另一端接滤波电容的三相中性点CN，

平波电抗器L52的另一端连接电流传感器CT41的一端，电流传感器CT41的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T41的漏极和绝缘栅双极型功率管T42的源极，缘栅双极型功率管T41的源极同时连接电容C41的一端、电压传感器TV1的一端、直流母线滤波电容CO的一端、高频滤波电容C31的一端、高频滤波电容C37的一端、绝缘栅双极型功率管T37的源极和绝缘栅双极型功率管T31的源极，绝缘栅双极型功率管T42的漏极同时连接电容C41的另一端、电压传感器TV1的另一端、高频滤波电容C31的另一端、绝缘栅双极型功率管T32的漏极和电容C32的一端；

电流传感器CT31的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T31的漏极和绝缘栅双极型功率管T32的源极；电流传感器CT31的另一端连接平波电抗器L31的一端，

平波电抗器L54的另一端连接电流传感器CT42的一端，电流传感器CT42的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T43的漏极和绝缘栅双极型功率管T44的源极，绝缘栅双极型功率管T43的源极同时连接高频滤波电容C33的一端、高频滤波电容C42的一端和绝缘栅双极型功率管T33的源极；绝缘栅双极型功率管T44的漏极同时连接电容C42的另一端、高频滤波电容C33的另一端、绝缘栅双极型功率管T34的漏极和电容C34的一端；

电流传感器CT32的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T33的漏极和绝缘栅双极型功率管T34的源极；电流传感器CT32的另一端连接平波电抗器L32的一端；

平波电抗器L56的另一端连接电流传感器CT43的一端，电流传感器CT43的另一端同时连接绝缘栅双极型功率管T45的漏极和绝缘栅双极型功率管T46的源极，绝缘栅双极型功率管T45的源极同时连接高频电容C43的一端高频滤波电容C35的一端和绝缘栅双极型功率管T35的源极，

绝缘栅双极型功率管T46的漏极同时连接电容C43的另一端、高频滤波电容C35的另一端、绝缘栅双极型功率管T36的漏极和高频电容C36的一端；

电流传感器CT33的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T35的漏极和绝缘栅双极型功率管T36的源极；电流传感器CT33的另一端连接平波电抗器L33的一端，

直流母线滤波电容CO的另一端同时连接高频滤波电容C37的另一端、绝缘栅双极型功率管T38的漏极、高频滤波电容C38的一端和高频电容C36的一端、高频电容C34的一端、高频电容C34的一端、电压传感器TV2的一端和保险F7的一端，

电流传感器CT34的一端同时连接绝缘栅双极型功率管T37的漏极和绝缘栅双极型功率管T38的源极，电流传感器CT34的另一端连接平波电抗器L34的一端，平波电抗器L34的另一端同时连接平波电抗器L31的平波电抗器L31的另一端、高频滤波电容C32的另一端、平波电抗器L32的另一端、高频滤波电容C34的另一端、平波电抗器L33的另一端、高频滤波电容C36的另一端、高频滤波电容C38的另一端、电压传感器TV2的另一端和保险F6的一端；

保险F6的另一端连接隔离开关QF2中一个开关的一端，该开关的另一端同时连接电压传感器VT3的一端、放电控制开关SW2的一端和超级电容CSC的一端，

保险F7的另一端同时连接隔离开关QF2中另一个开关的一端，该开关的另一端同时连接电压传感器VT3的另一端、电阻R2的一端和超级电容CSC的另一端，电阻R2的另一端连接放电控制开关SW2的另一端；

绝缘栅双极型功率管T41的栅极、绝缘栅双极型功率管T42的栅极、绝缘栅双极型功率管T43的栅极、绝缘栅双极型功率管T44的栅极、绝缘栅双极型功率管T45的栅极和绝缘栅双极型功率管T46的栅极均连接二号控制板(42)的驱动信号输出端；

一号控制板(32)的驱动信号输出端同时连接绝缘栅双极型功率管T31的栅极、绝缘栅双极型功率管T32的栅极、绝缘栅双极型功率管T33的栅极、绝缘栅双极型功率管T34的栅极、绝缘栅双极型功率管T35的栅极、绝缘栅双极型功率管T36的栅极、绝缘栅双极型功率管T37的栅极和绝缘栅双极型功率管T38的栅极；

电流传感器CT31采集信号端同时连接电流传感器CT32采集信号端、电流传感器CT33采集信号端、电流传感器CT34采集信号端和一号控制板(32)的电流采集信号输入端，

电压传感器TV2的电压采集信号输出端连接一号控制板(32)的转换后电压信号输入端，电压传感器TV1的电压采集信号输出端连接一号控制板(32)的逆变/整流后电压信号输入端，

隔离电源(7)同时为一号控制板(32)、PAC控制器(12)和二号控制板(42)供电；

一号控制板(32)充放电控制信号输入充放电状态反馈信号输出端连接PAC控制器(12)的充放电控制信号输出充放电状态反馈信号输入端，二号控制板(42)的电网电流信号输入电流转换控制信号输出端连接PAC控制器(12)的电网电流信号输入出电流转换控制信号输入端，

PAC控制器(12)的采集信号输入采集控制信号输出端连接模拟量采集板(11)的采集信号输出采集控制信号输入端；模拟量采集板(11)的采集信号输入端连接电压传感器VT3的采集信号输出端；

PAC控制器(12)的开关控制信号输出端连接开关量板(13)的开关控制信号输入端，开关量板(14)用于控制三相隔离开关QF1、三相空气开关KM1和相隔离开关QF2。

3.根据权利要求2所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置，其特征在于，主控制器单元(1)还包括触摸屏(14)，所述触摸屏(14)的控制信号输出显示信号输入端连接PAC控制器(12)的控制信号输入显示信号输出端。

4.根据权利要求1所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置，其特征在于，主控制器单元(1)还包括无线收发装置(15)；所述无线收发装置(15)的无线收发控制信号输入数据输出端连接PAC控制器(12)无线收发控制信号输出数据输入端。

5.采用权利要求1所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一：开启隔离电源为多重DC/DC单元(3)、四象限整流/逆变单元(4)和基于PAC的主控单元(1)供电，主控制器单元(1)根据天然气电站和负载对天然气电站冲击负载动态补偿装置进行参数设定；

所述设置的参数包括对补偿装置输出的额定电压、补偿装置输出的额定电流、补偿装置输出的额定功率、四象限整流/逆变单元(4)的闭环控制参数，多重DC/DC单元(3)的充电和放电闭环控制参数所述四象限整流/逆变单元(4)的闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益，多重DC/DC单元(3)的充电和放电闭环控制参数包括电流闭环PI控制器的比例增益和积分增益；

步骤二：当电站网络信息检测单元(6)的开关合闸，多重DC/DC单元(3)内的直流母线电压到达预定值；多重DC/DC单元(3)对储能单元(2)进行充电；

步骤三：主控制器单元(1)控制四象限整流/逆变单元(4)工作于PWM整流模式，多重DC/DC单元(3)工作于Buck斩波模式，给储能单元(2)充电，直到储能单元(2)的超级电容的电压上升到预定值时停止充电，电站网络信息检测单元(6)开始对天然气电站的负载进行检测；

步骤四：当天然气电站出现冲击负载时，主控制器单元(1)根据冲击性负载的自适应补偿控制算调整四象限整流/逆变单元(4)的功率输出，且令多重DC/DC单元(3)工作于Boost模式，实现固定直流母线电压不变，实现对冲击负载动态有功功率的补偿；

步骤五：当四象限整流/逆变单元(4)输出的功率总电流超出了补偿装置输出电流的额定值时，主控制器单元(1)根据P/Q容量自动分配控制算法，计算瞬变有功补偿电流和无功补偿电流，控制四象限整流/逆变单元(4)优先输出瞬变有功功率，同时输出无功功率；实现对天然气电站出现时的瞬变电流动态有功功率的补偿；

步骤六：当天然气电站存在非线性负载时，主控制器单元(1)根据谐波功率吸纳控制算法，调整四象限整流/逆变单元(4)输出谐波电流，使天然气发电机输出正弦波电流，实现对负载谐波功率的吸纳，实现对天然气电站出现非线性负载时的动态有功功率补偿。

6.根据权利要求5所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，其特征在于，步骤四所述的控制器单元(1)根据冲击性负载的自适应补偿控制算调整四象限整流/逆变单元(4)的功率输出的方法为：

通过电站网络信息检测单元(6)采集天然气电站的负载电流i_LOAD，同时采集补偿装置电流i_UPQC，对负载电流i_LOAD和补偿装置电流i_UPQC进行abc/dq坐标变换，获取负载有功电流i_qLOAD和补偿装置有功电流i_qUPQC；负载有功电流i_qLOAD通过高通滤波得到有功电流高频暂态分量i_hp，主控制器单元(1)控制四象限整流/逆变单元(4)输出有功电流i_qUPQC＝i_hp。

7.根据权利要求5所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，其特征在于，步骤五中四象限整流/逆变单元(4)输出的功率总电流为：式中，i_qUPQC为补偿侧有功电流；i_pUPQC为补偿侧无功电流；

当四象限整流/逆变单元(4)输出的功率总电流超出了补偿装置输出电流的额定值时；瞬变有功补偿电流为：i_qUPQC

无功补偿电流为：

8.根据权利要求5所述的天然气电站冲击负载动态补偿装置实现动态补偿的方法，其特征在于，步骤六中，当天然气电站存在非线性负载时，天然气电站中的负载有功电流为i_LOAD＝i_lLOAD+i_hLOAD，其中i_lLOAD为负载有功电流低频成分，i_hLOAD为负载有功电流高频成分；

控制器单元(1)根据谐波功率吸纳控制算法，调整四象限整流/逆变单元(4)输出谐波电流为：i_UPQC+i_hLOAD；

负载的负载有功电流高频成分由补偿装置输出，天然气发电机只输出负载有功电流的低频部分，天然气发电机输出正弦波电流。