CN109638866A - 基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，包括低通滤波器、旁路开关、主开关、耦合变压器、变流装置和储能装置。1)采用永磁开关作为主开关、采用永磁开关和晶闸管开关并联作为旁路开关，解决供电与储能切换的可靠性问题和切换过程的电压畸变的问题；2)采用混合储能方式，解决单一储能方式带来的不足。3)采用IGBT全控型双向变流器，简化了充放电结构。能够保证供给负载侧的电压始终保持在正常范围内，即使在电源侧停止、无法对负载供电的情况下，也能做到电压的暂降补偿，利用储能装置将电能供给负载。

Description

基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置

技术领域

本发明涉及电力***电压补偿技术领域，特别涉及一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置。

背景技术

随着经济与社会的发展，电网的规模愈发庞大，其结构也日趋复杂。电网正常运行时，其电压通常稳定在某一正常范围内，以保证其供给的负荷能够工作在最佳状态。但在电网运行过程中，时常会出现各种各样的干扰因素，使得电网电压发生波动，当电压波动幅度过大，超出正常范围时，会对供电负荷带来许多不利影响。例如，当***中出现短路故障或负荷突然大量接入时，会使电网电压下降，这种不正常的低电压会使生产线上的设备无法正常工作，造成产品的报废，甚至可能会损坏设备，造成停产。因此需要采取措施保证负荷能够始终得到稳定的、不间断的电能供给。

常用措施为采用电压补偿装置。当对负荷的电能供给出现不足，使得负荷电压水平低于正常范围时，电压补偿装置能够起到电源的作用，为负荷提供电能，将负荷的电压补偿至正常范围。可分为差量补偿与暂降补偿。差量补偿指对负荷电压进行实时监控，当其偏离正常范围时，将偏离量作为控制量，通过一定的控制策略，令电压补偿装置补偿这一偏离量，补偿的为正常电压水平与实际电压水平的差值。暂降补偿指预先确定正常电压水平，当负荷电压偏离正常水平时，电源部分断开，仅由补偿装置将负荷电压补偿至正常水平，待电源侧引起电压波动的因素消除后，再重新由电源供电。相比差量补偿，暂降补偿措施对监测与控制部分要求较低，只需预设预设一个固定的补偿值即可，在电压波动较为频繁的情况下不易发生故障，仍能有效补偿，但对补偿能力的要求较高，此外采用暂降补偿时，由于故障情况下仅由补偿装置对负荷供电，因此要求装置的供电可靠性要高。

现有技术的不足主要体现在三个方面：

第一方面是开关的切换时间一般都在毫秒级，中间存在的过渡时间比较长，最长的能达到10毫秒左右。此外，在切换过程中产生电压畸变，对精密仪器及设备存在较大的安全隐患。

第二方面是开关装置的可靠性。在上述技术方案中，开关装置(主开关与旁路开关)是保证装置能够正常发挥作用的核心部分。当主开关与旁路开关正常工作时，通过上一部分所述工作流程，能够保证在任何情况下对负荷的不间断供电。当任何一个开关出现异常时，都会使得装置无法保证在任何情况下对负荷的不间断供电，因此开关装置的可靠性对装置至关重要。目前已有的技术方案中基本都采用技术较为成熟的基于弹簧操动机构的机械开关。这种机械开关利用弹簧的弹性势能实现开关的打开与闭合，由于完全依靠机械传动装置，因此整体机构较为复杂，所用零件较多，使用寿命较短，无法满足长时间频繁动作的要求。

第三方面是储能部分的储能方式。储能方式的选择关乎装置的供电能力。目前主流的储能方式包括蓄电池储能与超级电容器储能两种方式，针对这两种储能方式对应的控制策略已有多项专利进行了研究。但目前采取的都为单一储能方式，即从蓄电池组与超级电容器组之间选择一种作为储能元件，并配合相应的控制策略组成完整的储能部分。这两种储能元件都存在各自的缺点。单一蓄电池组储能方式的缺点在于受蓄电池充电特性的限制，只适合吸收波动较小、输出较为平稳的电能，在电能波动较大的***中，其吸收作用会受到很大影响，造成吸收过程中电能的浪费，甚至可能受此影响，蓄电池组自身受到损坏。单一超级电容器组储能方式的缺点在于受制造技术的限制，相比蓄电池组，其所能吸收并储存的电能较少，此外超级电容器组自身造价相对较高，大量投入时不够经济。

从以上三个方面可以看出，对传统电压补偿方法的开关装置予以改进，将储能方式由单一储能方式转变为混合储能方式，对于降低装置的切换时间、提高装置的可靠性、优化装置的补偿能力具有创新价值。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，1)采用永磁开关作为主开关、采用永磁开关和晶闸管开关并联作为旁路开关，解决供电与储能切换的可靠性问题和切换过程的电压畸变的问题；2)采用混合储能方式，解决单一储能方式带来的不足。3)采用IGBT全控型双向变流器，简化了充放电结构。能够保证供给负载侧的电压始终保持在正常范围内，即使在电源侧停止、无法对负载供电的情况下，也能做到电压的暂降补偿，利用储能装置将电能供给负载。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，包括低通滤波器、旁路开关、主开关、耦合变压器、变流装置和储能装置。

由电网的供电电源端至负载端依次连接所述的低通滤波器和主开关；所述的主开关两端并联旁路开关；在主开关与负载之间的输电线路上引出一路交流电源，此路交流电源依次通过耦合变压器和变流装置连接至储能装置。

所述的主开关为永磁开关断路器一；所述的旁路开关由永磁开关断路器二和晶闸管开关并联构成。

所述的储能装置包括储能蓄电池组和储能电容器组；所述的储能蓄电池组为多个蓄电池串联而成，所述的储能电容器组为由多个储能电容串联构成；储能蓄电池组与储能电容器组并联，并联的两端连接变流装置的直流侧两端。

所述的晶闸管开关为双向可控硅开关。

所述的变流装置采用IGBT全控双向整流逆变变流器。

一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、由电网电压监测电路实时监测电源侧电压；初始状态下主开关闭合，旁路开关断开；

步骤二、当检测到电源侧电压在正常值范围内时，主开关保持闭合状态，旁路开关保持断开状态，储能装置内充电装置动作，变流装置不工作，吸收电源侧的电能并储存起来，直至满容量；线路上电能流向为：电源—主开关—负载；

步骤三、当检测到电源侧电压因波动而超出或低于正常范围时，监测电路发出信号令主开关断开，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置停止工作，变流装置开始工作，储能装置将储存的能量输送给负载侧，使负载侧的电压与电源侧供电时负载侧的电压保持一致，即实现电压的补偿；此时线路上电能流向为：储能装置—耦合变压器—负载；

步骤四、当检测到电源侧电压重新回到正常值范围内时，监测电路发出信号令主开关闭合，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置开始工作，变流装置停止工作，吸收电源侧的电能弥补之前消耗的电能；线路上电能流向为：电源—主开关—负载；电源—耦合变压器—储能装置；

步骤五、当主开关发生故障或需要检修时，主开关断开，旁路开关闭合，使电源侧与负载侧仍保持连通；旁路开关动作时，双向可控硅先动作，永磁开关再动作；等永磁开关完全接通后，双向可控硅停止工作；此时线路上电能流向为：电源—旁路开关—负载。

进一步地，当电源侧与负载侧之间电路连通时，储能装置从电源侧吸收电能并储存下来，在吸收时，由控制装置首先将交流电能分解，利用傅里叶变换，将电能分解为两部分：一部分为波动频率较大但幅值较小的分量，整流后送至储能电容器组储存；另一部分为波动频率较小但幅值较大的分量，整流后送至储能蓄电池组储存。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用永磁开关装置取代传统的弹簧机构机械开关，选用了以永磁操动机构为中心的机械开关。与传统机械开关相比，永磁机械开关采用双线圈控制方式，即合闸线圈只控制合闸动作，分闸线圈只控制分闸操作，提高了开关装置的可靠性。同时，与传统的弹簧操动机构相比，传动机构大大简化，使用寿命也提高了三倍左右。

2、旁路开关部分采用永磁机械开关与双向可控硅电子开关相结合的方法。发挥双向可控硅电子开关速度快的优势，保证负荷电源不间断。同时，当永磁机械开关开通后，双向可控硅电子开关停止工作，降低了电子开关的运行损耗。此外，电子开关不用加散热装置。

3、储能部分取代传统的单一储能方式，采用蓄电池组—超级电容器组混合储能方式。既可以减小波动较大的电能对蓄电池组的冲击，同时也能防止幅值过大的电能对超级电容器组的损害。在可靠性与经济性上都要由于单一储能方式。

4、储能部分无需单独配备一台变压器和一套整流单元或充电单元，可以与变流部分共用一台变压器，并且只用一套变流单元实现分时充电与放电。节省了投资，减小了占地面积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的储能装置及变流装置结构图；

图3是双向可控硅开关电路图；

图4是IGBT全控双向整流逆变变流器电路结构图；

图5是永磁开关断路器的铁芯及双线圈结构原理图。

1-动铁心 2-永久磁铁 3-合闸线圈 4-分闸线圈 5-静铁心。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，包括低通滤波器、旁路开关、主开关、耦合变压器、变流装置和储能装置。

由电网的供电电源端至负载端依次连接所述的低通滤波器和主开关；所述的主开关两端并联旁路开关；在主开关与负载之间的输电线路上引出一路交流电源，此路交流电源依次通过耦合变压器和变流装置连接至储能装置。

所述的主开关为永磁开关断路器一；所述的旁路开关由永磁开关断路器二和晶闸管开关并联构成。

如图2所示，所述的储能装置包括储能蓄电池组和储能电容器组；所述的储能蓄电池组为多个蓄电池串联而成，所述的储能电容器组为由多个储能电容串联构成；储能蓄电池组与储能电容器组并联，并联的两端连接变流装置的直流侧两端。

如图3所示，所述的晶闸管开关为双向可控硅开关。

如图4所示，所述的变流装置采用IGBT全控双向整流逆变变流器。

1、低通滤波器

低通滤波器功能为滤除输送过程中的谐波，也可起到减小电压波动的作用。通常由各种电力电子设备组成，以实现其滤波功能。低通滤波器可以为现有技术中的任何一种低通滤波器类型。

2、主开关

主开关功能为控制电源侧与负载侧之间电路的连通。当主开关断开时，电源侧与负载侧之间电路断开，电源侧停止向负载侧提供电能；当主开关闭合时，电源侧与负载侧之间电路连通，此时由电源侧向负载侧提供电能。

结构方面，本方案中主开关采用永磁机械式开关断路器。主永磁开关断路器为高压领域中使用的一种断路器形式，其铁芯组成部分原理如图5，包括可动铁心1、永久磁铁2、合闸线圈3、分闸线圈4、静铁心5。动铁心1与开关刀臂相连，带动开关上下移动。静铁心5的上半部分为分闸位置、下半部分为合闸位置。永久磁铁2用于提供永久磁场，将动铁心保持在某一位置。合闸线圈3与分闸线圈4用于在通电时产生可变磁场，带动动铁心1上下移动。

主开关工作过程为：当开关处于断开位置时，动铁心1位于静铁心5上半部分，受此影响，永久磁铁2产生的磁场集中在动铁心1的上半部分，产生的吸引力将动铁心1保持在静铁心5上半部分，使得开关一直处于断开状态，不会误动闭合；当需要开关闭合时，首先给合闸线圈3通电，合闸线圈3产生的磁场作用于动铁心1下半部分，产生足够大的吸引力，克服永久磁铁2的吸引力，使动铁心1移动至静铁心5的下半部分，同时带动开关闭合；当动铁心1到达合闸位置，开关闭合之后，合闸线圈3不再通电，可变磁场消失，此时受动铁心1位置影响，永久磁铁2产生的磁场集中在动铁心的下半部分，产生的吸引力将动铁心保持在静铁心5下半部分，使得开关一直处于闭合状态，不会误动断开；当需要开关断开时，首先给分闸线圈4通电，分闸线圈4产生的磁场作用于动铁心1上半部分，产生足够大的吸引力，克服永久磁铁2的吸引力，使动铁心1移动至静铁心的上半部分，同时带动开关断开。

3、旁路开关

在电路中并联于主开关两端。主要功能为在主开关由于自身故障或是因例行检修的需要而无法闭合时，通过闭合旁路开关，使得电源侧与负载侧之间电路仍处于连通状态，不影响对负载的正常供电，起后备保护的作用。

本方案中旁路开关采用永磁机械开关断路器加晶闸管(可控硅)双向开关的方式。

4、储能单元

储能单元采用蓄电池与超级电容相结合的方式。

储能单元的功能在于当电源侧因各种原因无法向负载测提供电能时，作为电源将自身储存的能量提供给负载，充当电源的作用。主要组成部分为蓄电池组、超级电容器组、充电单元。蓄电池组为一系列蓄电池串联而成，超级电容器组为一系列超级电容器串联而成。蓄电池组与超级电容器组之间为并联关系，用于储存电能并在合适的时候提供给负载。充电单元实现交流电与直流电之间的转化。由于储能元件只能吸收与释放直流电能，而电源侧与负载侧所流通的电能为三相交流电，因此需要变流单元将电能转化为直流。充电单元由变流单元来实现，节省了一套充电单元。

储能单元的工作流程如下：

当电源侧与负载侧之间电路连通时，储能单元从电源侧吸收电能并储存下来。

当电源侧与负载侧之间电路断开时，储能单元充当电源，将自身所储存的电能经变流装置后送至负载侧，补偿负载侧与电源侧断开而降低的电压，保证负载仍能得到合适的电能供给，实现不间断供电。

5、耦合变压器

耦合变压器功能为变换电压等级。由于蓄电池与超级电容器的充电电压较低，因此需要利用耦合变压器对降低输入至储能元件的电压，防止电压过高损坏元件，同时抬高储能元件输出至负载侧的电压，以保证负载的正常供电。

所述装置的工作流程如下：

由现有的电网电压监测电路实时监测电源侧电压。初始状态下主开关闭合，旁路开关断开。

当检测到电源侧电压在正常值范围内时，主开关保持闭合状态，旁路开关保持断开状态，储能装置内充电装置动作，变流装置不工作，吸收电源侧的电能并储存起来，直至满容量。线路上电能流向为：电源—主开关—负载。

当检测到电源侧电压因波动而超出或低于正常范围时，监测电路发出信号令主开关断开，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置停止工作，变流装置开始工作，储能装置将储存的能量输送给负载侧，使负载侧的电压与电源侧供电时负载侧的电压保持一致，即实现电压的补偿。此时线路上电能流向为：储能装置—耦合变压器—负载。

当检测到电源侧电压重新回到正常值范围内时，监测电路发出信号令主开关闭合，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置开始工作，变流装置停止工作，吸收电源侧的电能弥补之前消耗的电能。线路上电能流向为：电源—主开关—负载；电源—耦合变压器—储能装置。

当主开关发生故障或需要检修时，主开关断开，旁路开关闭合，使电源侧与负载侧仍保持连通。旁路开关动作时，双向可控硅先动作，永磁开关再动作。等永磁开关完全接通后，双向可控硅停止工作。此时线路上电能流向为：电源—旁路开关—负载。

进一步地，当电源侧与负载侧之间电路连通时，储能装置从电源侧吸收电能并储存下来，在吸收时，由控制装置首先将交流电能分解，利用傅里叶变换，将电能分解为两部分：一部分为波动频率较大但幅值较小的分量，整流后送至储能电容器组储存；另一部分为波动频率较小但幅值较大的分量，整流后送至储能蓄电池组储存。

通过以上工作过程，能够保证供给负载侧的电压始终保持在正常范围内，即使在电源侧停止无法对负载供电的情况下，也能做到电压的暂降补偿，利用储能装置将电能供给负载。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (4)

1.一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，其特征在于，包括低通滤波器、旁路开关、主开关、耦合变压器、变流装置和储能装置；

由电网的供电电源端至负载端依次连接所述的低通滤波器和主开关；所述的主开关两端并联旁路开关；在主开关与负载之间的输电线路上引出一路交流电源，此路交流电源依次通过耦合变压器和变流装置连接至储能装置；

所述的主开关为永磁开关断路器一；所述的旁路开关由永磁开关断路器二和晶闸管开关并联构成；

所述的储能装置包括储能蓄电池组和储能电容器组；所述的储能蓄电池组为多个蓄电池串联而成，所述的储能电容器组为由多个储能电容串联构成；储能蓄电池组与储能电容器组并联，并联的两端连接变流装置的直流侧两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，其特征在于，所述的晶闸管开关为双向可控硅开关。

3.根据权利要求1所述的一种基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置，其特征在于，所述的变流装置采用IGBT全控双向整流逆变变流器。

4.一种权利要求1所述的基于快速切换开关及混合储能的暂态电压主动防御装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、由电网电压监测电路实时监测电源侧电压；初始状态下主开关闭合，旁路开关断开；

步骤二、当检测到电源侧电压在正常值范围内时，主开关保持闭合状态，旁路开关保持断开状态，储能装置内充电装置动作，变流装置不工作，吸收电源侧的电能并储存起来，直至满容量；线路上电能流向为：电源—主开关—负载；

步骤三、当检测到电源侧电压因波动而超出或低于正常范围时，监测电路发出信号令主开关断开，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置停止工作，变流装置开始工作，储能装置将储存的能量输送给负载侧，使负载侧的电压与电源侧供电时负载侧的电压保持一致，即实现电压的补偿；此时线路上电能流向为：储能装置—耦合变压器—负载；

步骤四、当检测到电源侧电压重新回到正常值范围内时，监测电路发出信号令主开关闭合，旁路开关仍保持断开状态，储能装置内充电装置开始工作，变流装置停止工作，吸收电源侧的电能弥补之前消耗的电能；线路上电能流向为：电源—主开关—负载；电源—耦合变压器—储能装置；

步骤五、当主开关发生故障或需要检修时，主开关断开，旁路开关闭合，使电源侧与负载侧仍保持连通；旁路开关动作时，双向可控硅先动作，永磁开关再动作；等永磁开关完全接通后，双向可控硅停止工作；此时线路上电能流向为：电源—旁路开关—负载。