CN113725856A - 一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，属于电能质量治理领域；一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置包括混合储能模块、逆变模块、双向晶闸管模块以及控制模块，可应用于银行、医院、芯片制造基地、电动汽车充电站等存在精密敏感和/或谐波负载的复杂环境中，在电网电压发生长时间暂降/中断时保持精密敏感负载电压恒定，在电网电压正常时进行谐波抑制/无功补偿/三相不平衡补偿并提高功率因数，能以较低的经济成本同时解决多种电能质量问题；本发明将超级电容模块与蓄电池模块集合于储能模块以发挥各自优势，通过投切双向晶闸管在电压和电流质量治理模式中切换，具有较强的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电能质量治理领域，具体涉及一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置。
背景技术
随着现在科技的不断发展，随着现代科技的发展，一方面，对电能质量敏感的用电设备不断普及，用户对电能质量要求越来越高；另一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，而电网随着众多非线性负载的接入，其无功和谐波问题也越加严重，而近年来分布式新能源发电的普及也对电能质量带来了新的挑战。目前电能质量主要包括电压暂降/暂升，谐波污染，功率因数低，三相不平衡等问题，相应的解决方案主要有动态电压恢复器(DVR)，不间断电源(UPS)，静止无功补偿器(SVG)，有源电力滤波器等，但上述解决方案难以同时解决多种电能质量问题。
目前在电能质量治理领域中，常常需要储能环节以提供对精密敏感负载的长期可靠供电，若采用蓄电池作为储能环节，则存在功率密度不够高、响应速度慢、电压波动工况下蓄电池频繁充放电影响使用寿命的缺陷；若采用超级电容作为储能环节，则存在能量密度不够高，难以满足长时间电压中断工况下的电压补偿需求。若将蓄电池和超级电容结合起来作为混合储能单元，并采用恰当的控制策略，则可结合二者优势，降低经济成本，延长使用寿命，提高工作性能。
目前在电能质量治理领域中，常常需要配置体积庞大、价格较高的工频变压器起电气隔离的作用，而通过投切双向晶闸管实现电气隔离，则可大大降低经济成本和占地面积。
综上所述，发明一种低成本的能同时解决电压质量和电能质量问题的多功能电能质量治理装置尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，能以较低的经济成本同时解决多种电能质量问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，包括混合储能模块，双向晶闸管模块，逆变模块以及控制模块；
进一步地，所述双向晶闸管模块中设置有双向晶闸管，双向晶闸管位于电网与谐波和/或敏感负载之间，混合储能模块与逆变模块的直流母线相连，逆变模块的输出端并联连接于双向晶闸管和谐波和/或敏感负载之间，双向晶闸管输入端与***电源相连。
进一步地，所述双向晶闸管模块由所述双向晶闸管和驱动保护电路组成。
进一步地，所述逆变模块包括三相逆变器和无源滤波器。
进一步地，所述无源滤波器采用LCL滤波器，在无源滤波器上安装电流和电压传感器，并反馈给所述控制模块。
进一步地，所述无源滤波器采用无源阻尼或有源阻尼方案保证LCL滤波器的稳定性，所述无源滤波器电网侧电感参数设计应计及电感压降以保证其电压补偿能力。
进一步地，所述混合储能模块包括蓄电池模块、超级电容模块以及双向DC-DC模块；超级电容模块由超级电容单体串并联组成，蓄电池模块由蓄电池组串并联而成；双向DC-DC模块负责分别将蓄电池模块和超级电容模块与电压源型逆变器的直流母线连接。
进一步地，所述蓄电池模块、超级电容模块和双向DC-DC模块的额定功率以及容量根据预先设定的额定功率及电压中断最大补偿时间决定。
进一步地，所述控制模块包含DSP控制芯片、采样电路以及驱动保护电路，控制模块负责控制算法的实现，并对逆变模块、混合储能模块和双向晶闸管模块进行协调控制。
进一步地，所述控制模块的控制方法包括：
S1：采集各路传感器信号，包括电网侧电压、负载侧电流、混合储能模块中超级电容和蓄电池端电压、双向DC-DC模块电流和装置温度；
S2：根据采集到的信号判断此时是否存在电能质量问题，并且按照先解决电压质量问题，再解决电流质量问题的顺序进行工作模式的切换，若此时不存在电能质量问题，则将装置切换为待机状态；
S3：当控制模块检测到电压质量问题时，双向晶闸管被强迫关断，逆变模块对敏感负载提供长时间可靠的供电，同时控制混合储能模块维持逆变模块直流母线电压恒定；当电压暂降/暂升持续时间较短时，仅由超级电容模块及其对应的双向DC-DC模块维持逆变模块直流母线电压恒定，蓄电池模块则不参与放电；当电压暂降/暂升持续时间较长，超级电容模块端电压下降到一定阈值时，蓄电池模块再参与放电并维持逆变模块直流母线恒定，当混合储能模块端电压低于一定安全阈值时，装置作停机处理。
S4：当装置的控制模块未检测到电压质量问题，只检测到电流质量问题时，此时双向晶闸管闭合，装置工作于谐波抑制/无功治理或三相不平衡治理模式，电压源型逆变器经无源滤波器输出补偿电流，抵消掉负载电流中的谐波/无功/不平衡分量，同时调节逆变模块直流侧母线电压；
在谐波及无功治理模式下，控制模块根据采样信号判断此时混合储能模块中双向DC-DC模块及蓄电池模块所应处的状态，若超级电容模块及蓄电池模块端电压不在额定范围内，则通过双向DC-DC模块进行调节；若超级电容模块及蓄电池模块恢复至额定范围内，则对双向DC-DC模块进行闭锁处理；
S5：当装置所处环境不存在电能质量问题，则装置处于待机状态，双向晶闸管保持导通，保障敏感负荷正常供电。
进一步地，当所述蓄电池参与放电并维持逆变模块直流母线恒定时，需先计算混合储能模块所需输出的功率给定值，并将该功率给定值的低频分量作为蓄电池及其对应的双向DC-DC模块输出功率的给定值，并采用电压外环电流内环的控制策略控制蓄电池组及其对应的双向DC-DC模块，而混合储能模块功率给定值的高频分量则作为超级电容及其对应的双向DC-DC模块输出功率的给定值，并通过单电流环的控制策略提高其响应速度，维持逆变模块直流母线电压恒定。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，电压暂降补偿时间较长，且具有电压中断补偿功能，并采用双向晶闸管模块实现装置和配电网的电气隔离，无需采用传统动态电压恢复器所需的工频变压器，从而降低了经济成本。
2、本装置能在判断电能质量类型后切换于不同的工作模式，在电网电压正常时进行谐波/无功/不平衡电流补偿，在电网电压发生暂降/中断时进行电压补偿，控制较为灵活。
3、本装置的混合储能模块兼具超级电容和蓄电池的优点，总体经济成本较低，电网电压发生暂升/暂降时，超级电容模块及其对应的双向DC-DC模块迅速反应，在短时间内输出大功率能量，保证装置对敏感负荷的可靠供电，避免蓄电池模块工作以确保蓄电池使用寿命；在电网电压暂升/暂降持续时间持续一段时间，超级电容模块端电压低于阈值后，蓄电池模块及其对应的双向DC-DC模块投入工作并作为装置主要能量来源，超级电容模块及其双向DC-DC模块只负责平抑逆变器直流母线的高频波动，避免蓄电池模块频繁充放电，以延长蓄电池使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的治理装置结构示意图；
图2是本发明实施例的治理装置电路拓扑图；
图3(a)和图3(b)分别为本发明实施例的超级电容单体串并联、锂电池组并联的电路原理图；
图4是本发明实施例的混合储能模块示意图；
图5是本发明实施例的治理装置的工作模式示意图
图6是本发明实施例的无源滤波器示意图；
图7是本发明实施例的蓄电池和超级电容同时参与放电时的协同控制框图；
图8是本发明实施例的谐波/无功治理模式的控制框图；
图9是本发明实施例的电压补偿模式的控制框图；
图10是本发明实施例的电压补偿模式的仿真波形；
图11是本发明实施例的谐波/无功治理模式的仿真波形；
图12是本发明实施例的超级电容模块通过双向DC-DC模块充放电，维持逆变模块直流母线电压恒定的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和一个电压等级380V，容量为15kVA的实施例对本发明的具体实施方式进行说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其结构包括混合储能模块，双向晶闸管模块，逆变模块，控制模块；其中，混合储能模块包括超级电容模块和蓄电池模块和双向DC-DC模块，双向DC-DC模块负责分别将蓄电池模块和超级电容模块与电压源型逆变器的直流母线连接；双向晶闸管模块由双向晶闸管和驱动保护电路组成，逆变模块包括无源滤波器和三相逆变器；
本发明的各部件的具体实施方式说明如下：
如图2所示，当所述治理装置应用于三相四线制配电网时，可采用两电平的电容***式拓扑，并将逆变模块直流母线中点与***中线相连，将无源滤波器中性点与***中线相连，并采用软硬件方案保持直流母线中点电压平衡。
混合储能模块与逆变模块的直流母线并联，双向晶闸管模块介于电网与谐波和/或敏感负荷之间，逆变模块交流输出端并联到双向晶闸管和谐波和/或敏感负荷之间，双向晶闸管输入端与***电源相连。当治理装置处于无功/谐波/三相不平衡补偿模式时，双向晶闸管处于闭合状态，当电压暂降/暂升发生时，双向晶闸管将被强制关断，由逆变模块为负载进行供电。
如图3所示，混合储能模块中的超级电容模块采用超级电容单体进行串并联的方案，以提升其总体容量及端电压，蓄电池模块由蓄电池组并联而成；
如图4所示，混合储能模块中的蓄电池与超级电容的容量与功率可根据实施例的要求进行选型与配置，在本实施例额定容量为15kVA的前提下。根据本实施例给出的额定容量，在保证对敏感负载进行持续1小时的可靠供电的目标下，混合储能模块可选用串联三个MAXWELL公司生产的“BMOD0165 P048C01”超级电容模组以满足短时间输出15kW的功率需求，而由于该超级电容模组容量有限，在持续输出15kW功率的情况下其电量只能维持约半分钟，因此采用性价比高、稳定可靠的铅酸蓄电池模组以满足治理装置对敏感负荷可靠供电的能量需求，若选用额定电压为48V，容量为400AH的蓄电池模组则可支撑额定功率为15kW的负荷大于1小时的时间。从成本和稳定性的角度考虑，治理装置中的混合储能模块的蓄电池若采用铅酸蓄电池，则可获得相较于锂电池而言价格更低、容量更大、支持浮充、循环寿命更长的优点；而当治理装置应用于银行等对占地面积有较高要求的场合，则也可牺牲经济性，采用能量密度较高的锂电池以减小装置整体体积。
如图5所示，治理装置工作时，首先进行模数转换(ADC)采样，包括电网侧电压、负载侧电流、混合储能模块中超级电容和蓄电池端电压、混合储能模块中双向DC-DC模块电流、装置温度。通过采集到的负载电流和电网电压信号，判断此时是否存在电压暂降/暂升，电流谐波/无功等电能质量问题，若此时不存在电能质量问题，则令装置处于待机状态；若此时存在电能质量问题，则按照先解决电压质量问题，保证敏感负载供电正常，再抑制负载侧电流谐波/无功分量的优先级解决电能质量问题。当装置处于不间断电源(UPS)模式，负责解决电压质量问题时，双向晶闸管被强制关断，双向DC-DC模块将超级电容/蓄电池的能量传递给逆变器直流侧电容，数字信号处理器(DSP)控制器根据负载侧采集到的电压和无源滤波器上采集到的电感电流构成闭环控制，保证负载侧电压稳定；当处于谐波/无功治理模式时，双向晶闸管保持导通状态，双向DC-DC模块动态调节使蓄电池及超级电容电压保持在额定范围内，当混合储能模块端电压正常时，双向DC-DC模块保持闭锁状态以减少能量损失，DSP控制器根据负载侧采集到的电流计算出此时电流的无功/谐波分量，并与无源滤波器上采集到的电感电流构成控制闭环，使治理装置此时输出与谐波/无功电流幅值相同、相位相反的电流，减小电源电流的谐波含量，提高***的功率因数。
如图6所示，为使逆变模块中的无源滤波器同时具有电压质量治理和电流质量治理的能力，可选择LCL滤波器，其参数设计要求为：
(1)能有效抑制开关次谐波；
(2)保证治理装置在谐波治理模式下能正常输出低次谐波电流，以保证治理装置在谐波治理模式下输出的补偿电流能与负载电流中的谐波分量抵消，减少电源电流中的谐波成分，提高电网的功率因数；
(3)若无源滤波器选用LCL滤波器，则其电网侧电感不宜过大，以限制其电感压降，保证治理装置在电压补偿模式下的电压控制精度。
同时，LCL滤波器需采用如图6(a)所示的有源阻尼方案或如图6(b)所示的无源阻尼方案以确保稳定性，同时采集负载侧电压uL和装置输出补偿电流ic进行闭环控制。
如图7所示，当电压暂降时间较长致使超级电容端电压下降过多时，应采用蓄电池与超级电容协同充放电的方案。由于蓄电池循环寿命有限，因此不能过度充放电，从而需要利用高通滤波器将功率给定值的高频分量分配给超级电容模块，利用低通滤波器将功率给定值的低频分量分配给蓄电池模块。由于蓄电池模块其控制的基本目的是稳定直流母线端电压，维持治理装置提供长时间的电能支撑，因此基本控制策略选择电压外环、电流外环的闭环控制；而超级电容模块控制的基本目的是响应混合储能模块目标功率的高频分量，因此采用单电流环闭环控制提高响应速度。由于本实施例中，蓄电池模块采用蓄电池组进行并联以提高输出功率的方案，因此采用下垂控制抑制环流。
如图8所示，在治理装置处于谐波治理模式时，首先对负载侧电流iLa,b,c进行dq变换，并对其dq轴分量iLd,q进行低通滤波得到dq轴上的直流分量iLdf,qf，若将其进行dq反变换则可得到负载电流中的基波分量；同时治理装置直流侧电容电压也通过d轴上的PI调节器进行调节。负载电流减去其基波分量及直流电容电压对应PI控制器的输出即可得到治理装置在谐波治理模式下的电流给定值iabcref，与此时治理装置实际输出的电流相减再经过PI调节器处理即可得到调制信号；当DSP主频较高，运算能力较强时，也可在不改变同步旋转坐标系的条件下将PI调节器替换为多重PR控制器，亦可在只用PI调节器的前提下设置多个旋转频率不同的同步旋转坐标系，以同时抑制多个频次下的电流谐波。
如图9所示，在治理装置处于UPS模式时，采用电压外环和电流内环的双闭环控制策略提高控制精度，首先将负载侧电压进行dq轴变换，并与预先设定好的负载侧电压dq轴分量给定值进行比较，经dq解耦后，得到电流内环的给定值，与治理装置输出的电流经PI控制器构成闭环。
如图10仿真波形所示，治理装置具有在电网电压发生跌落时的应对能力，在0到0.1s时间段电网电压usa,usb,usc处于正常状态，双向晶闸管触发信号保持导通，在0.1到0.2s时间段电网电压发生电压暂降，当电网电压发生暂降时，治理装置切换为UPS模式，此时混合储能模块的能量通过双向DC-DC模块及逆变器被输送到负载侧保持负载侧电压uLa,uLb,uLc恒定。
如图11仿真波形所示，治理装置在电网正常的工况下具有谐波/无功治理能力，在0到0.1s时间段内电网电压处于正常工况时，治理装置处于谐波治理模式，治理装置输出补偿电流ica,icb,icc抑制负载侧电流iLa,iLb,iLc中的谐波分量，使得电源电流isa,isb,isc保持正弦，从而提高了电网的功率因数，减小了损耗。
如图12仿真波形所示，在0.1s电网电压发生跌落时，逆变模块直流电压udc迅速下降，检测到直流母线电压udc跌落后，超级电容及其对应的双向DC-DC模块随之投入，直流母线电压udc在短时间内迅速恢复至给定值，而超级电容电压usc则一直处于缓慢下降的状态。双向DC-DC模块采用互补PWM调制并工作于连续导通模式，双向DC-DC模块的电感电流idc由于PI控制器的限幅作用而被限制在安全范围内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述治理装置包括混合储能模块，双向晶闸管模块，逆变模块以及控制模块；
所述双向晶闸管模块中设置有双向晶闸管，双向晶闸管位于电网与谐波和/或敏感负载之间，混合储能模块与逆变模块的直流母线相连，逆变模块的输出端并联连接于双向晶闸管和谐波和/或敏感负载之间，双向晶闸管输入端与***电源相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述双向晶闸管模块由所述双向晶闸管和驱动保护电路组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述逆变模块包括三相逆变器和无源滤波器。
4.根据权利要求3所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述无源滤波器采用LCL滤波器，在无源滤波器上安装电流和电压传感器，并反馈给所述控制模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述无源滤波器参数设计需考虑电网侧电感压降，以确保治理装置电压补偿的效果，无源滤波器采用无源阻尼或有源阻尼方案以保证LCL滤波器的稳定性。
6.根据权利要求2所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述混合储能模块包括蓄电池模块、超级电容模块以及双向DC-DC模块；超级电容模块由超级电容单体串并联组成，蓄电池模块由蓄电池组串并联而成；双向DC-DC模块负责分别将蓄电池模块和超级电容模块与电压源型逆变器的直流母线连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述蓄电池模块、超级电容模块和双向DC-DC模块的额定功率以及容量根据预先设定的额定功率及电压中断最大补偿时间决定。
8.根据权利要求7所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述控制模块包含DSP控制芯片、采样电路以及驱动保护电路，控制模块负责控制算法的实现，并对逆变模块、混合储能模块和双向晶闸管模块进行协调控制。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，所述控制模块的控制方法包括：
S1：采集各路传感器信号，包括电网侧电压、负载侧电流、混合储能模块中超级电容和蓄电池端电压、双向DC-DC模块电流和装置温度；
S2：根据采集到的信号判断此时是否存在电能质量问题，并且按照先解决电压质量问题，再解决电流质量问题的顺序进行工作模式的切换，若此时不存在电能质量问题，则将装置切换为待机状态；
S3：当控制模块检测到电压质量问题时，双向晶闸管被强迫关断，逆变模块对敏感负载提供长时间可靠的供电，同时控制混合储能模块维持逆变模块直流母线电压恒定；当电压暂降/暂升持续时间较短时，仅由超级电容模块及其对应的双向DC-DC模块维持逆变模块直流母线电压恒定，蓄电池模块则不参与放电；当电压暂降/暂升持续时间较长，超级电容模块端电压下降到一定阈值时，蓄电池模块再参与放电并维持逆变模块直流母线恒定，当混合储能模块端电压低于一定安全阈值时，装置作停机处理；
S4：当装置的控制模块未检测到电压质量问题，只检测到电流质量问题时，此时双向晶闸管闭合，装置工作于谐波抑制/无功治理或三相不平衡治理模式，电压源型逆变器经无源滤波器输出补偿电流，抵消掉负载电流中的谐波/无功/不平衡分量，同时调节逆变模块直流侧母线电压；
在谐波及无功治理模式下，控制模块根据采样信号判断此时混合储能模块中双向DC-DC模块及蓄电池模块所应处的状态，若超级电容模块及蓄电池模块端电压不在额定范围内，则通过双向DC-DC模块进行调节；若超级电容模块及蓄电池模块恢复至额定范围内，则对双向DC-DC模块进行闭锁处理；
S5：当装置所处环境不存在电能质量问题，则装置处于待机状态，双向晶闸管保持导通，保障敏感负荷正常供电。
10.根据权利要求9所述的一种基于混合储能和晶闸管的多功能电能质量治理装置，其特征在于，当所述蓄电池参与放电并维持逆变模块直流母线恒定时，需先计算混合储能模块所需输出的功率给定值，并将该功率给定值的低频分量作为蓄电池及其对应的双向DC-DC模块输出功率的给定值，并采用电压外环电流内环的控制策略控制蓄电池组及其对应的双向DC-DC模块，而混合储能模块功率给定值的高频分量则作为超级电容及其对应的双向DC-DC模块输出功率的给定值，并通过单电流环的控制策略提高其响应速度，维持逆变模块直流母线电压恒定。
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