用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置的製作方法

2023-10-17 02:12:29 1

專利名稱：：用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，屬於電力電子
技術領域：
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背景技術：
：作為一種清潔能源，風力發電近年來得到了迅猛發展。由於自然界中風能是變化的，因此風力發電系統所發出的有功功率亦是波動的。隨著併入電網的風電場容量的不斷增大，這個波動將會引起嚴重的電能質量問題並危害到電網的穩定運行。因此，風力發電系統中需要裝入有能夠進行有功功率調節、抑制電能波動的電力裝置。另外，在電網發生擾動或故障時，一般還需要風力發電場對電網具有足夠的動態無功功率支撐能力，即向電網發送無功功率，從而穩定電網電壓和頻率。因此，風力發電場自身還需要裝備能夠進行無功功率調節、穩定電網電壓的電力裝置。目前在風力發電系統的實際應用中，一般使用電能儲存裝置對有功功率進行調節，例如當風機發出的有功功率大於電網所需功率時就將多餘的有功存儲在電池、超級電容等儲能元件中；當發出的有功功率小於電網所需功率時則將儲能元件中的能量送入電網。對於無功功率的調節，現在則大多採用並聯的補償電容器組或靜止無功補償器、靜止無功發生器等無功補償裝置來實現。其中投切電容器組雖然在一定程度上可以實現無功補償，但因其調節不平滑、響應速度慢並且補償容量受裝置自身容量的限制，在實際中的補償效果並不好。而基於電力電子逆變技術的動態無功補償裝置，如靜止無功補償器、靜止無功發生器等，由於採用了門極可關斷晶閘管、絕緣柵雙極電晶體等大功率全控器件，不僅可以吸收還可以向電網發送無功，能夠更加快速有效地實現對無功功率的調節。但這類系統沒有對風電場輸出的有功功率的波動進行抑制的功能。
發明內容本發明的目的是提出一種用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，該裝置採用級聯多個單相全橋逆變單元的方式實現高壓併網，利用每個單元直流母線上的大電容對無功功率和瞬時變化的有功功率進行調節，利用每個單元直流母線上的電池組單元(以下簡稱BBU)對緩慢變化的有功功率進行調節。該裝置將有功功率調節和無功功率調節的功能集於一身，具有較強的動態調節能力，運行中無諧波輸出，並且無需併網變壓器、佔地面積小、維護簡單，相較於目前風力發電系統中所使用的儲能裝置或無功補償裝置具有更加全面的功能和十分突出的性價比優勢。本發明提出的用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，包括U相級聯單元、V相級聯單元和W相級聯單元，三相級聯單元之間成星型連接；每相級聯單元由n個全橋逆變單元、n個大電容器組、n個自動開關和n個電池組單元組成，所述的n個全橋逆變單元相互串聯，每個級聯單元中的第一個全橋逆變單元的首端與相應的電抗器相連，每個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端與另外兩個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端相連；所述的每個全橋逆變單元中的直流母線與所述的大電容器組相併連；所述的電池組單元通過自動開關與所述的大電容器組相連；所述的全橋逆變單元由4個絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管組成，絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管成橋式連接；所述的電池組單元由一個電池組和一個雙向"直流_直流"變換器組成，電池組與雙向"直流_直流"變換器相連；三臺電抗器，用於根據電能調節裝置接入點的電壓與級聯單元產生的電壓在電抗器上的電壓降產生調節電流，並濾除來自級聯單元電流的高次諧波，三臺電抗器的一端分別與相應的級聯單元相連，三臺電抗器的另一端分別與三個斷路器相連；三個斷路器，用於在電能調節裝置發生故障或維修時使三相級聯單元與電網切斷，三個斷路器的一端分別與相應的三臺電抗器相連，三個斷路器的另一端分別與相應的隔離開關相連；三個隔離開關，用於在斷路器斷開時保證三相級聯單元與電網完全切斷，三個隔離開關的一端分別與相應的三個斷路器相連，三個隔離開關的另一端分別與電網的三相連接。本發明提出的用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，其優點在於1、本發明提出的電能調節裝置，具有有功波動和無功調節、以及三相電壓不平衡補償等功能，一機多用，與已有的儲能裝置或無功補償裝置相比，功能更為全面，性價比優勢十分明顯。2、本發明提出的電能調節裝置，能夠完全替代現有的動態無功補償裝置實現對電網的無功補償功能，但是比起現有的靜止補償器等裝置來說，省去了複雜笨重的併網變壓器，結構簡單，佔地面積小。3、本發明提出的電能調節裝置，在對風力發電電能波動的調節中，與已有的儲能裝置相比，由於利用了直流母線上大電容的充放電能力，從而對快速波動的輸入電能具有更好的調節作用。4、本發明提出的電能調節裝置，BBU可以在線切出或投入，這對於定期維護或更換BBU中的電池組而言，操作容易而且安全。圖1是本發明提出的電能裝置的結構示意圖。圖2是圖1中電池組單元的結構示意圖。圖3是利用本發明裝置實現有功功率和無功功率控制的框圖。圖4是本發明裝置的四個基本工作狀態原理圖。圖5是利用本發明裝置採用有功控制所得到的運行曲線圖。圖6是利用本發明裝置採用無功控制所得到的運行曲線圖。具體實施例方式本發明提出的用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，其結構如圖l所示，包括U相級聯單元、V相級聯單元和W相級聯單元，三相級聯單元之間成星型連接；每相級聯單元由n個全橋逆變單元、n個大電容器組(Cul、Cu2……Cj、n個自動開關(K^……Kn)和n個電池組單元組成，所述的n個全橋逆變單元相互串聯，每個級聯單元中的第一個全橋逆變單元的首端與相應的電抗器相連，每個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端與另外兩個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端相連；所述的每個全橋逆變單元中的直流母線與所述的大電容器組相併連；所述的電池組單元通過自動開關與所述的大電容器組相連；所述的全橋逆變單元由4個絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管組成，絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管成橋式連接；所述的電池組單元，其結構如圖2所示，由一個電池組和一個雙向DC/DC變換器組成，電池組與雙向DC/DC變換器相連；三臺電抗器(Lu、Lv、Lw)，分別用於1)根據電能調節裝置接入點的電壓(usu，usv，usw)與級聯單元產生的電壓(uu，Uv，uw)在其上的電壓降來產生調節電流；2)濾除來自級聯單元電流的高次諧波。三臺電抗器的一端分別與相應的級聯單元相連，三臺電抗器的另一端分別與三個斷路器相連；三個斷路器，用於在調節裝置發生故障或維修時使三相級聯單元與電網切斷，三個斷路器的一端分別與相應的三臺電抗器相連，三個斷路器的另一端分別與相應的隔離開關相連；三個隔離開關，用於在斷路器斷開時保證三相級聯單元與電網完全切斷，三個隔離開關的一端分別與相應的三個斷路器相連，三個隔離開關的另一端分別與電網的三相連接。以下結合附圖，詳細介紹本發明用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置的工作原理和工作過程調節裝置對於有功和無功的控制方法如圖3所示。通過以電網電壓定向的同步旋轉變換，分別得到電網電壓和負載電流在d軸和q軸的分量i^、u—id以及i,。由於是以電網電壓定向，所以usq=0，且有功功率p和無功功率q分別等於formulaseeoriginaldocumentpage5因此id、i,分別為負載電流中的有功分量和無功分量，只要對id、i,進行閉環控制就能夠分別實現對有功功率P和無功功率q的控制。上述對id和iq的控制通過調節裝置的輸出電壓(即圖1中的電壓Uu，uv，uw)來實現。圖4所示為裝置運行的四個基本工作狀態令f=0，控制調節裝置的輸出電壓[/與電網電壓仏同相，即可實現對無功的控制。如圖4(a)所示，若使得[/電壓大於仏，則負載電流領先電網電壓90度電角度，調節裝置發出容性無功功率；反之如圖4(b)所示，若仏的電壓小於仏，則負載電流落後電網電壓90度電角度，調節裝置發出感性無功功率。令q*=O，控制輸出電壓與電網電壓的差相量仏-仏與仏.垂直，則可以實現對有功功率的控制。如圖4(c)所示，若控制仏-仏領先仏90度電角度，則負載電流與電網電壓同相，有功流向裝置進行儲能；反之如圖4(d)所示，若控制仏-[/落後仏90度電角度，則負載電流與電網電壓反相，有功由裝置送向電網。基於上述的四個基本工作狀態，裝置可以通過調節輸出電壓"的大小及相位，實現有功和無功的連續調節。在上述的有功和無功調節過程中，調節裝置均採用載波移相脈衝寬度調製方法控制級聯單元發出階梯波來構成所需的輸出電壓。在進行無功補償時，本調節裝置控制全橋逆變單元中的直流母線電壓恆定，而在進行有功波動調節時，調節裝置允許直流母線電壓在一定範圍內波動。這是因為①相較於調節裝置中的其他部件來說，主要儲能元件電池的壽命受限於充放電次數，因此要避免頻繁的充放電操作；②儲能元件電池的最佳充放電速度是有限的，難以對快速變化的瞬時有功功率進行有效調節。因此在有功波動調節中對於快速變化部分，調節裝置利用直流母線上的大電容器的充放電來實現。例如當風電場發出的電能突然增大時，調節裝置控制母線上的大電容充電以吸收能量，同時直流母線電壓升高，而BBU則通過DC/DC變換器的控制，使得電池組依然按照最佳充電曲線進行充電，反之同理。這種有功調節過程將電容的高功率密度特性與電池的高能量密度特性有機的結合在一起，能夠極大提高對於快動態過程的調節特性。在上述的BBU充放電過程中，調節裝置中的電池管理系統對每個BBU中電池的充放電狀態(以下簡稱S0C)進行實時監控，並依據S0C平衡的原則，配合BBU的最佳電流充放電曲線，控制雙向DC/DC變換器，對BBU的充放電進行控制。在調節裝置中，BBU到達使用壽命或發生故障需要更換時，大電容器的存在使得這個更換過程能夠在線的條件下完成。首先通過BBU中的雙向DC/DC變換器控制電池組釋放能量，將電壓降至安全範圍內，然後控制雙向DC/DC變換器的輸出電流為零，斷開自動開關使BBU與母線脫離，從而確保了更換維護過程的安全方便。以下介紹本發明的一個實施例圖1所示中，級聯數N=3，為了實驗方便，電網與本裝置的各項參數如下表所示tableseeoriginaldocumentpage6表1實驗參數在MATLAB仿真環境下，按照所述工作原理和工作工程得到的仿真結果如下1、有功控制時，由於風電場輸出功率是波動的，且頻率是變化的，而向電網輸出功率是平滑的，因此電能裝置需要吸收和釋放的有功功率亦是波動的，如圖5(a)所示；而電池組按照既定的最佳電流曲線充電，因此吸收的功率是平滑的，如圖5(c)所示，圖5(d)所示是時間軸放大後電池組吸收的有功功率；瞬時波動的有功功率或者短時間的有功功率由電容器組吸收，如圖5(b)所示；圖5(e)表示的是由於電容器組吸收有功功率，各個單元的直流側電容電壓都要上升，但由於各個電容值不一致，因此各個電容器上的電壓值有一定的差別。2、無功控制時，當無功指令q*O，裝置發出容性無功功率，電網電壓滯後電流90度電角度，電網電壓與電流波形如圖6(a)所示，裝置發出的無功功率如圖6(b)所示。當未做穩壓控制時，由於線路和裝置等自身的損耗，使得直流側電容電壓有所下降，如圖6(c)所示。當採用穩壓控制時，由於裝置向電網吸收了部分有功功率，使得直流側電容電壓保持不變，如圖6(d)所示。從以上仿真結果可以看出，本發明提出的用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，在有功和無功控制時具有良好的動態性能。權利要求一種用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，其特徵在於，該調節裝置包括U相級聯單元、V相級聯單元和W相級聯單元，三相級聯單元之間成星型連接；每相級聯單元由n個全橋逆變單元、n個大電容器組、n個自動開關和n個電池組單元組成，所述的n個全橋逆變單元相互串聯，每個級聯單元中的第一個全橋逆變單元的首端與相應的電抗器相連，每個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端與另外兩個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端相連；所述的每個全橋逆變單元中的直流母線與所述的大電容器組相併連；所述的電池組單元通過自動開關與所述的大電容器組相連；所述的全橋逆變單元由4個絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管組成，絕緣柵雙極電晶體或集成門極換流晶閘管成橋式連接；所述的電池組單元由一個電池組和一個雙向「直流-直流」變換器組成，電池組與雙向「直流-直流」變換器相連；三臺電抗器，用於根據電能調節裝置接入點的電壓與級聯單元產生的電壓在電抗器上的電壓降產生調節電流，並濾除來自級聯單元電流的高次諧波，三臺電抗器的一端分別與相應的級聯單元相連，三臺電抗器的另一端分別與三個斷路器相連；三個斷路器，用於在電能調節裝置發生故障或維修時使三相級聯單元與電網切斷，三個斷路器的一端分別與相應的三臺電抗器相連，三個斷路器的另一端分別與相應的隔離開關相連；三個隔離開關，用於在斷路器斷開時保證三相級聯單元與電網完全切斷，三個隔離開關的一端分別與相應的三個斷路器相連，三個隔離開關的另一端分別與電網的三相連接。全文摘要本發明涉及一種用於高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，屬於電力電子
技術領域：
。該裝置採用級聯多個單相全橋逆變單元的方式實現高壓併網，通過控制每個逆變單元直流母線上的大電容器的充放電對裝置輸出的無功功率和瞬時有功功率進行調節、或對併網處電壓的低電壓、三相不平衡等現象進行補償；利用每個逆變單元直流母線上的電池組單元對裝置輸出或儲存的穩態有功功率進行調節。本發明的調節裝置將有功功率調節和無功功率調節的功能集於一身，具有較強的動態調節能力，並且無需變壓器，佔地面積小，輸出無諧波，維護簡單，具有比較全面的功能和突出的性價比。文檔編號H02J3/00GK101710704SQ20091024331公開日2010年5月19日申請日期2009年12月17日優先權日2009年12月17日發明者萬承寬,楊耕,鄭偉申請人:清華大學