统一电能质量控制器及其控制方法和控制系统技术方案

本发明专利技术涉及电力系统输配电技术领域，具体涉及一种统一电能质量控制器及其控制方法和控制系统，旨在解决如何增强可靠性并降低成本的问题。本发明专利技术的控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC‑DC变换模块和并联补偿模块。其中，串联侧变压器用于交流电压的变换；单相串联侧补偿模块用于储存电能或对电网进行补偿；并联补偿模块用于对来自交流电网的电能进行整流，并输送到双向DC‑DC变换模块；或者将双向DC‑DC变换模块输送过来的直流电逆变为交流电，对电网进行补偿。单相串联侧补偿模块中可以采用梯次利用电池储能。本发明专利技术在实现电压暂降、中断等故障综合治理功能的同时，增强了系统可靠性，降低了整体成本。

Unified Power Quality Controller and Its Control Method and Control System

【技术实现步骤摘要】
统一电能质量控制器及其控制方法和控制系统
本专利技术涉及电力系统输配电
，具体涉及一种统一电能质量控制器及其控制方法和控制系统。
技术介绍
随着我国电动汽车保有量的逐年上升，各类动力电池的产销量也呈现爆发式增长。根据目前国内外的研究，当动力电池的实际容量衰退至标称容量的70％～80％后就应该停止在电动汽车上使用，须对电池进行更换。因此，预计未来每年都存在大规模的退役动力电池亟待回收处理。经过重新检测分析、筛选及电池单体配对成组，退役电池可用于其他运行工况相对良好、对电池性能要求较低的领域。目前国内外已经开展了一些研究来验证梯次利用的可行性，并分析动力电池降级用作储能电池的条件及应用规范，其电力储能应用场景正在逐步拓展。与此同时，随着用户侧对于电能质量要求的逐步提高，配电网电能质量治理设备的市场需求空间也逐步扩大。部分电能质量治理设备的内部储能装置的配置需求，未来或将成为退役动力电池在配电网梯次利用的主要场合之一。目前用于配电网的电能质量治理设备主要有动态电压恢复器(DVR)、配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)、不间断电源(UPS)、统一电能质量调节器(UPQC)等等。其中，单独的串联或并联补偿设备均存在一定的局限性。例如DVR对电压暂降问题的补偿效果较好，但是无法应对断线式短时中断问题；UPS能够应对大部分电能质量问题，但是在线式UPS系统损耗较大，成本较高；而后备式UPS是目前应对电力中断问题的主流设备之一，但是其存在一定的转换时间，对电压暂降问题的响应速度不及DVR；UPQC集多种电能质量治理功能于一身，同时损耗相对较低，但是其同样造价相对昂贵，如果增加短时中断治理功能，则需要在直流侧增加储能装置，进一步增加了系统成本。用退役动力电池取代目前的电能质量治理设备内部储能装置，一方面能够显著降低设备总体成本，对于推动优质电力园区建设具有重要意义；另一方面能延长电池使用的全周期寿命，实现资源集约利用，缓解废旧电池环境污染问题。但是与常规储能方案或者汽车用的A品电池相比，梯次电池利用的技术难点在于其一致性管理，梯次电池实际应用中面临容量不一致、内阻不一致、自放电率不一致、荷电状态(SOC)不一致、电压水平不一致、品牌规格不一致等问题。电池单体低电压水平使得电池成组普遍采用串联升压的方式，但梯次电池串联成组面临不一致加速恶化的情况，带来的维护成本和安全隐患不可忽视。因此串联梯次电池组对电池均衡电路和电池管理系统提出了更高的要求。目前的电池主动均衡电路方案主要原理是通过电容或者电感实现电荷在电池间的转移。以电容作为均衡能量的转移装置控制简单，但受限于均衡电流小、均衡速度较慢，不适用于不一致度通常较高的退役电池。以电感作为能量转移元件的拓扑方案均衡电流较大，均衡速度较快，目前在动力电池组中得到广泛使用，但是存在着控制复杂的特点，且目前通用的电感buck-boost均衡电路，但是电荷只能在相邻电池间传递，但是当电池组中SOC最大与SOC最小的电池距离较远时，需要多次转移才能实现能量在两节电池的传递，均衡效率较低。文献一为由ZedongZheng；KuiWang；LieXu；YongdongLi发表在2014年7期《IEEETrans.PowerElectron》上的论文“AHybridCascadedMultilevelConverterforBatteryEnergyManagementAppliedinElectricVehicles”，提出一种类似于半桥级联的电动汽车动力电池组与电机驱动集成拓扑，在实现电池组充放电快速均衡并具有高冗余度的同时，整个拓扑结构能够输出多电平交流电压，减少谐波含量，使电动汽车电机性能得到提升。但是由于这种拓扑没有直流母线，不适合目前电力储能设备中较为常见的多逆变器共直流母线拓扑结构。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出了一种统一电能质量控制器及其控制方法和控制系统，能够实现电压暂降、中断等多种电力系统故障综合治理功能的同时，增强系统可靠性，降低系统整体成本。本专利技术的第一方面，提出一种统一电能质量控制器，所述控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC-DC变换模块和并联补偿模块；三个所述串联侧变压器的原边分别串联在交流电网的三相线路中；三个所述串联侧变压器的副边分别与三个所述单相串联侧补偿模块的交流侧并联；三个所述单相串联侧补偿模块的直流侧依次串联后，与所述双向DC-DC变换模块的第一直流侧并联；所述双向DC-DC变换模块的第二直流侧与所述并联补偿模块的直流侧并联；所述并联补偿模块的交流侧的三个端子分别连接所述交流电网的三相线路；所述串联侧变压器用于交流电压的变换；所述单相串联侧补偿模块用于储存电能，或利用储存的电能对所述交流电网进行补偿；所述双向DC-DC变换模块用于对直流电压进行正向或反向变换；所述并联补偿模块用于对来自所述交流电网的电能进行整流，并输送到所述双向DC-DC变换模块；或者，将所述双向DC-DC变换模块输送过来的直流电逆变为交流电，对所述交流电网进行电能补偿。优选地，所述单相串联侧补偿模块包括：全桥导向开关模块和半桥子单元级联模块；所述全桥导向开关模块包括：由四个全控型器件组成的桥式电路；所述半桥子单元级联模块包括：一个或多个顺次级联的半桥子单元；每个所述半桥子单元由两个全控型器件串联之后与动力电池组并联组成。优选地，每个所述半桥子单元包括：第一全控型器件、第二全控型器件和动力电池组；所述第一全控型器件的发射极与所述第二全控型器件的集电极连接，作为该半桥子单元的第一引出端子；所述第一全控型器件的集电极与所述动力电池组的正极连接；所述第二全控型器件的发射极与所述动力电池组的负极连接，作为该半桥子单元的第二引出端子。优选地，所述动力电池组为梯次利用电池组。优选地，所述双向DC-DC变换模块包括：第一电感、第三全控型器件和第四全控型器件；所述第一电感的一端与所述第三全控型器件的集电极、所述第四全控型器件的集电极连接；所述第四全控型器件的发射极引出两根线，其中，一根线与所述第一电感的另一端组成所述双向DC-DC变换模块的第一直流侧的引出端子；另一根线与所述第三全控型器件的发射极组成所述双向DC-DC变换模块第二直流侧的引出端子。优选地，所述并联补偿模块包括：六个全控型器件、两个电容和三个电感；所述六个全控型器件组成三相桥式整流/逆变电路；所述两个电容彼此串联之后，并联在所述三相桥式整流/逆变电路的直流侧；所述三相桥式整流/逆变电路交流侧的三个端子分别串联一个所述电感之后并联到所述交流电网的三相线路。优选地，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或电力场效应晶体管。本专利技术的第二方面，提出一种用于统一电能质量控制器的控制方法，所述控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC-DC变换模块、并联补偿模块；三个所述串联侧变压器的原边分别串联在交流电网的三相线路中；三个所述串联侧变压器的副边分别与三个所述单相串联侧补偿模块的交流侧并联；三个所述单相串联侧补偿模块的直流侧依次串联后，与所述双向DC-DC变换模块的一侧并联；所述双向DC-DC变换模块的另一侧与所述并联补偿模块的直流侧并联；所述并联补本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC‑DC变换模块和并联补偿模块；三个所述串联侧变压器的原边分别串联在交流电网的三相线路中；三个所述串联侧变压器的副边分别与三个所述单相串联侧补偿模块的交流侧并联；三个所述单相串联侧补偿模块的直流侧依次串联后，与所述双向DC‑DC变换模块的第一直流侧并联；所述双向DC‑DC变换模块的第二直流侧与所述并联补偿模块的直流侧并联；所述并联补偿模块的交流侧的三个端子分别连接所述交流电网的三相线路；所述串联侧变压器用于交流电压的变换；所述单相串联侧补偿模块用于储存电能，或利用储存的电能对所述交流电网进行补偿；所述双向DC‑DC变换模块用于对直流电压进行正向或反向变换；所述并联补偿模块用于对来自所述交流电网的电能进行整流，并输送到所述双向DC‑DC变换模块；或者，将所述双向DC‑DC变换模块输送过来的直流电逆变为交流电，对所述交流电网进行电能补偿。

【技术特征摘要】
1.一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC-DC变换模块和并联补偿模块；三个所述串联侧变压器的原边分别串联在交流电网的三相线路中；三个所述串联侧变压器的副边分别与三个所述单相串联侧补偿模块的交流侧并联；三个所述单相串联侧补偿模块的直流侧依次串联后，与所述双向DC-DC变换模块的第一直流侧并联；所述双向DC-DC变换模块的第二直流侧与所述并联补偿模块的直流侧并联；所述并联补偿模块的交流侧的三个端子分别连接所述交流电网的三相线路；所述串联侧变压器用于交流电压的变换；所述单相串联侧补偿模块用于储存电能，或利用储存的电能对所述交流电网进行补偿；所述双向DC-DC变换模块用于对直流电压进行正向或反向变换；所述并联补偿模块用于对来自所述交流电网的电能进行整流，并输送到所述双向DC-DC变换模块；或者，将所述双向DC-DC变换模块输送过来的直流电逆变为交流电，对所述交流电网进行电能补偿。2.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述单相串联侧补偿模块包括：全桥导向开关模块和半桥子单元级联模块；所述全桥导向开关模块包括：由四个全控型器件组成的桥式电路；所述半桥子单元级联模块包括：一个或多个顺次级联的半桥子单元；每个所述半桥子单元由两个全控型器件串联之后与动力电池组并联组成。3.根据权利要求2所述的统一电能质量控制器，其特征在于，每个所述半桥子单元包括：第一全控型器件、第二全控型器件和动力电池组；所述第一全控型器件的发射极与所述第二全控型器件的集电极连接，作为该半桥子单元的第一引出端子；所述第一全控型器件的集电极与所述动力电池组的正极连接；所述第二全控型器件的发射极与所述动力电池组的负极连接，作为该半桥子单元的第二引出端子。4.根据权利要求2所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述动力电池组为梯次利用电池组。5.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述双向DC-DC变换模块包括：第一电感、第三全控型器件和第四全控型器件；所述第一电感的一端与所述第三全控型器件的集电极、所述第四全控型器件的集电极连接；所述第四全控型器件的发射极引出两根线，其中，一根线与所述第一电感的另一端组成所述双向DC-DC变换模块的第一直流侧的引出端子；另一根线与所述第三全控型器件的发射极组成所述双向DC-DC变换模块第二直流侧的引出端子。6.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述并联补偿模块包括：六个全控型器件、两个电容和三个电感；所述六个全控型器件组成三相桥式整流/逆变电路；所述两个电容彼此串联之后，并联在所述三相桥式整流/逆变电路的直流侧；所述三相桥式整流/逆变电路交流侧的三个端子分别串联一个所述电感之后并联到所述交流电网的三相线路。7.根据权利要求2-6中任一项所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或电力场效应晶体管。8.一种用于统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，所述控制器包括：三个串联侧变压器、三个单相串联侧补偿模块、双向DC-DC变换模块、并联补偿模块；三个所述串联侧变压器的原边分别串联在交流电网的三相线路中；三个所述串联侧变压器的副边分别与三个所述单相串联侧补偿模块的交流侧并联；三个所述单相串联侧补偿模块的直流侧依次串联后，与所述双向DC-DC变换模块的一侧并联；所述双向DC-DC变换模块的另一侧与所述并联补偿模块的直流侧并联；所述并联补偿模块的交流侧的三个端子分别连接所述交流电网的三相线路；所述串...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晋，韩立博，韦统振，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11