基于超级电容器储能的电能质量调节系统技术方案

一种基于超级电容器储能的电能质量调节系统，属于电能质量调节技术领域。其特征在于：系统由三相电压型ＰＷＭ整流器３、双向ＤＣ／ＤＣ变换器４、超级电容器５组成，系统并联接入电网系统１；正常运行时，三相电压型ＰＷＭ整流器３稳定直流侧电压，同时实现无功、谐波补偿，超级电容５经双向ＤＣ／ＤＣ变换器４控制充电；电网系统１发生短路故障时，超级电容器５经双向ＤＣ／ＤＣ变换器４控制输出稳定直流电压，三相电压型ＰＷＭ整流器３发出无功功率以支撑电网系统１电压，改善电压质量。本发明专利技术的效果和益处是：该系统兼具有无功、谐波补偿及低电压穿越能力，减少了设备冗余；超级电容器５具有较长的使用寿命，降低了运行成本；系统可对超级电容器５充电，节省了额外的充电装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电能质量调节
涉及到一种加入超级电容器的新型电能质量 调节系统通过并联方式接入电网系统，对电网系统的电能质量进行调节，特别涉及该系统 中的三相电压型PWM整流器及BUCK-BOOST型双向DC/DC变换器在电网系统正常运行、电网 系统故障运行时的控制设计。
技术介绍
随着国民经济和科学技术的迅猛发展，各种电力电子设备得到广泛应用，必然使 得各行各业对电能的需求量不断增长，电力部门和用户对电能质量的关注也日益增加。阻感负载在工业和生活用电中占有很大的比例，阻感负载必须吸收无功功率才能 正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力系统中的异步电动机、变压器、各种相控装 置，如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时都要消耗大量的无功功 率。同时，在电力系统中，负载具有非线性特性时，电流就会含有谐波，波形就会发生畸变， 而成为含有谐波的非正弦波。引起电力系统谐波的主要谐波源有电力变压器的非线性励 磁；旋转电动机引起的谐波；电弧炉引起的波形畸变；电气化铁路引起的谐波；各电力电子 装置产生的谐波。电力系统中无功功率的盈亏及谐波电流的存在给电力系统带来的危害如下会使 电力设备和线路的损耗也随之增加；会使电网电压产生剧烈的波动，严重影响供电质量; 谐波影响各种电气设备的正常工作，降低发电、输电及用电设备的效率；谐波会引起公用电 网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故；谐波会导致继电保护和 自动装置的误动作。近年来，随着可再生能源技术尤其是风力发电技术的不断发展，风电装 机容量及发电量大幅度增加。风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但风电 场输出功率具有不可控和不可预期性。当电力系统中接纳的风电机组容量超过一定比例， 风电输出的波动功率在电力系统的无功功率、电网的谐波与闪变等电能质量方面给并网系 统带来一系列的技术难题。由此可见，传统的静止无功补偿器在现代电力系统的安全、稳定 运行方面具有越来越重要的意义。并网风力发电机与其他的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间不能 够维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。当风电在电网中占有较大比 重时，若风机在电压跌落时仍采取被动的保护式解列，则会增加整个系统的故障恢复难度， 甚至可能加剧故障，最终导致系统其他机组全部解列。为此各国电网公司依据自身实际对 风电场风电机组并网提出了严格的技术要求，其中包括低电压穿越能力，即指在风机并网 点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复， 直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。不同国家所提出的LVRT要求不 尽相同。例如，美国风能协会制定的风电机组低电压穿越能力规定电压跌落前，风电场并 网点电压维持在额定水平；Os时电网发生短路故障引起电压跌落，风电场不低于额定电压 的15%时，在625ms时间范围内风电场必须保持并网运行；另外当风电场并网点电压在电3网故障3s恢复至额定电压的90%以上时，此过程中风电场必须保持并网运行。传统并联式STATC0M依靠反馈控制维持其直流侧的电压稳定，同时实现交流侧无 功功率的吞吐，在电力系统正常运行时能够满足谐波及无功动态补偿的要求。当风电并网 系统发生短路故障时，电网电压的下降，实践表明此时电压环控制失效，导致STATC0M无法 发出大量无功功率以支撑电网电压。若要保证STATC0M在电网发生故障时正常工作，必须 给其提供稳定的直流侧电压，这可以通过额外增加一套与电网电压无关的电源装置来在电 网发生故障时维持其直流侧电压稳定，但会造成设备的冗余与闲置。为解决上述问题，本专利技术将传统STATC0M装置的直流侧加入超级电容器及其控制 系统。通过控制方式的切换，使得本系统能够满足电网正常运行和故障运行时对无功功率 的不同需求，改善电能质量，在提高电网运行安全稳定性的同时，有效降低了投资成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服传统STATC0M的不足，设计一种加入储能装置 的电能质量调节系统，使其在电网正常运行时，能够满足谐波、无功补偿需求的同时，还可 在电网出现短路故障时，快速发出大量无功功率，对电网电压进行有效支撑，改善电压质 量，增强电网系统运行的安全稳定性。电网故障运行时，该系统需能够不借助外部电源满足 电网系统的无功需求；电网正常运行时，该系统需能够对超级电容器进行容量的补充，省去 额外的充电装置。本专利技术的技术方案是一种基于超级电容器储能的电能质量调节系统，其特征在 于该系统由超级电容器5、双向DC/DC变换器4、三相电压型PWM整流器3组成，系统经并 联方式接入电网系统1中。当电网系统1正常运行时，该系统一方面经由双向DC/DC变换 器4对超级电容器5充电，另一方面实时进行电网系统1的无功及谐波补偿；当电网系统1 发生短路故障时，超级电容器5经由双向DC/DC变换器4放电提供稳定直流输出电压，三相 电压型PWM整流器3工作于逆变状态，向电网系统1发出大量无功功率，支撑电网电压。该电能质量调节系统的特征在于超级电容器5接于双向DC/DC变换器4的低压 侧，双向DC/DC变换器4的高压侧与三相电压型PWM整流器3的直流侧接在一起，三相电压 型PWM整流器3的交流侧以并联方式接入电网系统1中。为便于能量的双向流动，本系统 中，并联于电网系统1的无功发生装置采用了三相电压型PWM整流器3，该整流器在DQ旋转 坐标系下可以并行实现有功功率(直流侧电压)、无功功率的解耦控制。本系统中的双向 DC/DC变换器4可以灵活控制超级电容器5的能量“流入”、“流出”，特别是在电网发生短路 故障时，通过双向DC/DC变换器4的控制可以有效稳定三相电压型PWM整流器3直流侧电 压，以利于三相电压型PWM整流器3运行于逆变状态，向电网系统1发出大量无功功率，实 现风电并网系统的低电压穿越。当电网系统1正常运行时，三相电压型PWM整流器3稳定其直流电压，超级电容器 5经由双向DC/DC变换器4控制充电；当电网系统1发生短路故障时，超级电容器5、DC/DC 变换器4快速响应，提供稳定输出的直流电压，三相电压型PWM整流器3发出大量无功功 率，以支撑电网电压。由于超级电容器5具有循环寿命长、故障率低，响应速度快的特点，大 大降低了运行和维护成本。本系统的运行控制策略分析如下(1)电网系统正常运行时三相电压型PWM整流器在DQ旋转坐标下，可以并行实现有功功率和无功功率的解 耦控制。当电网系统正常运行时，三相电压型PWM整流器运行于整流状态，维持其直流侧电 压的稳定，同时根据需求实时控制交流侧与电网系统进行无功交换当电网系统的功率因 数不满足要求时，可以控制三相电压型PWM整流器收发相应无功功率维持电网功率因数的 恒定；当电网系统的谐波电流不满足要求时，可以控制三相电压型PWM整流器发出相应的 补偿电流，以抵消原有的谐波电流。由于三相电压型PWM整流器可以控制其直流侧电压的 稳定，此时便可通过双向DC/DC变换器对超级电容器进行充电控制，一般采取先恒流再恒 压的方式。当超级电容器充满后，可以采用控制双向DC/DC变换器低压侧电压恒定的方式 来对超级电容器浮充。电网系统正常运行时，要随时保持本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超级电容器储能的电能质量调节系统，其特征在于：该系统包括超级电容器（５）、双向ＤＣ／ＤＣ变换器（４）、三相电压型ＰＷＭ整流器（３）；系统通过并联方式接入电网系统（１）中；当电网系统（１）正常运行时，该系统一方面对超级电容器（５）充电，另一方面实时进行电网系统（１）的功率因数调整及谐波补偿；当电网系统（１）发生短路故障时，超级电容器放电（５），通过双向ＤＣ／ＤＣ变换器（４）维持三相电压型ＰＷＭ整流器（３）直流侧电压稳定，保证系统向电网系统（１）发出所需无功功率，支撑调节系统与电网的公共连接点（ＰＣＣ）的电压，改善电压质量，实现风电并网系统的低电压穿越。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙辉，于芃，隋永正，郭磊，孙福寿，
申请(专利权)人：大连理工大学，吉林省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]