[发明专利]基于超级电容器储能的电能质量调节系统

说明书

技术领域

本发明属于电能质量调节技术领域。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。

背景技术

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；0s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STATCOM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STATCOM无法发出大量无功功率以支撑电网电压。若要保证STATCOM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，本发明将传统STATCOM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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统STATCOM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。