[发明专利]利用谐振型电子开关的统一电能质量控制器及其方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子和柔性交流输配电技术领域。特别涉及一种用于配、用电系统的电能质量治理装置，尤其是涉及带有谐振型电子开关和储能单元储能单元的电力电子电路装置及该电力电子电路的运行方法。

背景技术

影响电能质量状况的因素十分复杂，通常统称之为电能质量扰动或电能质量问题。按照扰动持续时间的长短可以将其分为两大类：持续时间不超过若干秒级的通常归为离散型扰动，例如电压跌落，电压骤升，电压振荡以及瞬态过电压等；更长持续时间的为连续型扰动，例如三相电压不平衡，电压闪变，电压谐波和电流谐波等。在现代石油化工、电力、电子、通讯、半导体制造、航空、工业机器人和医疗器械，以及智能配电网、微电网等领域，由于已大量使用了对供电电能质量要求更高的电力电子装置或敏感设备，包括高频电源、变频器、芯片制造生产线、数据或计算中心等，很容易受到各类电能质量扰动的影响，尤其是对电压跌落与骤升、动态无功、谐波、电压波动与闪变以及三相电压不平衡等最为敏感。它们不但影响敏感设备的运行效率，降低其使用寿命，严重地往往会引起这些设备的误操作或者损坏，造成严重的经济损失甚至重大的安全事故。此外，随着电力系统规模的不断扩大和负荷容量的不断增加，加之地区电网之间网际互联日趋紧密，低阻抗大容量变压器的使用，都导致了电力系统短路容量的快速增长。一些大型发电机和主变压器发生近区短路时，短路电流可达100～200kA。而且，主动配电网和微电网的概念会将大量新能源和分布式电源的接入配电网，不但导致了短路容量的进一步增长，还存在难以预期的短路潮流逆转的问题。这样就给电力系统安全、稳定运行以及电力系统中各种电气设备(如断路器、变压器及接地网等)提出了更为严格的要求，需妥善解决故障电流抑制问题。

依赖传统的供电技术通常难以解决多种类型的电能扰动问题,这就需要采用柔性交流配电(Distributed Flexible AC Transmission System,D-FACTS)技术对各种电能质量问题进行有效地控制。如今D-FACTS设备已成为改善电能质量，尤其是解决动态电能质量扰动问题的有力工具。然而，目前绝大部分的D-FACTS设备通常采用单纯的并联型或串联型连接及控制方式，仅能解决部分电能质量问题。

如串联型D-FACTS设备，主要通过调节串联电压来解决配、用电系统中电压方面的电能质量问题，典型设备包括固态切换开关(Solid-State Transfer Switch,SSTS)、动态电压补偿器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)、串联型有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)等。其中串联型DVR装置存在的缺陷在于：仅适用于系统侧发生短路故障形成的电压跌落，对于无论是近端断路器跳闸产生的供电中断或者上级断路器跳闸及倒闸形成的短时供电中断，DVR装置均无法构成有效的补偿回路。其次，DVR装置在电压未发生跌落或突升条件下通常处于电子旁路状态，整体设备利用率很低，尽管可像串联型APF装置一样增加对谐波电压的补偿功能，但它无法对谐波和无功电流进行抑制，而后者是实际配电、用电系统中最主要谐波污染源。固态切换开关技术SSTS的问题是，首先需要互为热备用的独立电源系统的支持，这在许多地区和应用场合难以实现，代价高昂；其次，基于晶闸管实现的SSTS，由于需要关断控制，仍然有半个周波到一个周波的断电时间，对许多敏感负荷而言是不可接受的。

并联型D-FACTS设备通常并联在电网中，可以通过调节其注入电网的补偿电流来解决谐波和动态无功电流等潮流引起的电能质量问题，或者可作为独立的电压源为负荷供电以解决配电系统中的部分电压质量问题。典型并联型D-FACTS设备包括配电网静止同步补偿器(Distributed Static Synchronous Compensator,D-STATCOM)、并联型有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)以及在线互动式UPS(Line-Interactive Uninterruptible Powe rSupply)等。由于D-STATCOM和并联型APF设备是通过改变配电系统中潮流分布实现对电压波动、电压闪变、谐波等电能质量问题的抑制，属间接控制方式，对于电压跌落、电压骤升等电压质量问题无法有效控制。在线互动式UPS可以通过与配、用电系统快速断开继而独立为负荷供电来解决电压型电能质量扰动问题，但其在配、用电系统快速断开时间这一关键问题上存在较大缺陷，目前所采用的交流电子旁路开关断开时间较长，典型时间为4～10ms，导致UPS的输出存在一定时间的供电中断，对于敏感型负荷而言仍然是不可接受的。