級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中的儲能與無功發(fā)生裝置，主要是針對配電系統(tǒng)中1kV以下領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]相對水電而言，以風(fēng)電、太陽能為代表的可再生清潔能源多是以小型化、分布式的形式存在，并且受地理因素與氣候環(huán)境影響嚴(yán)重，其輸出功率存在較大的波動(dòng)性、間歇性與不確定性，僅依靠裝置自身調(diào)節(jié)，尚不能完全滿足我國分布式電源入網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中的要求。為平緩這些分布式電源不確定和間歇性的功率輸出，并在緊急狀態(tài)和電網(wǎng)故障情況下為系統(tǒng)提供后備支持，同時(shí)減小負(fù)荷高峰期的供電需求和發(fā)電系統(tǒng)的資本投入，以靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATC0M)為代表的無功控制裝置和以蓄電池儲能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System，簡稱BESS)為代表的儲能裝置得到了廣泛的應(yīng)用，但目前兩種技術(shù)以及一體化結(jié)合方面仍有問題需要解決。
[0003]1、為更好的實(shí)現(xiàn)含分布式電源電網(wǎng)的電壓支撐、電能削峰填谷，以及提高分布式電源低電壓穿越能力與并網(wǎng)后的暫態(tài)穩(wěn)定性能，要求調(diào)控裝置能夠進(jìn)行較長時(shí)間的有功功率調(diào)控，而STATC0M直流母線均為電容，其儲能能力有限，制約了有功持續(xù)輸入輸出時(shí)間。
[0004]2,BESS裝置的能量變換電路結(jié)構(gòu)與STATC0M存在差別，因此儲能系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)能力有限。大量蓄電池串并聯(lián)，導(dǎo)致對蓄電池參數(shù)一致性要求高，裝置成本居高不下。且受蓄電池充放電次數(shù)限制，對于系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)的瞬時(shí)功率波動(dòng)，尚不能進(jìn)行很好的控制。
[0005]為解決以上問題，將STATC0M與大容量儲能系統(tǒng)進(jìn)行一體化結(jié)合已成為趨勢，將兩者進(jìn)行一體化結(jié)合也成為研究熱點(diǎn)，主流的方式包括兩種，一種是將BESS與STATC0M進(jìn)行組合使用，另外一種是在功率單元級聯(lián)型STATC0M的基礎(chǔ)之上，將儲能元件與直流側(cè)電容進(jìn)行直接或者間接的并聯(lián)。但是在高壓大功率場合以上兩種結(jié)構(gòu)存在如下問題。
[0006]1、將BESS與STATC0M進(jìn)行組合使用時(shí)，由于STATC0M與儲能系統(tǒng)之間依然是獨(dú)立設(shè)置，在一定程度上降低了利用率，造成資源浪費(fèi)和成本升高，且故障或擾動(dòng)來臨時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)變化快速多樣，裝置相互獨(dú)立，造成系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制能力下降。
[0007]2、在功率單元級聯(lián)型STATC0M的基礎(chǔ)之上，將儲能元件與直流側(cè)電容進(jìn)行直接或者間接的并聯(lián)。但是由于蓄電池輸出電壓低，而直流母線要求具有較高電壓(輸出線電壓1kV時(shí)，母線電壓可達(dá)1000V)，直接并聯(lián)蓄電池，多個(gè)蓄電池串聯(lián)的現(xiàn)象依然難以避免。其次，功率單元直流母線電壓存在波動(dòng)，且會(huì)根據(jù)系統(tǒng)電壓以及控制方式的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此無法對儲能元件的充放電進(jìn)行優(yōu)化控制，影響輸出性能和工作壽命。此外，受充放電次數(shù)限制，裝置主要用作削峰填谷或者后備電源用，不適用于吸收和釋放系統(tǒng)工作周期中頻繁出現(xiàn)的波動(dòng)功率，技術(shù)仍有改進(jìn)空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決將STATC0M與大容量儲能系統(tǒng)進(jìn)行一體化結(jié)合存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種集成多元儲能功率單元的級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器及控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量多元儲能系統(tǒng)與STATCOM的高效一體化融合。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]集成多元儲能功率單元的級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器，其特征在于:由三相結(jié)構(gòu)相同的橋臂A、B、C構(gòu)成；各相橋臂均由至少一級至N級多元儲能功率單元串聯(lián)構(gòu)成，其中，多元儲能功率單元級數(shù)N為正整數(shù)，每個(gè)所述多元儲能功率單元由多元儲能功率模塊、雙向可控整流電路、H橋逆變功率模塊連接構(gòu)成；其中:多元儲能功率模塊中將多種儲能部件按以下方式進(jìn)行組合:各儲能部件構(gòu)成多元儲能電路，多元儲能電路與移相諧振電路連接，移相諧振電路輸出端連接高頻變壓器的低壓側(cè)；高頻變壓器的高壓側(cè)采用并聯(lián)形式連接，并與雙向可控整流電路的輸入端相連；H橋逆變功率模塊包括直流母線和H橋逆變電路兩部分，雙向可控整流電路輸出端與H橋逆變電路的直流母線相連接，直流母線輸出端接H橋逆變電路；將各級多元儲能功率單元中H橋逆變電路的輸出端進(jìn)行級聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。
[0011]上述技術(shù)方案中，各相橋臂中至多有N級多元儲能功率單元串聯(lián)構(gòu)成，且三相橋臂A、B、C中各自包含的多元儲能功率單元級數(shù)相等。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述多元儲能功率單元中根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置多種儲能元件，并由各自連接的移相諧振電路將儲能元件的直流輸出變成高頻交流，各移相諧振電路均由4只開關(guān)器件構(gòu)成，高頻交流電通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的升高；雙向可控整流電路由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件構(gòu)成；H橋逆變功率模塊由直流電容構(gòu)成直流母線，由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件構(gòu)成H橋逆變電路。
[0013]上述技術(shù)方案中，多種儲能元件通過串并聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)的電壓與容量，并連接至移相諧振電路的直流母線，再通過電感與移相諧振電路相連。
[0014]集成多元儲能功率單元的級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器的控制方法，其特征在于:在僅實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率控制時(shí)，多元儲能功率模塊以及雙向可控整流電路均不工作，H橋逆變功率模塊按照靜止同步補(bǔ)償器的控制原理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率的控制以及穩(wěn)定直流母線的電壓。
[0015]上述技術(shù)方案中，在僅實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率控制，并且系統(tǒng)為釋放有功功率時(shí)，移相諧振電路工作在逆變狀態(tài)，雙向可控整流電路工作在整流狀態(tài)，通過控制移相角將對應(yīng)儲能元件的能量進(jìn)行釋放，并實(shí)現(xiàn)H橋逆變功率模塊直流母線電壓的穩(wěn)定控制；H橋逆變功率電路工作在有源逆變狀態(tài)，并通過控制使得最后輸出有功功率。
[0016]上述技術(shù)方案中，在僅實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率控制時(shí)，并且系統(tǒng)為吸收有功功率時(shí)，H橋逆變功率模塊與移相諧振電路均工作在整流狀態(tài)，雙向可控整流電路處于逆變工作狀態(tài)，通過控制雙向可控整流電路將直流母線上的能量進(jìn)行儲存。
[0017]本發(fā)明結(jié)合功率單元級聯(lián)技術(shù)，將蓄電池和超級電容器設(shè)計(jì)成多個(gè)小型化的電路，再分別利用高頻移相諧振電路與級聯(lián)型STATCOM中各H橋逆變功率模塊直流母線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)裝置大容量儲能與有功、無功協(xié)同控制的新技術(shù)。其主要特點(diǎn)包括:
[0018]1、一體化后，可顯著延長STATCOM的有功調(diào)控時(shí)間，并在緊急狀態(tài)和電網(wǎng)故障情況下為系統(tǒng)提供后備支持，同時(shí)減小負(fù)荷高峰期的供電需求和發(fā)電系統(tǒng)的資本投入。
[0019]2、利用分散式的高頻移相軟開關(guān)變換電路將儲能元件與STATCOM直流母線相連，能夠大幅度減少蓄電池組串、并聯(lián)數(shù)量，降低系統(tǒng)對蓄電池參數(shù)一致性的要求以及裝置成本，并且可實(shí)現(xiàn)儲能元件的最佳充放電控制，提高系統(tǒng)削峰填谷性能以及延長蓄電池組的使用壽命。
[0020]3、該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可接入多種不同儲能元件，例如超級電容器、高性能蓄電池組，可使得STATCOM能夠靈活地吸收、釋放較大的有功功率，能更好的平緩分布式電源工作周期中出現(xiàn)的頻繁功率波動(dòng)，有助于實(shí)現(xiàn)有功功率與頻率的深度補(bǔ)償與快速調(diào)節(jié)。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案，除了具備常規(guī)蓄電池儲能系統(tǒng)與靜止無功發(fā)生器的主要優(yōu)點(diǎn)之外，相對于國內(nèi)外目前所提出的設(shè)計(jì)方案，還具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、集成多元儲能功率單元后，裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功與無功的調(diào)控。
[0023]2、裝置可以接入超級電容、蓄電池等多種儲能元件，超級電容可用來平緩系統(tǒng)中頻繁的功率波動(dòng)，蓄電池可用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)消峰填谷的功能。
[0024]3、各儲能元件利用獨(dú)立的高頻移相軟開關(guān)變換電路以及高頻變壓器與靜止無功發(fā)生器直流母線，變壓器的存在可以大幅度減少儲能單元的串聯(lián)數(shù)量，降低對元件參數(shù)一致性的要求。
[0025]4、高頻隔離變壓器的存在，使得原、副方變換電路可進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲能元件的在線更換，延長裝置不間斷工作時(shí)間。
[0026]5、多種儲能單元并聯(lián)工作，并且獨(dú)立控制，由此可實(shí)現(xiàn)各個(gè)儲能元件的最佳充放電控制，而且便于擴(kuò)展以增加系統(tǒng)容量。
【附圖說明】
[0027]圖1集成多元儲能功率單元的級聯(lián)型靜止無功發(fā)生器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0028]圖2集成多元儲能模塊的功率單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0029]其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)如下:1為多元儲能功率模塊、1-1為多元儲能電路、1-2為移相諧振電路、1-3為高頻變壓器、2為雙向可控整流電路、3為H橋逆變功率模塊、3-1為直流母線、3-2為H橋逆變電路；4或AN、BN、CN分別為A、B、C三相分別對應(yīng)的多元儲能功率單元；5為移相諧振電路的直流母線電容(Cb，Cs) ;Cd。為直流母線電容。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖1-2及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)