利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置，屬于電力電子和柔性交流輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置包括諧振型電子開關(guān)、電壓源變流器，儲(chǔ)能單元及主控制系統(tǒng)，該主控制系統(tǒng)由主控制器和多種傳感器所組成；該諧振型電子開關(guān)包括一組電感Lr1和Lr2、一組電容Cr1和Cr2以及一組雙向晶閘管T1；其中，雙向晶閘管T1與電感Lr2、電容Cr1串聯(lián)所構(gòu)成的支路與電感Lr1相并聯(lián)，由Lr1、Lr2、Cr1、T1構(gòu)成的并聯(lián)支路與電容Cr2相互串聯(lián)。該方法為將各種電能質(zhì)量故障進(jìn)行判斷并控制本裝置在4種模式之間進(jìn)行快速切換和運(yùn)行；本發(fā)明具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，抗過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子和柔性交流輸配電【技術(shù)領(lǐng)域】。特別涉及一種用于配、用電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理裝置，尤其是涉及帶有諧振型電子開關(guān)和儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能單元的電力電子電路裝置及該電力電子電路的運(yùn)行方法。

【背景技術(shù)】
[0002]影響電能質(zhì)量狀況的因素十分復(fù)雜，通常統(tǒng)稱之為電能質(zhì)量擾動(dòng)或電能質(zhì)量問題。按照擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短可以將其分為兩大類:持續(xù)時(shí)間不超過(guò)若干秒級(jí)的通常歸為離散型擾動(dòng)，例如電壓跌落，電壓驟升，電壓振蕩以及瞬態(tài)過(guò)電壓等；更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的為連續(xù)型擾動(dòng)，例如三相電壓不平衡，電壓閃變，電壓諧波和電流諧波等。在現(xiàn)代石油化工、電力、電子、通訊、半導(dǎo)體制造、航空、工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療器械，以及智能配電網(wǎng)、微電網(wǎng)等領(lǐng)域，由于已大量使用了對(duì)供電電能質(zhì)量要求更高的電力電子裝置或敏感設(shè)備，包括高頻電源、變頻器、芯片制造生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)或計(jì)算中心等，很容易受到各類電能質(zhì)量擾動(dòng)的影響，尤其是對(duì)電壓跌落與驟升、動(dòng)態(tài)無(wú)功、諧波、電壓波動(dòng)與閃變以及三相電壓不平衡等最為敏感。它們不但影響敏感設(shè)備的運(yùn)行效率，降低其使用壽命，嚴(yán)重地往往會(huì)引起這些設(shè)備的誤操作或者損壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至重大的安全事故。此外，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和負(fù)荷容量的不斷增加，加之地區(qū)電網(wǎng)之間網(wǎng)際互聯(lián)日趨緊密，低阻抗大容量變壓器的使用，都導(dǎo)致了電力系統(tǒng)短路容量的快速增長(zhǎng)。一些大型發(fā)電機(jī)和主變壓器發(fā)生近區(qū)短路時(shí)，短路電流可達(dá)100?200kA。而且，主動(dòng)配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的概念會(huì)將大量新能源和分布式電源的接入配電網(wǎng)，不但導(dǎo)致了短路容量的進(jìn)一步增長(zhǎng)，還存在難以預(yù)期的短路潮流逆轉(zhuǎn)的問題。這樣就給電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備(如斷路器、變壓器及接地網(wǎng)等)提出了更為嚴(yán)格的要求，需妥善解決故障電流抑制問題。
[0003]依賴傳統(tǒng)的供電技術(shù)通常難以解決多種類型的電能擾動(dòng)問題，這就需要采用柔性交流配電(Distributed Flexible AC Transmiss1n System, D-FACTS)技術(shù)對(duì)各種電能質(zhì)量問題進(jìn)行有效地控制。如今D-FACTS設(shè)備已成為改善電能質(zhì)量，尤其是解決動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)問題的有力工具。然而，目前絕大部分的D-FACTS設(shè)備通常采用單純的并聯(lián)型或串聯(lián)型連接及控制方式，僅能解決部分電能質(zhì)量問題。
[0004]如串聯(lián)型D-FACTS設(shè)備，主要通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)電壓來(lái)解決配、用電系統(tǒng)中電壓方面的電能質(zhì)量問題，典型設(shè)備包括固態(tài)切換開關(guān)(Solid-State Transfer Switch, SSTS)、動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)、串聯(lián)型有源電力濾波器(Active PowerFilter, APF)等。其中串聯(lián)型DVR裝置存在的缺陷在于:僅適用于系統(tǒng)側(cè)發(fā)生短路故障形成的電壓跌落，對(duì)于無(wú)論是近端斷路器跳閘產(chǎn)生的供電中斷或者上級(jí)斷路器跳閘及倒閘形成的短時(shí)供電中斷，DVR裝置均無(wú)法構(gòu)成有效的補(bǔ)償回路。其次，DVR裝置在電壓未發(fā)生跌落或突升條件下通常處于電子旁路狀態(tài)，整體設(shè)備利用率很低，盡管可像串聯(lián)型APF裝置一樣增加對(duì)諧波電壓的補(bǔ)償功能，但它無(wú)法對(duì)諧波和無(wú)功電流進(jìn)行抑制，而后者是實(shí)際配電、用電系統(tǒng)中最主要諧波污染源。固態(tài)切換開關(guān)技術(shù)SSTS的問題是，首先需要互為熱備用的獨(dú)立電源系統(tǒng)的支持，這在許多地區(qū)和應(yīng)用場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)，代價(jià)高昂；其次，基于晶閘管實(shí)現(xiàn)的SSTS，由于需要關(guān)斷控制，仍然有半個(gè)周波到一個(gè)周波的斷電時(shí)間，對(duì)許多敏感負(fù)荷而言是不可接受的。
[0005]并聯(lián)型D-FACTS設(shè)備通常并聯(lián)在電網(wǎng)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)其注入電網(wǎng)的補(bǔ)償電流來(lái)解決諧波和動(dòng)態(tài)無(wú)功電流等潮流引起的電能質(zhì)量問題，或者可作為獨(dú)立的電壓源為負(fù)荷供電以解決配電系統(tǒng)中的部分電壓質(zhì)量問題。典型并聯(lián)型D-FACTS設(shè)備包括配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(Distributed Static Synchronous Compensator, D-STATCOM)、并聯(lián)型有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)以及在線互動(dòng)式 UPS(Line_InteractiveUninterruptible Powe rSupply)等。由于D-STATC0M和并聯(lián)型APF設(shè)備是通過(guò)改變配電系統(tǒng)中潮流分布實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量問題的抑制，屬間接控制方式，對(duì)于電壓跌落、電壓驟升等電壓質(zhì)量問題無(wú)法有效控制。在線互動(dòng)式UPS可以通過(guò)與配、用電系統(tǒng)快速斷開繼而獨(dú)立為負(fù)荷供電來(lái)解決電壓型電能質(zhì)量擾動(dòng)問題，但其在配、用電系統(tǒng)快速斷開時(shí)間這一關(guān)鍵問題上存在較大缺陷，目前所采用的交流電子旁路開關(guān)斷開時(shí)間較長(zhǎng)，典型時(shí)間為4?10ms，導(dǎo)致UPS的輸出存在一定時(shí)間的供電中斷，對(duì)于敏感型負(fù)荷而言仍然是不可接受的。
[0006]綜合型D-FACTS設(shè)備正是在這種情況下發(fā)展起來(lái)的。綜合型D-FACTS設(shè)備能夠同時(shí)解決配、用電系統(tǒng)中電壓和電流兩類電能質(zhì)量問題，典型設(shè)備包括統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Controller, UPQC)、雙變換型UPS (Double Convers1n UPS)和在線交互式delta型UPS (Line-1nteractive Delta UPS),這些設(shè)備在結(jié)構(gòu)上同時(shí)包括“并聯(lián)型和串聯(lián)型”或“整流器和逆變器”兩部分變流器設(shè)備。以UPQC為例，其概念最早由日本學(xué)者Akagi于1996年提出，此后日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)學(xué)者在最初的UPQC概念基礎(chǔ)上開展了進(jìn)一步的研究。UPQC的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)背靠背式的雙向變流器，將雙向變流器的兩部分分別串聯(lián)和并聯(lián)在電網(wǎng)中。UPQC的控制系統(tǒng)采集電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的電壓電流信號(hào)，計(jì)算串聯(lián)部分變流器的輸出參考電壓以及并聯(lián)部分變流器的輸出參考電流，生成變流器的電力電子開關(guān)控制信號(hào)，對(duì)串聯(lián)部分變流器和并聯(lián)部分變流器分別進(jìn)行電壓和電流跟蹤控制，使得負(fù)荷電壓以及電網(wǎng)電流維持正弦波形。同時(shí)，背靠背式變流器的直流電容器還可以與蓄電池等直流儲(chǔ)能單元并聯(lián)，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生諸如電壓跌落等嚴(yán)重故障時(shí)，UPQC裝置通過(guò)并聯(lián)部分變流器為負(fù)荷在電網(wǎng)故障期間提供連續(xù)電能。雙變換型UPS則通過(guò)AC-DC-AC兩級(jí)變流器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與配、用電系統(tǒng)的完全電壓、電流隔離。
[0007]綜合型D-FACTS設(shè)備功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大部分類型電能質(zhì)量擾動(dòng)的治理，但目前應(yīng)用范圍仍然有限，主要的限制因素是D-FACTS設(shè)備成本高、抗過(guò)載能力弱及可靠性差等問題。綜合型D-FACTS同時(shí)包含并聯(lián)和串聯(lián)兩部分變流器結(jié)構(gòu)，相對(duì)于并聯(lián)型或串聯(lián)型設(shè)備而言其整體成本明顯增加。與串聯(lián)型D-FACTS設(shè)備一樣，綜合型D-FACTS的串聯(lián)變流器設(shè)備必須按照線路負(fù)荷的最大過(guò)載倍數(shù)和最嚴(yán)重波形系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間存在的這一矛盾往往造成D-FACTS設(shè)備的設(shè)計(jì)容量進(jìn)一步增加，裝置成本和利用率的進(jìn)一步下降。此外，綜合型D-FACTS設(shè)備缺乏對(duì)線路發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)短路電流有效地抑制手段。
[0008]在電網(wǎng)擾動(dòng)的判斷檢測(cè)方面，目前已有人將電網(wǎng)故障分為3種類型:故障類型I，亦稱為線路短路故障類型，是指在被保護(hù)的末端線路或者負(fù)荷側(cè)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載或短路故障；故障類型II，亦稱為瞬時(shí)/暫時(shí)/短時(shí)電壓變動(dòng)類型，包括任意單相、兩相或三相電壓動(dòng)態(tài)電壓突升(swells)、電壓驟降(Sags)、電壓脈沖(Impulses)、電壓振蕩(Oscillat1n)及瞬時(shí)供電中斷(Momentary Interrupt1ns)等電壓故障類型；故障類型III，亦稱為長(zhǎng)期或穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量類型，包括長(zhǎng)期電壓變動(dòng)、電壓波動(dòng)及閃變、不平衡、諧波等電能質(zhì)量故障。
[0009]3種故障類型的判定條件說(shuō)明如下:
[0010]I)故障類型I判定條件:采用基于負(fù)荷電流瞬時(shí)值大小和斜率的識(shí)別方法。線路電流瞬時(shí)值不能突變，單純采用瞬時(shí)值識(shí)別的方法可能還不能滿足快速識(shí)別的要求，故增加線路電流斜率的識(shí)別。為了避免投切電容器以及諧波對(duì)負(fù)荷電流瞬時(shí)值斜率的影響，因此采用負(fù)荷電流瞬時(shí)值和斜率相結(jié)合的方式。設(shè)檢測(cè)計(jì)算得到的負(fù)荷電流瞬時(shí)值為L(zhǎng)變化率為dk/dt，則故障類型I的判定條件為
[0011]

【權(quán)利要求】
1.一種利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置，其特征在于:該統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置包括諧振型電子開關(guān)、電壓源變流器，儲(chǔ)能單元及由主控制器和多種傳感器組成的主控制系統(tǒng)；其中，諧振型電子開關(guān)串聯(lián)接入電網(wǎng)與受保護(hù)敏感負(fù)荷之間，諧振型電子開關(guān)的兩端口分別為PCC1點(diǎn)和PCC2點(diǎn)；電壓源變流器交流輸出端口并聯(lián)接入PCC2點(diǎn)，其直流側(cè)電容端口分別與儲(chǔ)能單元的對(duì)應(yīng)輸出端口連接；主控制器輸入端與各傳感器相連；主控制器輸出端分別與電壓源變流器和諧振型電子開關(guān)相連，輸出電壓源變流器的開關(guān)脈沖信號(hào)以及諧振型電子開關(guān)的開關(guān)脈沖信號(hào)；該諧振型電子開關(guān)包括一組電感Lrt和Lf 一組電容Crt和(；2以及一組雙向晶閘管T1 ;其中，雙向晶閘管T1與電感Lrf、電容Crt串聯(lián)所構(gòu)成的支路與電感Lrt相并聯(lián)，由Lrt、Lf Crt、T1構(gòu)成的并聯(lián)支路與電容Crf相互串聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述電壓源變流器采用2電平、3電平三相橋結(jié)構(gòu)、3單相H橋結(jié)構(gòu)或級(jí)聯(lián)式H橋多電平變流器之任一種的全控型電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，具備電壓型控制和電流型控制兩種模式。
3.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容、飛輪或電池組儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能單元及其附屬電力電子電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)電能、向儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能單元充電以及向電壓源變流器提供有功功率。
4.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述主控制系統(tǒng)包括主控制器及與相連的多種傳感器；所述多個(gè)傳感器包括PCC1點(diǎn)電壓互感器PI\、PCC2點(diǎn)電壓互感器PT2、PCC1點(diǎn)系統(tǒng)電流互感器CTpPCC2點(diǎn)電流互感器CT2、電壓源變流器I直流側(cè)電容電壓傳感器PT3、儲(chǔ)能單元輸出電流傳感器CT3和電壓源變流器輸出電流傳感器CT4 ;各傳感器分別對(duì)配、用電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓、電流潮流以及利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置自身關(guān)鍵電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)；主控制器由DSP芯片和FPGA芯片組成，其中，DSP芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制、計(jì)算、保護(hù)及管理，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)AD采樣、PWM脈沖輸出以及裝置保護(hù)；主控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算并判定當(dāng)前電能質(zhì)量故障類型，根據(jù)電能質(zhì)量故障類型控制利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置采用對(duì)應(yīng)電能質(zhì)量運(yùn)行模式。
5.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的運(yùn)行控制方法，其特征在于:主控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)PCC1點(diǎn)及PCC2點(diǎn)的潮流檢測(cè)，將檢測(cè)到各種電能質(zhì)量故障進(jìn)行判別后并劃分為3種類型，并據(jù)此將利用諧振型電子開關(guān)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制裝置UPQC-RES設(shè)定為4種運(yùn)行模式，判斷并控制UPQC-RES在所述4種模式之間進(jìn)行快速切換和運(yùn)行； 所述UPQC-RES的4種運(yùn)行模式包括:故障電流限制模式1、不間斷電源模式I1、并聯(lián)補(bǔ)償模式III及待機(jī)模式IV。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，所述運(yùn)行控制方法具體包括以下步驟: 1)采集各傳感器信號(hào)，包括=PCC1點(diǎn)系統(tǒng)電壓VS、PCC2點(diǎn)負(fù)載電壓VpPCC1點(diǎn)系統(tǒng)電流is、PCC2點(diǎn)負(fù)載線路電流k以及儲(chǔ)能單元輸出電流和輸出電壓、電壓源變流器輸出電流； 2)根據(jù)所述故障類型1、I1、III判定條件，判斷是否存在電能質(zhì)量故障；若是，轉(zhuǎn)步驟3)，否則進(jìn)入待機(jī)模式IV并進(jìn)入步驟I)； 3)區(qū)分故障類型，根據(jù)故障類型的優(yōu)先級(jí)別將發(fā)明裝置快速切換到相應(yīng)的運(yùn)行模式； 4)進(jìn)入所選擇的運(yùn)行模式確認(rèn)完成相應(yīng)操作后，轉(zhuǎn)步驟I)。
7.如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述步驟3)中，根據(jù)故障類型的優(yōu)先級(jí)別對(duì)裝置快速切換到相應(yīng)的運(yùn)行模式，具體包括: 主控制系統(tǒng)按照3種故障類型的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行模式切換，設(shè)定優(yōu)先級(jí)為:故障類型I〉故障類型II〉故障類型III ; 根據(jù)所述故障類型優(yōu)先級(jí)，UPQC-RES運(yùn)行模式的切換原則為: 無(wú)論裝置當(dāng)前運(yùn)行在何種模式，當(dāng)裝置檢測(cè)到比當(dāng)前運(yùn)行模式治理的故障類型優(yōu)先級(jí)高的故障類型時(shí)，立即切換到與更高優(yōu)先級(jí)故障類型相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式；當(dāng)優(yōu)先級(jí)更高的故障類型狀態(tài)恢復(fù)后，主控制系統(tǒng)依次判斷是否存在優(yōu)先級(jí)更低的故障類型，以確定切換模式類型；當(dāng)3種故障類型均未檢測(cè)出時(shí)，切換進(jìn)入待機(jī)模式IV。
【文檔編號(hào)】H02J3/00GK104134997SQ201410338800
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】姜齊榮, 魏應(yīng)冬, 田鈺笙 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 張家港智電電力電子研究所有限公司