基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置制造方法
【专利摘要】一种基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，包括：控制器、整流单元、H桥逆变单元、串联变压器、风电直流电压传感器、风电直流电流传感器、交流电压互感器、直流升压单元、光电直流电压传感器、光电直流电流传感器、并网逆变器；本发明利用风电/光电的互补作用，解决了传统串联补偿器储能的问题，本发明并网逆变器采取前馈方式，因而不增加串联变压器与串补逆变单元的额外容量，因此具有风电、太阳光伏发电的互补前馈与快速补偿电网电压变化的特点。
【专利说明】基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电能质量【技术领域】，特别是一种基于风光电互补的前馈型电压串联补
|石术C且ο
【背景技术】
[0002]发达国家对电能质量水平的要求很高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量，造成营销困难而损害公司形象及和用户的良好商业关系等，而且也会给医疗等重要用电部门的设备带来危害，引起严重的生产和运行事故，美国电力研究院(EPRI)研究显示，电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元(Electric Power Research Institute, 1999);日本等发达国家对电能质量要求也很高。随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求越来越高，电压骤降(陷落、跌落)是其中的主要问题，电压陷落不仅会引起电力系统的电压质量问题，也会危及用电设备的安全工作，电力系统故障，大型电机启动，支路电路短路等都会引起电压陷落，虽然电压陷落时间短，但是它会引起工业过程的中断或停工，而所引起工业过程的停工期间远远大于电压陷落事故的本身时间，因此所造成的损失很大。
[0003]传统的方法，如电压调节器并不能解决这些问题，而不间断电源UPS装置虽能解决这些问题，但是其成本和运行费用都极其昂贵，为了解决上述问题，国内外对动态电压补偿器开展了研究。相比于UPS，动态电压补偿器能有效解决电压陷落的问题。但是，储能问题也一直困扰着动态电压补偿器的问题，虽然有人提出最小能量注入法等先进的方法，但是额外的储能始终影响其进一步推广、发展。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，它充分利用风能、太阳能，电网正常时，它利用绿色的风能、太阳能，将风能、太阳能转换为电能，供给电网；当电网电压出现故障时，它输出相应的电压量，补偿电网电压的差值，确保负载电压不变化，因而保护了负载。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，特点在于构成包括:控制器、整流单元、H桥逆变单元、串联变压器、风电直流电压传感器、风电直流电流传感器、交流电压互感器、直流升压单元、光电直流电压传感器、光电直流电流传感器、并网逆变器；
[0007]上述部件的连接关系如下:
[0008]所述的控制器的整流控制端与所述的整流单元相应的控制端相连，其H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元相应的控制端相连，其直流升压控制端与直流升压单元相应的控制端相连；其风电直流电压输入端与所述风电直流电压传感器的输出端相连，其风电直流电流输入端与所述风电直流电流传感器的输出端相连，其交流电流输入端与所述交流电压互感器的输出端相连，其转子转速、转子角度输入信号与同步发电机的测速码盘输出端相连，其光电直流电压输入端与所述光电直流电压传感器的输出端相连，其光电直流电流输入端与所述光电直流电流传感器的输出端相连，其并网逆变控制端与所述的并网逆变器相应的控制端相连；
[0009]所述的整流单元的交流输入端与同步发电机的输出端相连，其直流输出端与所述的直流升压单元的直流输出端相连，其输入控制端与所述控制器相应的整流控制端相连；
[0010]所述的整流单元的直流输出端与直流升压单元的直流输出端相连后与所述的H桥逆变单元的直流母线端相连，H桥逆变单元的交流输出端与所述的串联变压器的初级线圈的两端相连，其输入控制端与所述控制器相应的逆变控制端相连；
[0011]所述的串联变压器的初级线圈与所述H桥逆变单元的交流输出端相连，其次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连；
[0012]所述的风电直流电压传感器的输入端与所述整流单元的直流输出端相连，其输出端与所述控制器相应的风电直流电压输入端相连；
[0013]所述的风电直流电流传感器的输入端串接于所述整流单元的直流输出端，其输出端与所述控制器相应的风电直流电流输入端相连；
[0014]所述的交流电压互感器的输入端与电网公共点电压相连，其输出端与所述控制器的交流电压输入端相连；
[0015]所述的直流升压单元的直流输入端与光伏电池板的输出端相连，其直流输出端与所述的H桥逆变单元的直流输入端相连，其输入控制端与所述控制器相应的直流升压控制端相连；
[0016]所述的光电直流电压传感器的输入端与所述直流升压单元的直流输出端相连，其输出端与所述控制器相应的光电直流电压输入端相连；
[0017]所述的光电直流电流传感器的输入端串接于所述直流升压单元的直流输出端，其输出端与所述控制器相应的光电直流电流输入端相连；
[0018]所述的并网逆变器的直流母线端与所述H桥逆变单元的直流母线端相连，其交流输出端与电网公共点电压相并连，其控制端与所述控制器相应的并网逆变器输出端相连。
[0019]所述的控制器由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理器、单片机或计算机。
[0020]利用权利要求1所述的基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置进行串联补偿的方法，该方法包括下列具体步骤:
[0021 ] I)所述的控制器测量交流供电电压Us、整流单元输出的直流电压Uw与直流电流Iw、直流升压单元输出的直流电压Upv与直流电流Ipv、同步发电机转速与转子角度；
[0022]2)所述的控制器计算整流单元的输出功率Pw =Pw=UwXIw ；
[0023]3)所述的控制器计算直流升压单元的输出功率Ppv =Ppv=UpvXIpv ；
[0024]4)所述的控制器控制整流单元与直流升压单元进行风能太阳能的补偿输出:
[0025]风能最大功率跟踪:判断本次整流单元输出有功功率Pw是否大于上次输出值，若是则继续增大同步发电机转速；否则，维持同步发电机转速不变；
[0026]太阳能最大功率跟踪:判断本次直流升压单元输出有功功率Ppv是否大于上次输出值，若是则继续增大占空比；否则，维持占空比不变；
[0027]5)设Ustl为电网正常时交流供电电压值:[0028]若电网正常，即交流供电电压Us等于或高于正常电压Uso的90%时，则控制H桥逆变单元输出电压为零，使得串联变压器注入供电交流线路的电压为零，且控制并网逆变器将风电、光电注入电网，反馈给电网；
[0029]若电网故障，即交流供电电压Us低于正常电压Ustl的90%时，则控制H桥逆变单元，使通过所述的串联变压器输出的电压满足=Uj=(Ustl-Us)，多余的风电、光电通过控制并网逆变器向电网注入功率，若风电、光电不够，则通过并网逆变器向直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。
[0030]与现有技术相比，本发明的特点如下:
[0031]1.电网电压跌落时，串联输出电压，保护了重要负载；
[0032]2.采用串联变压器方式，适用电压范围更宽；
[0033]3.利用风能、太阳能的互补作用，解决电网电压陷落(骤降、跌落)的补偿的储能问题。
[0034]4.并网逆变器采取前馈方式，不额外增加串联变压器与串补逆变单元的容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本发明基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置的结构示意图。
[0036]图2是本发明的单相H桥逆变单元拓扑图。
[0037]图3是本发明的并网逆变器拓扑图。
[0038]图4是本发明串联补偿控制框图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0040]先请参阅图1，图1是本发明基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置的结构示意图。由图可见，一种基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，包括:控制器1、整流单元2、H桥逆变单元3、串联变压器4、风电直流电压传感器5、风电直流电流传感器6、交流电压互感器7、直流升压单元8、光电直流电压传感器9、光电直流电流传感器10、并网逆变器11。
[0041]上述部件的连接关系如下:
[0042]所述的控制器I的整流控制端与所述的整流单元2相应的控制端相连，所述的控制器I的H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元3相应的控制端相连，所述的控制器I的直流升压控制端与所述的直流升压单元8相应的控制端相连；所述的控制器I的风电直流电压输入端与所述风电直流电压传感器5的输出端相连，所述的控制器I的风电直流电流输入端与所述风电直流电流传感器6的输出端相连，所述的控制器I的交流电流输入端与所述交流电压互感器7的输出端相连，所述的控制器I的转子转速、转子角度输入信号输入端与同步发电机的测速码盘输出端相连，所述的控制器I的光电直流电压输入端与所述光电直流电压传感器9的输出端相连，所述的控制器I的光电直流电流输入端与所述光电直流电流传感器10的输出端相连，所述的控制器I的并网逆变控制端与所述的并网逆变器11的控制端相连；[0043]所述的整流单元2的交流输入端与所述的同步发电机的输出端相连，该整流单元2的直流输出端与所述的直流升压单元8的直流输出端相连；
[0044]所述的整流单元2的直流输出端与直流升压单元8的直流输出端相连后与所述的H桥逆变单元3的直流母线端相连，H桥逆变单元3的交流输出端与所述的串联变压器4的初级线圈的两端相连；
[0045]所述的串联变压器4的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连；
[0046]所述的风电直流电压传感器5的输入端与所述整流单元2的直流输出端相连，所述的风电直流电压传感器5的输出端与所述控制器I相应的风电直流电压输入端相连；
[0047]所述的风电直流电流传感器6的输入端串接于所述整流单元2的直流输出端，其输出端与所述控制器I相应的风电直流电流输入端相连；
[0048]所述的交流电压互感器7的输入端与电网公共点电压相连，其输出端与所述控制器I的交流电压输入端相连；
[0049]所述的直流升压单元8的直流输入端与光伏电池板的输出端相连；
[0050]所述的光电直流电压传感器9的输入端与所述直流升压单元8的直流输出端相连，其输出端与所述控制器I相应的光电直流电压输入端相连；
[0051]所述的光电直流电流传感器10的输入端串接于所述直流升压单元8的直流输出端，其输出端与所述控制器I相应的光电直流电流输入端相连；
[0052]所述的并网逆变器11的直流母线端与所述H桥逆变单元3的直流母线端相连，其交流输出端与电网公共点电压相并连，其控制端与所述控制器I相应的并网逆变器输出端相连。
[0053]具体实现如下:
[0054]所述的控制器I控制整流单元2进行风能的最大功率跟踪，将同步发电机输出的交流电转换为直流电，所述的控制器I控制直流升压单元8对太阳能进行最大功率跟踪，将光伏发电输出的直流电升高为直流电，该整流单元2的输出端与直流升压单元8的输出端和所述的H桥逆变单元3与并网逆变器11的直流母线相连；该H桥逆变单元3的交流输出端与所述的串联变压器4的初级线圈的两端相连，所述串联变压器4的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网供电端和负载端相连，并网逆变器11的交流输出端与电网相连；所述的控制器I的直流电压输入端分别与风电直流电压传感器5以及光电直流电压传感器9的输出端相连，所述的控制器I的直流电流输入端分别与风电直流电流传感器6以及光电直流电流传感器10的输出端相连，通过直流电压传感器5、直流电流传感器6分别测量整流单元2输出的直流电压、直流电流；通过直流电压传感器9、直流电流传感器10分别测量直流升压单元8输出的直流电压、直流电流；所述的控制器I的交流电压输入端与交流电压互感器7输出端相连，通过交流电压互感器7测量电网交流供电电压。
[0055]电网正常时，所述的控制器I控制H桥逆变单元3使其输出的交流电压为零，通过控制并网逆变器11，使风电、光电通过并网逆变器11注入电网；电网电压低于正常电压的90%时，控制H桥逆变器进行串联电压补偿，通过并网逆变器11，将多余的风电、光电注入电网，风电、光电不足时，通过电网向直流母线反馈功率，从而维持直流母线电压的恒定。
[0056]图2为单相H桥的拓扑结构图，三相结构相同。[0057]图3为三相并网逆变器的两电平拓扑结构图。
[0058]图4为串联补偿控制方法框图，通过所测的直流电压、直流电流，计算风电与光伏发电输出的功率Pw与Ppv，进行风电与光伏发电最大功率跟踪控制；通过检测电网的交流电压，判断电网交流电压是否正常，当发现电网故障时，控制器I控制H桥逆变单元3输出相应的交流电压变化量，控制并网逆变器11将风电、光电注入到电网。
[0059]具体步骤如下:
[0060]1)所述的控制器I测量交流供电电压Us、整流单元2输出的直流电压Uw与直流电流Iw、直流升压单元8输出的直流电压Upv与直流电流Ipv、同步发电机转速与转子角度；
[0061]2)计算整流单元2的输出功率Pw =Pw=UwXIw ；
[0062]3)计算直流升压单元8的输出功率Ppv:Ppv=UpvX Ipv ；
[0063]4)所述的控制器I控制整流单元2与直流升压单元8进行风光电互补输出:
[0064]风能最大功率跟踪:判断本次整流单元2输出的有功功率Pw是否大于上次输出值，若是，则继续增大同步发电机转速；否则，维持同步发电机转速不变；
[0065]太阳能最大功率跟踪:判断本次直流升压单元8输出的有功功率Ppv是否大于上次输出值，若是，则继续增大占空比；否则，维持占空比不变；
[0066]5)设Ustl为电网正常时交流供电电压值，Usi为电网发生故障时交流供电电压值:
[0067]若电网正常，即交流供电电压Us等于或高于正常电压Uso的90%时，则控制H桥逆变单元3输出电压为零，使得串联变压器4注入供电交流线路的电压为零，且控制并网逆变器11将风电、光电注入电网，反馈给电网；
[0068]若电网故障，即交流供电电压?S低于正常电压Uso的90%时，则控制H桥逆变单元3，使通过所述的串联变压器4输出的电压满足=Uj=(Ustl-Us)，多余的风电、光电通过控制并网逆变器11向电网注入功率，若风电、光电不够，则通过并网逆变器11向其直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。
【权利要求】
1.一种基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，特征在于构成包括:控制器(I)、整流单元(2)、H桥逆变单元(3)、串联变压器(4)、风电直流电压传感器(5)、风电直流电流传感器(6)、交流电压互感器(7)、直流升压单元(8)、光电直流电压传感器(9)、光电直流电流传感器(10)、并网逆变器(11)； 上述部件的连接关系如下: 所述的控制器(I)的整流控制端与所述的整流单元(2)相应的控制端相连，所述的控制器(I)的H桥逆变控制端与所述的H桥逆变单元(3)相应的控制端相连，所述的控制器(1)的直流升压控制端与所述的直流升压单元(8)相应的控制端相连；所述的控制器(I)的转子转速、转子角度输入信号输入端与同步发电机的测速码盘输出端相连，所述的控制器(O的光电直流电压输入端与所述光电直流电压传感器(9)的输出端相连，所述的控制器(O的光电直流电流输入端与所述光电直流电流传感器(10)的输出端相连，所述的控制器(O的并网逆变控制端与所述的并网逆变器(11)的控制端相连； 所述的整流单元(2)的交流输入端与所述的同步发电机的输出端相连，该整流单元(2)的直流输出端与所述的直流升压单元(8)的直流输出端相连；所述的整流单元(2)的直流输出端与直流升压单元(8)的直流输出端相连后与所述的H桥逆变单元(3)的直流母线端相连，H桥逆变单元(3)的交流输出端与所述的串联变压器(4)的初级线圈的两端相连； 所述的串联变压器(4)的次级线圈串接在电网的输电线中，分别与电网的供电端和负载端相连； 所述的风电直流电压传感器(5)的输入端与所述整流单元(2)的直流输出端相连，所述的风电直流电压传感器(5)的输出端与所述控制器(I)相应的风电直流电压输入端相连； 所述的风电直流电流传感器(6)的输入端串接于所述整流单元(2)的直流输出端，所述的风电直流电流传感器(6)的输出端与所述控制器(I)相应的风电直流电流输入端相连； 所述的交流电压互感器(7)的输入端与电网公共点电压相连，所述的交流电压互感器(7)的输出端与所述控制器(I)的交流电压输入端相连； 所述的直流升压单元(8)的直流输入端与光伏电池板的输出端相连； 所述的光电直流电压传感器(9)的输入端与所述直流升压单元(8)的直流输出端相连，其输出端与所述控制器(I)相应的光电直流电压输入端相连； 所述的光电直流电流传感器(10)的输入端串接于所述直流升压单元(8)的直流输出端，其输出端与所述控制器(I)相应的光电直流电流输入端相连； 所述的并网逆变器(11)的直流母线端与所述H桥逆变单元(3)的直流母线端相连，所述的并网逆变器(11)的交流输出端与电网公共点电压相并连，该并网逆变器(11)的控制端与所述控制器(I)相应的并网逆变器输出端相连。
2.根据权利要求1所述的基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置，其特征在于所述的控制器(I)由中央处理单元实现，其核心是数字信号处理器、单片机或计算机。
3.利用权利要求1所述的基于风光电互补的前馈型电压串联补偿装置进行串联补偿的方法，其特征在于该方法包括下列具体步骤: I)控制器(I)测量交流供电电压Us、整流单元(2)输出的直流电压Uw与直流电流Iw、直流升压单元(8)输出的直流电压Upv与直流电流Ipv、同步发电机转速与转子角度； 2)计算整流单元(2)的输出有功功率Pw=Pw=UwXIw ； 3)计算直流升压单元(8)的输出有功功率Ppv=Ppv=UpvXIpv ； 4)所述的控制器(I)控制整流单元(2)与直流升压单元(8)进行风光电互补输出: 风能最大功率跟踪:判断本次整流单元(2)输出的有功功率Pw是否大于上次输出值，若是，则继续增大同步发电机转速；否则，维持同步发电机转速不变； 太阳能最大功率跟踪:判断本次直流升压单元(8)输出的有功功率Ppv是否大于上次输出值，若是，则继续增大占空比；否则，维持占空比不变； 5)设Ustl为电网正常时交流供电电压值: 若电网正常，即交流供电电压Us等于或高于正常电压Uso的90%时，则控制H桥逆变单元(3)输出电压为零，使得串联变压器(4)注入供电交流线路的电压为零，且控制并网逆变器(11)将风电、光电注入电网，反馈给电网； 若电网故障，即交流供电电压Us低于正常电压Uso的90%时，则控制H桥逆变单元(3)，使通过所述的串联变压器(4)输出的电压满足=Uj=(Ustl-Us)，多余的风电、光电通过控制并网逆变器(11)向电网注入功率，若风电、光电不够，则通过并网逆变器(11)向直流母线注入功率，从而维持直流母线电压稳定。
【文档编号】H02J3/38GK103812115SQ201410065315
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】李国杰, 江秀臣, 汪可友, 冯琳, 韩蓓, 杭丽君 申请人:上海交通大学