[發明專利]用于高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置

無效

• 申請號: 200910243316.2
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN101710704A
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發明（設計）人: 楊耕;萬承寬;鄭偉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/18;H02J3/26;H02J3/12;H02J3/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

技術領域

本發明涉及一種用于高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，屬于電力電子技術領域。

背景技術

作為一種清潔能源，風力發電近年來得到了迅猛發展。由于自然界中風能是變化的，因此風力發電系統所發出的有功功率亦是波動的。隨著并入電網的風電場容量的不斷增大，這個波動將會引起嚴重的電能質量問題并危害到電網的穩定運行。因此，風力發電系統中需要裝入有能夠進行有功功率調節、抑制電能波動的電力裝置。

另外，在電網發生擾動或故障時，一般還需要風力發電場對電網具有足夠的動態無功功率支撐能力，即向電網發送無功功率，從而穩定電網電壓和頻率。因此，風力發電場自身還需要裝備能夠進行無功功率調節、穩定電網電壓的電力裝置。

目前在風力發電系統的實際應用中，一般使用電能儲存裝置對有功功率進行調節，例如當風機發出的有功功率大于電網所需功率時就將多余的有功存儲在電池、超級電容等儲能元件中；當發出的有功功率小于電網所需功率時則將儲能元件中的能量送入電網。對于無功功率的調節，現在則大多采用并聯的補償電容器組或靜止無功補償器、靜止無功發生器等無功補償裝置來實現。其中投切電容器組雖然在一定程度上可以實現無功補償，但因其調節不平滑、響應速度慢并且補償容量受裝置自身容量的限制，在實際中的補償效果并不好。而基于電力電子逆變技術的動態無功補償裝置，如靜止無功補償器、靜止無功發生器等，由于采用了門極可關斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管等大功率全控器件，不僅可以吸收還可以向電網發送無功，能夠更加快速有效地實現對無功功率的調節。但這類系統沒有對風電場輸出的有功功率的波動進行抑制的功能。

發明內容

本發明的目的是提出一種用于高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，該裝置采用級聯多個單相全橋逆變單元的方式實現高壓并網，利用每個單元直流母線上的大電容對無功功率和瞬時變化的有功功率進行調節，利用每個單元直流母線上的電池組單元(以下簡稱：BBU)對緩慢變化的有功功率進行調節。該裝置將有功功率調節和無功功率調節的功能集于一身，具有較強的動態調節能力，運行中無諧波輸出，并且無需并網變壓器、占地面積小、維護簡單，相較于目前風力發電系統中所使用的儲能裝置或無功補償裝置具有更加全面的功能和十分突出的性價比優勢。

本發明提出的用于高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，包括：

U相級聯單元、V相級聯單元和W相級聯單元，三相級聯單元之間成星型連接；每相級聯單元由n個全橋逆變單元、n個大電容器組、n個自動開關和n個電池組單元組成，所述的n個全橋逆變單元相互串聯，每個級聯單元中的第一個全橋逆變單元的首端與相應的電抗器相連，每個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端與另外兩個級聯單元中的第n個全橋逆變單元的末端相連；所述的每個全橋逆變單元中的直流母線與所述的大電容器組相并連；所述的電池組單元通過自動開關與所述的大電容器組相連；所述的全橋逆變單元由4個絕緣柵雙極晶體管或集成門極換流晶閘管組成，絕緣柵雙極晶體管或集成門極換流晶閘管成橋式連接；所述的電池組單元由一個電池組和一個雙向“直流-直流”變換器組成，電池組與雙向“直流-直流”變換器相連；

三臺電抗器，用于根據電能調節裝置接入點的電壓與級聯單元產生的電壓在電抗器上的電壓降產生調節電流，并濾除來自級聯單元電流的高次諧波，三臺電抗器的一端分別與相應的級聯單元相連，三臺電抗器的另一端分別與三個斷路器相連；

三個斷路器，用于在電能調節裝置發生故障或維修時使三相級聯單元與電網切斷，三個斷路器的一端分別與相應的三臺電抗器相連，三個斷路器的另一端分別與相應的隔離開關相連；

三個隔離開關，用于在斷路器斷開時保證三相級聯單元與電網完全切斷，三個隔離開關的一端分別與相應的三個斷路器相連，三個隔離開關的另一端分別與電網的三相連接。

本發明提出的用于高壓系統的有功功率和無功功率調節的電能調節裝置，其優點在于：

1、本發明提出的電能調節裝置，具有有功波動和無功調節、以及三相電壓不平衡補償等功能，一機多用，與已有的儲能裝置或無功補償裝置相比，功能更為全面，性價比優勢十分明顯。

2、本發明提出的電能調節裝置，能夠完全替代現有的動態無功補償裝置實現對電網的無功補償功能，但是比起現有的靜止補償器等裝置來說，省去了復雜笨重的并網變壓器，結構簡單，占地面積小。

3、本發明提出的電能調節裝置，在對風力發電電能波動的調節中，與已有的儲能裝置相比，由于利用了直流母線上大電容的充放電能力，從而對快速波動的輸入電能具有更好的調節作用。