基于蓄电池和超级电容器复合储能的电压功率调节器

摘要

基于蓄电池和超级电容器复合储能的电压功率调节器，包括储能模块、电力电子变换模块和变压器；所述储能模块由多个复合储能单元构成，电力电子变换模块由多个电力电子变换器构成，各复合储能单元并联在电力电子变换器的直流母线侧，各电力电子变换器的交流侧与变压器的副方绕组一一对应连接，变压器的原方绕组接入电网。本发明正常运行时为电网提供无功补偿，有效平抑负荷的有功功率波动；当供电线路发生故障或倒负荷操作时，为负荷提供短时的电力供应以避免负荷供电中断，并且快速跟踪备用线路的电压幅值和相位，实现无冲击投入备用电源线路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用蓄电池和超级电容器复合储能的电压功率调节器，属于电力设备技术领域。

背景技术

大型工业用户一般都有双电源供电。正常工作时，一回线路供电，另一回作为备用。当供电线路需要检修或是供电线路发生故障时，先跳开供电线路，再由备自投控制装置自动投入备用线路。此时，用户侧会有短时供电中断(一般为几秒钟)。而这几秒的供电中断，对于大型工业用户来说，会造成巨大的经济损失。之所以在倒负荷时不先投入备用线路，是因为此时供电线路与备用线路之间可能存在环路电势，合环操作会产生冲击电流，影响电网的安全运行。

应对供电中断的危害，传统的改善措施是采用不间断电源(UPS)作为负荷的备用电源，但这种方法在系统供电正常时都不能对配网发生的电压波动、闪变等电能质量问题进行实时的无功补偿。

为了应对电能质量问题，一般采用静止同步补偿器(STATCOM)。STATCOM基于全控型电压源变流器，通过调节变流器输出电压来控制输出无功，具有输出感性无功和容性无功双向调节功能，能够提高线路功率因数，并能达到有效抑制电压波动和闪变的目的，提高配网的电能质量。但是STATCOM直流侧并联的小电容，容量很小，只能满足STATCOM的有功消耗，所以STATCOM与电网之间只能在两个象限内交换无功功率，不能与电网交换有功功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蓄电池和超级电容器复合储能的电压功率调节器，正常运行时其为电网提供无功补偿，有效平抑负荷的有功功率波动；当供电线路发生故障或倒负荷操作时，其为负荷提供短时的电力供应以避免负荷供电中断，并且快速跟踪备用线路的电压幅值和相位，实现无冲击投入备用电源线路。

基于蓄电池和超级电容器复合储能的电压功率调节器，包括储能模块3、电力电子变换模块4和变压器T2；所述储能模块3由M个复合储能单元5构成，电力电子变换模块4由N个电力电子变换器6构成，M≥1，N≥1；复合储能单元5均并联在电力电子变换器6的直流母线侧，各电力电子变换器6的交流侧与变压器T2的副方绕组一一对应连接，变压器T2的原方绕组接入电网。

所述变压器T2的各副方绕组的输出电压具有相位角差。

本发明的技术效果体现在：

(1)本发明可以在四个象限与电网交换有功和无功。使用储能装置的电压功率调节器在电网正常运行时既具有静止同步补偿器(STATCOM)的功能，即提高电网功率因数，抑制谐波，抑制电压波动和闪变，提高电能质量，又具有平抑负荷有功波动对电网的影响的功能。当系统发生供电中断时，通过控制复合储能单元的放电，短时给负荷继续提供电能，并且快速跟踪备用电源线路的电压幅值和相角，实现备用电源的平滑投入，提高了供电可靠性。

(2)蓄电池和超级电容器构成的复合储能实现两者的优势互补。蓄电池的优势在于成本较低，使用简单，能量密度大。但蓄电池由于自身充放电电流的限制，其充放电的功率密度较低，且蓄电池循环寿命短，不适合频繁充放电。而超级电容器则具有功率密度大，循环寿命长，维护简单的优点，适合于需要快速频繁充放电的场合。但由于超级电容器的能量密度较低，不能给负荷提供较长时间的电力。因此，采用蓄电池和超级电容器构成的复合储能，可以相互弥补对方的缺点，并兼有两者的优点。蓄电池和超级电容器构成的复合储能，具有能量密度大，功率密度大，充放电速度快，循环寿命长，充放电效率高等优点。

(3)性价比高：由于蓄电池和超级电容器同属于静止储能元件，因而在混合使用时简单可靠，运行成本低，维护费用少，无需辅助设备。混合储能系统工作时，瞬间大电流主要由超级电容器承担，可以有效减少蓄电池的充放电循环次数，延长整套储能系统的使用寿命，还可以缩小储能装置的体积，改善供电系统的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明接入配电网的一种接入方式；

图3为本发明接入配电网的另一种接入方式；

图4为本发明复合储能单元的第一种结构示意图；

图5为本发明复合储能单元的第二种结构示意图；

图6为本发明复合储能单元的第三种结构示意图；

图7为本发明电力电子变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明整体结构示意图，储能模块3并联在电力电子变换模块4的直流母线侧，电力电子变换模块4的交流侧连接变压器T2的低压侧，变压器T2的高压侧接入电网。储能模块3由M个复合储能单元5构成。电力电子变换模块4采用多重化技术，由N个电力电子变换器6构成。复合储能单元5的个数M以及电力电子变换器6的个数N依据用户侧负荷容量确定。变压器T2采用错相位技术，适当设计副方绕组的接线方式使输出电压彼此相差的相位，例如，当N＝4时，各绕组相位依次为22.5°，7.5°，-7.5°，-22.5°，产生的部分谐波相互抵消，从而有效降低电力电子变换器产生的谐波，改善系统谐波特性。

工作时，变压器T2的高压侧连接配电网变压器T1的低压侧，如图2所示，也可以将变压器T2的高压侧连接变压器T1的高压侧，如图3所示。

图4为复合储能单元5的第一种结构示意图。超级电容器8连接第一DC/DC变换电路9的一端，第一DC/DC变换电路9的另一端分别与蓄电池7和第二DC/DC变换电路10并联，第二DC/DC变换电路10并联在电力电子变换模块4的直流母线侧。工作时，超级电容器8的端电压经第一DC/DC变换电路9的变换与蓄电池7的端电压保持一致，第二DC/DC变换电路10控制对蓄电池7和超级电容器8的充放电。

图5为复合储能单元5的另一种结构示意图。蓄电池7连接第一DC/DC变换电路9的一端，第一DC/DC变换电路9的另一端分别与超级电容器8和第二DC/DC变换电路10并联，第二DC/DC变换电路10并联在电力电子变换模块4的直流母线侧。工作时，蓄电池7的端电压经第一DC/DC变换电路9的变换与超级电容器的端电压保持一致，第二DC/DC变换电路10控制对蓄电池7和超级电容器8的充放电。

图6为复合储能单元5的第三种结构示意图，蓄电池7连接第一DC/DC变换电路9，超级电容器8连接第二DC/DC变换电路10，两个DC/DC变换电路均并联在电力电子变换器的直流母线侧。工作时，第一DC/DC变换电路9单独控制蓄电池7的充放电，第二DC/DC变换电路10单独控制超级电容器8的充放电。

图7为电力电子变换器的结构示意图，采用电压型三相桥式全控型变换器，其直流侧并联一个电容，提供变流器所需的有功消耗，其交流侧通过电感连至变压器T2的低压侧。

本发明的工作原理如下：

1、为电网提供无功补偿

发生电压波动和闪变，需提供无功补偿时，复合储能单元5不工作，通过对电力电子变换模块4输出电压的调节，使电力电子变换模块4吸收或发出满足要求的无功电流实现配电网的动态无功补偿，抑制电压波动和闪变。

2、抑制负荷侧的功率波动

负荷侧发生功率波动，可以利用超级电容器8的快速充放电特性，给负荷提供快速的有功功率调节。某些负荷在特定工作方式下，会给系统带来能量回馈，如电梯在下降的过程中，电机工作在发电状态，就会有部分电能回馈给电网，这时控制超级电容器吸收这部分电能，可以减小电网侧的功率波动。

3、实现无间断供电

以图2所示结构为例，当配电系统供电回路1出现故障或需要检修时，跳开供电线路1，投入备用线路2，之前，这就会出现一个供电中断。控制储能模块3放电，经电力电子变换模块4逆变，为负载提供短时的电力(一般几秒～十几秒)。投入备用线路2时，控制系统调节电力电子变换模块4的输出电压幅值和相角，快速跟踪备用电路2的电压幅值及相角，实现备用电路2的平滑切换，实现无冲击投入备用线路，提高供电系统的安全性和可靠性。