一种混合型直流电力系统电能质量调节器

摘要

本发明提供一种混合型直流系统电能质量调节器，包括：电压电流信号采集单元、控制器、并联型补偿器、串联型补偿器和储能单元。电压电流信号采集单元连接控制器，控制器分别连接并联型补偿器、串联型补偿器和储能单元，并联型补偿器和串联型补偿器均连接储能单元。控制器分别控制并联型补偿器和串联型补偿器的开断，以将储能单元的电能调整为补偿电流或补偿电压注入直流系统，或以将直流系统的电能传送给储能单元，从而抑制负荷投切时的波动，稳定直流母线电压，滤除电压及电流谐波，以及开路故障时快速注入电流支撑负荷，在回路切换时平抑波动，控制最大电流，以及短路故障时快速切断回路，实现调节直流系统电能质量的目的。

说明书

技术领域

本发明属于直流电力系统领域，具体涉及一种混合型直流电力系统电能质量调节器，用以实现直流电力系统的电能质量调节。

背景技术

随着电力系统的发展，交流电力系统的缺点及局限性日益突出。在交流输电线路中，除了有导线的电阻损耗外还有交流感抗的损耗，线路损耗大，远距离输电效率低。交流输电线路中，任意一相发生永久性故障，必须全线停电，故障损失大。交流输电必须同步运行，交流系统并网还要考虑相位的一致性，控制复杂。在交流配电网络中，交流输电能力受到同步发电机间功角稳定性问题的限制，且随着输电距离的增大，同步机间的联系电抗增大，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差，稳定性问题更加突出，使得交流输配电能力受到更大限制。

与交流电力系统对应的直流电力系统不存在稳定性问题，切换更加容易，运行可靠性高；直流输电时不会产生线路电容电流损耗，输电效率高；输送同样的有功功率情况下，直流配电只有正负两极两根输电线，无集肤效应，导线截面利用充分，能节省线材、塔材及线路走廊，输电容量大，输送距离远；对绝缘介质的绝缘强度要求比交流低，直流电缆绝缘介质的投资少，适合海下电缆及城市配电网电缆输电。采用直流电力系统后，将不再需要目前直流输电技术的换流站，成本大幅度降低。直流输电的两条架空线通常采取相邻布线，电流大小相同，方向相反，相距很近，产生的磁场几乎可以完全抵消，具有环保优势。随着大量分布式能源接入电力系统，直流电力系统更方便于分布式能源的接入。近年来用户用电形式中含直流环节的电器增多，本质上使用直流的电器增多，使用直流配电网之后，减少电能的变换过程，提高电能效率。预计在不久的将来，随着直流技术进一步发展及完善，直流电力系统推广势在必行，将会在电力系统领域与交流电力系统并存甚至取代交流电力系统。

随着社会的发展，现代用电设备对电能质量以及供电可靠性提出了越来越高的要求。在交流电力系统中，人们已经采取一系列FACTS装置运用于交流电力系统的电能质量调节与治理。但是目前的电能质量调节装置均是针对于交流电力系统设计的，很少有关于直流电力系统的电能质量调节器方面的研究及发明。一旦直流电力系统投入使用，同样不可避免地会遇到类似的电能质量问题，现有的电能质量调节技术及装置将基本上无法适应直流电力系统的要求。

发明内容

本发明提出一种混合型直流电力系统电能质量调节器，实现直流电力系统的电能质量有效调节。

一种混合型直流电力系统电能质量调节器，包括：

电压电流信号采集单元，其连接控制器，用于采集直流电力系统的母线电压和电流信号，对该信号预处理后传送给控制器；

控制器，其分别连接电压电流信号采集单元、并联型补偿器、串联型补偿器和储能单元，用于接收电压电流信号采集单元的母线电压和电流信号，对该信号进行分析处理，产生相应的控制指令并传送给并联型补偿器、串联型补偿器和储能单元；

用于进行电流补偿的并联型补偿器，包括第一DC/DC双向变换器和第一滤波单元；DC/DC双向变换器，其分别连接控制器、直流储能单元和第一滤波单元，用于接收控制器的控制指令，在该指令作用下控制自身开关器件的开断，从而将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电流输出给电力系统，或者将电力系统多余的直流电能传送给直流储能单元；滤波单元，其一端的两个端口与第一DC/DC双向变换器串联，另一端的两个端口与直流母线并联，用于对直流储能单元通过DC/DC双向变换器输出的直流电流进行滤波处理。

用于进行电压补偿的串联型补偿器，包括第二DC/DC双向变换和第二滤波单元器，其分别连接控制器、储能单元和滤波单元，用于接收控制器的控制指令，在该指令作用下控制自身开关器件的开断从而将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电压输出给电力系统，或者将电力系统多余的直流电能传送给储能单元；滤波单元，其一端的两个端口与第二DC/DC双向变换器并联，另一端的两个端口与直流母线串联，且在该两串联接入点并联一个电容，用于对储能单元通过DC/DC双向变换器输出的直流电压进行滤波处理。

储能单元，其分别连接控制器、并联型补偿器的DC/DC双向变换器和串联型补偿器的DC/DC双向变换器，用于接收控制器的控制指令，在该指令控制下接收电力系统通过并联型补偿器和串联型补偿器输出的直流电能或者通过并联型补偿器和串联型补偿器向电力系统提供的直流电能。

进一步地，所述控制指令包括电流补偿指令、谐波电流补偿指令、电流快速注入指令、电流控制指令、电压补偿指令、谐波电压补偿指令和回路切断指令。

进一步地，所述调节器还包括两个隔离型DC/DC双向变压器，其中一个隔离型DC/DC双向变压器的副边连接并联型补偿器的第一滤波单元，原边并联直流母线；另一个隔离型DC/DC双向变压器的副边连接串联型补偿器的第二滤波单元，原边串联直流母线。

本发明有以下技术效果：

（1）本发明在应用中，当直流电力系统的母线电压发生电压跌落或上升时，该混合型直流电力系统电能质量调节器可以在毫秒级时间内向直流电力系统注入直流电流或者吸收直流电流，同时也可以在毫秒级时间内向直流电力系统提供一个直流电压，使直流电力系统的母线电压保持恒定或者在一定的允许范围内，达到稳定直流电力系统电压的目的。

（2）本发明在应用中，当直流电力系统的直流母线上出现谐波电流时，该混合型直流电力系统电能质量调节器可以滤除直流母线中的谐波电流，或当直流电力系统的直流母线上出现谐波电压时，该混合型直流系统电能质量调节器可以滤除直流母线谐波电压，平滑直流母线电压及电流波形，实现电源侧与负荷侧之间的谐波隔离，阻止谐波在两者之间双向流动。

（3）本发明在应用中，当直流电力系统出现开路故障时，该混合型直流电力系统电能质量调节器可以在开路故障发生的第一时间瞬时向直流电力系统注入直流电流，在等待备用回路切换过程中暂时支撑负荷的运行，同时平抑切换过程引起的波动，实现负荷从故障回路向备用回路的平稳转移，防止开路故障的进一步扩大，有利于减少开路故障损失；

（4）本发明在应用中，在直流电力系统备用回路与主回路之间进行相互切换过程时，该混合型直流电力系统电能质量调节器瞬时向直流电力系统注入或者吸收直流电流，平抑备用回路与主回路相互切换过程中引起的波动，实现负荷的平稳转移。

（5）本发明在应用中，可以实现对回路的最大通过电流的限制作用，方便对直流电力系统进行控制与管理。

（6）本发明在应用中，当直流电力系统出现短路故障时，该混合型直流系统电能质量调节器可以在短路故障发生的第一时间瞬时切断回路，限制直流电力系统短路时故障大电流，有利于快速切除故障，防止短路故障的进一步扩大。

（7）本发明在应用中，储能系统可以为混合型直流系统调节器提供或吸收直流系统能量。

（8）本发明在应用中，开关管可采用IGBT/IGCT/GTO等全控器件，可以实现快速开通与关断，动作速度快。

（9）本发明在应用中，可实现直流电力系统与调节器之间能量的双向流动。

（10）本发明在应用中，开关管产生的高次谐波在通过滤波单元滤除，对直流电力系统本身影响较小。

（11）本发明在应用中，如果调节器采用经隔离型双向DC/DC变压器接入直流电力系统，可以灵活方便地进行升压和降压，实现不同电压等级的接入要求，便于调节器的器件选型与保护；同时还可以实现调节器与直流电力系统的电气隔离作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为并联型补偿器结构示意图

图3为串联型补偿器结构示意图

图4为实例的DC/DC双向变换器1和2的电路结构示意图；

图5为实例的直流储能单元结构示意图；

图6为实例的滤波器3和4的电路结构示意图；

图7为本发明直接接入直流电力系统的示意图；

图8为本发明经隔离型DC/DC变压器接入直流电力系统的示意图；

图9为本发明中使用的隔离型DC/DC变压器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，图中的结构都是开放式的，不局限于图中所画的结构。

本发明提供的一种混合型直流电力系统电能质量调节器，其电路结构示意图如图1示，包括：并联型补偿器、串联型补偿器、储能单元、电压电流信号采集单元和控制器；电压电流信号采集单元连接控制器，控制器分别连接并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1、串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和储能单元，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1分别连接第一滤波单元3和储能单元，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2分别连第二接滤波单元4和储能单元。更具体地讲，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1通过两个直流端口i和j与第一滤波单元3相连接，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1通过另外两个直流端口c和d与储能单元相连接，如图2所示；串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2通过两个直流端口m和n与第二滤波单元4相连接，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2通过另外两个直流端口e和f与储能单元相连接，如图3所示。

电压电流信号采集单元用于采集直流电力系统的母线电压和电流信号，对该信号预处理后传送给控制器。

控制器接收电压电流信号采集单元的母线电压和电流信号，对该信号进行分析处理，产生相应的控制指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1、串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和储能单元，具体过程如下：

当直流母线上出现直流电压跌落或者上升时，为保持直流母线电压恒定或者维持在给定值，控制器产生相应的电流补偿指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和储能单元，同时控制器产生相应的电压补偿指令并传送给串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和储能单元；

当直流母线上出现谐波电流，为抵消谐波电流以及隔离电源侧与负荷侧之间的谐波电流传输，控制器产生谐波电流补偿指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和储能单元；

当直流母线上出现谐波电压，为抵消谐波电压、平滑直流电压波形以及隔离电源侧与负荷侧的谐波电压传输，控制器产生谐波电压补偿指令并传送给串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和储能单元；

当直流母线电压和电流显示直流电力系统出现开路故障，控制器产生电流快速注入指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和储能单元；

当直流母线电压和电流显示直流电力系统出现回路切换动作，控制器产生相应的电流补偿指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和储能单元；

当直流母线电流出现超过限定值时，控制器产生相应的电流控制指令并传送串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和储能单元。

当直流母线电压和电流显示直流电力系统出现短路故障，控制器产生回路切断指令并传送给串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2。

并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2用于接收控制器的控制指令，在该指令作用下控制开关器件的开断，为直流母线提供直流能量或者从直流母线吸收直流能量，即将电力系统多余的直流电能传送给储能单元或将储能单元的直流电能补偿给电力系统，从而稳定平滑直流电力系统母线电压及电流波形，滤除直流电力系统电流谐波及电压谐波，或出现开路故障时快速注入电流以暂时支撑直流系统，或在回路切换时平抑回路切换过程中的波动，或出现短路故障时快速切断回路，或控制串联回路的最大通过电流，达到调节直流电力系统电能质量的目的。并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2均可采用两电平、三电平及多电平等拓扑结构，具体实现有多种方式，图4给出了一种具体的电路结构，电路中的开关管可采用IGBT/IGCT/GTO等全控器件。

储能单元用于接收控制器的控制指令，在该指令控制下接收并联型补偿器的DC/DC双向变换器1和串联型补偿器的DC/DC双向变换器2输出的直流电能或者向并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2提供直流电能。储能单元可采用蓄电池、超级电容器、飞轮储能、超导储能等储能方式。图5给出了基于超级电容器储能方式的储能单元结构图，超级电容器组中正常的存储电量设置为可用容量的一半，使最大可充电、放电量相等。

滤波单元用于对储能单元通过并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1输出的直流电流和串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2输出的直流电压进行滤波处理，以滤除杂波。滤波单元的结构如图6所示，滤波单元的电容C并联在DC/DC双向变换器的输出线路上，电容的作用的是稳定变换器输出的电压。电感L串联在DC/DC双向变换器的输出线路上，用于滤除电能质量调节器的输出谐波。

本发明混合型直流电力系统调节器有两种接入直流电力系统的方式：

第一种是直接接入直流电力系统的接入方式，即并联型补偿器的滤波单元3通过端口a和b直接与直流母线并联，串联型补偿器的滤波单元4通过端口g和h直接与直流母线串联，且在串联接入点并联一个电容C1，如图7所示；

第二种是经过隔离型DC/DC双向变压器接入方式，即并联型补偿器的滤波单元3通过端口a和b与隔离型DC/DC双向变压器1的副边连接，隔离型DC/DC双向变压器1的原边通过两个端口p和q与直流母线并联，串联型补偿器的滤波单元4通过端口g和h与隔离型DC/DC双向变压器2的副边连接，隔离型DC/DC双向变压器2的原边通过两个端口r和s与直流母线串联，且在两串联接入点并联一个电容C1，如图8所示。采用经隔离型双向DC/DC变压器接入直流电力系统，可以灵活方便地对调节器的输出进行升压和降压，实现不同电压等级的接入要求，同时还可以实现调节器与直流电力系统的电气隔离作用。实施例中的隔离型DC/DC双向变压器由单相全桥逆变器、中频变压器和单相全桥整流器三部分组成，如图9所示。隔离型DC/DC双向变压器的主要作用是将输入级的直流调制成中频方波信号，经中频变压器变压并耦合到副方后再转换成直流，该电压变换过程是可逆的。中频变压器可以隔离电位，起变换电压和功率调配的作用。

本发明的工作过程具体为：

电压电流信号采集单元采集直流母线的电压和电流信号；

当直流母线上出现直流电压跌落或者上升时，控制器产生相应的电流补偿指令并传送并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和直流储能单元，同时产生相应的电压补偿指令并传送串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和直流储能单元；若直流电压跌落，储能单元向并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1输出直流电能，并联型补偿器的DC/DC双向变换器1在电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电流输出给电力系统，同时储能单元向串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2输出直流电能，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在电压补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电压输出给电力系统；若直流电压上升，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在电压补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将电力系统多余的直流电能传送给储能单元，储能单元存储该多余的直流电能；

当直流母线上出现谐波电流，控制器产生相应的谐波电流补偿指令并传送并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和直流储能单元；若谐波电流补偿指令为正，储能单元向并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1输出直流电能，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在谐波电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电流输出给电力系统；若谐波电流补偿指令为负，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在谐波电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将电力系统多余的直流电能传送给储能单元，储能单元存储该直流电能；

当直流母线电压和电流显示直流电力系统出现开路故障，控制器产生电流快速注入指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1及储能单元，储能单元向并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1快速输出直流电能，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在电流快速注入指令作用下在开路故障发生的第一时间瞬时控制并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1的开关器件的开断，以将直流储能单元输出的直流电能输出给电力系统；

当直流母线电压和电流显示直流电力系统进行回路切换操作时，控制器产生电流补偿指令并传送给并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1和直流储能单元；若回路切换时引起直流电压的跌落，储能单元向并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1输出直流电能，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电流输出给电力系统；若回路切换时引起直流电压的突升，并联型补偿器的第一DC/DC双向变换器1在电流补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将电力系统多余的直流电能传送给储能单元，储能单元存储该多余的直流电能；

当直流电流出现超过限定值时，控制器产生相应的电流控制指令并传送串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和直流储能单元，储能单元减少向串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2输出的直流电能，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在电流控制指令作用下进行开关器件的相应开断，控制直流电流的大小；或者串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在电流控制指令作用下进行开关器件的相应开断，以将电力系统多余的直流电能传送给储能单元，储能单元存储串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2传送过来的直流电能，从而控制直流电流的大小；

当直流母线上出现谐波电压，控制器产生相应的谐波电压补偿指令并传送串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2和直流储能单元；若谐波电压补偿指令为正，储能单元向串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2输出直流电能，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在谐波电压补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将直流储能单元输出的直流电能调整为合适的补偿电压输出给电力系统；若谐波电压补偿指令为负，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2在电压补偿指令作用下进行开关器件的相应开断，以将电力系统多余的直流电能传送给储能单元，储能单元存储该直流电能。

当直流母线电压和电流显示直流电力系统出现短路故障，控制器产生回路切断指令并传送给串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2，串联型补偿器的第二DC/DC双向变换器2控制开关器件关断以瞬时切断回路；

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。