一种削峰填谷与电能质量综合治理系统及其工作方法

摘要

一种削峰填谷与电能质量综合治理系统，其特征在于它包括三相逆变器模块INV1、三相逆变器模块INV2、直流支撑电容、双向晶闸管模块、控制器I、控制器II、变压器T2、直流母线、直流‑直流变换器和蓄电池；其工作方法包括系统电源AC电压正常和异常两种工作模式；其优越性：响应速度快、待机效率高、工作稳定，而且结构简单，产品成本低，便于维护，易于操作，性价比较高；具有不间断电源功能、谐波补偿功能、无功补偿功能和三相不平衡补偿功能；节省用电成本，提高企业经济效益。

说明书

(一)技术领域：

本发明属于电力设备技术领域，尤其是一种削峰填谷与电能质量综合治理系统及其工作方法。

(二)背景技术：

电厂通常为全天候持续发电，如果所发出的电无法被及时消纳，用于发电的能源利用率则会降低，特别对新能源发电。一个发电厂发电能力通常是相对固定的，然而用电高峰通常在白天，这样就造成白天电不够用的现象，晚上则成为用电低谷，造成发电能源利用率降低，针对该问题电力系统通过峰谷分时电价手段将一部分高峰负荷挪到低谷期，以达到节约能源的目的。

峰谷分时电价是指根据电网的负荷变化情况，将每天24小时划分为高峰、平段、低谷等多个时段，对各时段分别制定不同的电价水平，以鼓励用电客户合理安排用电时间，削峰填谷，提高电力资源的利用效率。然而很多企业生产时间相对固定，因此通过储能方式实现削峰填谷已经被越来越多企业采用。尤其随着蓄电池和电力电子技术的发展，基于蓄电池大容量削峰填谷模式已经得到广泛应用。

对于对供电可靠性要求较高的高端制造业，相应的解决方案主要为重要敏感负荷配置不间断电源(UPS——Uninterruptible Power System)，在线式UPS在线损耗较大且成本较高，后备式UPS响应速度较慢无法满足敏感负荷的要求，同时不间断电源也是基于蓄电池储能实现，从而导致削峰填谷储能装置与不间断电源储能装置重复使用，大大增加了生产投资，降低了企业用电效率。

同时随着谐波污染，功率因数低，三相不平衡登电能质量问题日益凸显，相应的解决方案主要有源滤波器(APF——Active power filter)，静止无功补偿发生器(SVG——Static Var Generator)等，但由于这些电能质量治理设备功能单一，同样大大增加了企业生产投资。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提出一种削峰填谷与电能质量综合治理系统及其工 作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，又可以同时满足削峰填谷和电能质量的综合治理，使用方便，成本低的系统，且工作方法简单，容易实现。

本发明的技术方案：一种削峰填谷与电能质量综合治理系统，包括电网、电网电源AC、电网侧变压器T1、一般负荷M1和重要负荷M2，其特征在于它包括三相逆变器模块INV1、三相逆变器模块INV2、直流支撑电容、双向晶闸管模块、控制器I、控制器II、变压器T2、直流母线、直流-直流变换器和蓄电池；其中，所述逆变器模块INV1与逆变器模块INV2之间呈直流侧背靠背方式连接；所述直流支撑电容并联在两个逆变器模块的直流侧之间；所述的双向晶闸管模块的输入端与电网侧变压器T1的低压侧连接，其输出端与重要负荷M2相连；所述控制器I的输入端采集电压互感器和电流互感器采集电网及负荷侧电压电流信号，其输出端分别与三相逆变器模块INV1，三相逆变器模块INV2以及双相晶闸管模块的控制输入端连接；所述直流母线分别与三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2的直流侧连接，所述直流母线还同时连接直流-直流变换器的网侧；所述直流-直流变换器的网侧与直流母线连接，其元器件侧与蓄电池连接；所述控制器II的输入端采集直流母线上的电压信号和蓄电池电压信号，其输出端与直流-直流变换器的输入控制端连接；所述变压器T2的高压侧与电网电源AC连接，其低压侧与三相逆变器模块INV2的交流侧连接。

所述控制器I的输入端通过电压互感器PT1采集电网侧的电压信号，同时通过电压互感器PT2和电流互感器CT1采集重要负荷侧的电压电流信号，以及通过电流互感器CT2采集变压器T2低压侧的电流信号。

所述直流-直流变换器不少于一个；所述蓄电池的数量与直流-直流变换器的数量相同，分别给每一个直流-直流变换器供电。

所述双向晶闸管模块由三个双向晶闸管组成；所述蓄电池组由蓄电池单体串并联组成。

所述逆变器直流支撑电容是电解电容或薄膜电容。

所述逆变器模块INV1与逆变器模块INV2是三相桥逆变器结构、三电平逆变器结构或三个单相逆变器的一种和LCL滤波器相结合的结构。

所述变压器T2为三相变压器，低压侧为380V或400V，高压侧为6kV或10kV。

所述直流-直流变换器模块是升压降压电路或基于高频变压器的直流-直流变换器。

一种削峰填谷与电能质量综合治理系统的工作方法，其特征在于它包括系统电源AC电压正常和异常两种工作模式，每种模式包括以下步骤：

(1)系统电源AC电压正常工作模式：

①当系统电源AC正常时，控制器I输出K1和K2控制信号使三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2工作在电流源模式下，控制器I通过电流传感器CT1和CT2采集三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2的输出电流，实现对逆变器的电流跟踪控制；三相逆变器模块INV1启动功能为有源滤波、无功补偿、三相不平衡补偿功能；

②控制器I输出SCR控制信号触发双向晶闸管模块，使其导通；一般负荷M1由系统电源AC通过变压器T1直接供电，对于重要负荷M2，系统电源AC通过变压器T1和双向晶闸管模块供电；

③若当前电价处于低谷，三相逆变器模块INV2工作在可控整流模式下，为蓄电池的充电电路直流-直流变换器提供能量，控制器II通过采集蓄电池电压Vb1…Vbn和控制输出K3…Kn控制直流-直流变换器为蓄电池充电；

④若当前电价处于峰值，三相逆变器模块INV2工作在逆变模式下，通过蓄电池的放电电路直流-直流变换器将蓄电池存储能量放出为负荷M1和M2提供能量，以减少系统电源AC用电量，控制器II通过采集蓄电池电压Vdc和控制输出K3…Kn控制直流-直流变换器为蓄电池放电；

(2)系统电源AC电压异常工作模式：

①当系统电源AC发生电压故障时，控制器I通过电压传感器PT1检测判断出电压故障，控制器I通过输出SCR控制信号停止触发双向晶闸管模块，同时输出K1控制信号使三相逆变器模块INV1立即停止电流源工作模式，并通过反压脉冲方法或负荷电流转移方法实现双向晶闸管的有效关断，三相逆变器模块INV1工作状态由电流源模式切换到电压源模式；

②控制器I通过电压传感器PT2实现三相逆变器模块INV1输出电压闭环控制以确保重要负荷M2保持正常工作；蓄电池组通过直流-直流变换器和三相逆变器模块INV1直流侧为三相逆变器模块INV1交流输出提供能量，三相逆变器模块INV1作为电压源以维持重要负荷M1的正常工作；三相逆变器模块INV2停止工作；

③当系统电源AC恢复正常后，三相逆变器模块INV1则退出电压源工作模式并再次启动电流源工作模式，双向晶闸管被导通以维持负荷的正常工作，三相逆变器模块INV2启动工作。

本发明的优越性：1、使用了可快速关断晶闸管技术，不但具有极快的响应速度、待机效率高、工作稳定，而且结构简单，有效地节约了产品成本，便于维护，易于操作，性价比较高；2、可以实现有源滤波，无功补偿，三相不平衡补偿功能；3、通过使用背靠背三相逆变器，同时将供电系统与负荷之间串入双向晶闸管模块，不但可以通过蓄电池储能实现基于峰谷电价的削峰填谷功能，而且可以实现不间断电源功能、谐波补偿功能、无功补偿功能和三相不平衡补偿功能；4、同时具备电力削峰填谷功能和不间断电源功能，这样不仅为企业节省用电成本，同时提高企业经济效益。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种削峰填谷与电能质量综合治理系统的整体结构框图。

图2为本发明所涉一种削峰填谷与电能质量综合治理系统中双向晶闸管的结构示意图。

图3为本发明所涉一种削峰填谷与电能质量综合治理系统中蓄电池组的组模方式结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种削峰填谷与电能质量综合治理系统(见图1)，包括电网、电网电源AC、电网侧变压器T1、一般负荷M1和重要负荷M2，其特征在于它包括三相逆变器模块INV1、三相逆变器模块INV2、直流支撑电容、双向晶闸管模块、控制器I、控制器II、变压器T2、直流母线、直流-直流变换器和蓄电池；其中，所述逆变器模块INV1与逆变器模块INV2之间呈直流侧背靠背方式连接；所述直流支撑电容并联在两个逆变器模块的直流侧之间；所述的双向晶闸管模块的输入端与电网侧变压器T1的低压侧连接，其输出端与重要负荷M2相连；所述控制器I的输入端采集电压互感器和电流互感器采集电网及负荷侧电压电流信号，其输出端分别与三相逆变器模块INV1，三相逆变器模块INV2以及双相晶闸管模块的控制输入端连接；所述直流母线分别与三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2的直流侧连接，所述直流母线还同时连接直流-直流变换器的网侧；所述直流-直流 变换器的网侧与直流母线连接，其元器件侧与蓄电池连接；所述控制器II的输入端采集直流母线上的电压信号和蓄电池电压信号，其输出端与直流-直流变换器的输入控制端连接；所述变压器T2的高压侧与电网电源AC连接，其低压侧与三相逆变器模块INV2的交流侧连接。

所述控制器I的输入端通过电压互感器PT1采集电网侧的电压信号，同时通过电压互感器PT2和电流互感器CT1采集重要负荷侧的电压电流信号，以及通过电流互感器CT2采集变压器T2低压侧的电流信号(见图1)。

所述直流-直流变换器不少于一个；所述蓄电池的数量与直流-直流变换器的数量相同，分别给每一个直流-直流变换器供电(见图1)。

所述双向晶闸管模块由三个双向晶闸管组成(见图2)；所述蓄电池组由蓄电池单体串并联组成(见图3)。

所述逆变器直流支撑电容是电解电容或薄膜电容。

所述逆变器模块INV1与逆变器模块INV2是三相桥逆变器结构、三电平逆变器结构或三个单相逆变器的一种和LCL滤波器相结合的结构。

所述变压器T2为三相变压器，低压侧为380V或400V，高压侧为6kV或10kV。

所述直流-直流变换器模块是升压降压电路或基于高频变压器的直流-直流变换器。

一种削峰填谷与电能质量综合治理系统的工作方法，其特征在于它包括系统电源AC电压正常和异常两种工作模式，每种模式包括以下步骤：

(1)系统电源AC电压正常工作模式：

①当系统电源AC正常时，控制器I输出K1和K2控制信号使三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2工作在电流源模式下，控制器I通过电流传感器CT1和CT2采集三相逆变器模块INV1和三相逆变器模块INV2的输出电流，实现对逆变器的电流跟踪控制；三相逆变器模块INV1启动功能为有源滤波、无功补偿、三相不平衡补偿功能；

②控制器I输出SCR控制信号触发双向晶闸管模块，使其导通；一般负荷M1由系统电源AC通过变压器T1直接供电，对于重要负荷M2，系统电源AC通过变压器T1和双向晶闸管模块供电；

③若当前电价处于低谷，三相逆变器模块INV2工作在可控整流模式下，为蓄电池的充电电路直流-直流变换器提供能量，控制器II通过采集蓄电池 电压Vb1…Vbn和控制输出K3…Kn控制直流-直流变换器为蓄电池充电；

④若当前电价处于峰值，三相逆变器模块INV2工作在逆变模式下，通过蓄电池的放电电路直流-直流变换器将蓄电池存储能量放出为负荷M1和M2提供能量，以减少系统电源AC用电量，控制器II通过采集蓄电池电压Vdc和控制输出K3…Kn控制直流-直流变换器为蓄电池放电；

(2)系统电源AC电压异常工作模式：

①当系统电源AC发生电压故障时，控制器I通过电压传感器PT1检测判断出电压故障，控制器I通过输出SCR控制信号停止触发双向晶闸管模块，同时输出K1控制信号使三相逆变器模块INV1立即停止电流源工作模式，并通过反压脉冲方法或负荷电流转移方法实现双向晶闸管的有效关断，三相逆变器模块INV1工作状态由电流源模式切换到电压源模式；

②控制器I通过电压传感器PT2实现三相逆变器模块INV1输出电压闭环控制以确保重要负荷M2保持正常工作；蓄电池组通过直流-直流变换器和三相逆变器模块INV1直流侧为三相逆变器模块INV1交流输出提供能量，三相逆变器模块INV1作为电压源以维持重要负荷M1的正常工作；三相逆变器模块INV2停止工作；

③当系统电源AC恢复正常后，三相逆变器模块INV1则退出电压源工作模式并再次启动电流源工作模式，双向晶闸管被导通以维持负荷的正常工作，三相逆变器模块INV2启动工作。