[发明专利]用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，属于电力电子技术领域。

背景技术

作为一种清洁能源，风力发电近年来得到了迅猛发展。由于自然界中风能是变化的，因此风力发电系统所发出的有功功率亦是波动的。随着并入电网的风电场容量的不断增大，这个波动将会引起严重的电能质量问题并危害到电网的稳定运行。因此，风力发电系统中需要装入有能够进行有功功率调节、抑制电能波动的电力装置。

另外，在电网发生扰动或故障时，一般还需要风力发电场对电网具有足够的动态无功功率支撑能力，即向电网发送无功功率，从而稳定电网电压和频率。因此，风力发电场自身还需要装备能够进行无功功率调节、稳定电网电压的电力装置。

目前在风力发电系统的实际应用中，一般使用电能储存装置对有功功率进行调节，例如当风机发出的有功功率大于电网所需功率时就将多余的有功存储在电池、超级电容等储能元件中；当发出的有功功率小于电网所需功率时则将储能元件中的能量送入电网。对于无功功率的调节，现在则大多采用并联的补偿电容器组或静止无功补偿器、静止无功发生器等无功补偿装置来实现。其中投切电容器组虽然在一定程度上可以实现无功补偿，但因其调节不平滑、响应速度慢并且补偿容量受装置自身容量的限制，在实际中的补偿效果并不好。而基于电力电子逆变技术的动态无功补偿装置，如静止无功补偿器、静止无功发生器等，由于采用了门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管等大功率全控器件，不仅可以吸收还可以向电网发送无功，能够更加快速有效地实现对无功功率的调节。但这类系统没有对风电场输出的有功功率的波动进行抑制的功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，该装置采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现高压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，利用每个单元直流母线上的电池组单元(以下简称：BBU)对缓慢变化的有功功率进行调节。该装置将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力，运行中无谐波输出，并且无需并网变压器、占地面积小、维护简单，相较于目前风力发电系统中所使用的储能装置或无功补偿装置具有更加全面的功能和十分突出的性价比优势。

本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，包括：

U相级联单元、V相级联单元和W相级联单元，三相级联单元之间成星型连接；每相级联单元由n个全桥逆变单元、n个大电容器组、n个自动开关和n个电池组单元组成，所述的n个全桥逆变单元相互串联，每个级联单元中的第一个全桥逆变单元的首端与相应的电抗器相连，每个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端与另外两个级联单元中的第n个全桥逆变单元的末端相连；所述的每个全桥逆变单元中的直流母线与所述的大电容器组相并连；所述的电池组单元通过自动开关与所述的大电容器组相连；所述的全桥逆变单元由4个绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管组成，绝缘栅双极晶体管或集成门极换流晶闸管成桥式连接；所述的电池组单元由一个电池组和一个双向“直流-直流”变换器组成，电池组与双向“直流-直流”变换器相连；

三台电抗器，用于根据电能调节装置接入点的电压与级联单元产生的电压在电抗器上的电压降产生调节电流，并滤除来自级联单元电流的高次谐波，三台电抗器的一端分别与相应的级联单元相连，三台电抗器的另一端分别与三个断路器相连；

三个断路器，用于在电能调节装置发生故障或维修时使三相级联单元与电网切断，三个断路器的一端分别与相应的三台电抗器相连，三个断路器的另一端分别与相应的隔离开关相连；

三个隔离开关，用于在断路器断开时保证三相级联单元与电网完全切断，三个隔离开关的一端分别与相应的三个断路器相连，三个隔离开关的另一端分别与电网的三相连接。

本发明提出的用于高压系统的有功功率和无功功率调节的电能调节装置，其优点在于：

1、本发明提出的电能调节装置，具有有功波动和无功调节、以及三相电压不平衡补偿等功能，一机多用，与已有的储能装置或无功补偿装置相比，功能更为全面，性价比优势十分明显。

2、本发明提出的电能调节装置，能够完全替代现有的动态无功补偿装置实现对电网的无功补偿功能，但是比起现有的静止补偿器等装置来说，省去了复杂笨重的并网变压器，结构简单，占地面积小。

3、本发明提出的电能调节装置，在对风力发电电能波动的调节中，与已有的储能装置相比，由于利用了直流母线上大电容的充放电能力，从而对快速波动的输入电能具有更好的调节作用。