容储能的统一负荷质量调节器的研究

2006年5月电工技术学报Vol.21No.5第21卷第5期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMay2006基于超级电容储能的统一负荷质量调节器的研究(102206)摘要APF关键词中图分类号TM595StudyofUnifiedLoadQualityConditionerBasedonSuperCapacitorYinZhongdongZhuYongqiangNorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206ChinaAbstractFromtheviewpointofresponsibilitydetachment,powerqualityissuecanbeseparatedintosupplyqualityandloadqualityissues.Tothequestionofsolvingloadqualityproblems,thispaperpresentsasupercapacitorenergystoragesystembasedunifiedloadqualityconditioner(ULQC),whichconfiguresannovelIGBTarmstructurebasedbuck-boostchoppertocontroltheenergystoredinsupercapacitor.Bytakingadvantageofstoredenergy,theconditionercancompensatefluctuatingorburstingpowerdrawnbyloadeffectivelyandrapidly,tohelpsourcekeepingtosupplyanactivepowerwithunitpowerfactor,sinusoidalcurrentandnoinrush.SimulationsarecarriedouttoverifythetopologyandcontrolstrategyofULQCforpowerqualityimprovement.KeywordsSupercapacitor,energystorage,unifiedloadqualityconditioner,buck-boostchopper,powerquality1引言随着电力系统电能质量的恶化和电力用户对电能质量的要求越来越高电能质量问题的责任划分和综合解决已经成为当前电力系统的重要研究课题之一对于公共连接点PCC处的电能质量扰动采用分离责任的方法处理电能质量问题即供电企业电源对电压质量和供电可靠性负责电力用户负荷对电流质量负责这一方法力图保持供电公司和电力用户间的责任平衡实践中具有很强的可操作性由此设想从供电和用电的立场可以将电能质量问题分为供电质量和负荷质量问题供电质量包括电压质量和供电可靠性由供电方负责负荷质量指用户用电设备的电流质量由电力用户保证则可以实现电能质量问题的责任分离为电能质量问题的综合协调解决提供理论依据研究表明[1]雷击风雪等自然现象导致系统短路或断线以及线路操作用电设备故障等因素造成的暂态过程引起的供电电压质量问题占电能质量问题的60%以上其余电能质量问题则源于用电设备特性及运行状况而设计良好的发电设备输配电线路本身却很少有电能质量问题通过改善网架结构降低雷击跳闸率增大系统短路容量采用多路电源供电收稿日期2004-11-15改稿日期2005-11-24第21卷第5期等基于超级电容储能的统一负荷质量调节器的研究123在线路中配置串联电压补偿设备如DVR等措施可以改善供电电压质量有效提高供电可靠性而负荷质量问题如谐波主要由非线性负载引起同时大量电力电子装置的应用导致了电网谐波水平逐年升高又如造成电压波动与闪变的扰动源为交直流电弧炉电弧焊机工业轧机绞车电力牵引机车等用电设备部分电压暂降由大容量冲击性负荷的启动引起这些电能质量问题或直接或间接地由负荷运行特性即负荷质量所引发显然改善负荷质量是解决电能质量问题行之有效的手段之一可以设想从系统侧看如果电力负荷的运行特性满足下列条件吸收稳定无谐波的正弦电流三相功率平衡没有冲击涌流或大的起动电流功率因数为1则绝大多数负荷质量问题会迎刃而解然而系统中具有这种理想特性的用电设备几乎没有本文提出了负荷质量调节器UnifiedLoadQualityConditionerULQC的概念它的主电路拓扑实质是并联型电力有源滤波器APF的直流母线上配置了储能设备及其斩波控制电路ULQC和负荷并联运行通过有源滤波无功和负序补偿短时有功支持等作用使得从系统侧看负荷达到上述理想负荷的条件实现改善电能质量的目标考虑到有源滤波及动态无功补偿领域已经有大量研究成果发表本文重点研究基于超级电容的ULQC储能控制系统及其提供短时有功支持减小负荷冲击扰动的功能超级电容是近年来出现的一种新型储能元件与电池储能相比具有许多显著的优势在特定应用场合已经显示出取代电池的趋势[25]超级电容在改善负荷品质方面的应用研究目前尚未见到国内外文献的报道2主电路拓扑及原理ULQC是基于IGBT的三相电压源变流器超级电容通过DC-DC变换连接到ULQC的高压直流母线上电路拓扑如图1所示图中VT1VT6构成ULQC逆变器除了具有滤波及动态无功补偿功能外由于设置了储能系统还可以短时间内向负荷提供有功功率当然在负荷由重载突变为轻载甚至空载时也可以快速吸收突减的有功功率避免系统电压的剧烈变动SC是超级电容单体电容的耐压很低一般低于3V因此实际应用中要将大量的电容器串联达到可用的电压水平当需要ULQC进行有功补偿时通过VT8构成的升压斩波Boost电路将超级电容端电压升至需要的直流母线电压并保持在规定的电压值附近VT1VT6作为PWM逆变器工作而需要对SC充电或吸收部分有功功率时通过VT7构成的降压斩波Buck电路完成VT1VT6作为PWM整流器工作抽出ULQC直流电容中点可以构成三相四线制系统此时需要增设一个桥臂控制中线电位图1ULQC的电路拓扑Fig.1CircuittopologyofULQCULQC的主要控制思路为采用dq坐标变换检测补偿电流获取指令信号并用滞环电流控制得到PWM控制信号采用dq坐标变换的优点是不必求解瞬时功率直接通过电流的关系求出补偿电流指令值即使电压含有谐波也不会影响电流指令的准确性同时变换将电流基波成分转化为直流分量可以用简单的低通滤波器滤出避免了使用陷波器对基波带来的相位误差考虑到PWM变流器工作状态包含快速和慢速两种状态即交流侧电流变化快直流侧电压波动慢的特点ULQC控制系统采用电流内环控制及电压外环控制电流内环控制通过控制开关器件的动作实现对指令电流轨迹的跟踪达到在保证控制稳定性和一定精度的同时具有快速响应和鲁棒性由于滞环电流控制方式的电路实现简单具有无条件稳定快速响应和较强的鲁棒性因此ULQC采用滞环电流控制器使得各相交流侧实际电流与给定电流的误差被约束在滞环带内电压外环控制实现ULQC从系统吸收有功电流补偿自身损耗维持逆变器直流侧电压恒定及通过VT7对SC充电图2所示为ULQC电流指令生成原理图图2ULQC生成电流指令的原理框图Fig.2CurrentorderformingdiagramofULQC124电工技术学报2006年5月图中三相电流iaibic为负荷瞬时电流实测值PLL为锁相环节确保与系统电压同步移相环节使得三相电流dq变换结果分别对应瞬时有功无功电流考虑三相三线制dq变换及其逆变换分别如式1式2所示adbqccoscos(120)cos(240)2sinsin(120)sin(240)3iiiiiθθθθθθ−°−°=−°−°1adbqccossin2cos(120)sin(120)3cos(240)sin(240)iiiiiθθθθθθ=−°−°−°−°2LPF为低通滤波器滤除信号中的高次谐波及负序分量Iref为ULQC注入有功电流的门限值根据当前负载电流确定Park逆变换1输出为负荷电流的基波有功及无功分量逆变换2输出ULQC应注入的基波有功及无功电流负荷电流与其基波量的差为高次谐波及负序电流分量因此指令电流中包含需要补偿的基波有功无功高次谐波及负序电流分量图2中的Iref为负荷基波有功电流的参考值它只是相对恒定的当负荷处于稳态运行时它的数值与负荷基波有功电流对应且保持不变此时若负荷发生短时的功率变动调节器则可以在设计容量前提下予以补偿当负荷工况发生长期变化Iref将逐步过渡到新的负荷基波有功电流值ULQC控制中简单地用两个状态的差值积分来调节过渡过程这样既能保证负荷电流对电源侧没有大的突变又可以合理配置储能设备参数Iref在负荷有功电流发生变化后一段时间内逐渐恢复到负载稳态电流值ULQC不再注入有功功率负荷有功全部由电源提供因此负荷从电源吸收的电流表现为三相对称无谐波高功率因数及无冲击3超级电容储能系统及其控制超级电容具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能单体的容量目前已经做到万法拉级是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件其应用受到日本美国欧盟俄罗斯等国家的高度重视目前超级电容与各类动力电池配合使用组成的复合电池在电动汽车的领域已经进入实用化阶段[2]在变频调速领域内为消除电压暂降及短时供电中断对电动机安全运行的影响美国学者对基于超级电容储能的变频调速系统进行了大量研究和实验工作[24]日本在电气机车短时UPS等应用方面进行了研究分别开发出了80kVA和50kVA实验样机[5,6]超级电容在短时大功率充放电寿命方面比其他储能技术具有很大优势除此之外超级电容还有免维护工作温度范围极宽的优点由负荷启动特性导致的电能质量问题往往具有持续时间短出现频繁的特点应用超级电容作为储能设备对负荷由系统汲取的突变有功功率进行快速补偿是理想的技术方案研究表明目前虽然超级电容单位容量制造成本高于电池但在短时间应用领域超级电容的性能和综合成本均优于电池及其他储能技术ULQC的储能系统及其功率流动简图如图3所示图中SC为超级电容VD1VD2为防止超级电容反极性充电的保护二极管LSC为斩波电感VT7VT8为储能系统的升降压斩波IGBTDC-Link连至ULQC逆变器的正负直流母线图3ULQC储能系统及其功率流动简图Fig.3ULQCenergystoragesystemanditspowerflowdiagramULQC的储能系统按负荷有功变动范围或发生供电中断时短时向负荷提供全部功率来配置一般储能较小由2SC1/2ECV=确定其中ECVSC分别为超级电容的储能电容值端电压由于变流器正常工作对直流母线电压有最低限制因此超级电容的储能中只有一部分能够利用来补偿负荷有功功率维持时间由式3确定22121()2CtVVW=−3式中W超级电容输出的恒定有功功率V1超级电容初始端电压V2维持正常工作的最低端电压当超级电容释放储能约50%时其端电压下降到初始电压的约70%如图3的功率流动简图所示对于波动负荷系统可以维持输出一基本恒定的功率波动功率部分由ULQC补偿当负荷汲取的有功功率小于系统提供的基本功率则功率差值被ULQC吸收对超级电容储能系统充电ULQC的换流器工作于高频整第21卷第5期等基于超级电容储能的统一负荷质量调节器的研究125流模式当负荷汲取的有功功率大于系统提供的基本功率则功率差值由ULQC提供超级电容储能系统放电ULQC的换流器工作于高频逆变模式根据差值功率作为指令的滞环电流控制如图4所示图4ULQC的滞环电流控制Fig.4HysteresiscurrentcontrolofULQC图5图6分别为ULQC由汲取功率转为发出功率再回到汲取功率动态过程的仿真波形在0.20.215s间隔内ULQC工作在逆变状态功率由直流侧流向系统侧由图可见滞环电流控制的响应速度很快跟踪到指令电流的时间小于2ms图5ULQC动态过程仿真汲取功率发出功率汲取功率Esysa电源A相电