供电技术-第8章-用户电力新技术课件

1、现代供电技术第八章 用户电力新技术2/51 本着“谁污染谁治理”的原则和“电能质量扰动宜在源头解决”的方针，采取合理措施在用户侧就地解决电能质量相关问题，是用户供电系统运行管理人员的职责。随着新型电力电子技术的发展，尤其是基于电压源变流器技术的各种动态补偿装置的涌现，为在用户侧改善功率因数和电能质量提供了性能更加优良的新兴解决方案。 随着分布式电源的出现，用户供电系统中将会包含可再生能源发电和储能电源，进而形成一个由负荷、分布式小电源和储能装置组成的微电网。充分利用可再生能源发电和储能的微电网将是用户供用电系统未来的发展方向。序3/518-1 基于VSC的电能质量控制技术8-2 分布式电源技术

2、8-3 微电网技术内容提要4/51供电系统中的扰动源：越来越多的整流电源、变压变频电源、充电电源、通信电源、节能灯、电子信息设备等非线性、波动性和不对称负荷接入供电系统，导致电压波动、跌落、波形畸变等电能质量问题，严重影响用户设备的良好运行和供电系统的安全。敏感设备的普及应用：计算机、现代控制装置、精密测量设备的广泛应用，对用户供电系统的供电质量提出了更高的要求。矛盾：一方面扰动越来越大，一方面要求越来越高！8-1 基于VSC的电能质量控制技术5/51设备名称基本功能伴随功能静止无功发生器（SVG）动态补偿无功补偿电压偏差抑制电压波动与闪变平衡三相负荷有源电力滤波器（APF）抑制谐波动态补偿无

3、功补偿电压偏差平衡三相负荷动态电压恢复器（DVR）补偿电压暂降和骤升补偿电压偏差抑制电压波动与闪变表8-1 电压源变流器型电能质量控制设备及其功能8-1 基于VSC的电能质量控制技术6/51一、电压源变流器概念 电压源变流器（VSC）是一种基于全控电力电子器件和脉冲宽度调制（PWM）技术的交直流变换装置。 从电力系统中所用的电压源变流器的交流端口特性而言，电压源变流器可以看作一种可输出任意波形的可控同步电压或同步电流发生器。同步是指逆变输出电压或电流与电网电压的基波分量同频率，同步功能一般由电压源变流器控制系统中的锁相环来实现。 8-1 基于VSC的电能质量控制技术7/512. VSC的电路拓

4、扑 8-1 基于VSC的电能质量控制技术1.二电平2.三电平3.多电平VSC的工频等值电路8/518-1 基于VSC的电能质量控制技术3. VSC的工频同步电压发生原理 9/518-1 基于VSC的电能质量控制技术4. VSC的控制原理 VSC通常采用双闭环结构的直接电流控制策略，外环为目标环，内环为直接电流控制环，电流环具有限流保护功能。a) 基于d-q坐标系的电流控制b) 基于-坐标系的电流控制电流内环控制10/518-1 基于VSC的电能质量控制技术 VSC可以控制两个目标。 在电能质量控制应用中，这两个目标通常是变流器直流侧电压和交流侧电流，稳定直流侧电压是变流器正常工作的前提，控制交

5、流侧电流以达到改善用户电能质量的目的。 在分布式电源控制中，两个目标通常是有功功率和无功功率。目标外环产生电流内环控制的参考信号。目标外环控制U-QP-Q11/518-1 基于VSC的电能质量控制技术5. 基于VSC的电能质量控制装置的通用结构 目标设定、检测变换和控制单元共同决定了电压源变流器的具体功用。若补偿目标为负荷无功电流，则VSC就作为静止无功发生器（SVG）；如果补偿目标设定为负荷谐波电流，则VSC就作为有源电力滤波器（APF）。12/51二、静止无功发生器结构与原理 SVG中，电压源变流器可视为一个与电源电压同步的交流电压源，它输出一个与电网电压uS同频同相幅值可调的三相正弦电压

6、uC，与电网电压一起作用于滤波电抗器L，进而产生纯无功补偿电流iC。 8-1 基于VSC的电能质量控制技术13/518-1 基于VSC的电能质量控制技术特点与应用 SVG输出的无功电流值不受系统电压的影响，可在低电压条件下提供额定无功电流支持，快速补偿无功，从而有效抑制电网电压波动和闪变。 SVG输出的无功功率是双向的，既可产生额定容量的容性无功，也可产生额定容量的感性无功，故在书写时常采用100kvar的表示形式。 14/518-1 基于VSC的电能质量控制技术闪变补偿 SVG用于电压闪变抑制时，其效果显著优于SVC，这主要得益于SVG的快速响应特性。一般而言，SVC的响应时间约为1020m

7、s，而SVG的响应时间可达5ms。 不同响应速度的无功补偿装置对闪变的补偿效果（即电压闪变改善率%）与无功功率补偿率C%的关系如图所示。 Qmax波动负荷无功最大变动量；QC补偿装置的可控额定容量；Pst.0补偿前的电压短时闪变值；Pst.1补偿后的电压短时闪变值；项目机械开关投切电容器(MSC)晶闸管投切电容器 (TSC)静止无功补偿器(SVC)静止无功发生器(SVG)开关器件接触器或断路器晶闸管晶闸管GTO，IGBT等无功补偿范围QLOAD 0QLOAD 0+QLOAD -QLOAD+QLOAD -QLOAD响应特性慢快较快快无功补偿方式有级投切有级投切连续调节连续调节谐波发生量无无大很小

8、作用补偿负荷无功调整母线电压快速补偿无功调整母线电压动态补偿无功调节母线电压抑制电压波动平衡三相负荷动态补偿无功调节母线电压抑制电压波动平衡三相负荷附加功能在电容器支路串联电抗器，可构成调谐滤波器，具有谐波抑制功能仅改变控制策略可附加有源滤波功能15/51表8-2 无功补偿装置的性能比较8-1 基于VSC的电能质量控制技术16/518-1 基于VSC的电能质量控制技术三、有源电力滤波器结构与原理 APF直接与谐波源负荷并联，在交流侧输出一个与负荷谐波电流瞬时值大小相等、极性相反的谐波电流。从电源侧看去，APF输出的谐波补偿电流与负荷谐波电流相互抵消，从而使电源侧电流逼近正弦波形。17/518-

9、1 基于VSC的电能质量控制技术检测与控制 APF主电路采用L滤波型三相二电平电压源变流器拓扑；谐波指令电流或负荷谐波电流分量的获取采用瞬时无功理论检测法；变流器的控制采用abc静止坐标系下的直接电流控制方法，电流环调节规律采用比例谐振控制或重复控制，PWM调制策略采用三角载波比较法；变流器直流侧电压采用基于有功电流分量调整的自励控制方法。 补偿系统接线及其控制原理结构图如下。 谐波电流检测原理：首先利用三相电压锁相环产生一对单位正交同步信号（sint/cost），通过坐标变换将三相负荷电流瞬时值转换为有功分量ip和无功分量iq，再通过低通滤波器LPF提取出仅与基波电流有关的直流分量，最后通过

10、坐标反变换得到负荷电流的瞬时基波分量，总电流减去基波电流即为补偿所需的总谐波电流。18/5119/518-1 基于VSC的电能质量控制技术混合应用 在用户供电系统中，常设计和安装有无功补偿用的并联电容器装置，此时加装APF装置需要格外注意APF与电容器之间的相互位置和作用，必要时需要对原有电容器装置进行改造。20/518-1 基于VSC的电能质量控制技术四、动态电压恢复器结构与原理 DVR 串联在电网与负载之间，如果供电电源发生电压暂降，DVR变流器将逆变输出一个补偿电压并通过串联耦合升压变压器施加于供电线路中，使得敏感负荷的电压保持在允许范围内，负荷运行免受暂降影响。21/51三种补偿方式

11、DVR作为一种串联补偿装置，可在供电线路中串联注入任意大小和相位的补偿电压，实现对敏感负荷电压质量的控制。DVR有三种典型的补偿方式，分别是同相电压补偿、完全电压补偿和最小能量补偿。同相电压补偿方式：DVR补偿电压始终与电源电压保持同相，通过补偿使得敏感负荷的电压幅值不变。其特点是DVR输出的补偿电压幅值最小。完全电压补偿方式：负荷电压在暂降前后始终保持幅值和相位不变。如果暂降前后电源电压不存在相位跳变，则完全电压补偿方式等同于同相电压补偿方式。此方式下补偿电压的幅值和所需功率相对较大。最小能量补偿方式：通过优化补偿电压的幅值及其与负荷电流的相角差，在保证负荷电压幅值不变的条件下，使得DVR输

12、出的有功功率最小。缺点是补偿电压的幅值相对较大，负荷电压的相位跳变也较大。8-1 基于VSC的电能质量控制技术22/51最小能量补偿方式完全电压补偿方式同相电压补偿方式8-1 基于VSC的电能质量控制技术23/51控制策略与效果 首先检测三相电网电压us.abc和负荷端电压uL.abc，利用锁相环技术从电网电压得到其同步相位；对电源电压和负荷电压作dq变换，得到它们在dq同步旋转坐标系下的直流分量us.dq和uL.dq；利用电源电压dq轴分量us.dq实时检测电压暂降的发生时刻和暂降深度，及时启动DVR投入运行。8-1 基于VSC的电能质量控制技术24/51单相电容耦合型小功率电压暂降补偿装置

13、 单相暂降补偿器是一种串联电容耦合型结构，C1、C2、V1和V2构成单相电压源逆变器，通过滤波电感Lf和串联耦合电容Cf为敏感负荷提供补偿电压；L1、D1、D2、C1和C2构成单相并联整流器，为直流电容C1和C2提供能量，并通过C1和C2将能量传递给逆变器。VT1和VT2构成串联电容的旁路开关，在电源电压正常期间将电容器旁路，仅在电压暂降期间允许电容器串入线路中。8-1 基于VSC的电能质量控制技术25/518-1 基于VSC的电能质量控制技术8-2 分布式电源技术8-3 微电网技术26/518-2 分布式电源技术一、分布式电源概述概念 分布式电源是指接入到35kV及以下中低压电网的小型电源，

14、是分布式发电（DG）和分布式储能装置（DES）的总称。分布式发电：利用分布式能源（太阳能、风力、天然气等）进行发电的小容量电源(几千瓦到十兆瓦) 。分布式储能：模块化、可快速组装并接入配电网上的能量存储与转换装置。储能元件有蓄电池、锂离子电池、超级电容器、超导线圈等。 分布式电源输出为直流电或变频交流电，若要并网，需要通过电力电子变换装置与电网连接，电压源变流器是最常用的交流并网接口设备。 风光分布式电源具有输出功率间歇波动的缺点，为稳定出力，常采用风光储互补应用的方式。27/51分布式电源的技术要求电能质量：分布式电源注入到电网的谐波电流应符合国家谐波标准的规定；分布式电源的功率波动在电网公

15、共连接点引起的电压波动和闪变应符合国家闪变标准的规定。此外，变流器并网型分布式电源向电网馈送的直流电流分量不超过其交流定值的0.5%。电压响应特性：变流器型分布式电源应能在电网额定电压的85%-110%范围内正常运行。但是，当并网点电压超出正常范围时，分布式电源应能在规定的响应时间内脱离电网，如表8-3所示。频率响应特性：对于接入到中低压配网的分布式电源，应具备一定的耐受系统频率异常的能力，要求如表8-4所示。电压无功调节特性：功率因数或无功功率在一定范围可调。孤岛保护：具有防孤岛保护功能。8-2 分布式电源技术28/5129/51二、分布式光伏发电及其并网技术光伏发电系统的结构 光伏电池是基

16、于半导体的光生伏特效应，将太阳光辐射能量直接转换为电能。光伏电池单元串并联并封装后做成光伏电池组件，组件电压可达数十伏，功率可达数百瓦。 光伏组件是光伏发电系统的基本组成元件。在实际应用中，按照直流电压的需要，若干个光伏组件串联起来组成光伏组串；再根据容量的需要，若干个光伏组串通过汇流箱并联起来组成光伏阵列；一个或多个阵列并联后连接到光伏逆变器。8-2 分布式电源技术30/51光伏发电特性光伏电池的输出特性主要受温度和日照强度的影响。具有最大功率点！8-2 分布式电源技术31/51光伏逆变器的原理结构与控制 光伏逆变器是光伏发电并网的核心部件，MPPT也是通过光伏逆变器的控制来实现的。光伏逆变

17、器常有双级变换结构和单级变换结构两种。双级结构由DC-DC变换器和DC-AC逆变器两级变流器组成，单级结构则仅有DC-AC逆变器。光伏逆变器的控制功能包括最大功率点跟踪控制、并网电流控制和直流母线电压控制。 在双级结构中，前级DC-DC变换器采用Boost升压电路，为后级逆变器提供所需的电压，其控制目标是实现MPPT功能。后级并网逆变器采用两电平电压源变流器，其控制目标为稳定直流母线电压和改善交流侧功率因数，并通过稳定直流电压实现了前后级的功率随动平衡和MPPT功能。8-2 分布式电源技术32/51图8-21 两级式光伏逆变器主电路及其控制框图8-2 分布式电源技术33/51三、分布式风力发电

18、及其并网技术风力发电原理 风力发电机组主要由风力机、机械传动系统、发电机和并网装置组成。风力机捕获风能并转换为机械动能，传动系统连接风力机和发电机，发电机则将机械能转换为电能，并网装置实现电能变换和并网输电。 根据空气动力学特性，风力涡轮机从风能中吸取的功率为：V风速空气密度A浆叶扫掠面积Cp风能利用系数，理论最大值为59%。8-2 分布式电源技术34/51 风力机的输出功率与风能利用系数有关，而风能利用系数与叶尖速比相关，即风力机输出功率最终由风力机角速度t决定。 风速是随机变化的，风力机的输出功率也随着变化，因而存在最大功率输出问题：风机输出功率Pm随风力机角频率和风速V的变化特性。 风机

19、变流器可以实现风功率的MPPT控制。8-2 分布式电源技术35/51风力发电系统的结构 风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、双馈发电机和同步发电机三种方式，主要区别在于如何解决发电机定子同步频率与电网频率的同步问题。双馈风力发电系统：关键在转子侧双PWM变流器。网侧变流器VSC1实现直流母线电压的稳定控制及转子与电网间有功和无功的交换；转子侧变流器VSC2通过转子变频励磁控制实现最大风能跟踪。8-2 分布式电源技术36/51永磁同步风力发电系统：关键在全功率双PWM变流器。由于发电机角频率与电网频率脱钩，可使风力机在很大风速范围内实现MPPT，提高风能利用效率。永磁同步发电机的叶轮与发电

20、机直接连接，省去齿轮箱，故称永磁直驱型风力发电机，具有效率高、可靠性高和维护成本低等优点。风力机分为水平轴与垂直轴两种，垂直轴风力机结构简单，增速器和发电机可安装在地面，维护方便，但是风能利用系数较低。8-2 分布式电源技术37/51风力机分为水平轴与垂直轴两种。垂直轴风力机结构简单，增速器和发电机可安装在地面，维护方便，但是风能利用系数较低，一般用于小功率风机系统。8-2 分布式电源技术38/51四、分布式储能电源技术作用、接入方式与性能要求 作用：抑制分布式发电的功率间歇性波动；提高配网对分布式发电的消纳能力；改善配网电能质量和优化负荷特性。 两种方式：一是接入分布式发电的直流母线；而是直

21、接通过变流器接入公共交流母线。8-2 分布式电源技术39/51 分布式储能的不同应用目的，对储能装置有着不同的要求，如下表所示。8-2 分布式电源技术40/51储能的类型 储能装置分为化学储能、物理储能和电磁储能三种。蓄电池、锂离子电池和超级电容器是常用的化学储能元件，压缩空气储能、飞轮储能是常见的物理储能元件，超导储能则属于电磁储能元件。 按照应用需求，储能装置常分为能量型和功率型。能量型的特点是能量密度高，常用的有铅酸蓄电池。锂离子电池等，能量密度在40Wh/kg以上；功率型的特点是功率密度高、充放电速度快，常用的有超级电容器等，其能量密度在5Wh/kg以上 。8-2 分布式电源技术41/

22、51储能并网接口变流器 并网储能装置的充放电过程通常由储能变流器（PCS）来控制。储能变流器由可双向变换的DC/AC电压源变流器及其控制单元构成，接收后台控制指令，根据功率指令的方向及大小控制变流器对电池进行充放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。 充放电过程中，储能变流器从电池管理系统（BMS）实时获取电池的荷电状态信息，对电池实施保护性充放电，确保电池运行安全。8-2 分布式电源技术42/518-1 基于VSC的电能质量控制技术8-2 分布式电源技术8-3 微电网技术43/51一、微电网的概念 微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施及监控保护装置等组成的小型发储配用电系统。 微电网

23、分为并网型微电网和独立型微电网，并网型微电网既可以与主电网联网运行，也可以离网独立运行；独立型微电网完全自治，自身实现电力供需的平衡。 微电网作为“互联网+”智慧能源的重要支撑以及与大电网友好互动的技术手段，可以提高电力系统的安全性和可靠性，促进清洁能源的接入和就地消纳，提升能源利用效率，在节能减排中发挥重要作用。8-3 微电网技术44/51构建微电网的目的充分高效利用可再生能源发电；充分参与配电网的电力市场，减少主电网用电量或发电上网，参与电网的调峰；提高重要负荷的供电可靠性，在主电网停电期间保障一定的电力供给；向敏感负荷提供满足电能质量要求的电力；向电网提供辅助服务，譬如协助电网黑启动、强

24、化电网需求侧管理等。8-3 微电网技术45/51二、微电网的结构与运行模式PV光伏发电WT风力发电MT微型燃气轮机BT储能电源LC本地控制器MCC中央控制器GCD微网并网装置8-3 微电网技术46/51微电网的两种运行模式联网模式 微电网与主电网联网运行，主电网相当于微电网中的一个理想储能电源，微电网中消纳不了的分布式电能转送到主电网中，微电网自身发电不足时又由主电网补充，利用微电网中的储能装置可以优化微电网负荷特性和向主电网提供暂态电压支撑。离网孤岛模式 微电网与主电网分离，运行于孤岛自治模式，微电网内部源荷功率自行平衡。孤岛运行是微电网最为重要的特征，传统配电网中的分布式发电是不允许孤岛运行的。8-3 微电网技术47/51三、微电网的功率控制与能量管理1. 微电网的功率平衡方式直接联网模式下：微电网的功率平衡任务由主电网来承担，微电网母线电压和频率由主电网直接决定。接口变流器间接联网模式下：微电网的功率平衡任务