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1、(10)申请公布号 CN 102832611 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 6 1 1 A *CN102832611A* (21)申请号 201210312366.3 (22)申请日 2012.08.29 H02J 1/10(2006.01) H02J 1/02(2006.01) H02J 9/06(2006.01) (71)申请人华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人陆继明 韦甜柳 王丹 毛承雄 (74)专利代理机构华中科技大学专利中心 42201 代理人李智 (54) 发明名称 一种并联型直流电。
2、力系统电能质量调节器 (57) 摘要 本发明提供一种并联型直流电力系统电能质 量调节器，包括：DC/DC双向变换器、直流储能单 元、滤波单元、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DC/DC双向变换器和储能单元，DC/DC双向变 换器分别连接滤波单元和储能单元，滤波单元与 直流母线并联。控制器控制DC/DC双向变换器的 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直流电力系统或以将直流 电力系统多余的直流电能传送给储能单元，从而 抑制冲击性负荷的投入与切除时引起的波动，滤 除直流电力系统的电流谐波，及出现开路故障时 快速注入电流，暂。
3、时支撑负荷，在回路相互切换过 程中平稳转移负荷，平抑回路切换过程的波动，实 现直流电力系统电能质量的调节。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种并联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、DC/DC双向变换器和直流储能单元，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。
4、理，产生相应的 控制指令并传送给DC/DC双向变换器和直流储能单元； 直流储能单元，其分别连接控制器和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DC/DC双向变换器输出的直流电能或者通过DC/DC双向 变换器向电力系统提供直流电能； DC/DC双向变换器，其分别连接控制器、直流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DC/DC双向变换器并联，另一端的两个端口与直流。
5、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。 2.根据权利要求1所述的并联型直流电力系统电能质量调节器，其特征在于，所述调 节器还包括隔离型DC/DC双向变压器，隔离型DC/DC双向变压器的副边与滤波单元并联，隔 离型DC/DC双向变压器的原边与直流母线并联。 3.根据权利要求1或2所述的并联型直流电力系统电能质量调节器，其特征在于，所述 控制指令包括电流补偿指令、谐波电流补偿指令和电流快速注入指令。 权 利 要 求 书CN 102832611 A 1/5页 3 一种并联型直流电力系统电能质量调节器 技术领域 0001 本发明属于直流电力系统领域，具体涉及。
6、一种并联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 0002 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。
7、制。 0003 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。
8、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。 0004 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。
9、。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 0005 本发明提出一种并联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。 0006 一种并联型直流电力系统电能质量调节器，包括 0007 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 说 明 书CN 102832611 A 2/5页 4 流信号，对该信号预处理后传送给控制器； 0008 控制器，其分别连接电压电流信号采集单元、DC/DC双向变换器和直流储能单元， 用于接收电压电流信号采集单元的母线电。
10、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DC/DC双向变换器和直流储能单元； 0009 直流储能单元，其分别连接控制器和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直流电力系统通过DC/DC双向变换器输出的直流电能或者通过 DC/DC双向变换器向直流电力系统提供直流电能； 0010 DC/DC双向变换器，其分别连接控制器、直流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流输出给直流电力系统，或者将直流电力系统多余的直流电能传 送给直流储能单元； 0011 。
11、滤波单元，其一端与DC/DC双向变换器并联，另一端与直流母线并联，用于对直流 储能单元通过DC/DC双向变换器向直流母线输入的直流电流进行滤波处理。 0012 进一步地，所述调节器还包括隔离型DC/DC双向变压器，隔离型DC/DC双向变压器 的副边与滤波单元并联，隔离型DC/DC双向变压器的原边与直流母线并联。 0013 进一步地，所述控制指令包括电流补偿指令、谐波电流补偿指令和电流快速注入 指令。 0014 本发明有以下技术效果： 0015 （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，该并联 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。
12、 吸收直流电流，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。 0016 （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，该并联型直 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，实现电源侧与负荷侧之间的 谐波隔离，阻止谐波电流在两者之间双向流动。 0017 （3）本发明在应用中，当直流电力系统出现开路故障时，该并联型直流电力系统电 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。
13、故障的进一步扩大，有利于减少开路故障损失； 0018 （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的相互切换过程时， 该并联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。 0019 （5）本发明在应用中，储能系统可以为并联型直流系统调节器提供或吸收直流系 统能量。 0020 （6）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。 0021 （7）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。 0022 （8）本发明在应用中。
14、，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。 说 明 书CN 102832611 A 3/5页 5 0023 （9）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 0024 图1为本发明的结构示意图； 0025 图2为实例的并联型DC/DC双向变换电路结构示意图； 0026 图3为实例的直流储能单元结构示意图； 0027 图4为实例的滤波器电路结构示意图； 0028 图5为本发明直接接入直。
15、流电力系统的示意图； 0029 图6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； 0030 图7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 0031 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。 0032 本发明提供的一种并联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所示，包括：DC/DC双向变换器、直流储能单元、滤波单元、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DC/DC双向变换器和储能单元， DC/DC双向变换器分别连接滤波单元和储能单元。更具体地讲，DC/D。
16、C双向变换器通过两个 直流端口c和d与滤波单元相连接，DC/DC双向变换器通过另外两个直流端口e和f与储 能单元相连接。 0033 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。 0034 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DC/DC双向变换器和储能单元，具体过程如下： 0035 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DC/DC双向变换器和储能单元； 0036 当直流母线上出现谐波电流，为抵消谐波电流。
17、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DC/DC双向变换器和储能单元； 0037 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DC/DC双向变换器和储能单元； 0038 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DC/DC双向变换器和储能单元； 0039 DC/DC双向变换器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，。
18、从而稳定平滑直流电力系 统母线电压，滤除直流电力系统电流谐波，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，达到调节直流电力系统电能质量的 说 明 书CN 102832611 A 4/5页 6 目的。DC/DC双向变换器可采用两电平、三电平及多电平等拓扑结构，具体实现有多种方式， 图2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。 0040 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DC/DC双向变换器输 出的直流电能或者向DC/DC双向变换器提供直流电能。储能单元可采用蓄电池、超级电容 器、飞轮储能、。
19、超导储能等储能方式。图3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。 0041 滤波单元用于对储能单元通过DC/DC双向变换器输出的直流电流进行滤波处理， 以滤除杂波。滤波单元的结构如图4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。 0042 本发明并联型直流电力系统调节器有两种接入直流电力系统的方式： 0043 第一种是直接接入直流电力系统的接入方式，即滤波单元通过端口a和b直接与 直流母线并联，如图5所示； 0。
20、044 第二种是经过隔离型DC/DC双向变压器接入方式，即滤波单元通过端口a和b与 隔离型DC/DC双向变压器的副边连接，隔离型DC/DC双向变压器的原边通过两个端口g和 h与直流母线并联，如图6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7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。
21、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。 0045 本发明的工作过程具体为： 0046 电压电流信号采集单元采集直流母线的电压和电流信号； 0047 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DC/DC双向变换器和直流储能单元；若直流电压跌落，储能单元向DC/DC双向变换器输 出直流电能，DC/DC双向变换器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；若直流电压上升，DC/DC 双向变换器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。
22、流电 能传送给储能单元，储能单元存储该多余的直流电能； 0048 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DC/DC 双向变换器和直流储能单元；若谐波电流补偿指令为正，储能单元向DC/DC双向变换器输 出直流电能，DC/DC双向变换器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，DC/DC双向变换器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； 0049 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。
23、制器产生电流快速注 入指令并传送给DC/DC双向变换器及储能单元，储能单元向DC/DC双向变换器快速输出直 流电能，DC/DC双向变换器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 说 明 书CN 102832611 A 5/5页 7 制DC/DC双向变换器的开关器件的开断，以将直流储能单元输出的直流电能输出给电力系 统； 0050 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DC/DC双向变换器和直流储能单元；若回路切换时引起直流电压的跌 落，储能单元向DC/DC双向变换器输出直流电能，DC/DC双向变换器在电流补偿指令作用下 进行开关器。
24、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，DC/DC双向变换器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； 0051 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。 说 明 书CN 102832611 A 1/3页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102832611 A 2/3页 9 图4 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102832611 A 3/3页 10 图7 说 明 书 附 图CN 102832611 A 10 。