[发明专利]电力系统中的无功功率补偿系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及电功率系统领域，并且尤其涉及电功率系统中的无功功率补偿系统。更具体来说，本发明涉及包括风力发电单元的电功率系统中的无功功率补偿系统。

背景技术

由于席卷全球的能源危机，能量产生的替代方法变得日益重要。风能已经呈现为有前景的可再生能源。在发达经济体和发展中经济体中，产生能量的风力电厂的使用变得日益普及。由于材料、设计及加工技术的进步，商用风能的产量稳步增加。因此，风能已经成为可行的并且经济的可再生能源。然而，由于基于风能的发电单元的输出的不确定性，与电力传输网的集成成为有挑战性的任务。与风力电厂相关的主要问题之一是由风的间歇性本质导致的电力供应的变动。不均衡的电力生产导致电力系统的电压和频率的稳定性成问题。因此，实现在保持电力质量以及电力系统稳定性的同时促进分布式的基于风能的电力产生单元与电力传输网的集成的解决方案是一项重要挑战。

提高电功率系统的功率质量的一个重要方面是无功功率补偿。电功率包括有功功率和无功功率。无功功率（reactive power）也被称为watt-less功率，因为它不向负荷输送任何净能量。有功功率与无功功率的比被定义为电功率系统的功率因子。因此，电功率传输中的重要挑战是控制无功功率并尽可能使功率因子保持不变。有效的功率因子调节确保可在宽范围的负荷条件获得接近恒定的电压。由功率传输线接地阻抗导致的长距离功率传输线中的能量损失增加了对无功功率补偿的需要。一般来说，有效的无功功率补偿增加电功率系统的功率传输能力。

传统的无功功率补偿技术之一是静态VAR补偿(Static VARCompensation,SVC)。然而，该技术具有在低电压情况下电流特征波动的缺点。

近年来，柔性交流输电系统（Flexible Alternating Current Transmission System,FACTS）已经呈现为用于调节电功率系统中的功率传输参数的一类新的解决方案。FACTS是包括促进对AC电功率系统中的一个或多个系统参数的控制的基于功率电子器件的部件和其它静态设备的系统。

静态补偿器（STATCOM），作为FACTS类的解决方案的一员，被用于AC传输网络中的无功功率补偿。STATCOM可以作为电功率系统中无功AC功率的源或吸收器。因此，STATCOM被用于调节电功率系统中的功率因子。过去已经提出多种控制方法。然而，这些控制方法不能令人满意地实现有效的无功功率补偿和谐波消除解决方案。此外，当前已知的STATCOM实践具有因单片设计而导致的缺陷。

无功功率补偿的另一个重要方面是对电功率系统中产生的电流谐波的控制。功率产生单元应该理想地经受具有最小谐波畸变的正弦负荷。然而，在某些条件下，在电功率系统中产生相当大幅度的低阶谐波电流，并且因此功率产生单元经受影响电功率系统稳定性的非正弦负荷。在电功率系统中，各种参数能够导致电流谐波的产生。导致电流谐波产生的重要因素包括电功率系统中的非线性负荷（如电弧炉和静态功率转换器）、操作条件和电网阻抗。电流谐波的存在影响功率质量和功率系统稳定性。传统上，无源滤波器（LC滤波器）被用于消除在电功率系统中产生的电流谐波。无源滤波器被设计为消除在负荷端产生的特定谐波。然而，如果电流谐波谱改变，那么无源滤波器就不能有效地削弱电流谐波。在现有技术中，已经提出一些基于FACTS的电流谐波消除系统。然而，在风力电厂中使用的基于敏感的功率电子器件的装置的操作受到在风力电厂附近操作的FACTS系统的不利影响。这可能潜在地导致高电流畸变，其导致风车出错和生产损失。因此，在风力电厂附近使用基于FACTS的电流谐波消除系统是有挑战性的任务。

由于上述与电功率系统中的无功功率补偿相关的问题，需要一种可以有效管理无功功率补偿要求并且消除在电功率系统中产生的电流谐波的系统。

发明内容

本发明的一个目的是在电功率系统中实现有效的无功功率补偿。

本发明的另一个目的是有效地消除电功率系统中的电流谐波。

本发明的另一个目的是实现一种对无功功率补偿系统的改进的控制策略以消除电功率系统中的电流谐波。

本发明的另一个目的是在无功功率补偿系统中实现容错和冗余。