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1、超级电容储能 电网电能质量控制装置 哈尔滨工业大学 电磁驱动与控制研究所 孙 力 教授 电 话： 13009708600 Email： 功能介绍 我研究所研制的超级电容储能电网电能质量控制装置 GPC与市场同类装置最大的不同，在于完全针对 现代电力系统高度复杂 性 和负荷多样性 的特点进行设计，能同时改善电网的多种电能质量问题。 超级电容储能电网电能质量控制装置 GPC自身相当于一个虚拟发电站，实时监测电网的参数变化，动态调节补偿电压、电流的波形、幅值与相位，在满足负载正常工作的前提下，最大限度提升电网电能质量。 原理图 +-=+-电网超 级 电 容模 块 组超 级 电 容能 量 管 理系
2、统直 流断 路 器逆 变 模 块 组智 能断 路 器变 压 器断 路 器G P C 超 级 电 容 储 能 电 网 电 能 质 量 控 制 装 置工作原理之有功补偿 遇到冲击负载时， GPC超级电容储能电网电能质量控制装置及时将超级电容中存储的能量返还电网，制止电网电压跌落，维持电网的稳定。 负载平稳运行时， GPC超级电容储能电网电能质量控制装置从电网抽取一定能量储存在超级电容中； 电 网非 线 性冲 击 性负 载超 级电 容模 组补 偿 器uais aic ail ais auail auaic aua+ =工作原理之无功补偿 通过检测电网中需要的无功， GPC超级电容储能电网电能质量控制
3、装置可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统在高功率因数下运行。 工作时，通过调节开关器件的通断，控制由直流逆变到交流侧电压的幅值和相位。可以把 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置看作是一个调相电源。 电 网非 线 性冲 击 性负 载超 级电 容模 组补 偿 器uais aic ail ais aua+ic aua=il aua工作原理之谐波补偿 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置从电网汲取谐波电流，以抵消因负载的非线性而产生的谐波电流。 电 网非 线 性冲 击 性负 载超 级电 容模 组补 偿 器uais aic ail ais aua+=il auauai
4、c a工作原理之多目标补偿 is aua+ic auauaic aic aua=任 意 负 载电 流 ！GPC超级电容储能电网电能质量控制装置，通过实时监控电网电压、电流、频率等参数，动态提供有功、无功及谐波支撑，可以解决诸多电能质量问题，例如电压波动、突升、突降等。 在保证负载稳定工作的前提下，应用 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置能最大限度提高电网电能质量，提高分布式发电系统工作的稳定性与经济性，有效降低用户费用。 电 网非 线 性冲 击 性负 载超 级电 容模 组补 偿 器uais aic ail a技术性能优势 作为我研究所研制的新一代电能质量调节系统， GPC超级电容储能电网电
5、能质量控制装置结合了超级电容器储能技术、现代电力电子技术、智能控制技术、先进测量技术、计算机控制技术的高科技产品，其技术和性能与市场同类产品相比具有多重优势。 技术性能优势 技术性能优势 多重补偿特性 有功补偿 无功补偿 谐波补偿 技术先进性 快速补偿响应 补偿精度高 应用超级电容储能技术 经济性 更长的使用寿命 体积更小 安装方便 各组件可灵活配置 更高的安全性 避免谐振现象 多重软硬件保护 技术性能优势之超级电容介绍 超级 电容器，也 叫电化学 电容器，是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型储能器件。1957 年，美国学者 Becker首先 提出了可以将较小的电容器用做储能 元件，
6、1983 年日本 NEC 电气公司率先 将超级 电容器推向市场 。 与 常规电容器相比，超级电容器具有更高的介电常数和更大的表面积 。这 使他们 成为 现代 储能应用 中很好的候选方案。 技术性能优势之常见储能方式性能对比 储能方式 能量密度 Wh/kg 功率密度 W/kg 充放电次数 Cycle Life 效率 （ %） 超级电容储能 2 10 7000 18000 106 95 飞轮储能 5 50 180 1800 106 90 95 蓄电池储能 30 200 100 700 103 80 85 结论： 超级 电容具有更高的功率密度，瞬时输出功率更大； 超级电容具有更高的使用寿命； 超级
7、电容具有更高的效率，更低能耗。 技术性能优势之快速补偿响应 GPC超级 电容储能电网电能质量控制装置 采用了现代测量手段和智能控制技术，可以快速准确识别电网电压 、 电流异常，实现系统 的快速投切与柔性退出，在保证 电网稳定运行的同时，最大限度地提高响应时间。 GPC超级 电容储能电网电能质量控制装置 的动态响应能力达到毫秒级一下，真正实现动态补偿。 技术性能优势之补偿精度高 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置的快速响应和线性化补偿特性，可以保证补偿后系统的运行功率因数连续接近于 1.0。 技术性能优势之体积更小、安装方便 传统的电能质量调节装置中使用的大容量电容、电抗器件，体积庞大，安装
8、方案要求苛刻；而 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置采用模块化设计和标准化户柜式安装，工程设计和安装工作量都较小。 技术性能优势之更长的使用寿命 传统的电能质量调节装置有大量的电容电抗器件，使用过程中出现频繁投切，元器件损耗巨大；相比之下， GPC超级电容储能电网电能质量控制装置使用的功率器件损耗度极小，设备的使用寿命可比拟电子元器件的寿命，能够为客户节省大量资金。 技术性能优势之避免谐振现象 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置是电流源型装置，从机理上避免了大量电容、电抗器件并联在电网中可能发生的谐振现象；在电网薄弱的末端，使用本装置的安全性比阻抗性设备更高。 技术性能优势 之 各组件
9、可灵活配置 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置采用模块化设计，各组件可以根据客户的要求和使用环境的特点，灵活配置；在保证客户需求的前提下，最大限度的降低客户的成本。 技术性能优势之多重软硬件保护 现代 测量 技术、智能控制技术与计算机控制技术的采用， GPC超级 电容储能电网电能质量控制装置 可以时刻监测整个系统的工作状态，第一时间发现故障，并采取适当的处理措施，保护设备与现场人员的安全，最大限度降低客户的经济损失。 采用智能断路器等硬件设备，提供第二重保护，即使控制系统软件发生故障，依然可以安全平稳地关闭系统。 技术性能优势之多重补偿特性 由于 GPC超级电容储能电网电能质量控制装置的工
10、作原理是通过对逆变器的适当操纵，控制输出电流对系统进行补偿，所以可以同时解决多种电能质量问题，例如，冲击性负载、感性无功、容性无功、谐波、三相不平衡等。 产品系列 柜式系统 2MW集装箱式系统 4MW集装箱式系统 额定补偿 容量 (kVA) 1001200 10002600 20005200 应用系统 功率等级 20万小时 控制特性 开关频率 平均 10kHz 控制算法 具有自适应能力的频域筛选矢量补偿算法 控制器 DSP(数字信号处理器 ) 通信功能 采用 CANopen协议，最高传输速率 1Mbps 控制连接 光纤，或电气连接 技术指标 结构特征 防护等级 IP21或根据用户要求定制 颜色
11、 PAL7035(浅灰色 )或根据用户要求定制 冷却方式 强制风冷或水冷 整体安装 落地式或根据用户要求定制 安装方式 室外或室内安装，固定方式可选、电缆进线方式可选 环境条件 环境温度 -40 +70 存储温度 -40 +65 相对湿度 最大 95%，无凝露 海拔高度 安装海拔小于 2000米 电磁兼容 符合 GB/T.7251-2005(GB/T7261-2000)包括衰减震荡波脉冲群干扰、静电放电干扰、快速瞬变干扰、浪涌干扰、电压中断抗干扰等。 适用场合 电机调速场合、感应加热电源、可控电阻炉、单晶炉、电解电镀整流电源的配电系统 光伏发电、风力发电等新能源发电，天然气发电机组等分布式电源
12、 纺织企业、工艺品自动加工厂等小功率电动机数量众多的用电场合 油田抽油机、轧钢机、提升机电焊机等冲击性负载供电系统 功率需求变化频繁的场合 对功率补偿精度要求较高的场合 谐波含量大的配电系统 新能源并网与分布式发电 典型应用之提升机、轧机 提升 机、轧机用电现状： 提升 机、轧机属于典型的冲击性负载，主要存在于各矿业生产场合和冶金行业，对电网有如下影响： 功率冲击大，造成电网电压波动，干扰其他设备运行 功率因数低，每月需要交纳大量的无功费用 部分装置产生谐波，危害电网安全 优化方法： 在供电变压器低压侧 配备 GPC超级 电容储能电网电能质量控制 装置 在 供电母线上 并联 GPC超级 电容储
13、能电网电能质量控制 装置 优化 效果： 补偿有功 /无功，降低费用，避免罚款 减少损耗 减少谐波干扰，提升电能质量 平稳母线电压，保护其他用电设备 典型应用之油田供电系统 油田供电系统现状： 油田机采系统、注水系统及油气集输系统有大量异步电动机运行，其供电系统具有明显的特征： 电流谐波大 无 功冲击较大，功率因数低 电压波动严重，电压畸变率高，影响其他设备供电 优化方法： 在油田供电变压器低压侧 配备 GPC超级 电容储能电网电能质量控制装置 进行优化 对单一油井供电或单一电动机 配备 GPC超级 电容储能电网电能质量控制装置进行 优化 优化效果： 补偿各类无功，提高 功率因数 减少无功冲击，
14、提高供电 质量 减少负荷电流，降低线路 损耗 提高用电 端电压 典型应用之化工、建材工厂 化工、建材工厂用电现状： 化工、建材工厂变频器、液压机等非线性及无规律负荷居多，它们的接入对电网产生一系列不良影响，主要表现在： 功率因数低 严重的电压闪变 导致电网严重的三相不平衡，产生负序电流 产生高次谐波，存在偶次谐波和奇次谐波共存的现象 优化方法： 供电变压器低压侧并联 接入 GPC超级 电容储能电网电能质量控制 装置 优化 效果： 提高工厂负载 功率因数 降低负载电流，减少工厂用电 损耗 分相补偿，消除三相 不平衡 稳定母线电压，减少 闪变 典型 应用之新能源并网、分布式发电 新能源并网、分布式
15、发电现状： 与常规发电方式相比，新能源发电机组对负载的波动过于敏感，例如 ， 出现 大功率冲击负荷时 ， 新能源发电机组通常无法维持稳定的输出电压 ， 输出电压频率大幅波动，最终 导致发电机组 因欠频保护等因素被移除出电网 。 优化方法： 发电机组交流输出侧并联接入 GPC超级 电容储能电网电能质量控制 装置 包含分布式发电装置的微网中配备 GPC超级 电容储能电网电能质量控制 装置 大量接入分布式发电装置的配电网中配备 GPC超级 电容储能电网电能质量控制 装置 优化效果： 提高新能源发电机组抗负载扰动能力 提高发电效率 降低电网波动对新能源发电机组的影响 降低风能、太阳能等波动电源对电网的影响
