基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法与流程

本发明属于高压大容量储能与电能质量治理，具体涉及一种利用固体蓄热装置消纳风、光等绿色电力，并结合静止无功发生器进行动态功率因数补偿的系统及控制方法。

背景技术：

1、在“双碳”目标推动下，以风电、光伏为代表的绿色电力装机容量快速增长。然而，风光发电具有强烈的间歇性、波动性和反调峰特性，导致电网消纳困难，弃风、弃光现象频发。固体蓄热装置，如固体电蓄热锅炉，能够将富余的绿电转化为高温热能储存起来，是大规模消纳绿电、实现清洁供暖和工业供汽的重要技术路径。

2、为了实时跟随风光出力的随机波动，固体蓄热装置普遍采用基于晶闸管移相控制的高压调功柜来连续调节加热功率，其工作电压常为6kv、10kv或35kv。然而，移相触发控制在调节功率的同时会带来严重缺陷：随着晶闸管导通角的减小，电流波形发生畸变并滞后于电压，产生大量的滞后性无功功率。尤其在轻载或深度调功工况下，系统的功率因数可骤降至0.5~0.7以下，远低于电网规定的0.9标准。

3、低功率因数会引发一系列问题：企业面临高额力率电费罚款；无功环流增加了变压器和线路损耗，降低了绿电的实际利用效率；还可能引发电网电压波动和闪变，危及设备安全。传统的固定电容器或机械投切电抗器补偿方式，响应速度慢，无法匹配风光出力秒级、分钟级的快速变化，且容易与调功柜的移相控制产生谐振，无法满足要求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中，固体蓄热装置因采用移相调功导致功率因数过低、无功补偿手段滞后的核心问题，提供一种基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种系统方案，其包括高压调功柜、固体蓄热装置、静止无功发生器svg和综合控制器。高压调功柜输入端连接绿电电源母线，采用晶闸管移相触发方式调节输出功率；固体蓄热装置连接其后端，将电能转化为热能储存；svg并联安装在调功柜的同一进线侧母线上；综合控制器则作为控制核心，连接并协同两套设备。

3、本发明同时提出一种控制方法，其核心逻辑为：综合控制器首先根据风光实时出力计算蓄热装置的目标有功功率，并控制调功柜的触发角。同时，控制器高速采样母线电压电流，基于瞬时无功理论实时提取因移相控制产生的基波无功分量，并指令svg立即输出一个等值反相的容性无功电流进行就地抵消。该动态跟踪无差补偿过程在毫秒级内完成，使得无论调功深度如何变化，系统并网点的功率因数始终稳定在0.98以上。

4、基于绿电消纳的固体蓄热系统包括以下装置：

5、高压调功柜，其输入端连接绿电电源母线，用于通过晶闸管移相触发方式调节输出至后端的有功功率；

6、固体蓄热装置，其输入端连接所述高压调功柜的输出端，用于将电能转化为热能并储存；

7、静止无功发生器svg，并联连接在所述高压调功柜的进线侧母线上，用于产生动态无功电流；

8、综合控制器，分别与所述高压调功柜和所述svg信号连接；

9、所述的综合控制器用于根据绿电实时出力数据计算所述固体蓄热装置的目标有功功率，据此控制所述的高压调功柜的晶闸管触发角，并实时检测所述进线侧母线的电气量，控制所述的svg产生与所述的高压调功柜工作所产生的滞后性无功功率方向相反、大小相等的容性无功电流，以将系统并网点功率因数维持在预设目标值以上。

10、作为进一步改进，所述的固体蓄热装置内部包括高温合金电阻元件、固体蓄热体、保温层及蒸汽换热器；所述的固体蓄热体为镁砖或刚玉砖，其蓄热温度可达600℃以上，明确了固体蓄热装置结构及材料（镁砖/刚玉砖），提高耐高温性能及储热能力，增强系统稳定性和使用寿命。

11、作为进一步改进，所述的svg采用基于igbt的全控型逆变桥结构，并通过pwm脉宽调制方式输出无功电流，采用igbt全控型svg及pwm控制，提高无功调节精度和响应速度，实现更优动态补偿效果。

12、作为进一步改进，所述的综合控制器采用基于瞬时无功理论的pq法，实时提取所述进线侧母线的基波无功电流分量，并计算所需补偿的无功功率量，引入pq理论进行无功检测，提高无功计算准确性，为精确补偿提供理论基础。

13、作为进一步改进，所述预设目标值为0.98，所述系统在所述固体蓄热装置从10%额定功率至100%额定功率的全工况范围内，并网点功率因数保持在0.98以上，限定功率因数目标值及运行范围，确保系统在全工况下具备优良电能质量表现。

14、作为进一步改进，所述svg的响应时间小于5ms，用于抑制因调功柜移相控制及绿电出力突变引起的母线电压闪变，使电压总谐波畸变率降至3%以下，规定svg快速响应及谐波、电压指标，显著提升系统电能质量和动态稳定性。

15、作为进一步改进，所述高压调功柜的工作电压为6kv、10kv或35kv，限定电压等级范围，提高系统工程适用性，便于推广应用。

16、基于绿电消纳的固体蓄热系统的功率因数补偿控制方法，应用于所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

17、步骤s1，综合控制器根据所接入的风电场、光伏电站或混合微电网的实时出力和电网调度指令，计算固体蓄热装置所需的目标有功功率p；

18、步骤s2，所述综合控制器根据所述目标有功功率p，计算并输出晶闸管触发角α至高压调功柜，以调节其输出功率；

19、步骤s3，实时高速采样所述高压调功柜进线侧母线的电压和电流信号，基于瞬时无功理论提取基波无功电流分量，计算当前无功功率q和功率因数，并与预设目标值比较，得出所需补偿的无功量δq；

20、步骤s4，所述综合控制器控制svg立即响应，产生一个与所述当前无功功率q大小相等、方向相反的容性无功电流，以抵消所述高压调功柜移相控制产生的滞后无功功率；

21、步骤s5，当绿电出力波动导致目标有功功率p变化时，重复步骤s1至s4，实现动态无差补偿。

22、作为进一步改进，步骤s3中，所述预设目标值为0.98；步骤s4中，所述svg在小于5ms的时间内完成响应补偿，对方法中的响应时间及功率因数目标进行进一步限定，增强控制方法的可实施性与性能保障。

23、作为进一步改进，所述的方法还包括：当电网电压出现异常波动时，所述综合控制器控制所述svg输出相应的感性或容性无功功率，以辅助支撑电网电压稳定，增加电压支撑功能，使系统不仅具备消纳能力，还具备辅助电网稳定运行的能力，拓展应用价值。

24、本发明的有益效果在于：实现了固体蓄热装置全调功范围内的动态功率因数达标，彻底消除电网罚款风险；显著降低了线路和变压器的无功电流，在相同接入容量下可提升15%以上的有功加热能力，直接增加绿电消纳量；svg的毫秒级响应有效抑制了电压波动与闪变，将电压总谐波畸变率（thd）降至3%以下，改善了设备运行环境；系统整体损耗极低，节省的电费、增加的绿电收益可使投资回收期缩短2至3年，并且使蓄热装置从电网扰动源转变为可辅助支撑电压的友好型灵活负荷。

1.基于绿电消纳的固体蓄热系统，其特征在于，包括以下装置：

2.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述的固体蓄热装置内部包括高温合金电阻元件、固体蓄热体、保温层及蒸汽换热器；所述的固体蓄热体为镁砖或刚玉砖，其蓄热温度可达600℃以上。

3.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述的svg采用基于igbt的全控型逆变桥结构，并通过pwm脉宽调制方式输出无功电流。

4.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述的综合控制器采用基于瞬时无功理论的pq法，实时提取所述进线侧母线的基波无功电流分量，并计算所需补偿的无功功率量。

5.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统及其功率因数补偿控制方法，其特征在于，所述预设目标值为0.98，所述系统在所述固体蓄热装置从10%额定功率至100%额定功率的全工况范围内，并网点功率因数保持在0.98以上。

6.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统，其特征在于，所述svg的响应时间小于5ms，用于抑制因调功柜移相控制及绿电出力突变引起的母线电压闪变，使电压总谐波畸变率降至3%以下。

7.根据权利要求1所述的基于绿电消纳的固体蓄热系统，其特征在于，所述高压调功柜的工作电压为6kv、10kv或35kv。

8.基于绿电消纳的固体蓄热系统的功率因数补偿控制方法，应用于权利要求1至7任一项所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述预设目标值为0.98；步骤s4中，所述svg在小于5ms的时间内完成响应补偿。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：当电网电压出现异常波动时，所述综合控制器控制所述svg输出相应的感性或容性无功功率，以辅助支撑电网电压稳定。