CN107046303A - 一种等效无功电池电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种等效无功电池电路及其控制方法，包括无功电池电路单元、等效元件、无功电池组结构三个部分。无功电池组结构，包括限流电感X_L、n×m个无功电池电路单元、单相交流电网，所述n×m个无功电池电路单元包含m列串联支路，每列含n个串联的无功电池电路单元，m列串联支路并联后，一端接X_L，另一端接单相交流电网的零线N，X_L的另一端接单相交流电网的火线L。本发明一种等效无功电池电路及其控制方法，它既能提升补偿器的耐压能力，也适用于大容量、高精度和快速响应的无功控制场合，能够广泛应用于单相交流系统和三相交流系统。

Description

一种等效无功电池电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及无功补偿电路领域，具体是一种等效无功电池电路及其控制方法。

背景技术

无功补偿是控制电网无功功率平衡的主要方式，也是保障电网安全、稳定和可靠运行的关键。目前，应用最为广泛的无功补偿设备包括静态无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(STATCOM)，随着负荷对电网电能质量要求的提升，STATCOM以其快速、高精度的特征优势必将成为未来无功控制技术主流。STATCOM是伴随全控性电力电子器件的产生而发展起来的，其特征优势主要基于全可控半导体开关的高速开关特性，但由于其耐压和通流能力差，也很大程度上限制了STATCOM的应用范围。典型STATCOM采用三相单桥臂六管结构，当其应用于高压大容量场合时，开关耐压能力受到极大的挑战，因此，近年来出现了链式或多电平的电路结构，对提升设备的无功补偿能力起到的积极的作用。日本学者提出了一种新型的无功补偿电路——磁能再生开关，采用全桥型电路结构，采用较小的直流侧电容与同步控制法，实现的较宽范围内的连续无功功率补偿，且适用于单相和三相交流系统。

发明内容

基于当前无功补偿技术的发展，本发明提出了一种等效无功电池电路及其控制方法，它既能提升补偿器的耐压能力，也适用于大容量、高精度和快速响应的无功控制场合，能够广泛应用于单相交流系统和三相交流系统。

本发明采取的技术方案为：

一种无功电池电路单元，所述无功电池电路单元包括：4只全控型半导体开关T₁～T₄，4只电力二极管D₁～D₄，4只直流电容器C₁～C₄；4只全控型半导体开关T₁～T₄分别与4只电力二极管D₁～D₄反向并联，构成4组T_i-D_i半导体开关模块，i＝1,2,3,4；T₁-D₁与T₃-D₃串联构成串联支路，其连接点为端点A；T₂-D₂与T₄-D₄串联构成串联支路，其连接点为端点B；然后两串联支路并联，连接点分别为M和N；4只直流电容器C₁～C₄，先按C₁与C₃串联且C₂与C₄串联，连接点分别为P和Q，然后两支路并联，连接点为M和N，再将P和Q点直接相连。

一种无功电池电路单元，该电路等效为可调电容器C_V。

一种无功电池电路单元，该电路整体呈现为双环路菱形，外环菱形由4组半导体开关模块T_i-D_i，i＝1,2,3,4，通过串并联构成，内环菱形由4只直流电容器C₁～C₄串并联构成。

一种无功电池电路单元，4只全控型半导体开关T₁～T₄为MOSFET或IGBT。

一种无功电池组结构，包括限流电感X_L、n×m个无功电池电路单元、单相交流电网，所述n×m个无功电池电路单元包含m列串联支路，每列含n个串联的无功电池电路单元，m列串联支路并联后，一端接X_L，另一端接单相交流电网的零线N，X_L的另一端接单相交流电网的火线L。

一种无功电池组结构，各列所含的n个电池单元与各行所含的m个电池单元均可根据应用需求，自由选择数量，n越大，电池组耐压能力越高；m越大，电池组无功补偿容量就越大。

一种等效无功电池电路控制方法，该电路可工作于三种模式：

充电模式①和②，电流路径分别为：端点A→电力二极管D₁→等效电容C_dc→电力二极管D₄→端点B、和端点B→电力二极管D₂→等效电容C_dc→电力二极管D₃→端点A；

放电模式③和④，电流路径分别为：端点A→全控型半导体开关T₃→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₂→端点B、和端点B→全控型半导体开关T₄→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₁→端点A；

旁路模式⑤和⑥，电流路径分别为：端点A→电力二极管D₁→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₂→端点B、和端点B→电力二极管D₂→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₁→端点A；

通过改变4只全控型半导体开关T₁～T₄的开关状态，即可控制电容C_dc的充放电过程，以获得不同的无功功率输出效果。

一种等效无功电池电路控制方法，高频斩波控制是通过控制4只全控型半导体开关T₁～T₄的导通次序及脉冲信号的宽度，使电容C_dc以较高的频率充放电，从而产生变化的容性无功；A、B端的输出电压波形分别为U_AB1和U_AB2；低频同步控制是以电网频率为参考，对4只全控型半导体开关T₁～T₄进行同步控制，使C_dc的充放电路径与电网电压同步切换，从而产生固定的容性无功，A、B端输出电压的正半周与U_Cdc相同，负半周与U_Cdc相反；低频相移控制与低频同步控制相似，仅开关切换时刻延迟一定的相位角，产生变化的容性无功，A、B端输出电压的正半周导通时段与U_Cdc相同，负半周导通时段与U_Cdc相反。

一种无功电池组结构，在三相电网中的应用。

本发明一种等效无功电池电路及其控制方法，有益效果如下：

1)、本发明提出了一种等效无功电池电路，可通过多个单元的串并联，实现高电压、大电流和大容量的补偿场合，不仅适用于负荷侧，也适用于变电站的无功补偿，可以被广泛应用于电力系统中；

(2)、本发明所述无功电池电路的直流侧，串并联4只直流电容，虽然增加了电容数量，但与同等条件下的STATCOM相比，各电容的电容量减小了至少100倍，且其按H桥连接有利于提高直流侧的母线电压；

3)、本发明所述无功电池电路，提供了三种控制方法，它们适用于不同的控制条件和目的，能够满足快速、高精度和大容量等现代无功补偿器的技术要求。

附图说明

图1(a)为本发明的无功电池电路单元图。

图1(b)为本发明的等效电路图。

图1(c)为本发明的无功电池组结构电路图。

图2(a)为本发明的无功电池组结构等效电路图。

图2(b)为本发明的无功电池电路的电流路径图。

其中分别标记为：充电模式①和②、放电模式③和④、旁路模式⑤和⑥。

图3(a)为本发明的无功电池电路的工作波形图(含双倍电网频率的正弦脉波)。

图3(b)为A端的输出电压波形图U_AB1。

图3(c)为B端的输出电压波形图U_AB2。

图4(a)为等效无功电池电路在三相电网中的星形接法图。

图4(b)为等效无功电池电路在三相电网中的三角形接法图。

具体实施方式

一种等效无功电池电路，如图1所示，包括无功电池单体(Reactive PowerBattery Cell，RPBC)、等效元件、无功电池组结构三个部分，各部分的结构分别阐述如下：

一种无功电池电路单元，包含4只全控型半导体开关、4只电力二极管和4只直流电容器，如图1(a)所示；4只全控型半导体开关(如：MOSFET或IGBT)T₁～T₄，分别与4只电力二极管D₁～D₄反向并联，构成4组T_i-D_i(i＝1,2,3,4)半导体开关模块；T₁-D₁与T₃-D₃串联构成串联支路，其连接点为端点A，T₂-D₂与T₄-D₄串联构成串联支路，其连接点为端点B，然后两串联支路并联，连接点分别为M和N；图1(a)中的4只电容器先按C₁与C₃串联且C₂与C₄串联，连接点分别为P和Q，然后两支路并联，连接点为M和N，再将P和Q点直接相连。

(2)、图1(a)中的无功电池电路单元可等效为图1(b)所示的可调电容器C_V，接入单相交流电网中的无功电池组结构如图1(c)所示，包括限流电感X_L、n×m个无功电池电路单元、单相交流电网组成。RPBCs组包含m列串联支路，每列含n个串联的RPBC单元，m列串联支路并联后，一端接X_L，另一端接单相交流电网的零线N，X_L的另一端接单相交流电网的火线L。

(3)、上述无功电池电路单元，整体呈现为双环路菱形，外环菱形由4组半导体开关模块通过串并联构成，内环菱形由4只直流电容器串并联构成，具体连接方法如图1(a)所示。

(4)、在上述含n×m个RPBC单元的无功电池阵列RPBCs中，各列所含的n个电池单元与各行所含的m个电池单元均可根据应用需求，自由选择数量，n越大，电池组耐压能力越高，m越大，电池组无功补偿容量就越大。

本发明提出的一种等效无功电池电路，其基本单元电路结构、等效电路及单相交流无功电池组如图1所示，无功电池电路单元，以及电池组RPBCs的具体工作原理如下：

(1)如图1(a)所示，4只全控型半导体开关(如MOSFET或IGBT)T₁～T₄，分别与4只电力二极管D₁～D₄反向并联，构成4组T_i-D_i(i＝1,2,3,4)半导体开关模块；T₁-D₁与T₃-D₃串联构成串联支路，其连接点为端点A，T₂-D₂与T₄-D₄串联构成串联支路，其连接点为端点B，然后两串联支路并联，连接点分别为M和N；图1(a)中的4只电容器先按C₁与C₃串联且C₂与C₄串联，接点分别为P和Q，然后两支路并联，连接点为M和N，再连接P和Q点。

(2)电路单元中的4只电容C₁～C₄按上述方法连接，有利于提升电容耐压和通流能力，因此，可实际选用较小的电容，若C₁～C₄选用相同的电容，假设为C_dc，则4只电容的等效电容仍为C_dc，因此，RPBC单元可等效为图2(a)所示的电路结构。

(3)上述RPBC单元的简化等效电路如图2(a)所示，根据C_dc的充放电状态，该电路可工作于三种模式，如图2(b)所示，分别描述为：充电模式①和②，电流路径分别为A→D₁→C_dc→D₄→B和B→D₂→C_dc→D₃→A；放电模式③和④，电流路径分别为A→T₃→C_dc→T₂→B和B→T₄→C_dc→T₁→A；旁路模式⑤和⑥，电流路径分别为A→D₁→C_dc→T₂→B和B→D₂→C_dc→T₁→A；通过改变4只IGBT的开关状态，即可控制C_dc的充放电过程，以获得不同的无功功率输出效果。

(4)图2(a)所示的电路中，由于电容C_dc的取值仅相当于同等场合下STATCOM直流侧电容的1％，因此，其电压不为恒定值，而是含双倍电网频率的正弦脉波，如图3(a)所示，u_grid为电网电压，U_Cdc1和U_Cdc2为两种C_dc的电压波形；对上述电路采取斩波控制，得到两种A、B端的输出电压波形U_AB1和U_AB2，分别如图3(b)和图3(c)所示，稳态运行时，其占空比D保持恒定，且通过改变占空比D就能获得不同要求的输出电压U_AB，从而使RPBC可等效为图1(b)所示的可调电容C_V。

(5)在图1(c)中，RPBCs模块包含n×m个RPBC单元，具体由m列串联支路且每列含n个RPBC串联而成，m和n为正整数，且其大小可根据无功补偿要求自由选取；RPBCs模块中的RPBC单元要求同时采用相同的控制方法，主要的控制方法包括：高频斩波控制、低频同步控制、低频相移控制。

(6)上述RPBC三种控制方式：高频斩波控制是通过控制4只IGBT的导通次序及脉冲信号的宽度，使C_dc以较高的频率充放电，从而产生变化的容性无功，A、B端的输出电压波形分别如图3(b)和图3(c)中的U_AB1和U_AB2所示；低频同步控制是以电网频率为参考，对4只IGBT进行同步控制，使C_dc的充放电路径按图2(b)中①-③和②-④与电网电压同步切换，从而产生固定的容性无功，A、B端输出电压的正半周与U_Cdc相同，负半周与U_Cdc相反；低频相移控制与低频同步控制相似，仅开关切换时刻延迟一定的相位角，产生变化的容性无功，A、B端输出电压的正半周导通时段与U_Cdc相同，负半周导通时段与U_Cdc相反。

(7)如图1(c)，上述RPBCs经过限流电感X_L接入交流电网，在三相电网中，该等效无功电池电路同样适用，具体应用方法如图4所示，图4(a)为星形接法，图4(b)为三角形接法。在三相电网中，通过增大串联无功电池组的数量，可以降低各组电池的实际耐压，同时增大了无功补偿量，因此，无功电池能够适用于三相系统大容量补偿场合。另外，基于无功电池单元构成的无功补偿系统，各相之间具有很强的独立性，实际运行时，不用考虑相邻两相之间的影响，易于控制。

Claims (9)

1.一种无功电池电路单元，其特征在于：所述无功电池电路单元包括：4只全控型半导体开关T₁～T₄，4只电力二极管D₁～D₄，4只直流电容器C₁～C₄；

4只全控型半导体开关T₁～T₄分别与4只电力二极管D₁～D₄反向并联，构成4组T_i-D_i半导体开关模块，i＝1,2,3,4；

T₁-D₁与T₃-D₃串联构成串联支路，其连接点为端点A；T₂-D₂与T₄-D₄串联构成串联支路，其连接点为端点B；然后两串联支路并联，连接点分别为M和N；

4只直流电容器C₁～C₄，先按C₁与C₃串联且C₂与C₄串联，连接点分别为P和Q，然后两支路并联，连接点为M和N，再将P和Q点直接相连。

2.根据权利要求1所述一种无功电池电路单元，其特征在于：该电路等效为可调电容器C_V。

3.根据权利要求1所述一种无功电池电路单元，其特征在于：该电路整体呈现为双环路菱形，外环菱形由4组半导体开关模块T_i-D_i，i＝1,2,3,4，通过串并联构成，内环菱形由4只直流电容器C₁～C₄串并联构成。

4.根据权利要求1所述一种无功电池电路单元，其特征在于：4只全控型半导体开关T₁～T₄为MOSFET或IGBT。

5.一种无功电池组结构，其特征在于：包括限流电感X_L、n×m个无功电池电路单元、单相交流电网，所述n×m个无功电池电路单元包含m列串联支路，每列含n个串联的无功电池电路单元，m列串联支路并联后，一端接X_L，另一端接单相交流电网的零线N，X_L的另一端接单相交流电网的火线L。

6.根据权利要求5所述一种无功电池组结构，其特征在于：各列所含的n个电池单元与各行所含的m个电池单元均可根据应用需求，自由选择数量，n越大，电池组耐压能力越高；m越大，电池组无功补偿容量就越大。

7.一种等效无功电池电路控制方法，其特征在于：该电路可工作于三种模式：

充电模式①和②，电流路径分别为：端点A→电力二极管D₁→等效电容C_dc→电力二极管D₄→端点B、和端点B→电力二极管D₂→等效电容C_dc→电力二极管D₃→端点A；

放电模式③和④，电流路径分别为：端点A→全控型半导体开关T₃→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₂→端点B、和端点B→全控型半导体开关T₄→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₁→端点A；

旁路模式⑤和⑥，电流路径分别为：端点A→电力二极管D₁→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₂→端点B、和端点B→电力二极管D₂→等效电容C_dc→全控型半导体开关T₁→端点A；

通过改变4只全控型半导体开关T₁～T₄的开关状态，即可控制电容C_dc的充放电过程，以获得不同的无功功率输出效果。

8.根据权利要求7所述一种等效无功电池电路控制方法，其特征在于：高频斩波控制是通过控制4只全控型半导体开关T₁～T₄的导通次序及脉冲信号的宽度，使电容C_dc以较高的频率充放电，从而产生变化的容性无功；A、B端的输出电压波形分别为U_AB1和U_AB2；

低频同步控制是以电网频率为参考，对4只全控型半导体开关T₁～T₄进行同步控制，使C_dc的充放电路径与电网电压同步切换，从而产生固定的容性无功，A、B端输出电压的正半周与U_Cdc相同，负半周与U_Cdc相反；

低频相移控制与低频同步控制相似，仅开关切换时刻延迟一定的相位角，产生变化的容性无功，A、B端输出电压的正半周导通时段与U_Cdc相同，负半周导通时段与U_Cdc相反。

9.如权利要求5或者6所述一种无功电池组结构，其特征在于：在三相电网中的应用。