CN107046303B - 一种等效无功电池电路及其控制方法 - Google Patents
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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XL、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XL,另一端接单相交流电网的零线N,XL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
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Ti-Di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CV。
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Ti-Di,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XL、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XL,另一端接单相交流电网的零线N,XL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Cdc→电力二极管D4→端点B、和端点B→电力二极管D2→等效电容Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc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Cdc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UAB1和UAB2;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Cdc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UCdc相同,负半周与UCdc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UCdc相同,负半周导通时段与UCdc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UAB1。
图3(c)为B端的输出电压波形图UAB2。
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Ti-Di(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CV,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XL、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XL,另一端接单相交流电网的零线N,XL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Ti-Di(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Cdc,则4只电容的等效电容仍为Cdc,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Cdc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→Cdc→D4→B和B→D2→Cdc→D3→A;放电模式③和④,电流路径分别为A→T3→Cdc→T2→B和B→T4→Cdc→T1→A;旁路模式⑤和⑥,电流路径分别为A→D1→Cdc→T2→B和B→D2→Cdc→T1→A;通过改变4只IGBT的开关状态,即可控制Cdc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Cdc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,ugrid为电网电压,UCdc1和UCdc2为两种Cdc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UAB1和UAB2,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UAB,从而使RPBC可等效为图1(b)所示的可调电容CV。
(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Cdc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UAB1和UAB2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Cdc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UCdc相同,负半周与UCdc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UCdc相同,负半周导通时段与UCdc相反。
(7)如图1(c),上述RPBCs经过限流电感XL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 (1)
1.一种等效无功电池电路控制方法,其特征在于:包括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Ti-Di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;
该电路工作于三种模式:
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Cdc→电力二极管D4→端点B、和端点B→电力二极管D2→等效电容Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc→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Cdc的充放电过程,以获得不同的无功功率输出效果;
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Cdc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UAB1和UAB2;
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Cdc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UCdc相同,负半周与UCdc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UCdc相同,负半周导通时段与UCdc相反。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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