CN109586314A - 一种无直流储能单元的三相无功补偿装置 - Google Patents

一种无直流储能单元的三相无功补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无直流储能单元的三相无功补偿装置，包括三个相同的断路器、三个相同的补偿单元和一个滤波电感模块，滤波电感模块由三个星型连接的电感组成；所述第一断路器的一端连接到a相电源与a相感性无功负载之间，另一端与第一补偿单元连接，第二断路器的一端连接到b相电源与b相感性无功负载之间，另一端与第二补偿单元连接，第三断路器的一端连接到c相电源与c相感性无功负载之间，另一端与第三补偿单元连接；三个补偿单元的另一端分别与滤波电感模块的三个电感连接。本发明无需直流储能单元，使用的电容均为交流电容，整个装置可靠性高、寿命长、易模块化制造且性价比高。

Description

一种无直流储能单元的三相无功补偿装置
技术领域
本发明涉及电力系统的无功补偿技术，具体涉及一种无直流储能单元的三相无功补偿装置。
背景技术
随着经济的快速发展，无功功率已经成为电力系统中一个重要的物理量，大多数网络元件以及负载都需要消耗无功功率，这些无功通过发电机提供并且实现长距离的传送显然是不合理的，甚至是不可能的，合理的方法是在需要消耗无功功率的地方设置无功补偿装置，向电网吸收(或发出)无功。
对于无功补偿装置，最早的是同步调相机和固定电容器组(Fixed CapacitorBank,FC)。随着电力电子技术的发展，由FC和晶闸管相控电抗器(Thyristor ControlledReactor,TCR)组成的静态无功补偿器(Static VAR Compensator,SVC)，由于其能动态的调节补偿的无功，价格也不太高，已经在电网中得到了大量的应用。此外，还有基于DC/AC变换器的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)，相比SVC虽然能够提供更少谐波更迅速的动态无功补偿，但其维护费用的很大一部分用于定期更换其位于直流侧的电解电容器，其可靠性在很大程度上受开关器件和直流侧电解电容器的影响，开关器件或直流侧电解电容器的损坏很可能导致装置无法运行而完全失去补偿效果。交流电容的寿命比直流电解电容要长很多，如果能使用直接AC-AC变换器插在交流电容器与电网之间，采用适当的调制和控制策略，使得电网侧能得到可控的无功电流，在AC-AC变换器发生故障时直接将交流电容器接入电网实现基本的无功补偿功能，那么这样的装置无疑具有更低的成本和更高的可靠性，且可以基于已经大量使用的无功补偿电容器，具有广阔的市场前景。
目前的新型静止无功补偿器研究都是基于降压型交交变换器展开，研究内容单一，而且在无功补偿电容器确定的情况下，其提供的无功补偿电流调节范围较小；尽管有着基于推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，但其所用功率开关管数量较多，增大了装置体积，增加了控制的复杂性，不易模块化制造，因而新型无功补偿拓扑的引入、无功功率调节范围的扩大以及相应的控制技术等方面都有待深入研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无直流储能单元的三相无功补偿装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种无直流储能单元的三相无功补偿装置，包括三个相同的断路器、三个相同的补偿单元和一个滤波电感模块，滤波电感模块由三个星型连接的电感组成；所述第一断路器的一端连接到a相电源与a相感性无功负载之间，另一端与第一补偿单元连接，第二断路器的一端连接到b相电源与b相感性无功负载之间，另一端与第二补偿单元连接，第三断路器的一端连接到c相电源与c相感性无功负载之间，另一端与第三补偿单元连接；三个补偿单元的另一端分别与滤波电感模块的三个电感连接。
与现有的三相无功补偿器相比，本发明的显著优点为：(1)相对于传统基于DC/AC逆变器拓扑的静止无功补偿器，本发明无需直流储能单元，使用的电容均为交流电容，整个装置可靠性高、寿命长、易模块化制造且性价比高；(2)相对于基于推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，本发明的三相无功补偿装置不仅只需一半数量的IGBT管，而且可用于各种电压等级的电网中，除此之外，其提供的容性无功功率调节范围大大提高；(3)在基于反激式交交变换器的静止无功补偿器中，变压器的漏感使得产生的无功补偿电流严重畸变，而本发明的三相无功补偿装置无需变压器，其产生的容性无功电流波形质量大大改善。
附图说明
图1是本发明一种无直流储能单元的三相无功补偿装置的主功率拓扑图。
图2是本发明新型三相无功补偿装置控制系统中占空比控制信号产生的示意图。
图3是本发明新型三相无功补偿装置控制系统中功率开关管控制信号生成的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种无直流储能单元的三相无功补偿装置，包括三个相同的断路器、三个相同的补偿单元和一个滤波电感模块，滤波电感模块由三个星型连接的电感组成；所述第一断路器的一端连接到a相电源与a相感性无功负载之间，另一端与第一补偿单元连接，第二断路器的一端连接到b相电源与b相感性无功负载之间，另一端与第二补偿单元连接，第三断路器的一端连接到c相电源与c相感性无功负载之间，另一端与第三补偿单元连接；三个补偿单元的另一端分别与滤波电感模块的三个电感连接。
进一步的，所述第一补偿单元包括第一电容C1、第一IGBT管K1、第二IGBT管K2、第三IGBT管K3、第四IGBT管K4、第一电感L1和第二电容C2；
第一电容C1的一端作为第一补偿单元的一端，与第一断路器QF1相连，同时还与第一IGBT管K1的集电极相连，第一IGBT管K1的发射极与第二IGBT管K2的发射极相连，第二IGBT管K2的集电极与第三IGBT管K3的发射极相连，同时与第一电感L1的一端相连，第三IGBT管K3的集电极与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第四IGBT管K4的集电极相连，第四IGBT管K4的发射极与第一电感L1的另一端以及第一电容C1的另一端相连，并作为第一补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
进一步的，所述第二补偿单元包括第三电容C3、第五IGBT管K5、第六IGBT管K6、第七IGBT管K7、第八IGBT管K8、第二电感L2和第四电容C4；
第三电容C3的一端作为第二补偿单元的一端，与第二断路器QF2相连；第三电容C3的一端与第五IGBT管K5的集电极相连；第五IGBT管K5的发射极与第六IGBT管K6的发射极相连；第六IGBT管K6的集电极与第七IGBT管K7的发射极同时与第二电感L2的一端相连；第七IGBT管K7的集电极与第四电容C4的一端相连；第四电容C4的另一端与第八IGBT管K8的集电极相连；第八IGBT管K8的发射极与第二电感L2的另一端同时与第三电容C3的另一端相连，并作为第二补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
进一步的，所述第三补偿单元包括第五电容C5、第九IGBT管K9、第十IGBT管K10、第十一IGBT管K11、第十二IGBT管K12、第三电感L3和第六电容C6；
第五电容C5的一端作为第三补偿单元的一端，与第三断路器QF3的另一端相连；第五电容C5的一端与第九IGBT管K9的集电极相连；第九IGBT管K9的发射极与第十IGBT管K10的发射极相连；第十IGBT管K10的集电极与第十一IGBT管K11的发射极同时与第三电感L3的一端相连；第十一IGBT管K11的集电极与第六电容C6的一端相连；第六电容C6的另一端与第十二IGBT管K12的集电极相连；第十二IGBT管K12的发射极与第三电感L3的另一端同时与第五电容C5的另一端相连，并作为第三补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
进一步的，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6均为交流电容。
进一步的，所述每个IGBT管均反并联一个二极管，IGBT的发射极与二极管的正极相连，IGBT的集电极与二极管的负极相连。
进一步的，滤波电感模块包括第一滤波电感Ls1～第三滤波电感Ls3的一端分别与第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元连接，第一滤波电感Ls1～第三滤波电感Ls3的另一端相连。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示，一种无直流储能单元的三相无功补偿装置，主功率拓扑由三个相同的断路器、三个相同的补偿单元和一个滤波电感模块组成。所述每个补偿单元包括两个交流电容、四个IGBT管和一个电感，滤波电感模块由三个星型连接的电感组成。
所述第一断路器QF1的一端连接到a相电源与a相感性无功负载之间。
所述第一补偿单元包括第一电容C1、第一IGBT管K1、第二IGBT管K2、第三IGBT管K3、第四IGBT管K4、第一电感L1和第二电容C2。所述第一补偿单元中，第一电容C1的一端作为第一补偿单元的一端，与第一断路器QF1的另一端相连。第一电容C1的一端与第一IGBT管K1的集电极相连；第一IGBT管K1的发射极与第二IGBT管K2的发射极相连；第二IGBT管K2的集电极与第三IGBT管K3的发射极同时与第一电感L1的一端相连；第三IGBT管K3的集电极与第二电容C2的一端相连；第二电容C2的另一端与第四IGBT管K4的集电极相连；第四IGBT管K4的发射极与第一电感L1的另一端同时与第一电容C1的另一端相连，并作为第一补偿单元的另一端。
所述第二断路器QF2的一端连接到b相电源与b相感性无功负载之间。
所述第二补偿单元包括第三电容C3、第五IGBT管K5、第六IGBT管K6、第七IGBT管K7、第八IGBT管K8、第二电感L2和第四电容C4。所述第二补偿单元中，第三电容C3的一端作为第二补偿单元的一端，与第二断路器QF2的另一端相连。第三电容C3的一端与第五IGBT管K5的集电极相连；第五IGBT管K5的发射极与第六IGBT管K6的发射极相连；第六IGBT管K6的集电极与第七IGBT管K7的发射极同时与第二电感L2的一端相连；第七IGBT管K7的集电极与第四电容C4的一端相连；第四电容C4的另一端与第八IGBT管K8的集电极相连；第八IGBT管K8的发射极与第二电感L2的另一端同时与第三电容C3的另一端相连，并作为第二补偿单元的另一端。
所述第三断路器QF3的一端连接到c相电源与c相感性无功负载之间。
所述第三补偿单元包括第五电容C5、第九IGBT管K9、第十IGBT管K10、第十一IGBT管K11、第十二IGBT管K12、第三电感L3和第六电容C6。所述第三补偿单元中，第五电容C5的一端作为第三补偿单元的一端，与第三断路器QF3的另一端相连。第五电容C5的一端与第九IGBT管K9的集电极相连；第九IGBT管K9的发射极与第十IGBT管K10的发射极相连；第十IGBT管K10的集电极与第十一IGBT管K11的发射极同时与第三电感L3的一端相连；第十一IGBT管K11的集电极与第六电容C6的一端相连；第六电容C6的另一端与第十二IGBT管K12的集电极相连；第十二IGBT管K12的发射极与第三电感L3的另一端同时与第五电容C5的另一端相连，并作为第三补偿单元的另一端。
所述第一滤波电感Ls1的一端作为滤波电感模块的第一端口，与补偿单元1的另一端相连；所述第二滤波电感Ls2的一端作为滤波电感模块的第二端口，与补偿单元2的另一端相连；所述第三滤波电感Ls3的一端作为滤波电感模块的第三端口，与补偿单元3的另一端相连；第一滤波电感Ls1的另一端与第二滤波电感Ls2的另一端同时与第三滤波电感Ls3的另一端相连于N点。
所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6均为交流电容。所述每个IGBT管都反并联一个二极管，IGBT的发射极与二极管的正极相连，IGBT的集电极与二极管的负极相连。
本发明无直流储能单元的三相无功补偿装置产生的无功补偿电流为：
其中，为三相电网相电压有效值的相量形式， 为无功补偿装置提供的三相无功电流有效值的相量形式，d为三相无功补偿装置的占空比，第二电容、第四电容和第六电容的容值均为C；式(1)表明，新型无功补偿装置向每相电网侧分别注入了一个超前该相电网电压90度的容性无功电流，此容性电流幅值可通过控制占空比d的值来连续调节。当d在0.1到0.9之间变化时，该三相无功补偿装置提供的无功补偿电流随之连续变化且变化范围较广。
图2是本发明新型三相无功补偿装置控制系统中占空比控制信号产生的示意图。采集三相网侧电压usa、usb、usc送入三相锁相环模块得到电网电压相位值ωt，将三相网侧电流isa、isb、isc以及电网电压相位值ωt依次经无功分量提取模块、低通滤波器得到信号Ivar，将“0”与信号Ivar比较后作为积分器的输入，积分器的输出接到电压比较器1的同相输入端，三角波产生模块的输出接到电压比较器1的反相输入端，电压比较器1输出信号作为占空比控制信号Kd。
图3是本发明新型三相无功补偿装置控制系统中功率开关管控制信号生成的示意图。a相电源采样电压usa接到电压比较器2的同相输入端，电压比较器2的反相输入端接控制地，电压比较器2的输出端接非门1的输入端同时与或门3的一端以及或门4的一端相连；非门1的输出端与或门1的一端同时与或门2的一端相连；占空比控制信号Kd接到非门2的输入端同时与或门1的另一端以及或门3的另一端相连；非门2的输出端与或门2的另一端同时与或门4的另一端相连；或门1的输出端输出K1的控制信号，或门2的输出端输出K4的控制信号，或门3的输出端输出K2的控制信号，或门4的输出端输出K3的控制信号。
b相电源采样电压usb接到电压比较器3的同相输入端，电压比较器3的反相输入端接控制地，电压比较器3的输出端接非门3的输入端同时与或门7的一端以及或门8的一端相连；非门3的输出端与或门5的一端同时与或门6的一端相连；占空比控制信号Kd接到非门4的输入端同时与或门5的另一端以及或门7的另一端相连；非门4的输出端与或门6的另一端同时与或门8的另一端相连；或门5的输出端输出K5的控制信号，或门6的输出端输出K8的控制信号，或门7的输出端输出K6的控制信号，或门8的输出端输出K7的控制信号。
c相电源采样电压usc接到电压比较器4的同相输入端，电压比较器4的反相输入端接控制地，电压比较器4的输出端接非门5的输入端同时与或门11的一端以及或门12的一端相连；非门5的输出端与或门9的一端同时与或门10的一端相连；占空比控制信号Kd接到非门6的输入端同时与或门9的另一端以及或门11的另一端相连；非门6的输出端与或门10的另一端同时与或门12的另一端相连；或门9的输出端输出K9的控制信号，或门10的输出端输出K12的控制信号，或门11的输出端输出K10的控制信号，或门12的输出端输出K11的控制信号。
相对于传统基于DC/AC逆变器拓扑的静止无功补偿器，本发明无需直流储能单元，使用的电容均为交流电容，整个装置可靠性高、寿命长、易模块化制造且性价比高。相对于基于推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，本发明的三相无功补偿装置不仅只需一半数量的IGBT管，而且可用于各种电压等级的电网中，除此之外，其提供的容性无功功率调节范围大大提高。在基于反激式交交变换器的静止无功补偿器中，变压器的漏感使得产生的无功补偿电流严重畸变，而本发明的三相无功补偿装置无需变压器，其产生的容性无功电流波形质量大大改善。

Claims (7)

1.一种无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，包括三个相同的断路器、三个相同的补偿单元和一个滤波电感模块，滤波电感模块由三个星型连接的电感组成；所述第一断路器的一端连接到a相电源与a相感性无功负载之间，另一端与第一补偿单元连接，第二断路器的一端连接到b相电源与b相感性无功负载之间，另一端与第二补偿单元连接，第三断路器的一端连接到c相电源与c相感性无功负载之间，另一端与第三补偿单元连接；三个补偿单元的另一端分别与滤波电感模块的三个电感连接。
2.根据权利要求1所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，所述第一补偿单元包括第一电容(C1)、第一IGBT管(K1)、第二IGBT管(K2)、第三IGBT管(K3)、第四IGBT管(K4)、第一电感(L1)和第二电容(C2)；
第一电容(C1)的一端作为第一补偿单元的一端，与第一断路器(QF1)相连，同时还与第一IGBT管(K1)的集电极相连，第一IGBT管(K1)的发射极与第二IGBT管(K2)的发射极相连，第二IGBT管(K2)的集电极与第三IGBT管(K3)的发射极相连，同时与第一电感(L1)的一端相连，第三IGBT管(K3)的集电极与第二电容(C2)的一端相连，第二电容(C2)的另一端与第四IGBT管(K4)的集电极相连，第四IGBT管(K4)的发射极与第一电感(L1)的另一端以及第一电容(C1)的另一端相连，并作为第一补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
3.根据权利要求书1所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，所述第二补偿单元包括第三电容(C3)、第五IGBT管(K5)、第六IGBT管(K6)、第七IGBT管(K7)、第八IGBT管(K8)、第二电感(L2)和第四电容(C4)；
第三电容(C3)的一端作为第二补偿单元的一端，与第二断路器(QF2)相连；第三电容(C3)的一端与第五IGBT管(K5)的集电极相连；第五IGBT管(K5)的发射极与第六IGBT管(K6)的发射极相连；第六IGBT管(K6)的集电极与第七IGBT管(K7)的发射极同时与第二电感(L2)的一端相连；第七IGBT管(K7)的集电极与第四电容(C4)的一端相连；第四电容(C4)的另一端与第八IGBT管(K8)的集电极相连；第八IGBT管(K8)的发射极与第二电感(L2)的另一端同时与第三电容(C3)的另一端相连，并作为第二补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
4.根据权利要求书1所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于：所述第三补偿单元包括第五电容(C5)、第九IGBT管(K9)、第十IGBT管(K10)、第十一IGBT管(K11)、第十二IGBT管(K12)、第三电感(L3)和第六电容(C6)；
第五电容(C5)的一端作为第三补偿单元的一端，与第三断路器(QF3)的另一端相连；第五电容(C5)的一端与第九IGBT管(K9)的集电极相连；第九IGBT管(K9)的发射极与第十IGBT管(K10)的发射极相连；第十IGBT管(K10)的集电极与第十一IGBT管(K11)的发射极同时与第三电感(L3)的一端相连；第十一IGBT管(K11)的集电极与第六电容(C6)的一端相连；第六电容(C6)的另一端与第十二IGBT管(K12)的集电极相连；第十二IGBT管(K12)的发射极与第三电感(L3)的另一端同时与第五电容(C5)的另一端相连，并作为第三补偿单元的端口，与滤波电感模块连接。
5.根据权利要求书2、3或4所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，所述第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)和第六电容(C6)均为交流电容。
6.根据权利要求书2、3或4所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，所述每个IGBT管均反并联一个二极管，IGBT的发射极与二极管的正极相连，IGBT的集电极与二极管的负极相连。
7.根据权利要求书1所述的无直流储能单元的三相无功补偿装置，其特征在于，滤波电感模块包括第一滤波电感(Ls1)～第三滤波电感(Ls3)的一端分别与第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元连接，第一滤波电感(Ls1)～第三滤波电感(Ls3)的另一端相连。
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张超华: "基于Buck-Boost的AC/AC变换器设计", 《电工技术学报》 *

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