CN112491058A - 功率平衡装置、系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供功率平衡装置、系统及其控制方法。所述功率平衡装置包括阻性负载单元、感性负载单元、功率开关单元，所述阻性负载单元包括并联连接的阻性负载与阻性负载旁路开关；所述感性负载单元包括并联连接的电抗器与电抗器旁路开关；所述功率开关单元与所述阻性负载单元以及所述感性负载单元串联连接。

Description

功率平衡装置、系统及其控制方法
技术领域
本申请涉及电力系统及电力电子技术领域，具体涉及功率平衡装置、系统及其控制方法。
背景技术
电能是实时生产实时消耗，无法大规模储存的。正常情况下，电力系统中发电机生产的电能与负荷所消耗的电能相互平衡，电网的频率、电压以及相角等特征参数保持稳定。发电机具备一定的调节能力，当负荷发生变化时，发电机可以通过调整机端电压、调节励磁等措施达到一种新的平衡状态。
但是，当电网中负荷丢失程度超过发电机的调节能力时，便会出现发电机功角不平衡，导致电网频率和电压升高，危害用电设备安全，甚至出现发电机脱网以及更严重的黑网事件，造成巨大的经济损失。电子负荷通过在负荷丢失时快速补偿所缺失的负荷，并配合发电机调速能力逐步释放负荷，起到一个缓冲的作用，用于缓解电网中负荷不稳定的情况，稳定电网系统的频率和电压。
电子负荷只有当电力系统中出现负荷突变时短时使用。在正常情况下，为了降低损耗，电子负荷处于闭锁或停运状态，这样设备利用率不高。
发明内容
本申请实施例提供一种功率平衡装置，包括阻性负载单元、感性负载单元、功率开关单元，所述阻性负载单元包括并联连接的阻性负载与阻性负载旁路开关，通过所述阻性负载旁路开关的闭合或关断控制所述阻性负载单元接入；所述感性负载单元包括并联连接的电抗器与电抗器旁路开关，通过所述电抗器旁路开关的闭合或关断控制所述电抗器接入；所述功率开关单元用于与所述阻性负载单元以及所述感性负载单元串联连接，通过调节所述功率开关单元中电力电子器件导通的方向及触发角，实现所述功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，所述功率平衡装置还包括连接电抗器，所述连接电抗器与所述功率开关单元串联连接。
根据一些实施例，所述功率开关单元包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组，所述正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件；所述反向电力电子器件组与所述正向电力电子器件组并联连接，所述反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，所述电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。
根据一些实施例，所述阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。
根据一些实施例，所述阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
本申请实施例还提供一种功率平衡装置，包括阻性负载单元、感性负载单元、功率开关单元，所述阻性负载单元包括串联连接的阻性负载与阻性负载旁路开关，通过所述阻性负载旁路开关的闭合或关断控制所述阻性负载单元接入；所述感性负载单元与所述阻性负载单元并联连接，所述感性负载单元包括串联连接的电抗器与电抗器旁路开关，通过所述电抗器旁路开关的闭合或关断控制所述电抗器接入；所述功率开关单元用于与并联连接的所述阻性负载单元以及所述感性负载单元串联连接，通过调节所述功率开关单元中电力电子器件导通的方向及触发角，实现所述功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，所述功率平衡装置还包括连接电抗器，所述连接电抗器与所述功率开关单元串联连接。
根据一些实施例，所述功率开关单元包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组，所述正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件；所述反向电力电子器件组与所述正向电力电子器件组并联连接，所述反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，所述电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。
根据一些实施例，所述阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。
根据一些实施例，所述阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
本申请实施例还提供一种如上所述的功率平衡装置的控制方法，当所述功率平衡装置工作在电子负荷方式时，所述控制方法包括：断开所述阻性负载旁路开关将所述阻性负载接入；闭合所述电抗器旁路开关将所述电抗器旁路；改变所述功率开关单元的正向电力电子器件或反向电力电子器件的触发角，以控制流过所述阻性负载的电流，实现所述功率平衡装置有功功率的连续调节。
本申请实施例还提供一种如上所述的功率平衡装置的控制方法，当所述功率平衡装置工作在静止无功补偿方式时，所述控制方法包括：断开所述电抗器旁路开关将所述电抗器接入；闭合所述阻性负载旁路开关将所述阻性负载旁路；改变所述功率开关单元的正向电力电子器件或反向电力电子器件的触发角，以控制流过所述电抗器的电流，实现所述功率平衡装置无功功率的连续调节。
本申请实施例还提供一种功率平衡系统，包括至少一个如上所述的功率平衡装置以及至少一个投退开关，通过所述投退开关将所述功率平衡装置接入所述系统的电压母线。
根据本申请实施例提供的一种功率平衡装置，可以通过在线切换串入功率平衡装置中的阻性负载或电抗器实现电子负荷方式和静止无功补偿方式的切换，电子负荷方式在电网负荷突变时快速补偿所缺失的负荷，缓解电网功角失稳状态，稳定系统的频率和电压；静止无功补偿方式在稳态下为系统提供无功电压支撑，抑制交流系统低频振荡，提高交流系统稳定极限和输送能力，通过一个功率平衡装置实现两种功能，可以分别实现有功和无功的连续调节，节省工程造价，减小占地，提高设备的利用率以及拓宽设备的使用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种功率平衡装置串联结构原理图；
图2是本申请实施例提供的串联结构的功率平衡装置增加连接电抗器的电路结构图；
图3是本申请实施例提供的一种功率平衡装置并联结构原理图；
图4是本申请实施例提供的并联结构的功率平衡装置增加连接电抗器的电路结构图；
图5是本申请实施例提供的装置的电子负荷功能运行时电路结构示意图；
图6是本申请实施例提供的装置的无功补偿功能运行时电路结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1是本申请实施例提供的一种功率平衡装置串联结构原理图。
如图1所示，功率平衡装置包括阻性负载单元2、电抗器负载单元3和功率开关单元1。
阻性负载单元2包括并联连接的阻性负载21和阻性负载旁路开关22，通过阻性负载旁路开关22的闭合或关断控制阻性负载单元21接入。电抗器负载单元3包括并联连接的电抗器31和电抗器旁路开关32，通过电抗器旁路开关32的闭合或关断控制电抗器31接入。
根据一些实施例，阻性负载单元2与电抗器负载单元3与功率开关单元1串联连接，通过投退开关4连接到系统母线5上。通过调节功率开关单元1中电力电子器件导通的方向及触发角，实现功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，功率开关单元1包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组。正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件。反向电力电子器件组与正向电力电子器件组并联连接，反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，电力电子器件包括晶闸管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成栅极换流晶闸管)、GTO(Gate-Turn-Off Thyristor，门极可关断晶闸管)的一种。
阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
根据本实施例提供的一种功率平衡装置，可以通过在线切换串入功率平衡装置中的阻性负载或电抗器实现电子负荷方式和静止无功补偿方式的切换，电子负荷方式在电网负荷突变时快速补偿所缺失的负荷，缓解电网功角失稳状态，稳定系统的频率和电压；静止无功补偿方式在稳态下为系统提供无功电压支撑，抑制交流系统低频振荡，提高交流系统稳定极限和输送能力，通过一个功率平衡装置实现两种功能，可以分别实现有功和无功的连续调节，节省工程造价，减小占地，提高设备的利用率以及拓宽设备的使用场景。
图2是本申请实施例提供的串联结构的功率平衡装置增加连接电抗器的电路结构图。
如图2所示，功率平衡装置包括阻性负载单元2、电抗器负载单元3、功率开关单元1和连接电抗器6。
阻性负载单元2包括并联连接的阻性负载21和阻性负载旁路开关22，通过阻性负载旁路开关22的闭合或关断控制阻性负载单元21接入。电抗器负载单元3包括并联连接的电抗器31和电抗器旁路开关32，通过电抗器旁路开关32的闭合或关断控制电抗器31接入。
根据一些实施例，阻性负载单元2与电抗器负载单元3与功率开关单元1串联连接，连接电抗器6与功率开关单元1串联连接，通过投退开关4连接到系统母线5上。通过调节功率开关单元1中电力电子器件导通的方向及触发角，实现功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，功率开关单元1包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组。正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件。反向电力电子器件组与正向电力电子器件组并联连接，反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
根据本实施例提供的一种功率平衡装置，在改进的基础上，增加了连接电抗器，连接电抗器可以减小功率开关单元开通时电流变化率di/dt，减少功率平衡装置的谐波电流以及限制短路电流。
图3是本申请实施例提供的一种功率平衡装置并联结构原理图。
如图3所示，功率平衡装置包括阻性负载单元2、电抗器负载单元3和功率开关单元1。
阻性负载单元2包括串联连接的阻性负载21和阻性负载旁路开关22，通过阻性负载旁路开关22的闭合或关断控制阻性负载单元21接入。电抗器负载单元3包括串联连接的电抗器31和电抗器旁路开关32，通过电抗器旁路开关32的闭合或关断控制电抗器31接入。
根据一些实施例，阻性负载单元2与电抗器负载单元3并联连接后与功率开关单元1串联连接，通过投退开关4连接到系统母线5上。通过调节功率开关单元1中电力电子器件导通的方向及触发角，实现功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，功率开关单元1包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组。正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件。反向电力电子器件组与正向电力电子器件组并联连接，反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
根据本实施例提供的一种功率平衡装置，可以通过在线切换串入功率平衡装置中的阻性负载或电抗器实现电子负荷方式和静止无功补偿方式的切换，电子负荷方式在电网负荷突变时快速补偿所缺失的负荷，缓解电网功角失稳状态，稳定系统的频率和电压；静止无功补偿方式在稳态下为系统提供无功电压支撑，抑制交流系统低频振荡，提高交流系统稳定极限和输送能力，通过一个功率平衡装置实现两种功能，可以分别实现有功和无功的连续调节，节省工程造价，减小占地，提高设备的利用率以及拓宽设备的使用场景。
图4是本申请实施例提供的并联结构的功率平衡装置增加连接电抗器的电路结构图。
如图4所示，功率平衡装置包括阻性负载单元2、电抗器负载单元3和功率开关单元1、连接电抗器6。
阻性负载单元2包括串联连接的阻性负载21和阻性负载旁路开关22，通过阻性负载旁路开关22的闭合或关断控制阻性负载单元21接入。电抗器负载单元3包括串联连接的电抗器31和电抗器旁路开关32，通过电抗器旁路开关32的闭合或关断控制电抗器31接入。
根据一些实施例，阻性负载单元2与电抗器负载单元3并联连接后与功率开关单元1串联连接，连接电抗器6与功率开关单元1串联连接，通过投退开关4连接到系统母线5上。通过调节功率开关单元1中电力电子器件导通的方向及触发角，实现功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
根据一些实施例，功率开关单元1包括正向电力电子器件组、反向电力电子器件组。正向电力电子器件组包括至少一个正向连接的电力电子器件。反向电力电子器件组与正向电力电子器件组并联连接，反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
根据一些实施例，电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。
阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
根据本实施例提供的一种功率平衡装置，在改进的基础上，增加了连接电抗器，连接电抗器可以减小功率开关单元开通时电流变化率di/dt，减少功率平衡装置的谐波电流以及限制短路电流。
本申请实施例还提供一种功率平衡系统，包括至少一个如上所述的功率平衡装置和至少一个投退开关，通过投退开关将功率平衡装置接入系统的电压母线。
本实施例提供的技术方案，当电网运行基本稳定的情况下，功率平衡装置运行在静止无功补偿方式下，为交流系统提供动态无功支撑，调节系统电压，抑制交流系统低频振荡，提高交流系统稳定极限和输送能力，当电网中出现甩负荷、保护跳闸等情况而导致电网频率和电压升高时，功率平衡装置切换为电子负荷方式，补偿缺失的负荷，稳定系统频率和电压。
本申请实施例提供一种如上所述的功率平衡装置的控制方法，当功率平衡装置工作在电子负荷方式时，包括如下控制。
断开阻性负载旁路开关22将阻性负载21接入。闭合电抗器旁路开关32将电抗器31旁路。改变功率开关单元1的正向电力电子器件或反向电力电子器件导通的触发角，以控制流过阻性负载21的电流，实现功率平衡装置有功功率的连续调节，如图5所示。
当功率平衡装置工作在静止无功补偿方式时，包括如下控制。
断开电抗器旁路开关32将电抗器31接入。闭合阻性负载旁路开关22将阻性负载21旁路。改变功率开关单元1的正向电力电子器件或反向电力电子器件的触发角，以控制流过电抗器21的电流，实现功率平衡装置无功功率的连续调节，如图6所示。
需要说明的是，以上参照附图所描述的每个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (15)

1.一种功率平衡装置，包括：
阻性负载单元，包括并联连接的阻性负载与阻性负载旁路开关，通过所述阻性负载旁路开关的闭合或关断控制所述阻性负载单元接入；
感性负载单元，包括并联连接的电抗器与电抗器旁路开关，通过所述电抗器旁路开关的闭合或关断控制所述电抗器接入；
功率开关单元，与所述阻性负载单元以及所述感性负载单元串联连接，通过调节所述功率开关单元中电力电子器件导通的方向及触发角，实现所述功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
2.根据权利要求1所述的功率平衡装置，还包括：
连接电抗器，与所述功率开关单元串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的功率平衡装置，其中，所述功率开关单元包括：
正向电力电子器件组，包括至少一个正向连接的电力电子器件；
反向电力电子器件组，与所述正向电力电子器件组并联连接，所述反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
4.根据权利要求3所述的功率平衡装置，其中，所述电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。
5.根据权利要求1所述的功率平衡装置，其中，所述阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。
6.根据权利要求1所述的功率平衡装置，其中，所述阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
7.一种功率平衡装置，包括：
阻性负载单元，包括串联连接的阻性负载与阻性负载旁路开关，通过所述阻性负载旁路开关的闭合或关断控制所述阻性负载单元接入；
感性负载单元，与所述阻性负载单元并联连接，所述感性负载单元包括串联连接的电抗器与电抗器旁路开关，通过所述电抗器旁路开关的闭合或关断控制所述电抗器接入；
功率开关单元，用于与并联连接的所述阻性负载单元以及所述感性负载单元串联连接，通过调节所述功率开关单元中电力电子器件导通的方向及触发角，实现所述功率平衡装置有功功率或无功功率的连续调节。
8.根据权利要求7所述的功率平衡装置，还包括：
连接电抗器，与所述功率开关单元串联连接。
9.根据权利要求7或8所述的功率平衡装置，其中，所述功率开关单元包括：
正向电力电子器件组，包括至少一个正向连接的电力电子器件；
反向电力电子器件组，与所述正向电力电子器件组并联连接，所述反向电力电子器件组包括至少一个反向连接的电力电子器件。
10.根据权利要求9所述的功率平衡装置，其中，所述电力电子器件包括晶闸管、IGBT、IGCT、GTO的一种。
11.根据权利要求7所述的功率平衡装置，其中，所述阻性负载包括：电阻、电热锅炉、蓄电池的一种。
12.根据权利要求7所述的功率平衡装置，其中，所述阻性负载旁路开关和电抗器旁路开关包括：隔离刀闸、功率开关单元、火花间隙中的一种。
13.一种如权利要求1至12任一项所述的功率平衡装置的控制方法，当所述功率平衡装置工作在电子负荷方式时，所述控制方法包括：
断开所述阻性负载旁路开关将所述阻性负载接入；
闭合所述电抗器旁路开关将所述电抗器旁路；
改变所述功率开关单元的正向电力电子器件或反向电力电子器件的触发角，以控制流过所述阻性负载的电流，实现所述功率平衡装置有功功率的连续调节。
14.一种如权利要求1至12任一项所述的功率平衡装置的控制方法，当所述功率平衡装置工作在静止无功补偿方式时，所述控制方法包括：
断开所述电抗器旁路开关将所述电抗器接入；
闭合所述阻性负载旁路开关将所述阻性负载旁路；
改变所述功率开关单元的正向电力电子器件或反向电力电子器件的触发角，以控制流过所述电抗器的电流，实现所述功率平衡装置无功功率的连续调节。
15.一种功率平衡系统，包括：
至少一个如权利要求1至12之任一项所述的功率平衡装置；
至少一个投退开关，通过所述投退开关将所述功率平衡装置接入所述系统的电压母线。
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