CN113364002A - 基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，包括串联连接的交流电源、旁路开关支路及电流补充支路，旁路开关支路包括并联连接的交流可变电容器和开关，电流补充支路包括串联连接的光伏模块和DC/AC换流器，交流电源的正极与交流可变电容器的正极连接，交流可变电容器的负极与电流补充支路的正极连接，电流补充支路的负极与交流电源的负极连接，负载并联连接在电流补充支路的两端，负载的正极连接电流补充支路的正极，负载的负极连接电流补充支路的负极。本发明实施通过可变电容器实现无功补偿提高功率因素，并通过光伏模块实现有功补偿提高负载电压，从而提高供电质量，成本低，可广泛应用于电力系统。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统，尤其涉及一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统及其控制方法。
背景技术
配电网是电力系统承担电力分配、传输的重要环节，同时也是直接连接用户的供电环节。我国低压配电网主要采用放射式网络结构，整体上的特点是：线路长、电阻与电抗比值大、负荷变化快及无功补偿配置不足，进而导致线路损耗大及部分地区电压偏低等。因而，经常会出现配电馈线末端用户的感应电动机或照明光管无法正常起动，给用户的正常生产和生活用电带来很大影响。
目前，在解决配电网低电压问题方面，国内外学者和电力企业开展了大量研究和工程实践，采取的主要措施有:增加变压器和线路容量，采用有载调压变压器，增加无功补偿和三相不平衡补偿装置、串联调压器等。这些方法取得了一定的治理效果，但在经济性和补偿性能方面还有较大不足。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统及其控制方法，通过可变电容器实现无功补偿提高功率因素，并通过光伏模块实现有功补偿提高负载电压，从而提高供电质量，成本低。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，包括串联连接的交流电源、旁路开关支路及电流补充支路，所述旁路开关支路包括并联连接的交流可变电容器和开关，所述电流补充支路包括串联连接的光伏模块和DC/AC换流器，所述交流电源的正极与所述交流可变电容器的正极连接，所述交流可变电容器的负极与所述电流补充支路的正极连接，所述电流补充支路的负极与所述交流电源的负极连接，负载并联连接在所述电流补充支路的两端，负载的正极连接所述电流补充支路的正极，负载的负极连接所述电流补充支路的负极。
可选地，所述交流可变电容器包括4个H桥连接的结缘栅极双极晶体管。
可选地，所述交流可变电容器还包括若干个并联连接的电容，所述电容并联连接在H桥两端。
可选地，所述电容为直流电容。
可选地，所述光伏模块包括光伏板和最大功率点跟踪控制器，所述光伏板经过所述最大功率点跟踪控制器与所述DC/AC换流器串联。
可选地，所述光伏模块还包括储能电池和双向DC/DC换流器，所述储能电池经过所述双向DC/DC换流器与所述光伏板和所述最大功率点跟踪控制器并联连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的控制方法，包括：
以交流电源的电压相位为参考，采用同步相移控制，通过预设的触发角调节可变电容器两端电压以调节可变电容器两端电容；
当检测到负载两端电压小于预设值，控制DC/AC换流器导通。
可选地，控制方法还包括：
当外部阳光充足，储能电池为未充满状态，控制双向DC/DC换流器导通以使光伏板为储能电池充电以及经过DC/AC换流器为负载提供电能；
当外部阳光不足或负载超过预设负载，控制双向DC/DC换流器导通以使储能电池经过DC/AC换流器为负载提供电能。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例通过交流可变电容器根据系统实时功率因素调节电容大小，实现能量转换，以通过无功补偿提高功率因素；通过光伏模块和DC/AC换流器为电压过低的负载注入交流电流和有功功率，以提高负载电压；从而提高供电质量，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种配电网电压电流向量图；
图3是本发明实施例提供的一种交流可变电容器的拓扑结构框图；
图4是本发明实施例提供的几种交流可变电容器的工作模式图；
图5是本发明实施例提供的一种交流可变电容器可变范围与并联储能电容个数的关系图；
图6是本发明实施例提供的一种光伏模块的换流结构框图；
图7是本发明实施例提供的一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的控制方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在电力系统中，电力用户由于大量采用感应电动机和其他电感性用电设备，除吸收系统的有功功率外，还需要电力系统供给大量无功功率。这些无功功率经过多级送电线路、变压器的输送和转换，又造成电网的功率损失，使电网功率因数下降。这不但降低了发、供电设备的出力，造成电网电压的波动，也增加了电能损耗。如果用户负荷所需的无功功率包括变压器的无功功率损耗都能合理补偿，线损就可以大为降低，电压质量也相应得到改善。无功补偿可以减少电网无功功率的传输，降低设备上的电能损耗，改善供电电压质量，是一项经济效益和社会效益俱佳的技术措施。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，包括串联连接的交流电源VC、旁路开关支路及电流补充支路，所述旁路开关支路包括并联连接的交流可变电容器C和开关K，所述电流补充支路包括串联连接的光伏模块和DC/AC换流器，所述交流电源VC的正极与所述交流可变电容器C的正极连接，所述交流可变电容器C的负极与所述电流补充支路的正极连接，所述电流补充支路的负极与所述交流电源的负极连接，电阻R和电感L组成阻感性负载，负载并联连接在所述电流补充支路的两端，负载的正极连接所述电流补充支路的正极，负载的负极连接所述电流补充支路的负极。
基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的工作原理如下，结合图1及图2，U为交流电源两侧的电压，I为交流电源两侧的电流，Uc为交流可变电容器两侧的电压；URL为阻感负载两侧电压，U′RL为调整后阻感负载两侧的电压。在低压配电网中，常常会出现负载电压低，系统功率因素较低的情况，图2(a)所示为这种情况下的电压电流相序图。针对此问题，本申请提出利用交流可变电容器作为系统的无功补偿，从而提高功率因素，利用光伏电池板为系统注入额外电流，从而可以来提高负载两端电压，在应用所提出系统后，在配电网端的电压电流向量图如图2(b)所示。
可选地，所述交流可变电容器包括4个H桥连接的结缘栅极双极晶体管。
可选地，所述交流可变电容器还包括若干个并联连接的电容，所述电容并联连接在H桥两端。
可选地，所述电容为直流电容。
具体地，如图3所示，交流可变电容器包括绝缘栅极双极晶体管S1、S2、S3和S4，绝缘栅极双极晶体管为碳化硅材料；其中S1与S3串联，S2与S4串联，这四个晶体管开关按H桥连接，在H桥连接的全控开关两端并联若干个蓄能电容C1、C2…Cn，蓄能电容为直流电容。
具体地，交流可变电容器由四个全控开关以及若干个并联的直流电容构成，用于吸收电网中等效感抗内存储的磁能，并使其再生利用；从功率平衡的角度讲，为感性无功与容性无功的平衡。而选用直流电容有利于降低成本。根据开关状态的不同，交流可变电容器可以工作在六种模式下，分别为：正向充电模式、反向放电模式、反向旁路模式、反向充电模式、正向放电模式和正向旁路模式。各种模式下的电流路径分别如图4中的粗线和箭头方向所示。
正向充电模式：如图4(a)所示，此时控制开关S1和S4导通，S2和S3断开，此时正向交流电从并联电容的正极流入，负极流出，此时储能电容处于正向充电模式。
反向放电模式：如图4(b)所示，此时控制开关S1和S4导通，S2和S3断开，此时反向交流电从并联电容的负极流入，正极流出，此时储能电容处于反向放电模式。
反向旁路模式：如图4(c)所示，此时控制开关S1和S4导通，S2和S3断开，此时反向交流电有两条流经，一条是从S2的反并联二极管流向开关S1，另外一条是从开关S4流向开关S3的反并联二极管，此时储能电容被短路，处于反向旁路模式。
反向充电模式：如图4(d)所示，此时控制开关S2和S3导通，S1和S4断开，此时反向交流电从并联电容的正极流入，负极流出，此时储能电容处于反向充电模式。
正向放电模式：如图4(e)所示，此时控制开关S2和S3导通，S1和S4断开，此时正向交流电从并联电容的负极流入，正极流出，此时储能电容处于正向放电模式。
正向旁路模式：如图4(f)所以，此时控制开关S2和S3导通，S1和S4断开，此时正向交流电有两条流经，一条是从S1的反并联二极管流向开关S2，另外一条是从开关S3流向开关S4的反并联二极管，此时储能电容被短路，处于正向旁路模式。
选用直流电容有利于降低成本。
本领域技术人员可以理解的是，交流可变电容器存在正向充电模式、反向放电模式、反向旁路模式、反向充电模式、正向放电模式和正向旁路模式等六种模式，无论交流电处于正向还是反向状态，此交流可变电容器都能进行充电、放电以及旁路模式。当低压配电网系统功率因素过低，系统可控制H桥开关的导通对储能电能进行充放电处理，从而得到系统所需要的电容值大小来改善功率因素。
需要说明的是，对于可变电容的范围，当并联一个储能电容式，可变范围在0.8到1.2之间；当并联多个储能电容时，可变范围与并联个数呈正相关，其大小范围图如图5所示。交流可变电容器的结构可以并联多个储能电容，有效地扩大了整体电容值的变化范围，不仅可以满足大范围的功率因素矫正，并且相对其他无功补偿装置，此结构占地面积小，并且成本较低。
可选地，所述光伏模块包括光伏板和最大功率点跟踪控制器，所述光伏板经过所述最大功率点跟踪控制器与所述DC/AC换流器串联。
可选地，所述光伏模块还包括储能电池和双向DC/DC换流器，所述储能电池经过所述双向DC/DC换流器与所述光伏板和所述最大功率点跟踪控制器并联连接。
具体地，如图6所示，储能电池经过双向DC/DC换流器与PV(Photovoltaic，光伏)板经过MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制器进行并联，并联后的电路与DC/AC换流器进行串联。
需要说明的是，本申请中的光伏电池板结构中的PV板选用XKD-200W型号，所配备的电池选用CNDHD型号。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例通过交流可变电容器根据系统实时功率因素调节电容大小，实现能量转换，以通过无功补偿提高功率因素；通过光伏模块和DC/AC换流器为电压过低的负载注入交流电流和有功功率，以提高负载电压；从而提高供电质量，成本低。
如图7所示，本发明实施例提供了一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的控制方法，包括：
S1、以交流电源的电压相位为参考，采用同步相移控制，通过预设的触发角调节可变电容器两端电压以调节可变电容器两端电容；
S2、当检测到负载两端电压小于预设值，控制DC/AC换流器导通。
具体地，将H桥可变电容器等效为一个可控动态电容，以电源电压相位为参考，采用同步相移控制，通过设定触发角ɑ(即控制开关导通时刻)调节直流电容两端电压，实现电容的动态可调。从而可以根据系统实时功率因素来通过对触发角的改变得到不同的电容值大小，实现功率因素矫正。可变电容器的可变电容范围，如图5所示。
具体地，DC/AC换流器的控制方法如下：当检测到负载两端电压过低时，此时导通DC/AC换流器，使得光伏电池发出的直流电装换成交流电流向阻感负载，使其电压升高。
可选地，控制方法还包括：
S3、当外部阳光充足，储能电池为未充满状态，控制双向DC/DC换流器导通以使光伏板为储能电池充电以及经过DC/AC换流器为负载提供电能；
S4、当外部阳光不足或负载超过预设负载，控制双向DC/DC换流器导通以使储能电池经过DC/AC换流器为负载提供电能。
具体地，双向DC/DC换流器的控制方法如下：当外部光照充足，检测到储能电池未充满状态，此时导通DC/DC换流器，使一部分电流从PV板流向储能电池，为其进行充电，一部分电流流向DC/AC换流器；当外部光照不足或者末端用户负荷过大，此时光伏板无法提高低电压时，导通双向DC/DC换流器，使储能电池电流流向DC/AC换流器，从而提高负载电压。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例通过交流可变电容器根据系统实时功率因素调节电容大小，实现能量转换，以通过无功补偿提高功率因素；通过光伏模块和DC/AC换流器为电压过低的负载注入交流电流和有功功率，以提高负载电压；从而提高供电质量，成本低。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，包括串联连接的交流电源、旁路开关支路及电流补充支路，所述旁路开关支路包括并联连接的交流可变电容器和开关，所述电流补充支路包括串联连接的光伏模块和DC/AC换流器，所述交流电源的正极与所述交流可变电容器的正极连接，所述交流可变电容器的负极与所述电流补充支路的正极连接，所述电流补充支路的负极与所述交流电源的负极连接，负载并联连接在所述电流补充支路的两端，负载的正极连接所述电流补充支路的正极，负载的负极连接所述电流补充支路的负极。
2.根据权利要求1所述的基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，所述交流可变电容器包括4个H桥连接的结缘栅极双极晶体管。
3.根据权利要求2所述的基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，所述交流可变电容器还包括若干个并联连接的电容，所述电容并联连接在H桥两端。
4.根据权利要求3所述的基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，所述电容为直流电容。
5.根据权利要求1所述的基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，所述光伏模块包括光伏板和最大功率点跟踪控制器，所述光伏板经过所述最大功率点跟踪控制器与所述DC/AC换流器串联。
6.根据权利要求5所述的基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统，其特征在于，所述光伏模块还包括储能电池和双向DC/DC换流器，所述储能电池经过所述双向DC/DC换流器与所述光伏板和所述最大功率点跟踪控制器并联连接。
7.一种基于可变电容器的配电网无功有功补偿系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的系统，包括：
以交流电源的电压相位为参考，采用同步相移控制，通过预设的触发角调节可变电容器两端电压以调节可变电容器两端电容；
当检测到负载两端电压小于预设值，控制DC/AC换流器导通。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，应用于权利要求6所述的系统，还包括：
当外部阳光充足且储能电池为未充满状态，控制双向DC/DC换流器导通以使光伏板为储能电池充电以及经过DC/AC换流器为负载提供电能；
当外部阳光不足或负载超过预设负载，控制双向DC/DC换流器导通以使储能电池经过DC/AC换流器为负载提供电能。
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