一种等效无功电池电路及其控制方法与流程

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。

技术实现要素：

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(reactivepowerbatterycell，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。