本實(shí)用新型涉及無功補(bǔ)償電路領(lǐng)域，具體是一種等效無功電池電路。

背景技術(shù)：

無功補(bǔ)償是控制電網(wǎng)無功功率平衡的主要方式，也是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，應(yīng)用最為廣泛的無功補(bǔ)償設(shè)備包括靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)和靜止無功發(fā)生器(STATCOM)，隨著負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的提升，STATCOM以其快速、高精度的特征優(yōu)勢必將成為未來無功控制技術(shù)主流。STATCOM是伴隨全控性電力電子器件的產(chǎn)生而發(fā)展起來的，其特征優(yōu)勢主要基于全可控半導(dǎo)體開關(guān)的高速開關(guān)特性，但由于其耐壓和通流能力差，也很大程度上限制了STATCOM的應(yīng)用范圍。典型STATCOM采用三相單橋臂六管結(jié)構(gòu)，當(dāng)其應(yīng)用于高壓大容量場合時(shí)，開關(guān)耐壓能力受到極大的挑戰(zhàn)，因此，近年來出現(xiàn)了鏈?zhǔn)交蚨嚯娖降碾娐方Y(jié)構(gòu)，對提升設(shè)備的無功補(bǔ)償能力起到的積極的作用。日本學(xué)者提出了一種新型的無功補(bǔ)償電路——磁能再生開關(guān)，采用全橋型電路結(jié)構(gòu)，采用較小的直流側(cè)電容與同步控制法，實(shí)現(xiàn)的較寬范圍內(nèi)的連續(xù)無功功率補(bǔ)償，且適用于單相和三相交流系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于當(dāng)前無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，本實(shí)用新型提出了一種等效無功電池電路，它既能提升補(bǔ)償器的耐壓能力，也適用于大容量、高精度和快速響應(yīng)的無功控制場合，能夠廣泛應(yīng)用于單相交流系統(tǒng)和三相交流系統(tǒng)。

本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

一種等效無功電池電路，所述無功電池電路包括：4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄，4只電力二極管D₁～D₄，4只直流電容器C₁～C₄；4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄分別與4只電力二極管D₁～D₄反向并聯(lián)，構(gòu)成4組T_i-D_i半導(dǎo)體開關(guān)模塊，i＝1,2,3,4；T₁-D₁與T₃-D₃串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)A；T₂-D₂與T₄-D₄串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)B；然后兩串聯(lián)支路并聯(lián)，連接點(diǎn)分別為M和N；4只直流電容器C₁～C₄，先按C₁與C₃串聯(lián)且C₂與C₄串聯(lián)，連接點(diǎn)分別為P和Q，然后兩支路并聯(lián)，連接點(diǎn)為M和N，再將P和Q點(diǎn)直接相連。

一種等效無功電池電路，該電路等效為可調(diào)電容器C_V。

一種等效無功電池電路，該電路整體呈現(xiàn)為雙環(huán)路菱形，外環(huán)菱形由4組半導(dǎo)體開關(guān)模塊T_i-D_i，i＝1,2,3,4，通過串并聯(lián)構(gòu)成，內(nèi)環(huán)菱形由4只直流電容器C₁～C₄串并聯(lián)構(gòu)成。

一種等效無功電池電路，4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄為MOSFET或IGBT。

一種無功電池組結(jié)構(gòu)，包括限流電感X_L、n×m個(gè)無功電池電路單元、單相交流電網(wǎng)，所述n×m個(gè)無功電池電路單元包含m列串聯(lián)支路，每列含n個(gè)串聯(lián)的無功電池電路單元，m列串聯(lián)支路并聯(lián)后，一端接X_L，另一端接單相交流電網(wǎng)的零線N，X_L的另一端接單相交流電網(wǎng)的火線L。

一種無功電池組結(jié)構(gòu)，各列所含的n個(gè)電池單元與各行所含的m個(gè)電池單元均可根據(jù)應(yīng)用需求，自由選擇數(shù)量，n越大，電池組耐壓能力越高；m越大，電池組無功補(bǔ)償容量就越大。

一種等效無功電池電路控制方法，該電路可工作于三種模式：

充電模式①和②，電流路徑分別為：端點(diǎn)A→電力二極管D₁→等效電容C_dc→電力二極管D₄→端點(diǎn)B、和端點(diǎn)B→電力二極管D₂→等效電容C_dc→電力二極管D₃→端點(diǎn)A；

放電模式③和④，電流路徑分別為：端點(diǎn)A→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₃→等效電容C_dc→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₂→端點(diǎn)B、和端點(diǎn)B→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₄→等效電容C_dc→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁→端點(diǎn)A；

旁路模式⑤和⑥，電流路徑分別為：端點(diǎn)A→電力二極管D₁→等效電容C_dc→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₂→端點(diǎn)B、和端點(diǎn)B→電力二極管D₂→等效電容C_dc→全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁→端點(diǎn)A；

通過改變4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄的開關(guān)狀態(tài)，即可控制電容C_dc的充放電過程，以獲得不同的無功功率輸出效果。

一種等效無功電池電路控制方法，高頻斬波控制是通過控制4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄的導(dǎo)通次序及脈沖信號(hào)的寬度，使電容C_dc以較高的頻率充放電，從而產(chǎn)生變化的容性無功；A、B端的輸出電壓波形分別為U_AB1和U_AB2；低頻同步控制是以電網(wǎng)頻率為參考，對4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)T₁～T₄進(jìn)行同步控制，使C_dc的充放電路徑與電網(wǎng)電壓同步切換，從而產(chǎn)生固定的容性無功，A、B端輸出電壓的正半周與U_Cdc相同，負(fù)半周與U_Cdc相反；低頻相移控制與低頻同步控制相似，僅開關(guān)切換時(shí)刻延遲一定的相位角，產(chǎn)生變化的容性無功，A、B端輸出電壓的正半周導(dǎo)通時(shí)段與U_Cdc相同，負(fù)半周導(dǎo)通時(shí)段與U_Cdc相反。

一種無功電池組結(jié)構(gòu)，在三相電網(wǎng)中的應(yīng)用。

本實(shí)用新型一種等效無功電池電路，有益效果如下：

1)、本實(shí)用新型提出了一種等效無功電池電路，可通過多個(gè)單元的串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高電壓、大電流和大容量的補(bǔ)償場合，不僅適用于負(fù)荷側(cè)，也適用于變電站的無功補(bǔ)償，可以被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中；

(2)、本實(shí)用新型所述無功電池電路的直流側(cè)，串并聯(lián)4只直流電容，雖然增加了電容數(shù)量，但與同等條件下的STATCOM相比，各電容的電容量減小了至少100倍，且其按H橋連接有利于提高直流側(cè)的母線電壓；

3)、本實(shí)用新型所述無功電池電路，提供了三種控制方法，它們適用于不同的控制條件和目的，能夠滿足快速、高精度和大容量等現(xiàn)代無功補(bǔ)償器的技術(shù)要求。

附圖說明

圖1(a)為本實(shí)用新型的無功電池電路單元圖。

圖1(b)為本實(shí)用新型的等效電路圖。

圖1(c)為本實(shí)用新型的無功電池組結(jié)構(gòu)電路圖。

圖2(a)為本實(shí)用新型的無功電池組結(jié)構(gòu)等效電路圖。

圖2(b)為本實(shí)用新型的無功電池電路的電流路徑圖。

其中分別標(biāo)記為：充電模式①和②、放電模式③和④、旁路模式⑤和⑥。

圖3(a)為本實(shí)用新型的無功電池電路的工作波形圖(含雙倍電網(wǎng)頻率的正弦脈波)。

圖3(b)為A端的輸出電壓波形圖U_AB1。

圖3(c)為B端的輸出電壓波形圖U_AB2。

圖4(a)為等效無功電池電路在三相電網(wǎng)中的星形接法圖。

圖4(b)為等效無功電池電路在三相電網(wǎng)中的三角形接法圖。

具體實(shí)施方式

一種等效無功電池電路，如圖1所示，包括無功電池單體(Reactive Power Battery Cell，RPBC)、等效元件、無功電池組結(jié)構(gòu)三個(gè)部分，各部分的結(jié)構(gòu)分別闡述如下：

無功電池電路單元，包含4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)、4只電力二極管和4只直流電容器，如圖1(a)所示；4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)(如：MOSFET或IGBT)T₁～T₄，分別與4只電力二極管D₁～D₄反向并聯(lián)，構(gòu)成4組T_i-D_i(i＝1,2,3,4)半導(dǎo)體開關(guān)模塊；T₁-D₁與T₃-D₃串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)A，T₂-D₂與T₄-D₄串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)B，然后兩串聯(lián)支路并聯(lián)，連接點(diǎn)分別為M和N；圖1(a)中的4只電容器先按C₁與C₃串聯(lián)且C₂與C₄串聯(lián)，連接點(diǎn)分別為P和Q，然后兩支路并聯(lián)，連接點(diǎn)為M和N，再將P和Q點(diǎn)直接相連。

(2)、圖1(a)中的無功電池電路單元可等效為圖1(b)所示的可調(diào)電容器C_V，接入單相交流電網(wǎng)中的無功電池組結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，包括限流電感X_L、n×m個(gè)無功電池電路單元、單相交流電網(wǎng)組成。RPBCs組包含m列串聯(lián)支路，每列含n個(gè)串聯(lián)的RPBC單元，m列串聯(lián)支路并聯(lián)后，一端接X_L，另一端接單相交流電網(wǎng)的零線N，X_L的另一端接單相交流電網(wǎng)的火線L。

(3)、上述無功電池電路單元，整體呈現(xiàn)為雙環(huán)路菱形，外環(huán)菱形由4組半導(dǎo)體開關(guān)模塊通過串并聯(lián)構(gòu)成，內(nèi)環(huán)菱形由4只直流電容器串并聯(lián)構(gòu)成，具體連接方法如圖1(a)所示。

(4)、在上述含n×m個(gè)RPBC單元的無功電池陣列RPBCs中，各列所含的n個(gè)電池單元與各行所含的m個(gè)電池單元均可根據(jù)應(yīng)用需求，自由選擇數(shù)量，n越大，電池組耐壓能力越高，m越大，電池組無功補(bǔ)償容量就越大。

本實(shí)用新型提出的一種等效無功電池電路，其基本單元電路結(jié)構(gòu)、等效電路及單相交流無功電池組如圖1所示，無功電池電路單元，以及電池組RPBCs的具體工作原理如下：

(1)如圖1(a)所示，4只全控型半導(dǎo)體開關(guān)(如MOSFET或IGBT)T₁～T₄，分別與4只電力二極管D₁～D₄反向并聯(lián)，構(gòu)成4組T_i-D_i(i＝1,2,3,4)半導(dǎo)體開關(guān)模塊；T₁-D₁與T₃-D₃串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)A，T₂-D₂與T₄-D₄串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，其連接點(diǎn)為端點(diǎn)B，然后兩串聯(lián)支路并聯(lián)，連接點(diǎn)分別為M和N；圖1(a)中的4只電容器先按C₁與C₃串聯(lián)且C₂與C₄串聯(lián)，接點(diǎn)分別為P和Q，然后兩支路并聯(lián)，連接點(diǎn)為M和N，再連接P和Q點(diǎn)。

(2)電路單元中的4只電容C₁～C₄按上述方法連接，有利于提升電容耐壓和通流能力，因此，可實(shí)際選用較小的電容，若C₁～C₄選用相同的電容，假設(shè)為C_dc，則4只電容的等效電容仍為C_dc，因此，RPBC單元可等效為圖2(a)所示的電路結(jié)構(gòu)。

(3)上述RPBC單元的簡化等效電路如圖2(a)所示，根據(jù)C_dc的充放電狀態(tài)，該電路可工作于三種模式，如圖2(b)所示，分別描述為：充電模式①和②，電流路徑分別為A→D₁→C_dc→D₄→B和B→D₂→C_dc→D₃→A；放電模式③和④，電流路徑分別為A→T₃→C_dc→T₂→B和B→T₄→C_dc→T₁→A；旁路模式⑤和⑥，電流路徑分別為A→D₁→C_dc→T₂→B和B→D₂→C_dc→T₁→A；通過改變4只IGBT的開關(guān)狀態(tài)，即可控制C_dc的充放電過程，以獲得不同的無功功率輸出效果。

(4)圖2(a)所示的電路中，由于電容C_dc的取值僅相當(dāng)于同等場合下STATCOM直流側(cè)電容的1％，因此，其電壓不為恒定值，而是含雙倍電網(wǎng)頻率的正弦脈波，如圖3(a)所示，u_grid為電網(wǎng)電壓，U_Cdc1和U_Cdc2為兩種C_dc的電壓波形；對上述電路采取斬波控制，得到兩種A、B端的輸出電壓波形U_AB1和U_AB2，分別如圖3(b)和圖3(c)所示，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其占空比D保持恒定，且通過改變占空比D就能獲得不同要求的輸出電壓U_AB，從而使RPBC可等效為圖1(b)所示的可調(diào)電容C_V。

(5)在圖1(c)中，RPBCs模塊包含n×m個(gè)RPBC單元，具體由m列串聯(lián)支路且每列含n個(gè)RPBC串聯(lián)而成，m和n為正整數(shù)，且其大小可根據(jù)無功補(bǔ)償要求自由選取；RPBCs模塊中的RPBC單元要求同時(shí)采用相同的控制方法，主要的控制方法包括：高頻斬波控制、低頻同步控制、低頻相移控制。

(6)上述RPBC三種控制方式：高頻斬波控制是通過控制4只IGBT的導(dǎo)通次序及脈沖信號(hào)的寬度，使C_dc以較高的頻率充放電，從而產(chǎn)生變化的容性無功，A、B端的輸出電壓波形分別如圖3(b)和圖3(c)中的U_AB1和U_AB2所示；低頻同步控制是以電網(wǎng)頻率為參考，對4只IGBT進(jìn)行同步控制，使C_dc的充放電路徑按圖2(b)中①-③和②-④與電網(wǎng)電壓同步切換，從而產(chǎn)生固定的容性無功，A、B端輸出電壓的正半周與U_Cdc相同，負(fù)半周與U_Cdc相反；低頻相移控制與低頻同步控制相似，僅開關(guān)切換時(shí)刻延遲一定的相位角，產(chǎn)生變化的容性無功，A、B端輸出電壓的正半周導(dǎo)通時(shí)段與U_Cdc相同，負(fù)半周導(dǎo)通時(shí)段與U_Cdc相反。

(7)如圖1(c)，上述RPBCs經(jīng)過限流電感X_L接入交流電網(wǎng)，在三相電網(wǎng)中，該等效無功電池電路同樣適用，具體應(yīng)用方法如圖4所示，圖4(a)為星形接法，圖4(b)為三角形接法。在三相電網(wǎng)中，通過增大串聯(lián)無功電池組的數(shù)量，可以降低各組電池的實(shí)際耐壓，同時(shí)增大了無功補(bǔ)償量，因此，無功電池能夠適用于三相系統(tǒng)大容量補(bǔ)償場合。另外，基于無功電池單元構(gòu)成的無功補(bǔ)償系統(tǒng)，各相之間具有很強(qiáng)的獨(dú)立性，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不用考慮相鄰兩相之間的影響，易于控制。