用于智能电网的可变电容器电路及实现方法

摘要

本发明公开了一种用于智能电网的可变电容器电路及实现方法，涉及电力电子控制领域。该电路包括：三相H桥主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均包括开关器件，第一桥臂连接进线端c1，进线端c1和第一桥臂之间连接有进线端电感L1；直流侧电容支路，其包括与三相H桥主电路并联的直流侧电容Cdc；交流侧储能支路，其包括串联的交流侧电容Cac和交流侧电感L2，交流侧储能支路连接在第二桥臂和第三桥臂之间，且与出线端c2相连；直流侧电容Cdc和交流侧电容Cac均为非电解电容。本发明的直流侧电容采用非电解电容，减小了可变电容器的体积，延长了可变电容器的寿命。

权利要求

1.一种用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，所述用于智能电网的可变电容器电路包括：三相H桥主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均包括开关器件，所述第一桥臂连接进线端c1，进线端c1和第一桥臂之间连接有进线端电感L1；

直流侧电容支路，其包括与三相H桥主电路并联的直流侧电容Cdc；

交流侧储能支路，其包括串联的交流侧电容Cac和交流侧电感L2，交流侧储能支路连接在第二桥臂和第三桥臂之间，且与出线端c2相连；

其中，所述直流侧电容Cdc和交流侧电容Cac均为非电解电容；

其特征在于，包括如下步骤：

维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变；

控制电网电流is，使得电网电流is超前电网电压us90度，所述电路构成可变电容器；

对交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac进行双闭环控制，将直流侧电容Cdc的能量全部转移到交流侧电容Cac上存储。

2.如权利要求1所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c，进线端电感L1与第一连接点a连接，出线端c2与第二连接点b连接，交流侧电感L2与第三连接点c连接。

3.如权利要求1所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：所述三相H桥主电路所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO和电力晶体管GTR中的任意一种或者多种的组合。

4.如权利要求1所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：所述直流侧电容Cdc为薄膜电容，交流侧电容Cac为薄膜电容。

5.如权利要求1-4中任一项所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：根据智能电网的要求，确定目标控制量的大小；其中，目标控制量包括直流侧电容Cdc上的电压 电网电流 交流侧电容Cac的电压 和电流再根据目标控制量和电路中实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac以及电流iCac，计算得到各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号。

6.如权利要求5所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变采用PI算法；构成可变电容器、双闭环控制和能量全部转移均采用准PR算法。

7.如权利要求6所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由两个开关器件串联构成，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c；

采用PI算法和准PR算法，计算得到第一连接点a和第二连接点b之间的电压uab，采用准PR算法计算得到第三连接点c和第二连接点b之间的电压ucb。

8.如权利要求7所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：根据 计算得到第一连接点a的电压ua和第二连接点b的电压ub；

根据uc＝ub＝ucb，计算得到第三连接点c的电压uc。

9.如权利要求5所述的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，其特征在于：将各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号，转换为脉冲宽度调制PWM控制信号后，再输出到桥臂。

说明书

用于智能电网的可变电容器电路及实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子控制领域，具体是涉及一种用于智能电网的可变电容器电路及实现方法。

背景技术

[0002] FACTS(flexible AC transmission systems)称为灵活交流输电系统，在保证复杂电网的稳定可靠运行以及改善电能质量发挥了重要作用。所有FACTS装置，诸如串联补偿器，并联补偿器和统一潮流调节器(UPFC)，理论上都可以看成一个可变电容器。参见图1所示，是一个理想可变交流电容器，容值的变化范围为0～Cac。参见图2所示，一个可变电容器可以有一个单相H桥逆变器和一个大容值的电解电容构成，通过控制输入电流is超前输入电压us角度为90°，逆变器呈现成一个电容器。通过控制输入电流的幅值Is的大小，逆变器就呈现一个连续可变电容器。对于单相逆变器实现可变电容器来说，直流侧的需要一个大的电解电容吸收2倍工频的纹波功率。因此，直流侧电容一般采用电解电容，体积巨大，功率密度低，寿命约为5000小时，寿命短，从而严重影响了可变电容器的体积和寿命。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于智能电网的可变电容器电路及实现方法。本发明的直流侧电容采用非电解电容，减少了直流侧电容的体积，同时延长直流侧电容的寿命，进而减小了可变电容器的体积，延长了可变电容器的寿命。

[0004] 本发明提供一种用于智能电网的可变电容器电路，该电路包括：

[0005] 三相H桥主电路，其具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均包括开关器件，所述第一桥臂连接进线端c1，进线端c1和第一桥臂之间连接有进线端电感L1；

[0006] 直流侧电容支路，其包括与三相H桥主电路并联的直流侧电容Cdc；

[0007] 交流侧储能支路，其包括串联的交流侧电容Cac和交流侧电感L2，交流侧储能支路连接在第二桥臂和第三桥臂之间，且与出线端c2相连；

[0008] 其中，所述直流侧电容Cdc和交流侧电容Cac均为非电解电容。

[0009] 在上述技术方案的基础上，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c，进线端电感L1与第一连接点a连接，出线端c2与第二连接点b连接，交流侧电感L2与第三连接点c连接。

[0010] 在上述技术方案的基础上，所述三相H桥主电路所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO和电力晶体管GTR中的任意一种或者多种的组合。

[0011] 在上述技术方案的基础上，所述直流侧电容Cdc为薄膜电容，交流侧电容Cac为薄膜电容。

[0012] 本发明还提供一种基于上述用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，该方法包括如下步骤：

[0013] 维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变；

[0014] 控制电网电流is，使得电网电流is超前电网电压us90度，所述电路构成可变电容器；

[0015] 对交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac进行双闭环控制，将直流侧电容Cdc的能量全部转移到交流侧电容Cac上存储。

[0016] 在上述技术方案的基础上，所述方法还包括：

[0017] 根据智能电网的要求，确定目标控制量的大小；其中，目标控制量包括直流侧电容Cdc上的电压 电网电流 交流侧电容Cac的电压 和电流

[0018] 再根据目标控制量和电路中实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac以及电流iCac，计算得到各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号。

[0019] 在上述技术方案的基础上，维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变采用PI算法；构成可变电容器、双闭环控制和能量全部转移均采用准PR算法。

[0020] 在上述技术方案的基础上，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均由两个开关器件串联构成，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c；

[0021] 采用PI算法和准PR算法，计算得到第一连接点a和第二连接点b之间的电压uab，采用准PR算法计算得到第三连接点c和第二连接点b之间的电压ucb。

[0022] 在上述技术方案的基础上，根据 计算得到第一连接点a的电压ua和第二连接点b的电压ub；

[0023] 根据uc＝ub＝ucb，计算得到第三连接点c的电压uc。

[0024] 在上述技术方案的基础上，将各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号，转换为脉冲宽度调制PWM控制信号后，再输出到桥臂。

[0025] 与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明将原来需要存储在直流侧电容Cdc的能量转移到交流侧储能支路的交流侧电容Cac中，将直流侧电容Cdc和交流侧电容Cac的容值都减到最小，从而直流侧的电解电容可以转换为非电解电容，交流侧可以采用非电解电容。由于非电解电容的体积比电解电容小，寿命也远远超过电解电容，电解电容被取消后，可变电容器的体积减小，寿命延长，能够更安全有效地服务于智能电网。

附图说明

[0026] 图1是现有的一个理想可变电容器的电路图。

[0027] 图2是现有的一个可变电容器的电路图。

[0028] 图3是本发明实施例的用于智能电网的可变电容器电路图。

[0029] 图4是本发明实施例的用于智能电网的可变电容器电路的实现方法的计算原理图。

[0030] 图5是根据本发明一个实施例的电流环开环Bode图。

[0031] 图6是根据本发明一个实施例的电压环开环Bode图。

[0032] 图7是根据本发明一个实施例的电流环闭环Bode图。

[0033] 图8是根据本发明一个实施例的控制电压图。

[0034] 图9是根据本发明一个实施例的直流侧电压图。

[0035] 图10是根据本发明一个实施例的网侧电流图。

[0036] 图11是根据本发明一个实施例的交流电容上的电压和电流图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

[0038] 参见图3所示，本发明实施例提供一种用于智能电网的可变电容器电路，三相H桥主电路、直流侧电容支路和交流侧储能支路。

[0039] 其中，三相H桥主电路具有依次并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂均包括开关器件，所述第一桥臂连接进线端c1，进线端c1和第一桥臂之间连接有进线端电感L1。

[0040] 直流侧电容支路包括与三相H桥主电路并联的直流侧电容Cdc；交流侧储能支路包括串联的交流侧电容Cac和交流侧电感L2，交流侧储能支路连接在第二桥臂和第三桥臂之间，且与出线端c2相连；

[0041] 其中，交流侧电容Cac为非电解电容，直流侧电容Cdc为非电解电容。具体地，所述直流侧电容Cdc和交流侧电容Cac均为非电解电容。

[0042] 在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c，进线端电感L1与第一连接点a连接，出线端c2与第二连接点b连接，交流侧电感L2与第三连接点c连接。

[0043] 三相H桥主电路所采用的开关器件为电力场效晶体管POWER MOSFET、IGBT(Insulated Gate  Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、GTO(Gate Turn OffThyristor，门极可关断晶闸管)和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)中的任意一种或者多种的组合。

[0044] 参见图4所示，本发明实施例还提供一种用于智能电网的可变电容器电路的实现方法，包括如下步骤：

[0045] S1、根据智能电网的要求，确定目标控制量的大小；

[0046] 其中，目标控制量包括直流侧电容Cdc上的电压 电网电流 交流侧电容Cac的电压 和电流

[0047] 本发明提供一个实施例，设计一个2KVA可变电容器，关键参数如表1所示。

[0048] 表1参数表

[0049]

[0050] 按照所取的方向，由于整个电路呈现容性，那么电网电压和电流分别写为：

[0051]

[0052] 电网侧功率为：

[0053] ps＝usis＝UsIs sin(2ωt)   (2)

[0054] 交流电容的电压和电流可以写成：

[0055]

[0056] 为电网电压矢量 与电容电压矢量 之间的夹角

[0057] 交流电容的功率为：

[0058]

[0059] 又：

[0060] 所以：

[0061]

[0062] 假如满足ps＝pac，那么2次纹波能量将全部由交流电容吸收。此时，假如满足以下条件： Uac＝Us，Iac＝Is即可达到交流电容吸收2次纹波的目的。

[0063]

[0064] 那么：

[0065] 所以：

[0066]

[0067] 通常情况下Udc与Us为同一数量级，ΔUdc一般为Udc的5％。通过式子可以看出，交流电容值可以减小到直流电容值的二十分之一。

[0068] S2、对电路中实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac进行控制；

[0069] 具体控制过程包括，

[0070] 部分I：维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变；

[0071] 部分II：控制电网电流is，使得电网电流is超前电网电压us90度，电路构成可变电容器；

[0072] 部分III：对交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac进行双闭环控制，将直流侧电容Cdc的能量全部转移到交流侧电容Cac上存储。

[0073] 在本实施例中，部分I采用PI算法，部分II和部分III均采用准PR算法。

[0074] 准PR算法可以对正弦信号的无静差跟踪，准PR算法的传递函数为：

[0075]

[0076] 其中，ω0为谐振角频率，ωc为控制器的截止角频率。Kp，Kr为控制器的系数，s是一个变量，代表的是s域。

[0077] 系统中取ω0＝2*50*3.14＝314rad/s，ωc＝2*4*3.14＝25.12rad/s。

[0078] 部分II中，准PR算法的参数为：Kp＝2，Kr＝6。

[0079] 部分III的双闭环控制，如图4所示，

[0080] 电流内环的开环传递函数为：

[0081]

[0082] 因此，电流内环闭环传递函数为：

[0083]

[0084] 准PR控制器的参数为：Kp＝6，Kr＝10。

[0085] 电压外环的开环传递函数为：

[0086] 因此，电压外环闭环传递函数为：

[0087] 准PR算法的参数为：Kp＝1.8，Kr＝5。

[0088] 电流内环和电压外环的准PR算法的开/闭环伯德图如图5、6和7所示。从图5和6可以看出，两个开环伯德图均在314rad/s(50Hz)处有一个谐振峰值，且此时准PR控制器的相位延时为0度。从图7可以看出，闭环后的伯德图314rad/s处的幅值衰减很小，参数选择得当。

[0089] S3、根据目标控制量和电路中实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac以及电流iCac，计算得到各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号，实现可变电容器和将直流侧电容Cdc的能量全部转移到交流侧电容Cac上存储。在本实施例中，开关器件为S1、S2、S3、S4、S5和S6。

[0090] 其中，维持电路直流侧电容Cdc上的电压Udc不变采用PI算法；构成可变电容器、双闭环控制和能量全部转移均采用准PR算法。在实际应用中，电路中实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac通过电压电流传感器获取，然后实际的直流侧电容Cdc上的电压Udc、电网电流is、交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac转换成控制系统能够识别的信号。控制系统的处理器包括通用数字信号处理器、专用集成电路ASIC、现场可编程逻辑控制器PLC、复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程门阵列FPGA。

[0091] 在本实施例中，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂包括两个串联的开关器件，第一桥臂的两个开关器件之间有第一连接点a，第二桥臂的两个开关器件之间有第二连接点b，第三桥臂的两个开关器件之间有第三连接点c；

[0092] 采用PI算法和准PR算法，计算得到第一连接点a和第二连接点b之间的电压uab，采用准PR算法计算得到第三连接点c和第二连接点b之间的电压ucb。

[0093] 根据 计算得到第一连接点a的电压ua和第二连接点b的电压ub；

[0094] 根据uc＝ub＝ucb，计算得到第三连接点c的电压uc。

[0095] 具体地，将各个桥臂上用于控制开关器件开通和关断的电压信号ua、ub和uc，转换为脉冲宽度调制PWM控制信号后，再输出到桥臂。

[0096] 参见图8至图11所示，分别示出了本发明实施例的控制电压，网侧电流波形，电容电压与电容电流关系以及直流侧电压。

[0097] 由图8可以看出第一连接点a和第三连接点c相控制电压一样的，第二连接点b相跟其他两相幅值一样，相位差180°。由图9可以看出，经过约0.02秒后，直流侧电压Udc基本稳定了。由图10可以看出，经过约0.01秒后，电网电流is达到理想值。由图11可以看出，经过约0.02秒后，交流侧电容Cac的电压uCac和电流iCac基本稳定，2次纹波的能量全部转移到交流侧电容Cac。

[0098] 通过上述设计和结果可以看出，该实现方法是有效的。通过将直流侧谐波能量转移到交流侧的思想，可以降低电容容值，进而可以采用薄膜电容，薄膜电容的寿命约为10000小时，体积远远小于电解电容，寿命远远超过电解电容，从而实现减小可变电容器的体积，增加可变电容器的寿命的目的。

[0099] 本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

[0100] 说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。