[发明专利]基于Buck型三电平交-交变换器的单相无功补偿装置

说明书

本发明公开了一种基于Buck型三电平交‑交变换器的单相无功补偿装置。该装置包括顺次连接的输入滤波器、小功率变压器、浮动电容、八个带反向并联二极管的功率开关管、输出滤波器和无功补偿电容器，其中小功率变压器、浮动电容、八个带反向并联二极管的功率开关管构成Buck型三电平交‑交变换器，具体如下：输入滤波器用于滤除补偿电流中的高次谐波成分；小功率变压器用于箝位浮动电容电压，使电容电压保持在输入电压的一半；浮动电容用于减小功率开关管的电压应力；带反向并联二极管的功率开关管用于实现功率的双向流动；输出滤波器用于实现输出滤波；无功补偿电容器用于产生无功补偿电流。本发明具有体积小、成本低、可靠性高且易于模块化制造的优点。

技术领域

本发明属于电力系统应用技术领域，特别是一种基于Buck型三电平交-交变换器的单相无功补偿装置。

背景技术

随着产业经济的发展，大量的感应电动机、变压器、电力电子变换器等感性负载接入电网，它们在运行过程中会消耗无功，使得电网中会流过大量的无功电流，从而使电网电压下降。当电压下降到一定的阈值，设备和负载就不能正常工作；如果电压继续降低，电网会因电压超过稳定运行范围而崩溃。为了支撑电网电压，提高电网输电效率，保证电力系统的安全可靠运行，无功补偿至关重要。

电网无功补偿技术可以分为静态补偿和动态补偿两种。静态无功补偿是指并联固定容量的电容器或者电抗器以满足系统的基本无功需求，其不能满足电网产生的动态无功补偿需求。该方案在故障条件下的无功补偿能力也十分有限，电网电压跌落时，无功补偿能力随着电网电压的平方倍数减小。现有的动态无功补偿方案主要采用静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)以及有源电力滤波器(APF)。SVC成本较低，实际运行时分为若干组，采用晶闸管逐级依次投切，响应速度慢，装置体积比较大，会向电网中注入低次谐波，噪声比较大，不能实现无功的动态连续调节，而且在电压降低的情况下，无功补偿能力大大减弱。因此SVC不能满足间歇性的可再生能源的动态补偿要求，而且这一状况在将来会进一步加剧。STATCOM主要应用于大功率 (20Mvar～100Mvar)应用领域，其采用逆变器结构，直流侧通常采用大容量的电解电容器作为储能设备，由于温度变化和电解液挥发等的影响，电解电容的使用寿命较短，需定期更换，使得安装和维护费用大大增加，而且在单相高压大功率应用领域，逆变拓扑的开关损耗远大于交流斩波电路，使可靠性降低，成本大大增加。APF主要用来滤除谐波，无功补偿能力相对较弱。

为了解决上述问题，迫切需要一种成本低、可靠性高的无功补偿技术。美国学者Deepak M.Divan提出了双虚拟正交源(DVQS)理论，设计了基于交流斩波技术的无功补偿器，采用交-交直接变换技术，在不需要直流侧大体积能量储存器件的情况下实现无功补偿和谐波抑制功能。该技术能够满足实际电网环境应用中的可靠性要求，可以在环境温度变化等状况下可靠运行。为了将交流斩波型无功补偿器应用于实际中高压配电网中，需要保证交流斩波器在380V～35kV的电压等级范围内能够可靠工作。而现有的全控性功率开关器件电压等级均小于10kV，不能直接应用于实际中高压配电网。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Buck型三电平交-交变换器的单相无功补偿装置，从而对单相电网中的无功电流进行动态补偿。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Buck型三电平交-交变换器的单相无功补偿装置，包括顺次连接的输入滤波器、小功率变压器、浮动电容、八个带反向并联二极管的功率开关管、输出滤波器和无功补偿电容器，其中小功率变压器、浮动电容、八个带反向并联二极管的功率开关管构成Buck型三电平交-交变换器，具体如下：

输入滤波器用于滤除补偿电流中的高次谐波成分；

小功率变压器用于箝位浮动电容电压，使电容电压保持在输入电压的一半；

浮动电容用于减小功率开关管的电压应力；

带反向并联二极管的功率开关管用于实现功率的双向流动；