基于单级式AC-AC变换器的电网无功补偿方法及装置

本发明涉及电网无功功率补偿，具体涉及一种基于单级式ac-ac变换器的电网无功补偿方法及装置。

背景技术：

1、在交流电网运行过程中，电动机、变压器、电弧炉等感性负载需要吸收大量无功功率，导致电网功率因数降低、线路损耗增大以及电压质量下降。无功补偿作为改善电能质量、提高功率因数、降低线路损耗的关键技术手段，在电力系统的运行与控制中具有重要作用。随着电力电子技术的不断发展，工业现场对无功补偿装置的补偿精度、响应速度、体积重量及运行可靠性提出了越来越高的要求。

2、目前，常见的无功补偿技术主要为两类：第一类是基于机械或固态开关的分组投切电容器组。该类装置将多个固定容量的物理薄膜电容器通过机械接触器或固态开关并联接入交流电网，系统根据电网功率因数的变化，通过闭合或断开开关，以台阶式增减投入电网的电容器数量，从而向电网提供无功功率。第二类是基于电压源型换流器的静止无功发生器。该技术采用全控型功率开关管构建桥式换流电路，并在其直流侧并联大容量的直流储能电解电容以维持直流母线电压稳定，系统将其等效为一个幅值和相位均可控的交流电压源，通过高频pwm调制直接在交流侧发出或吸收所需的容性或感性无功电流。

3、无功补偿技术中分组投切电容器组存在的补偿容量呈阶梯式离散调节、补偿盲区大、动态响应慢以及投切瞬间涌流冲击严重的问题，无法匹配负载连续波动的无功需求，容易导致欠补偿或过补偿，并引起电网电压跃变和器件加速老化；而基于电压源型换流器的静止无功发生器依赖庞大直流电解电容维持母线电压，导致装置体积大、功率密度低，且电解电容在高温下极易老化失效，成为制约整机寿命的短板，同时待机工况仍需高频斩波维持母线电压，导致待机损耗高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于单级式ac-ac变换器的电网无功补偿方法及装置，解决了无功补偿技术中分组投切电容器组存在的补偿容量呈阶梯式离散调节、补偿盲区大、动态响应慢以及投切瞬间涌流冲击严重的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种基于单级式ac-ac变换器的电网无功补偿方法，单级式ac-ac变换器包括电感、电容以及开关管，单级式ac-ac变换器的输入端并联接入交流电网，单级式ac-ac变换器的输出端并联连接补偿电容器；方法包括以下步骤：

4、控制ac-ac变换器中各开关管的高频通断，以占空比d对输出端电压进行pwm调制，使ac-ac变换器对补偿电容器产生随占空比d连续变化的电压增益av，并使补偿电容器中流经的容性电流经ac-ac变换器映射至电网侧；

5、调节占空比d，以连续改变电网侧等效呈现的容性可调的虚拟电容器的等效容量，从而连续调节注入电网的无功功率。

6、于本发明一实施例中，电压增益满足：

7、

8、其中，为ac-ac变换器的输出端电压，为电网侧输入电压，d为占空比；电压增益的绝对值随占空比d的减小而非线性增大，当占空比d趋近于零时，电压增益的绝对值趋向于无穷大。

9、于本发明一实施例中，虚拟电容器的等效容量满足：

10、

11、其中，为补偿电容器的物理容量；虚拟电容器的等效容量随占空比d的减小而连续增大。

12、于本发明一实施例中，ac-ac变换器包括第一开关管至第八开关管构成的四对双向开关组、第一电感、第二电感、第一电容和输出电容；

13、当电网电压为正半周时，第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管的驱动信号为高电平而维持常通；第一开关管与第五开关管同开同关，第三开关管与第七开关管同开同关，两组之间以占空比d进行高频互补切换；

14、当电网电压为负半周时，第一开关管、第三开关管、第五开关管、第七开关管的驱动信号为高电平而维持常通；第二开关管与第六开关管同开同关，第四开关管与第八开关管同开同关，两组之间以占空比d进行高频互补切换。

15、于本发明一实施例中，调节占空比d的步骤包括：

16、实时检测电网电压和电网电流，计算电网侧实际无功缺额，生成目标无功指令qref；

17、获取当前实际补偿的无功功率qeq，将目标无功指令qref与实际补偿的无功功率qeq作差，得到无功误差e；

18、将无功误差e输入pi控制器，pi控制器根据无功误差e动态输出占空比d，以改变电压增益，进而调节补偿电容器上的电压幅值和流经电流，改变映射至电网侧的等效无功功率，直至无功误差e收敛。

19、于本发明一实施例中，当需要进行大容量无功补偿时，pi控制器输出的占空比d运行在低占空比区间，使得电压增益的绝对值随占空比d的减小而非线性增大，从而在电网侧等效合成出大容量的虚拟电容器。

20、于本发明一实施例中，注入电网的无功功率满足：

21、

22、其中，ω为电网角频率，vin为电网侧输入电压的有效值；通过调节占空比d改变电压增益，实现对注入电网的无功功率的连续调节。

23、本发明还提供一种基于单级式ac-ac变换器的电网无功补偿装置，包括：

24、单级式ac-ac变换电路，其输入端并联接入交流电网，其输出端并联连接固定容量的补偿电容器；单级式ac-ac变换电路由开关管、电感和电容构成，用于在交流电网与补偿电容器之间进行直接交交电能变换，输入端与输出端之间无中间直流母线及直流储能电容；

25、控制器，用于检测电网无功状态，计算无功误差，根据无功误差生成占空比d，并根据电网电压极性控制单级式ac-ac变换电路中各开关管的通断状态，对输出端电压进行pwm调制，使单级式ac-ac变换电路对补偿电容器产生随占空比d连续变化的电压增益，将补偿电容器中流经的容性电流映射至电网侧，使电网侧等效呈现为容性可调的虚拟电容器，连续调节注入电网的无功功率。

26、于本发明一实施例中，单级式ac-ac变换电路包括第一开关管至第八开关管、第一电感、第二电感、第一电容和输出电容；

27、第一开关管的源极与第二开关管的源极连接，构成第一双向开关组；第三开关管的源极与第四开关管的源极连接，构成第二双向开关组；第五开关管的源极与第六开关管的源极连接，构成第三双向开关组；第七开关管的源极与第八开关管的源极连接，构成第四双向开关组；

28、输入端口的第一端与第七开关管的漏极、第一开关管的漏极连接；第八开关管的漏极分别与第二电感的第一端、第五开关管的漏极连接；第四开关管的漏极、第二电感的第二端分别与输入端口的第二端连接；

29、第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极、第一电容的第一端连接；第六开关管的漏极与第一电容的第二端连接；

30、第六开关管的漏极与第一电容第二端连接后的公共节点与第一电感的第一端连接；第一电感的第二端与输出电容的一端连接，输出电容的另一端与输入端口的第二端连接；输出电容的两端构成输出端口，输出端口并联连接补偿电容器。

31、于本发明一实施例中，控制器包括无功检测单元、误差计算单元和pi控制器；

32、无功检测单元用于实时检测电网电压和电网电流，计算电网侧无功缺额并生成目标无功指令qref；

33、误差计算单元用于将目标无功指令qref与实际补偿的无功功率qeq作差，得到无功误差e；

34、pi控制器用于根据无功误差e动态输出占空比d，占空比d通过改变电压增益av来调节补偿电容器上的电压幅值和流经电流，进而改变映射至电网侧的等效无功功率。

35、本发明提供了一种基于单级式ac-ac变换器的电网无功补偿方法及装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：

36、通过在单级式ac-ac变换器输出端并联固定容量的补偿电容器，并利用高频pwm调制使变换器对电容器产生随占空比连续变化的电压增益，从而在电网侧形成等效虚拟电容器。这一架构实现了无功功率的连续平滑调节，彻底消除了传统分组投切方式带来的阶梯式补偿盲区；同时，由于电容器始终通过变换器以高频调制方式接入电网，避免了机械或固态开关的直接投切，从根本上消除了暂态涌流和操作过电压，保护了开关触点与电容器绝缘。此外，单级式结构省去了中间直流母线及大容量直流储能电容，不仅减小了装置体积和重量、提高了功率密度，还避免了电解电容高温老化导致的整机故障，增强了环境适应性。