功率平衡装置及其控制方法

技术领域

本申请属于大功率电力电子技术领域，具体涉及一种功率平衡装置及其控制方法。

背景技术

当电网中负荷端的有功功率突然丢失或无功功率突然变化时，电源端需要调整其功率输出。一旦功率变化程度超过了电源端的调节能力时，会导致电源端功角不平衡，进而出现电网的频率和电压升高，危害用电设备安全，严重时可能导致电源脱网、电网解列、设备过压损坏等事故，造成重大的经济损失。此外，孤网的黑启动功能也需要一定的可调负荷配合电源实现。因此电网中通常会使用功率平衡设备实现有功和无功调节，达到功率平衡的目的。

现有的功率平衡设备通常采用有功平衡设备和无功平衡设备的组合才能实现有功功率和无功功率的解耦控制。其中，有功平衡设备只有当电网的有功负荷突变时才会投入短时使用，而为了降低损耗，该设备绝大部分时间处于闭锁或停运状态，设备的利用率不高；无功平衡设备不仅需要补偿电网的无功功率和谐波，还需要治理有功平衡设备工作时带来的无功功率和谐波。因此，现有的功率平衡设备存在多电气支路、有功和无功控制功能耦合度高、无功补偿设备容量大且占地面积大等问题。

发明内容

发明目的：本申请的目的在于提供一种功率平衡装置，克服现有技术的功率平衡装置所存在的过多电气支路、设备利用率低、有功和无功控制功能耦合度高、无功补偿设备容量大且占地面积大的技术问题；本申请的另一目的在于提供一种上述功率平衡装置的控制方法。

技术方案：本申请所述的一种功率平衡装置，包括：

换流器，所述换流器包括三个相单元，每个相单元包括相互串联的滤波单元和子模块，所述子模块包括功率传输单元、有功平衡单元和子模块控制单元，所述功率传输单元和所述有功平衡单元并联连接；

控制系统，所述控制系统与所述子模块控制单元通信连接。

在一些实施例中，所述功率传输单元包括开关器件和直流侧电容，所述直流侧电容连接在所述开关器件组成的全桥和/或半桥电路的直流侧；所述有功平衡单元与所述直流侧电容并联。

在一些实施例中，所述有功平衡单元包括相互串联的电阻单元和开关单元。

在一些实施例中，所述电阻单元选自电阻器、电热锅炉、电池中的一种或多种。

在一些实施例中，所述开关单元选自机械式开关、电力电子式开关中的至少一种。

在一些实施例中，所述电力电子式开关采用一种或多种具有可关断功能的功率半导体器件。

在一些实施例中，所述滤波单元包括电抗器。

在一些实施例中，所述换流器为两电平换流器或者多电平换流器。

在一些实施例中，所述换流器配置有冷却设备；所述控制系统与所述子模块控制单元通过光纤通信连接。

在一些实施例中，所述子模块控制单元设置于所述功率传输单元内和/或所述有功平衡单元内。

相应的，本申请提供的一种上文所述功率平衡装置的控制方法，包括：

将所述功率传输单元的直流侧电容电压控制在目标值；

根据有功功率或者电网频率的控制目标，控制所述功率平衡装置实现有功功率调节；

根据无功功率、电网电压、功率因数、谐波中的任意一种或多种控制目标，控制所述功率平衡装置实现无功功率调节。

在一些实施例中，所述有功功率调节通过控制所述有功平衡单元的开关单元的开或者关实现；或者，所述有功功率调节通过调整所述直流侧电容电压的目标值实现。

在一些实施例中，所述无功功率调节通过控制所述功率传输单元的开关器件实现。

在一些实施例中，通过所述控制系统启动所述换流器，并通过所述控制系统下发控制命令以实现：

将所述功率传输单元的直流侧电容电压控制在目标值、所述有功功率调节以及所述无功功率调节。

有益效果：与现有技术相比，本申请的功率平衡装置包括换流器和控制系统，换流器包括三个相单元，每个相单元包括相互串联的滤波单元和子模块，子模块包括功率传输单元、有功平衡单元和子模块控制单元，功率传输单元和有功平衡单元并联连接；控制系统与子模块控制单元通信连接。可以理解的是，该功率平衡装置采用模块化设计理念，将有功平衡单元和功率传输单元集成装设在同一个子模块中，不占据额外的空间，设备集成度高，同时在换流器的每个相单元设置滤波单元，无需额外的滤波支路，进一步降低设备占地面积和设备投资，提高利用率，改善系统的经济型。

与现有技术相比，本申请的功率平衡装置的控制方法包括将功率传输单元的直流侧电容电压控制在目标值；根据有功功率或者电网频率的控制目标，控制功率平衡装置实现有功功率调节；根据无功功率、电网电压、功率因数、谐波中的任意一种或多种的控制目标，控制功率平衡装置实现无功功率调节。可以理解的是，该控制方法能够快速、有效地实现有功功率和无功功率的独立解耦控制并实现平滑控制且谐波较小，降低耦合度，实现电网调频调压、功率振荡抑制、无功补偿、谐波抑制等功能，有效地解决电网中功率不平衡的问题，提高了电力系统稳定性和改善电能质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的功率平衡装置的结构意图；

图2为本申请实施例中采用电力电子式开关和电阻器的功率平衡装置的单元结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

由于电能存在即时生产、即时消费、无法大规模存储的特点，因此电网需要保持有功功率和无功功率的实时平衡。由于位于边远地区的电网或孤网的供电能力弱、负荷波动大，功率平衡的问题会更加突出。同时随着海上风电通过柔性直流输电送出容量的不断增大，一旦出现风力波动或风机脱网，必须维持系统的功率平衡保证整个区域电网安全。申请人发现，现有的功率平衡设备存在多电气支路、有功和无功控制功能耦合度高、无功补偿设备容量大且占地面积大等问题。

有鉴于此，本申请实施例提供一种功率平衡装置，该功率平衡装置包含换流器和控制系统。其中，换流器包括三个相单元，每一个相单元可以由一个滤波单元和至少一个子模块串联而成。滤波单元包括至少一个电抗器，子模块包括功率传输单元、有功平衡单元和子模块控制单元，功率传输单元由开关器件和直流侧电容组成，功率传输单元的直流侧电容两端并联至少一个有功平衡单元，有功平衡单元包括电阻单元和开关单元，该有功平衡单元由至少一个电阻单元和至少一个开关单元串联而成。

具体的，请参阅图1所示，图1中示出了本申请的优选实施例结构，该实施例中，功率平衡装置包含一个三相模块化多电平换流器M1和控制系统M2。该换流器M1包括三个相单元，每一个相单元包括一个桥臂，共由三个桥臂组成，且呈现星型连接。每一个桥臂由一个滤波电抗器L和N个子模块SM串联而成。每个子模块SM内包括功率传输单元X1、有功平衡单元X2和子模块控制单元X3，其中功率传输单元X1包括开关器件S1、S2、S3、S4和直流侧电容C1，开关器件S1、S2、S3、S4组成全桥电路，直流侧电容C1连接在全桥电路的直流侧，有功平衡单元X2包括电阻单元R1、开关器件S5和二极管D5，请参阅图2所示开关器件S5和二极管D5组成开关单元，有功平衡单元X2并联在功率传输单元X1的直流侧电容C1两端。

在本实施例中，该换流器除了可以是多电平换流器，还可以是为两电平换流器。

请一并结合图2所示，有功平衡单元包括一个电阻R、一个开关管S和一个二极管D。开关管S的一端与子模块内功率传输单元的直流侧电容的正极连接在一起，开关管S的另一端和电阻R的一端连接在一起，电阻R的另一端与子模块内功率传输单元的直流侧电容的负极连接在一起。

在本实施例中，滤波单元可以为一个滤波电抗器L，或者也可以采用多个滤波电抗器L级联，或者还可以是滤波电抗器L和电容器的串并联组合而成。

在本实施例中，电阻单元R1选自电阻器、电热锅炉、电池中的一种或多种，并且，电阻单元R1可以为一个电阻，也可以是多个电阻器、电热锅炉包括电阻器、电热锅炉、电池通过串联、并联或者串并联组合等级联方式构成，而不局限于一个实际的电阻。

在本实施例中，由开关器件S5和二极管D5组成的开关单元，可以采用机械式开关、电力电子式开关的任意一种方式，或者两种方式组合而成。

其中，对于电力电子式开关而言，可以采用一种或者多种具有可关断功能的功率半导体器件形成，例如：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管)、GTO(GateTurn-Off Switch，门关断开关)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金氧半场效晶体管)等。

同样的，在本实施例中，开关单元可以是一个开关管和一个二极管，也可以是多个机械式开关、电力电子式开关通过串联、并联或串并联组成等级联方式构成。

在本实施例中，功率平衡装置的功率半导体器件将流过一定的电流，因此还需要配置相应的冷却设备，优选地，可以采用水冷散热。

在本实施例中，该功率平衡装置的控制系统M1与集中布置在功率传输单元X1内的子模块控制单元X3通过光纤通讯，传输控制命令信号和状态监视信号。

除此之外，子模块控制单元X3还可以分别布置在功率传输单元X1内和有功平衡单元X2内，或者集中布置在有功平衡单元X2内。

在本申请实施例中，有功平衡单元的并联方式属于在换流器的子模块直流侧的并联。这样的有益效果有：(1)功率平衡装置可采用模块化设计理念，有功平衡单元直接与功率传输单元集成装设在同一个子模块中，不占据额外空间，这个优势在某些占地紧张的场合至关重要。(2)有功平衡单元无需独立取能，其中的机械式开关或开关管的控制回路可以与子模块内的功率传输单元共用取能回路，可直接从功率传输单元的直流侧电容取能。(3)有功平衡单元可以不用配置独立冷却设备，可以和子模块共用冷却设备，进一步缩小体积并减低成本。

相应的，本申请实施例还提供了上述功率平衡装置的控制方法，该控制方法可以包括如下步骤：

(1)通过控制系统启动功率平衡装置的换流器，通过光纤下发控制命令将各个子模块功率传输单元的直流侧电容电压u

(2)控制系统根据有功功率的控制目标P

(3)控制系统根据无功功率的控制目标Q

进一步地，步骤(2)中可通过控制有功平衡单元内机械式开关的合闸和分闸实现有功功率调节，或者通过控制有功平衡单元内电力电子式开关的开通和关断实现有功功率调节，或者通过控制功率传输单元的直流侧电容电压目标值u

进一步地，步骤(3)中可通过控制功率传输单元的开关器件S1、S2、S3、S4的开通和关断实现无功功率调节。

需要进一步说明的是，在本申请实施例的描述中，所称的级联，包括串联、并联和串并联组合等连接方式。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的功率平衡装置及其控制方法进行了详细介绍，并应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。