專利名稱：一種用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置。
背景技術：
實際電力系統(tǒng)中慣性負載整體以感性為主，傳統(tǒng)釆用容性器件靜態(tài)補償或 同步調相機等動態(tài)補償。前者阻抗固定不變，故不能跟蹤負荷無功需求的變化，
即不能實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補償；后者屬于旋轉器件，運行中損耗和噪聲都比 較大，運行維護復雜，而且響應速度慢，難以滿足快速動態(tài)補償?shù)囊蟆?br>
目前，基于各種控制方法和補償原理的新型無功補償裝置均包含高壓、大
容量的電容器，如TSC、 SVC和STATCOM等其他FACTS設備。與系統(tǒng)起能量交換 作用的補償電容器在電壓與容量方面難以提高，且往往會給系統(tǒng)帶來較大幅值 的沖擊電流。
實用新型內容
針對現(xiàn)有技術的缺點，本實用新型的目的是提供一種用電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容 的用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，有效避免給系統(tǒng)帶來較大幅值電流沖擊及提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于提高無功補償電壓和容量等級，降低成本。
為.實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案為 一種用于電力系統(tǒng)的無功補 償裝置，其包括一個三相變壓器及與三相變壓器連接的三個無功補償單相電路， 三相變壓器釆用A/Y接法與系統(tǒng)并聯(lián)，三個無功補償單相電路輸出電壓各相差 120° ,該單相電路包括整流換流橋、逆變換流橋和補償電感，整流換流橋的輸 入端與系統(tǒng)并聯(lián)，整流換流橋輸出端直接連接至逆變換流橋的輸入端，逆變換 流橋的輸出端連接補償電感。
整流換流橋及逆變換流橋均由四個開關單元構成。
所述開關單元由兩個反接的可關斷電子器件并聯(lián)而成。電子器件為IGBT或GT0。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點和有益效果本實用新型以電感 器件代替電容器件，通過對整流換流橋和逆變換流橋的控制，使得補償電感的 激勵電壓與系統(tǒng)電壓基波相位相差90。，從而使補償電感與系統(tǒng)感性負載在同一 時間系中能量吞吐產生了相位差，即系統(tǒng)感性負載吸收能量時補償電感釋放能 量而補償電感吸收能量時系統(tǒng)感性負載釋放能量，使得補償電感相對系統(tǒng)呈純 容特性。
另外，三相電路以單相獨立控制為基礎，各相相差120。。單相電路無功補 償反饋電流嚴重的3次諧波在三相電路中經A/Y變壓器得到了有效的抑制。
圖l為基本控制單元原理圖，其中(a)為基本開關單元，由2個反接的可 關斷電力電子器件組成，(b)為等效理想開關。
圖2為單相電路原理圖，ul為系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電流為il; Zl是系統(tǒng)負載， 呈感性，系統(tǒng)電流為i2;整流換流橋l系統(tǒng)交流側電流為i3;直流側電壓為u2, 電流為i4;逆變換流橋2的逆變電壓為u3,流過補償電感Ll的電流為i5。各 電壓電流的參考方向如圖2中所示。
圖3為單相電路波形圖，系統(tǒng)電壓ul的相位為O，有效值為10kV,其波形 見圖3(a)。直流側電壓u2波形如圖3 (b)，逆變換流橋2輸出交流電壓u3波 形見圖3 (c)。補償電感Ll在電壓u3激勵下，電流i5波形為圖3 (d)。電流 i5經過換流橋2反饋在直流側線路，其電流M波形見圖3 (e)。再經過換流橋 1,交流側電流i3的波形為圖3 (f )所示。
圖4為單相電路補償電流高次諧波分析，即電流i3圖3 (f )的高次諧波分 布情況，可以看出諧波主要集中在基波和120次諧波附近。
圖5為單相電路補償電流低次諧波分析，即電流i3圖3 (f )對系統(tǒng)影響較 大的低次諧波分布情況，可以看出主要為3次諧波。
圖6為無功補償裝置三相電路原理圖，簡化單相電路圖2中換流橋1和換 流橋2為二端口網絡"換流橋組"，控制方法與單相情況相同，換流橋組啟始相位各差120° 。
圖7為三相無功補償電路波形圖，以A相為例。
圖8為A相無功補償電流諧波分析，可以看出，以基波為主。
圖9為補償后系統(tǒng)A相電流的幅值與相角，相角在補償后由-45°變?yōu)?14
° ,可以明顯看到補償效果。
具體實施方式
以下結合附圖
對本實用新型的原理進行描述. 1、單相電路工作原理
單相電路主要工作器件是整流換流橋和逆變換流橋，為了保證準確相位的 無功反饋電流，釆用兩個反接的可關斷電力電子器件并聯(lián)作為換流橋的基本開 關單元，如圖l所示。
電路原理圖如圖2所示，該無功補償單相電路包括電壓輸入端及系統(tǒng)感性 負載，電壓輸入端通過系統(tǒng)感性負載連接到接地端，電壓輸入端還連接至一整 流換流橋的輸入端，整流換流橋的另一輸入端接地，輸出端分別連接至一逆變 換流橋的兩輸入端，逆變換流橋的兩輸出端分別連接至補償電感的兩端。通過 對整流換流橋1和逆變換流橋2的控制，使得補償電感Ll的激勵電壓與系統(tǒng)電 壓基頻相位相差±90°，從而使補償電感與系統(tǒng)感性負載在同一時間系中能量吞 吐產生了相位差，即系統(tǒng)感性負載吸收能量時補償電感釋放能量而補償電感吸 收能量時系統(tǒng)感性負載釋放能量，使得補償電感相對系統(tǒng)呈純容特性。
由于直流側電路里不含補償電容，大大減少了換流橋l對系統(tǒng)的沖擊電流， 但使得換流橋2逆變輸入電壓在理論基頻輸出峰值區(qū)域具有不可補償?shù)碾妷簱p 失。換流橋1交流側電流i3通過SPWM換流以后一定程度上削弱了其他低次諧 波，但任含有較高幅值的3次諧波，見圖4諧波分析。圖4(a)所示為電流i3 在200次以內的諧波情況，主要集中在基波和120次諧波附近。對系統(tǒng)影響較 大的低次諧波情況見圖5所示，可以看到低次諧波以3次為主，而且幅值較大， 該補償電流雖具備電容特性，但沒有實際應用意義。該問題在三相電路中得以 很好的解決。2、無功補償裝置工作原理
電路原理圖見圖6所示， 一種用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其包括一個 三相變壓器及與三相變壓器連接的三個無功補償單相電路，三相變壓器釆用A
/Y接法與系統(tǒng)并聯(lián)，三個無功補償單相電路輸出電壓各相差120° ,該單相電
路包括整流換流橋、逆變換流橋和補償電感，整流換流橋的輸入端與系統(tǒng)并聯(lián), 整流換流橋輸出端直接連接至逆變換流橋的輸入端，逆變換流橋的輸出端連接
補償電感。釆用引入三相變壓器A/Y接法，可以消除單相補償電路回饋電流的 3次諧波。簡化單相電路圖2中換流橋1和換流橋2為二端口網絡、、換流橋組〃， 控制方法相同，換流橋組啟始相位各相差120°。
三相電路負載對稱，只分析A相波形，見圖7。設系統(tǒng)電壓u(A)相位為0， 見圖7(a),感性負載電流iL(A)相位為45°,即補償前功率因數(shù)為0. 71,見圖 7(b)。補償支路變壓器原邊側電壓為系統(tǒng)電壓，原邊電流為il(A)，其波形見 圖7( e )。由于變壓器采用A側超前Y側30°接法，副邊電壓u2 (A)相位角為-30。， 見圖7(c)。補償電感電流經過換流橋組A后，在變壓器副邊電流應超前u2(A) 波形90°,再經過A/Y變壓器后原邊電流il(A)基波相位超前系統(tǒng)電壓u(A)波 形90°,具備純容性，由圖7(e)可以看出，3次諧波明顯消弱。il(A)與系統(tǒng) 感性負載電流iL(A)疊加為系統(tǒng)電流i(A)，由圖7(f )可以看出，系統(tǒng)電流i(A) 相位得到明顯的改善。其他兩相波形與A相相同，相位各差120。，不再贅述。
以下結合附圖對本實用新型的原理進行描述.
1、單相電路控制方法
見由圖2單相電路原理圖，控制換流橋1按照全波整流方式工作，直流側 電壓u2波形如圖3(b)。此時，控制逆變換流橋2釆用單極性SP西控制方式工 作，使輸出交流電壓基波相位超前(或滯后)系統(tǒng)電壓1/4個基頻周期，電壓 u3波形見圖3(c)?？梢钥闯觯瑄3雖然釆用SP畫控制方法產生，但實際輸出波 形是非正弦，原因是直流側沒有電容濾波，逆變換流橋2輸入直流電壓為二脈 波。經過逆變換流橋2整l/4基頻周期移相后，u3的畸變率得到一定改善，由圖3(C)可以看出，幅值絕對值最大的脈寬最窄，逐次變化。為了減少U3的低
次諧波，SP麗釆用載波率3kHz,調制比為0.95。在工程上SP麗技術已較成熟，
這里不再贅述詳細的調制方法。
補償電感Ll在電壓u3激勵下，電流i5波形為圖3(d),從i5波形可以看 出，作為純感性負載，電流波形比激勵電壓u3基波相位滯后90° 。電流i5經 過換流橋2反饋在直流側線路，其電流i4波形見圖3 (e)。再經過換流橋1， 交流側電流i3的波形為圖3 (f )所示。i3作為補償電流將與感性負載電流i2 疊加為系統(tǒng)電流il。從i3波形上可以看出，其基波相位超前系統(tǒng)電壓ul整90 ° ，將補償電路作為一個二端口網絡來看，呈現(xiàn)電容特性，吸收系統(tǒng)感性無功， 與系統(tǒng)感性負載發(fā)生能量交換。單相補償電路實質是通過電力電子器件改變補 償電感電壓激勵的相位，使之與系統(tǒng)電壓具有90°相位差，從而使補償電感與 系統(tǒng)感性負載在同 一時間系中能量吞吐產生了相位差，即系統(tǒng)感性負載吸收能 量時補償電感釋放能量而補償電感吸收能量時系統(tǒng)感性負載釋放能量，使得補 償電感相對系統(tǒng)呈純容特性。容易得出，當換流橋2按照滯后系統(tǒng)電壓90°工 作時，效果相同。
2、無功補償裝置控制方法
三相電路以單相獨立控制為基礎，各相相差120。。單相電路無功補償反饋 電流嚴重的3次諧波在三相電路中經A /Y變壓器得到了有效的抑制。 三相對稱負載簡單系統(tǒng)主電路如圖6所示，以A相為例，系統(tǒng)電壓<formula>formula see original document page 7</formula>系統(tǒng)感性負載電流
<formula>formula see original document page 7</formula>
變壓器原副邊線圈匝數(shù)比為1: 1，補償電感1H，換流橋控制方法與單相相 同，經過補償支路電流疊加，補償后系統(tǒng)電流z'")波形如圖7 (f ), 15次以內諧 波分析見圖8,其3次諧波經過A/Y變壓器后得到明顯抑制，但其他奇次諧波 有一定含量，總畸變率為5.33%。補償前系統(tǒng)功率因數(shù)為0. 71，單相感性無功為 2L=^、sin45°=5.777A:Fw (3)
補償后系統(tǒng)單相電流的基波幅值與相角分析結果見圖9所示，其方程為: /(」)=7.20 sin(紐-13.65°) (4)
系統(tǒng)補償后單相感性無功為
仏=sin 13.65° = 1.699,r ( 5 )
功率因數(shù)提高到0.97。
權利要求1、一種用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其特征在于包括一個三相變壓器及與三相變壓器連接的三個無功補償單相電路，三相變壓器采用Δ/Y接法與系統(tǒng)并聯(lián)，三個無功補償單相電路輸出電壓各相差120°，該單相電路包括整流換流橋、逆變換流橋和補償電感，整流換流橋的輸入端與系統(tǒng)并聯(lián)，整流換流橋輸出端直接連接至逆變換流橋的輸入端，逆變換流橋的輸出端連接補償電感。
2、 根據權利要求l所述的用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其特征在于整 流換流橋及逆變換流橋均由四個開關單元構成。
3、 根據權利要求2所述的用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其特征在于所述開關單元由兩個反接的可關斷電子器件并聯(lián)而成。
4、 根據權利要求4所述的用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其特征在于電 子器件為IGBT或GT0。
專利摘要本實用新型公開了一種用于電力系統(tǒng)的無功補償裝置，其包括一個三相變壓器及與三相變壓器連接的三個無功補償單相電路，三相變壓器采用Δ/Y接法與系統(tǒng)并聯(lián)，三個無功補償單相電路輸出電壓各相差120°，該單相電路包括整流換流橋、逆變換流橋和補償電感，整流換流橋的輸入端與系統(tǒng)并聯(lián)，整流換流橋輸出端直接連接至逆變換流橋的輸入端，逆變換流橋的輸出端連接補償電感。本實用新型可實現(xiàn)傳統(tǒng)電容無功補償裝置的功能，還能有效避免給系統(tǒng)帶來較大幅值電流沖擊及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于提高無功補償電壓和容量等級，并明顯降低成本。
文檔編號H02J3/18GK201345547SQ20082020564
公開日2009年11月11日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權日2008年12月19日
發(fā)明者李繼宇, 閆國琦 申請人:華南農業(yè)大學