CN100470999C - 混合式无功补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合式无功补偿装置，该装置主要包含一无源式无功补偿器及一有源式无功补偿器，两者串接组成。该无源式无功补偿器为交流电力电容器，其用以提供一超前无功量，降低有源式无功补偿器的容量；该有源式无功补偿器是由一电力转换器、一直流储能电容器、一高频纹波滤波器组及一控制器组成，该有源式无功补偿器可使该混合式无功补偿装置补偿无功量在一特定范围内无级调整，且本发明的有源式无功补偿器具有使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波的功能，可避免该无源式无功补偿器产生谐波破坏的问题。

Description

混合式无功补偿装置
技术领域
本发明涉及一种混合式无功补偿装置，尤其是涉及关于输配电系统中利用一无源式无功补偿器及一有源式无功补偿器串接组合用以补偿无功的装置，其所提供的无功量可在一特定范围内线性调整，且本发明的有源式无功补偿器具有使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波的功能，可避免无源式无功补偿装置与电源系统电抗产生谐振而造成无功补偿系统本身与邻近电力设备的故障。
背景技术
现有的输配电系统中大部分的负载为电感性，其造成系统的落后功率因数，因此为了补偿落后功率因数，输配电系统需要较大的电流方能传送相同的有功率，因而降低该输配电系统的传输效率，且增大负载端的电压调整率。电力公司及用户为了克服前述问题，一般在输配电系统上加入被动无功补偿器(即交流电力电容器)并联于系统，以便提供超前无功，而提高整体系统的功率因数。根据研究，输配电系统中使用交流电力电容器的容量占电力系统总容量的25％到35％，有些系统甚至高达50％。近年来由于大量非线性负载的使用，导致谐波污染日益严重，而电力系统中最易受谐波污染破坏的装置为交流电力电容器组，因为交流电力电容器组提供谐波电流的低阻抗路径，且容易与电源系统电抗产生谐振，而放大谐波电流及电压，因而造成交流电力电容器的过电压或过电流破坏，同时邻近电力设备亦可能因为谐振造成过电压的破坏，甚至造成公安事故。
为了解决交流电力电容器可能产生的谐振问题，现有的解决方法为提高交流电力电容器耐压等级，如此可避免交流电力电容器因谐振过电压而破坏，然而它并未解决谐振问题，因此可能造成邻近电力设备的破坏。另一解决方法为利用保护装置在交流电力电容器过电压或过电流时将交流电力电容器切离电源系统，然而此法将使得无功补偿功能丧失。
由于固定交流电力电容器组提供的无功量为固定，无法随负载变动而调整，常常在轻载时造成功率因数超前而产生过高的电压。为了使交流电力电容组提供的无功量能适当调整，因此业界发展自动功率因数调整器(automatic power facter Regulator APFR)，如图1所示，自动功率因数调整器利用一交流电力电容器组C1至CN配合一开关组S1至SN组合完成，其通过控制投入电源系统1的交流电力电容器数量调整本身所提供的无功量。虽然自动功率因数调整器所补偿的无功量可随负载调整，但其调整方式为步阶调整，即无法进行线性调整，因此无法使输入功率因数接单位功率因数。
请参照图2所示，另一功率因数调整装置是利用一固定电容C并联一晶闸管10控制的一电抗器1此1组合完成，其称为固定电容晶闸管控制电抗器(Fixed—Capacitor Thyristor—Controlled Reactor，FC-TCR)，其利用晶闸管10的相位控制达到线性调整所提供无功量的功能。然而，由于晶闸管采相位控制，因而产生较大的谐波量，造成谐波污染。
虽然前述两种装置可调整无功补偿量，但是交流电力电容器仍直接并联于电源系统，所以仍无法避免谐振破坏的问题。
请参照图3，其揭示以高功率电力电子元件组成的设备亦可应用在输出变压器配电系统来作无功补偿，称的为有源式无功补偿器，其利用一电力转换器(power converter)经连结一电感器21接到电源系统1，其直流侧是接到一直流储能电容器22，通过电力转换器20的控制，该有源式无功补偿器2可提供超前或落后的无功量，且其提供的无功量可依负载变动而线性调整，使输入功率因数维持在单位功率因数，且该有源式功率因数修正系统不会与电源系统产生谐振，因此不会有交流电力电容器谐振破坏的问题，然而由于有源式无功补偿器2的容量必须包含负载所需的全部无功量，其需要非常大的容量，使其价格非常昂贵，因而限制其实用性。
发明内容
本发明主要目的是提供一种混合式无功补偿装置，其利用一无源式无功补偿器及一有源式无功补偿器串联组成，其用以提供无级调整的无功量，避免无功补偿装置的谐波破坏，且本发明具有降低制造成本的功效。
根据本发明的混合式无功补偿装置，其并联于一电源系统以提供无功，提高功率因数，该装置主要包含一个无源式无功补偿器及一个有源式无功补偿器，两者串联组成。该无源式无功补偿器为交流电力电容器，用以提供一个无功量，并降低该有源式无功补偿器的电力容量，因而可降低有源式无功补偿器的耐受电压及容量，由于交流电力电容器的成本远低于有源式无功补偿器的成本，因此本发明的制造成本低于现有的有源式无功补偿器的制造成本。该有源式无功补偿器由一个电力转换器、一个直流储能电容器、一个高频纹波滤波器及一个控制器组成，使本发明的混合式无功补偿装置在一预定范围内无级调整其提供的补偿无功量，且本发明的有源式无功补偿器利用取电源电压的谐波成份作为参考信号，使该有源式无功补偿器产生一与电源系统电压的谐波成份相同的谐波电压，使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波的功能，避免无源式无功补偿装置与电源系统电抗产生谐振而造成无功补偿系统本身与邻近电力设备的故障。
本发明提出了一种混合式无功补偿装置，其可提供在一范围内无级调整的无功量，同时本发明的有源式无功补偿器具有使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波的功能，可避免无功补偿装置本身与电源系统电抗产生谐振，而造成无功补偿装置本身与邻近电力设备的故障，且其成本远低于现有的有源式无功补偿装置。
附图说明
图1是现有自动功率因数修正器的架构示意图；
图2是现有固定电容晶闸管控制电抗器的架构示意图；
图3是现有有源式无功补偿器的架构示意图；
图4是本发明第一较佳实施例混合式无功补偿装置的架构示意图：
图5是本发明第一较佳实施例混合式无功补偿装置的有源式无功补偿器的控制器的方块图；
图6是本发明第二较佳实施例混合式无功补偿装置及自动功率因数修正系统并联使用的架构示意图；
图7是本发明第三较佳实施例混合式无功补偿装置架构示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征与优点能更明确被了解，下文将特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
图4揭示本发明的混合式无功补偿装置的第一较佳实施例的系统架构，本发明混合式无功补偿装置3并联于一电源系统1及一负载4之间，该电源系统1供应一交流电能至该负载4使用，该混合式无功补偿装置3则用以补偿该负载4所需的无功功率，以提高从该电源系统1输入的功率因数。该混合式无功补偿装置3其包含一无源式无功补偿器31及一有源式无功补偿器32串联组成。该无源式无功补偿器31用以提供一无功量，藉此降低该有源式无功补偿器32所提供的无功量，该有源式无功补偿器32包含一电力转换器320、一直流储能电容器321、一高频纹波滤波器322及一控制器323，该有源式无功补偿器用以使混合式无功补偿装置可在某一特定范围内无级调整其补偿的无功量，且该有源式无功补偿器亦可避免该混合式无功补偿装置与电源系统间所可能产生的谐振破坏。图5揭示本发明第一较佳实施例中有源式无功补偿器的控制器323的方块图，第一较佳实施例的有源式无功补偿器采用电压控制式，其原理如下：
若电源系统1电压为
Vs＝VsSinωt(1)
为了使该混合式无功补偿装置3能调整其补偿的无功量，该有源式无功补偿器32必须产生一基波电压表示如下：
Va1＝Va1Sinωt(2)
则该无源式无功补偿器31两端的电压为：
Vc＝(Vs一Va)Sinωt(3)
此时，该混合无功补偿装置3所提供的无功量为：
Qr＝Qc(Vs一Va1)(4)
其中Qr为该混合式无功补偿装置3所提供的无功量，Qc为该无源式无功补偿器31(交流电力电容器)单独加入电源系统所提供的无功量，由式(4)可发现该混合式无功补偿装置可通过控制该有源式无功补偿器32产生的基频成份来无级调整补偿的无功量。该有源式无功补偿器32产生基波电压的振幅由混合式无功补偿装置3所要提供的无功变化范围来决定。
如电源系统1电压含有谐波电压(Vh)，该有源式无功补偿器亦用以产生一谐波电压，其大小与相位皆与电源系统1电压所含有的谐波电压相同，使该无源式无功补偿器上的电压为一只基频成分的正弦波，可避免该无源式无功补偿器产生谐波破坏的问题。
综上所述，本实施例中，通过该无源式无功补偿器31提供一无功量，并降低该有源式无功补偿器32的电力容量，而通过该有源式无功补偿器32可在某一范围内无级调整该混合式无功补偿装置3所提供的无功量，且本实施例的有源式无功补偿器32具有产生一与电源系统1电压的谐波成分相同的电压，以使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波，可避免该混合式无功补偿装置3与电源系统间所可能产生的谐振破坏，因此该混合式无功补偿装置内有源式与无源式无功补偿器的配合，可提供可靠的无功补偿量。
请参照素图4、图5所示，本发明第一较佳实施例中有源式无功补偿器32的控制器323，该有源式无功补偿器323为电压控制模式，其是由三个电压控制信号(V1，V2与V3)相加而得到该有源式无功补偿器32的调变信号。
请再参照图4、图5所示，该第一电压控制信号V1是用来完成无功无级调整的功能，由式(2)可得其为与该电源系统1电压同相位的基波，该负载电流与该电源系统1电压分别经一第一带通滤波器500及一第二带通滤波器501取出其基波成份送入一无功计算电路502，该无功计算电路502计算出该混合式无功补偿装置3所需补偿的无功量，并决定该有源式无功补偿器32的产生基波的电压振幅，该无功计算电路502的输出与该第二带通滤波器501的输出送到该乘法器503相乘，该乘法器503输出即为第一电压控制信号V1。该第二电压控制信号V2主要用以稳压该有源式无功补偿器32的直流储能电容器321以提供一直流电压供应电力转换器320，由于该有源式无功补偿器32本身会有功率损失，所以该有源式无功补偿器32的直流侧的直流储能电容器321上的电压将会变动，为了维持该有源式无功补偿器32正常操作，其直流侧电压必须维持一稳定值，因此该有源式无功补偿器32必须从电源系统吸收或回送一有功，亦即必须产生具有与该混合式无功补偿装置3流过的基波电流相同相位的基波电压，而该混合式无功补偿装置3主要用以提供无功，其电流必超前电源系统1的电压90度，因此该第二电压控制信号2为一超前电源系统电压90度的基波信号，该主动无功补偿器32的直流侧电压检出后与其设定电压经一减法器504相减，相减结果送到一控制器.505，而该第二带通滤波器501取出的电源系统电压的基波送到一相移电路506产生一个超前90度的基波信号，该控制器505与该相移电路506的输出送到一乘法器507相乘，即可得到该第二电压控制信号V2。该第三电压控制信号V3则主要用以产生一与电源系统1电压的谐波成分的谐波电压，因此将该电源系统1电压与该第二带通滤波器501的输出基频电压送到减法器508便可取出其电源系统1电压的谐波成分，此谐波成分即为该第三电压控制信号V3。最后将该三个电压控制信号(V1，V2与V3)送到一加法器509相加后，即可得到该有源式无功补偿器32的电力转换器320的调变信号，将该调变信号送到一脉宽调制电路510产生一脉宽调制信号，再将该脉宽调制信号送到一驱动电路511，以产生该有源式无功补偿器32的电力转换器320的驱动信号。
请参照图6所示为本发明的第二较佳实施例，第二较佳实施例为第一较佳实施例的混合式无功补偿装置3及一自动功率因数调整系统6并联，该混合式无功补偿装置3及自动功率因数调整系统6并联后再并联于一电源系统1及一负载4之间，该电源系统1供应一交流电能至该负载4使用，该混合式无功补偿装置3及自动功率因数调整系统6并联的组合则用以补偿该负载4所需的无功功率，该自动功率因数调整系统6可分段调整无功量，再由该混合式无功补偿装置3在该自动功率因数调整系统6的一段的无功量内进行无级调整，亦即该自动功率因数修正系统6为粗调，而该混合式无功补偿装置3为微调，以使输入功率因数提升到几乎是单位功率因数。如此，该混合式无功补偿装置3的容量可大幅降低，因此该第二实施例只要加入一较小容量的混合式无功补偿装置3到自动功率因数调整系统6便可达成整体补偿无功量无级调整的功能。
请参照图7所示为本发明第三较佳实施例混合型无功补偿装置3，本发明的混合式无功补偿装置3并联于一电源系统1及一负载4之间，该电源系统1供应一交流电能至该负载4使用，该混合式无功补偿装置3则用以补偿该负载4所需的无功功率，以提高从该电源系统1输入的功率因数。包含一无源式无功补偿器31及一有源式无功补偿器32，两者串联组成，该无源式无功补偿器31为一由晶闸管组310及交流电力电容器组311串联而成的晶闸管切换电容器组(TSC)；该混合式无功补偿装置3籍由该无源式无功补偿器31的晶闸5管组310的切换以投入不同段数的一电容器311，作为补偿无功量的粗调，再通过该混合式无功补偿装置3的有源式无功补偿器32作为无功量的微调以使输入功率因数达到接近单位功率因数，而该有源式无功补偿装置32是采用第一较佳实施例中有源式无功补偿器的控制方式使流入该混合式无功补偿装置3的电流为一基频弦波，因此可避免该无源式无功补偿器31内的交流电力电容器311因谐波而造成的破坏。
虽然本发明已以前述较佳实施例揭示，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视前面权利要求书中的申请专利范围为准。

Claims (8)

1、一种混合式无功补偿装置，其并联于一电源系统以提供无功，提高功率因数，其特征在于该装置包含：
一个无源式无功补偿器；
及一个有源式无功补偿器，其与该无源式无功补偿器串联；其中该无源式无功补偿器用以提供一个无功量，并降低该有源式无功补偿器的电力容量；该有源式无功补偿器用以使该混合式无功补偿装置在一预定范围内无级调整其补偿无功量，且该有源式无功补偿器利用电源系统电压的谐波成份作为参考信号，使该有源式无功补偿器产生一与电源系统电压的谐波成份相同的谐波电压，使该无源式无功补偿器的电流近乎正弦波，以防止该混合式无功补偿装置遭谐波造成的破坏。
2、如权利要求1所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该无源式无功补偿器为一个交流电力电容器或一个晶闸管切换电容器组。
3、如权利要求2所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该无源式无功补偿器为一个晶闸管切换电容器组时，该晶闸管切换电容器组作为补偿无功量的粗调，而该混合式无功补偿装置的有源式无功补偿器则作为无功量的微调，以使功率因数提升到几乎是单位功率因数。
4、如权利要求1所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该有源式无功补偿器是由一个电力转换器、一个直流储能电容器、一个高频纹波滤波器及一个控制器组成。
5、如权利要求1所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该有源式无功补偿器为电压控制模式。
6、如权利要求5所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该有源式无功补偿器内的电力转换器的调变信号是由三个电压控制信号相加得到。
7、如权利要求5所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该有源式无功补偿器是由一个电力转换器、一个直流储能电容器、一个高频纹波滤波器及一个控制器组成，且该电力转换器的调变信号是由第一电压控制信号、第二电压控制信号及第三电压控制信号相加得到，该第一电压控制信号是用来完成无功的无级调整，其为与该电源系统电压的基波电压同相位的基波电压信号；该第二电压控制信号是作该有源式无功补偿器的直流储能电容器的稳压用，其为一个超前该电源系统电压的基波电压90度的基波电压信号；该第三电压控制信号则用以产生一个谐波电压，其大小与相位皆与电源系统电压所含有的谐波成分相同，以抵消电源系统电压所含有的谐波成分，使无源式无功补偿器的电压及电流近乎正弦波，以防止该混合式无功补偿装置可能的谐波破坏。
8、如权利要求1所述的混合式无功补偿装置，其特征在于该混合式无功补偿装置与一个自动功率因数调整系统并联，该自动功率因数调整系统作为补偿无功量的粗调，而该混合式无功补偿装置则作为补偿无功量的微调，以使功率因数提升到几乎是单位功率因数，亦使该混合式无功补偿装置的容量降低。
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