CN101615807B - 无级快速相控无功功率动态补偿装置及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无级快速相控无功功率动态补偿装置及无功动态补偿方法。该装置包括有补偿变压器及其控制电路，及电容器或电容器组；变压器的次级绕组串接于接入母线与电容器之间，其初级绕组接至控制电路的输出端；控制电路包括有配接有工作电源的相位调整电路，串接于接入母线与该相位调整电路之间的信号检测电路，串接于该相位调整电路与变压器次级绕组输出侧之间的采样电路；变压器初级绕组接至该相位调整电路的输出端。本发明的无功补偿仅通过调整相位调整电路输出电压相位即可实现，故可实现无级补偿，并且，调节精度高、应变迅速、效率高，补偿效果好。本发明补偿装置及方法适用于现有电网所有电压等级及变电站、电气化铁路等各种场合。

Description

无级快速相控无功功率动态补偿装置及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种无功功率动态补偿方法及无功功率动态补偿装置，更具体地说，是涉及一种无级快速相控无功功率动态补偿装置及其补偿方法。

背景技术

在配电网中，电力发电机所发的无功功率和输电线的功率常常不足以满足网中大量的电机、变压器、电抗器、荧光灯等感性负载的无功需求以及系统中无功的损耗，因而往往造成电网功率因数下降、电网系统利用率降低。为了减少有功损失和电压降落、减少电力输送中的损耗，更为了电网的安全、经济、高效地运行，提高电力输送的容量和质量，通常都要进行就近的无功功率补偿或者调节。

目前广泛采用通过投切并联电容器(组)的方式进行无功补偿。其原理为：通过监测线路电压与电流，计算功率因数；功率因数滞后时投入电容，功率因数超前便切除电容。该方法又可细分为两类：静态补偿和动态补偿。

静态补偿：常分为固定或分级分档式补偿，一般结构比较简单，多以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，但缺点是只能固定档位调节，补偿精度低；而且，补偿电容投切时冲击电流大，投切速度慢，且接触器由于投切频繁，故障率偏高。

无功动态补偿：往往配有智能型的无功功率补偿电路，因其能对无功功率进行平滑、准确调节，因而其补偿更灵活、高效、快速、合理。

发明内容

本发明的目的，即在于提供一种适用于现有电网所有电压等级的无级快速相控无功功率动态补偿装置及其补偿方法。

本发明所指无功功率动态补偿装置及其补偿方法，也是通过并联电容器(组)的方式实现的。

本发明所述无级快速相控无功功率动态补偿方法，包括如下步骤：

对接入母线上负载侧的电压、电流信号进行采样；

计算出负载侧功率因数和无功功率缺额，推算出并联电容器的无功补偿量；

计算出电容器(组)两端的目标电压，并根据电容器(组)两端及串接于接入母线与电容器(组)之间的补偿变压器次级绕组两端的实时电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值；

通过控制电路调整补偿变压器初级绕组两端的电压相位，在补偿变压器次级绕组的两端获得所需的补偿电压；

该补偿电压与母线电压相量叠加的结果，即在并联电容器上获得所需的目标电压，同时产生所需的无功功率补偿量。

即：并联电容器上的电压随补偿变压器初级绕组两端的电压相位而变化，从而并联电容器的无功功率补偿量也跟随变化。

上述根据电容器两端及串接于接入母线与电容器之间的补偿变压器次级绕组两端的实时电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值，及，通过控制电路调整补偿变压器初级绕组两端的电压相位的方法为：

对补偿变压器次级绕组的接入母线侧的电压相位进行检测；

对补偿变压器次级绕组的输出侧的电压值进行采样；

结合前述算得的电容器(组)两端的目标电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值；

对补偿变压器初级绕组两端所接的控制电路的工作电源进行整流，然后进行脉宽调制移相逆变，其移相值取为前述算出的补偿变压器次级绕组两端的相位调整值；

经高频变压、滤波后向补偿变压器初级绕组输出与母线同频的正弦波移相电压。

本发明无功功率动态补偿方法，其供电电源及工作电源可为单相或三相交流电源，所述电容器组可采用Δ或Y连接。

如果母线谐波较大，还可在该并联电容器(组)的支路中，即在母线、补偿变压器次级绕组、及电容器(组)所形成的支路中，串联接入电抗器。

本发明无功补偿原理说明：

设接入母线上的电压为 补偿变压器次级绕组两端电压为 

电容器(组)两端电压为 

则三者的关系为： 

由于电容器(组)发出的无功功率为： 

则通过调节U_C即可调整无功功率补偿量。

假设 与 间的相位角为Φ，则接入母线上的电压 电容器(组)两端电压 与补偿电压 的关系为

特别地，当 与 同相位时，幅值U_C＝U_入+ΔU；

当 

与 反相位时，幅值U_C＝U_入-ΔU。

由以上分析得知：显然，仅仅通过人为调整 

与 的相位角Φ，就可以调整U_C。即：当检测出配电网络无功功率欠补或过补时，只要调整 

与 的相位角Φ即可达到调整无功功率Q的目的。

若以Q_e为无功调整的额定值，则其无功调整量

$\mathrm{\ΔQ}=(Q_{\mathrm{MAX}}-Q_{\mathrm{MIN}})/Q_e\×100\%$

$=(\sqrt{3}{U_{\mathrm{MAX}}}^2/X_C-\sqrt{3}{U_{\mathrm{MIN}}}^2/X_C)/(\sqrt{3}{U_e}^2/X_C)\×100\%$

$=({U_{\mathrm{MAX}}}^2-{U_{\mathrm{MIN}}}^2)/{U_e}^2\×100\%$

假设补偿电压ΔU＝±10％U_入时，此时的ΔQ＝(1.1²-0.9²)X100％＝40％；

若ΔU＝±20％U_入时，此时的ΔQ＝(1.2²-0.8²)X100％＝80％.

可见，其无功补偿量调整量极其可观。与其它无功补偿方法相比，效率高。而且，由于仅通过调整电压相位即可实现，故调节精度高、并可实现无级补偿，此外，补偿响应速度快，响应时间一般＜20ms，适用于负载变化较快的场合。

应用上述无功功率动态补偿方法的无级快速相控无功功率动态补偿装置，包括有补偿变压器及其控制电路、电容器(组)；所述补偿变压器的次级绕组串接于接入母线与电容器(组)之间；补偿变压器的初级绕组接至控制电路的输出端；

控制电路包括有：

1)配接有工作电源的相位调整电路，用于输出相位可调整的正弦波移相电压；所述补偿变压器的初级绕组接至该相位调整电路的输出端；

2)串接于接入母线与该相位调整电路之间的信号检测电路，用于检测接入母线电压及负载侧电压电流信息并反馈至相位调整电路；

3)串接于该相位调整电路与所述补偿变压器的次级绕组输出侧之间的采样电路，用于采集电容器(组)上的电压信号，并反馈至所述相位调整电路。

上述相位调整电路，包括有依次相连的整流电路、脉宽调制移相逆变电路、高频变压电路及滤波输出电路；所述整流电路的输入端接工作电源，所述滤波输出电路的输出端接至所述补偿变压器的初级绕组；所述脉宽调制移相逆变电路还与前述信号检测电路及采样电路的输出端相连。

本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置，其供电电源及所述相位调整电路工作电源可为单相或三相交流电源，所述电容器组采用Δ或Y连接。

如果母线谐波较大，还可在该并联电容器(组)的支路中，即在母线、补偿变压器次级绕组、及电容器(组)所形成的支路中，串联接入电抗器。

由上面分析可知，本发明无功功率补偿装置及方法可实现无级补偿，并且，调节精度高、应变迅速、效率高，补偿效果好，适用于现有电网所有电压等级及变电站、电气化铁路等各种场合。

附图说明

图1是本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置的一个实施例的电路原理图。

图2是本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置相位调整电路的一个实施例的电路框图。

图3是 

与 间相位角为Φ时，接入母线上电压 输出电压 

与补偿电压 间的矢量关系图。

图4是 

与 同相位时，接入母线上电压 输出电压 

与补偿电压 的矢量关系图。

图5是 

与 反相位时，接入母线上电压 输出电压 

与补偿电压 的矢量关系图。

图6是随着相位角为Φ变化时，接入母线上电压 输出电压 

与补偿电压 的矢量关系变化图。

附图标记说明：

-接入母线上的电压 -电容器组两端电压

-补偿变压器次级绕组两端电压(简称为“补偿电压”)        T-补偿变压器

Q_初-补偿变压器T的初级绕组            Q_次-补偿变压器T的次级绕组

具体实施方式

以下结合附图对本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置及其补偿方法作进一步的说明。

如图1所示，本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置，包括有补偿变压器及其控制电路、电容器组；所述补偿变压器T的次级绕组Q_次串接于接入母线与电容器组之间；补偿变压器的初级绕组Q_初接至控制电路的输出端；

控制电路包括有：

配接有工作电源的相位调整电路：用于输出相位可调整的正弦波移相电压；

串接于接入母线与该相位调整电路之间的信号检测电路：用于检测接入母线电压 

及负载侧电压电流信息并反馈至相位调整电路；

串接于该相位调整电路与所述补偿变压器的次级绕组输出侧之间的采样电路：用于采集电容器上的电压U_C信号，并反馈至所述相位调整电路；

所述补偿变压器的初级绕组Q_初接至该相位调整电路的输出端。

图2是相位调整电路的一个电路示意框图。如图所示，该相位调整电路配接有工作电源，包括有依次相连的整流电路、脉宽调制移相逆变电路、高频变压电路及滤波输出电路；所述整流电路的输入端接工作电源，所述滤波电路的输出端接至所述补偿变压器的初级绕组；所述脉宽调制移相逆变电路还与前述信号检测电路及采样电路的输出端相连。

整流电路，用于实现将工作电源的AC/DC变换；

脉宽调制移相逆变电路，包括DC/AC转换电路及脉宽调制移相信号产生电路；脉宽调制移相信号产生电路，用于产生脉宽调制信号(PWM)，并用于控制波形为正弦波的所述AC电压；其中PWM信号产生部分包括有相位调节部分，所述相位调节部分可根据采样电路及信号检测电路中获得的输出输入电压相位信息与目标电压值进行比较，将所述PWM信号相对于接入母线上的电压 

的相位进行移相调节。

高频变压电路及滤波输出电路，用于将从脉宽调制移相逆变电路输出的、与接入母线电压同频率的SPWM波转换为正弦波后输出至补偿变压器的初级绕组Q_初。

各部分电力电子电路均有现有技术可以借鉴，在此不再详述。

本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置，其供电电源及所述相位调整电路工作电源可为单相或三相交流电源，所述电容器组采用Δ或Y连接。

使用时，将本发明无级快速相控无功功率动态补偿装置与负载并联接入电网：

1)信号检测电路对接入母线上的电压 负载侧电压电流信号进行检测采样；

2)计算出负载侧功率因数和无功功率缺额，推算出并联电容器组的无功补偿量；

3)根据无功功率 $Q=\sqrt{3}{U}_C{I}_C=\sqrt{3}{U_C}^2/X_C,$ 计算出电容器组两端的目标电压，并根据电容器组两端及串接于接入母线与电容器组之间的补偿变压器次级绕组两端的实时电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值；

4)信号检测电路对接入母线侧的电压相位进行检测；采样电路对电容器组两端的电压U_C进行采样；

5)控制电路中的整流电路对所配交流工作电源进行整流，然后进行脉宽调制移相逆变，其移相值取为前述算出的补偿变压器次级绕组两端的相位调整值；

6)经高频变压、滤波后输出与母线同频的正弦波移相电压至补偿变压器初级绕组两端。

7)通过补偿变压器初次级绕组耦合，在补偿变压器次级绕组的两端获得所需的补偿电压 

8)该补偿电压 与母线电压 

矢量叠加的结果，即在电容器组两端获得所需的目标电压 

同时产生所需的无功功率补偿量。

由以上无功功率补偿工作过程分析可知，电容器组上的电压随补偿变压器初级绕组两端的电压相位而变化，连带使得并联电容器的无功功率补偿量也跟随变化。通过控制电路调整补偿变压器初级绕组两端的电压相位，即在补偿变压器次级绕组的两端获得所需的补偿电压 并产生所需的无功功率补偿。

与 间相位角为Φ时，输入电压 输出电压 

与补偿电压 间的矢量关系图如图3所示。由图可知，调节 与 

间的相位角Φ，可以达到等效补偿电压从-ΔU到+ΔU的平滑调节。

其两个特例、 

与 同相位及反相位时的输入电压 输出电压 

与补偿电压 的矢量关系图如图4和图5所示，分别对应无功补偿两个极值时的情形。

图6是 

与 幅值均保持不变的情形下，随着相位角Φ变化时，输入电压 输出电压 

与补偿电压 的矢量关系变化示意图。如图，在特定相位角θ和-θ时， 

与 

在幅值上完全相等，而 

超前或滞后 

角。

此外，如果母线谐波较大时，还可在该并联电容器(组)的支路中，即在母线、补偿变压器次级绕组、及电容器(组)所形成的支路中，串联接入电抗器。

Claims (8)

1.无级快速相控无功功率动态补偿方法，采用并联电容器的方式进行补偿，包括如下步骤：

对接入母线上的负载侧电压、电流信号进行采样；

计算出负载侧功率因数和无功功率缺额，推算出并联电容器的无功补偿量；

其特征在于，还包括有如下步骤：

计算出电容器两端的目标电压，并根据电容器两端及串接于接入母线与电容器之间的补偿变压器次级绕组两端的实时电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值；

通过控制电路调整补偿变压器初级绕组两端的电压相位，在补偿变压器次级绕组的两端获得所需的补偿电压；

该补偿电压与母线电压相量叠加的结果，即在并联电容器上获得所需的目标电压，同时产生所需的无功功率补偿量。

2.根据权利要求1所述的无级快速相控无功功率动态补偿方法，其特征在于，所述根据电容器两端及串接于接入母线与电容器之间的补偿变压器次级绕组两端的实时电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值，及，通过控制电路调整补偿变压器初级绕组两端的电压相位的方法为：

对补偿变压器次级绕组的接入母线侧的电压相位进行检测；

对补偿变压器次级绕组的输出侧的电压值进行采样；

结合前述算得的电容器两端的目标电压，计算出补偿变压器次级绕组两端的目标电压相位及其相位调整值；

对补偿变压器初级绕组两端所接的控制电路的工作电源进行整流，然后进行脉宽调制移相逆变，其移相值取为前述算出的补偿变压器次级绕组两端的相位调整值；

经高频变压、滤波后输出与母线同频的正弦波移相电压。

3.根据权利要求1或2所述的无级快速相控无功功率动态补偿方法，其特征在于：所述电容器包括电容器组，采用Δ或Y连接。

4.根据权利要求1或2所述的无级快速相控无功功率动态补偿方法，其特征在于：在母线、补偿变压器次级绕组、及电容器所形成的支路中，串联有电抗器。

5.无级快速相控无功功率动态补偿装置，包括有控制电路，以及电容器，其特征在于：还包括有补偿变压器；所述补偿变压器的次级绕组串接于接入母线与电容器之间；补偿变压器的初级绕组接至控制电路的输出端；

控制电路包括有：

1)配接有工作电源的相位调整电路，用于输出相位可调整的正弦波移相电压；所述补偿变压器的初级绕组接至该相位调整电路的输出端；

2)串接于接入母线与该相位调整电路之间的信号检测电路，用于检测接入母线电压及负载侧电压电流信息并反馈至相位调整电路；

3)串接于该相位调整电路与所述补偿变压器的次级绕组输出侧之间的采样电路，用于采集电容器上的电压信号，并反馈至所述相位调整电路。

6.根据权利要求5所述的无级快速相控无功功率动态补偿装置，其特征在于：所述相位调整电路包括有依次相连的整流电路、脉宽调制移相逆变电路、高频变压电路及滤波输出电路；所述整流电路的输入端接工作电源，所述滤波输出电路的输出端接至所述补偿变压器的初级绕组；

所述脉宽调制移相逆变电路还与前述信号检测电路及采样电路的输出端相连。

7.根据权利要求5或6所述的无级快速相控无功功率动态补偿装置，其特征在于：所述电容器包括电容器组，采用Δ或Y连接。

8.根据权利要求5或6所述的无级快速相控无功功率动态补偿装置，其特征在于：在母线、补偿变压器次级绕组、及电容器所形成的支路中，串联有电抗器。

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