CN102055193A - 基于可控电抗器的静态无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于可控电抗器的静态无功补偿装置，它由固定可投切电容器(I)支路、可控电抗器(II)支路、微机控制器(III)、测量单元(IV)、可控硅整流电路(V)组成，固定可投切电容器支路与可控电抗器支路相并联，固定可投切电容器支路采用固定铁芯电抗器与电容器串联组成，该支路通常为一到两个支路并联，可控电抗器支路由三相磁阀式磁控电抗器与三相固定铁心电抗器的串联组成，固定铁芯电抗器采用三相三柱铁心加气隙结构，磁阀式磁控电抗器采用三相六柱铁芯结构，可控电抗器支路三相采用三角形连接方式，固定可投切电容器支路采用三相星形连接方式。

Description

基于可控电抗器的静态无功补偿装置

技术领域

本发明属于无功补偿领域、具体涉及一种基于可控电抗器的静态无功补偿装置。

背景技术

可控电抗器的研究起始于上世纪50年代，相继出现了调匝式可控电抗器、调气隙式可控电抗器，但调匝式可控电抗器与调气隙式可控电抗器的调节速度慢，其应用范围受到限制，随着晶闸管等电力电子器件的发展，又相继出现了晶闸管控制电抗器型(TCR)可控电抗器、晶闸管控制变压器型可控电抗器(TCT)，这两种电抗器都是交流磁通控制型可控电抗器，通过改变交流电流的通断间隔来调节电抗器的容量，在交流控制型磁控电抗器出现的同时也相继出现了一些直流控制型磁控电抗器，如磁饱和电抗器、磁阀式可控电抗器，磁饱和电抗器由于其设计结构的缺陷造成其谐波电流较大，故限制了其应用，磁阀式电抗器通常用作并联可控电抗器用于静止无功补偿，但目前的磁阀式可控电抗器的制造成本过高，限制了其广泛应用。

可控电抗器的应用领域主要在于电力系统的无功补偿及滤波装置中，它通常采用可控电抗器与固定电容器相并联的方式，通过改变可控电抗器的感性电流进而平滑调节整套装置输出的容性电流，虽然也有其它形式的静态无功补偿装置(如ASVG无功发生器、基于APFC的低压无功补偿装置)，但这些采用可关断器件的静态无功补偿装置由于其造价高、安全性能差，很难在电力部门推广应用。

本发明将提出一种将调压式磁控电抗器和三相固定电抗器串联构成的可控电抗器结构，通过调压式磁控电抗器改变三相固定电抗器两端电压，进而改变整个可控电抗器的工作电抗，从而调节可控电抗器的输出电流，将该可控电抗器支路与固定可投切电容器支路并联即构成一种新型的高压静态无功补偿装置。

发明内容

本发明提出了一种基于可控电抗器的静态无功补偿装置，它由固定可投切电容器(I)支路、可控电抗器(II)支路、微机控制器(III)、测量单元(IV)、可控硅整流电路(V)组成，固定可投切电容器支路与可控电抗器支路相并联，固定可投切电容器支路采用固定铁芯电抗器与电容器串联组成，该支路通常为一到两个支路并联，可控电抗器支路由三相磁阀式磁控电抗器与三相固定铁心电抗器的串联组成，固定铁芯电抗器采用三相三柱铁心加气隙结构，磁阀式磁控电抗器采用三相六柱铁芯结构，每个铁心柱上都含有截面积缩小的部分(磁阀)，可控电抗器支路三相采用三角形连接方式，固定可投切电容器支路采用三相星形连接方式，测量单元取电网的电压及电流信号，该信号转换后送入微机控制器，微机控制器根据控制规律发出调整可控电抗器支路中可控硅整流电路的晶闸管触发脉冲，进而调整可控电抗器支路的感性无功电流。

该基于可控电抗器的静态无功补偿装置的可控电抗器支路的三相磁阀式磁控电抗器的六个铁芯柱采用完全相同的结构，其每个铁芯柱上的磁阀采用分布式磁阀构成，即每个铁芯柱上含有至少一个以上磁阀。

该基于可控电抗器的静态无功补偿装置的可控电抗器支路的三相固定铁心电抗器为油浸式结构固定电抗器。

该基于可控电抗器的静态无功补偿装置的固定可投切电容器支路的固定铁心电抗器采用干式三相铁芯电抗器。

该基于可控电抗器的静态无功补偿装置在固定可投切电容器支路与可控电抗器支路发生并联谐振时，微机控制器会自动调整器脉冲触发角，改变可控，从而避免并联谐振的发生。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出的基于可控电抗器的静态无功补偿装置的可控电抗器支路由磁阀式磁控电抗器与固定铁芯电抗器两部分串联连接而成，磁阀式磁控电抗器与固定铁芯电抗器共同承担着系统电压。

2、本发明提出的基于可控电抗器的静态无功补偿装置的可控电抗器支路的容量由磁阀式磁控电抗器与固定铁芯电抗器两部分共同承担，由于铁芯固定电抗器得成本较低，因此降低了可控电抗器支路的制造成本。

3、本发明提出的基于可控电抗器的静态无功补偿装置的可控电抗器支路的磁控电抗器虽然容量有所减小，但总体控制容量并不减小，因为磁阀式磁控电抗器不加直流控制电流时，空载容量大部分由磁阀式磁控电抗器承担，加较大直流控制电流时，额定容量大部分由固定铁芯电抗器承担。

附图说明

图1为本发明的基于可控电抗器的静态无功补偿装置的单相电路结构；

图2为本发明的基于可控电抗器的静态无功补偿装置中的可控电抗器支路的绕组连接方式；

图3为本发明的基于可控电抗器的静态无功补偿装置中的三相六柱磁阀式电抗器的铁芯结构；

图4为本发明的基于可控电抗器的静态无功补偿装置中的整体结构框图；

具体实施方式

图1所示的基于可控电抗器的静态无功补偿装置单相电路结构中，固定可投切电容支路由无功补偿电容器与干式固定铁芯电抗器串联组成，该支路中的干式固定铁芯电抗器铁芯柱上留有气隙，以防止铁芯饱和，该电抗值通常其该支路电容容量值的6％或13％，对于不需要滤波的场合通常采用一个固定电容支路，对于需要进行滤波的场合一般要求配置两个以上的电容支路，每个支路对于一个特定次谐波进行无源调谐滤波，可控电抗器支路的每相采用磁阀式磁控电抗器与固定铁芯电抗器组成，固定铁芯电抗器为采用三相三柱铁芯结构的油浸式电抗器，磁阀式磁控电抗器采用三相六柱式铁芯结构，每两个相邻铁芯柱上的绕组交叉连接形成三相中的一相，由于固定可投切电容支路输出的为固定的容性电流，而可控电抗器支路输出的是根据需要可以调节的感性电流，该支路的感性电流与电容支路的固定容性电流相加输出的即为可控的用于静态无功补偿的容性电流，设每相电容值为C，与电容串联电抗的百分比为η，可控电抗器支路的每相电流为I_L，则每相的补偿容量为Q＝(1-η)CU_p ²-I_LU_p。

在图2所示的基于可控电抗器的静态无功补偿装置中可控电抗器支路的绕组连接方式中，三相磁阀式磁控电抗器的六个铁芯柱的两个相邻柱上的绕组交叉连接组成三相中的一相，每个铁芯柱上的绕组分上下两部分，每部分上都留有引出抽头，上、下两部分的引出抽头上连接着晶闸管，同一相两个铁芯柱上绕组引出抽头连接的晶闸管的极性相反，这两个晶闸管与该相铁芯柱上的绕组产生电动势构成单相可控全波整流电流，改变晶闸管的触发角即可调整绕组中流过的直流控制电流，该直流控制电流在工作绕组中与交流工作电流相加，但不流入系统，因此，不需要另设专门的直流控制绕组，这样，六个铁芯柱上的三相绕组便构成了三相磁控电抗器的完整绕组；三相六柱磁阀式磁控电抗器的每相绕组再与一个三相三柱式铁芯固定电抗器的一相绕组相串联构成可控电抗器支路的一相，可控电抗器的三相采用三角形连接方式以减小可控电抗器支路产生的谐波电流；设可控电抗器支路流过的电流为I_L，则其中的固定电抗器压降为ωLI_L，其磁控电抗器压降为U-ωLI_L，磁控电抗器的电抗为(U-ωLI_L)/I_L，取额定容量时磁控电抗器的电压降为10％电网电压，则可控电抗器支路的额定电流为I_N＝0.9U/ωL，该电流即为磁控电抗器的额定电流，设此时对应额定电流的晶闸管的触发角为180°，取晶闸管触发角α为0时磁控电抗器的电压降为85％额定电压，则可控电抗器支路的空载电流为I₀＝0.15U/ωL，则当晶闸管的触发角为α，铁芯饱和度β与支路电流I_L的关系式为I_L＝I₀+I_N*(β-sinβ)/2π，铁芯饱和度与晶闸管的触发角关系为

由以上关系式即可求出对应晶闸管的触发角α时的电流。

图3所示的基于可控电抗器的静态无功补偿装置中的三相六柱磁阀式磁控电抗器的铁芯结构中，六个铁芯柱采用完全相同的铁芯结构，其中从左到右1、2铁芯柱构成A相磁控电抗器铁芯，3、4铁芯柱构成B相磁控电抗器铁芯，5、6铁芯柱构成C相磁控电抗器铁芯，上、下磁轭采用与铁芯柱主截面相同的铁芯截面积，每个铁芯柱上都含有几个截面积较小的段(称为磁阀)，磁阀的截面积选择及磁阀高度的确定取决于电抗器的容量大小，六个铁芯柱上的磁阀个数、每个磁阀面积都完全相同。设每柱铁芯的磁阀高度为L，磁阀宽度为δ，当磁阀式磁控电抗器工作绕组中通过的电流为i时，由于磁阀部位的磁阻远大于铁芯的磁阻，根据安倍环路定律可得，Ni＝HL，因此有H＝Ni/L，设所选择铁芯材料的磁化曲线为B＝f(H)，则磁阀磁密为

B阀＝f(Ni/L)

设磁阀面积为A δ，铁芯面积为A，则铁芯磁通为

Ф＝A δ·B阀+k·(A-A δ)μ₀H

＝A δ·f(Ni/L)+k·(A-Aδ)μ₀·Ni/L

式中，k为气隙影响系数，当阀柱比为1∶4时可近似取值为1.2，所以磁阀式磁控电抗器产生的感应电动势为

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{A\δ}\·\frac{\mathrm{df}(\mathrm{Ni}/L)}{\mathrm{dt}}+K(A-\mathrm{A\δ}){\mathrm{\μ}}_{0}N/L\·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

上式中第一项为磁性材料磁化曲线所决定的非线性项，第二项为空气所决定的线性项，由于磁阀式磁控电抗器的感应电动势近似等于其两端电压降，因此其磁阀大小与宽度的确定可由下式求出：

$0.85U=\mathrm{A\δ}\·\frac{\mathrm{df}({\mathrm{Ni}}_0/L)}{\mathrm{dt}}+K(A-\mathrm{A\δ}){\mathrm{\μ}}_{0}N/L\·\frac{{\mathrm{di}}_0}{\mathrm{dt}}$

图4所示的基于可控电抗器的静态无功补偿装置的整体结构框图中，其测量单元包括测量10KV母线进线电流的电流互感器CT及测量母线电压的电压互感器PT，测量单元CT及PT的输出信号引入微机控制器(III)，在微机控制器内进行模拟/数字信号转换，微机控制器根据测量信号算出需要补偿的无功量，并将该无功量转换为触发可控硅整流电路(V)晶闸管(该晶闸管即图2所示的连接在磁控电抗器本体上晶闸管)的触发角，通过改变晶闸管触发角的大小即可改变可控整流电路输出的直流控制电流的大小，从而改变可控电抗器支路的磁控电抗器两端的电压大小，进而改变可控电抗器器支路输出的无功电流。通过与固定可投切电容器(I)支路输出的容性无功电流相加，即可达到静态无功补偿装置的平滑补偿效果。

Claims (5)

1.一种基于可控电抗器的静态无功补偿装置，其特征在于，它由固定可投切电容器(I)支路、可控电抗器(II)支路、微机控制器(III)、测量单元(IV)、可控硅整流电路(V)组成，固定可投切电容器支路与可控电抗器支路相并联，固定可投切电容器支路采用固定铁芯电抗器与电容器串联组成，该支路通常为一到两个支路并联，可控电抗器支路由三相磁阀式磁控电抗器与三相固定铁心电抗器的串联组成，固定铁芯电抗器采用三相三柱铁心加气隙结构，磁阀式磁控电抗器采用三相六柱铁芯结构，每个铁心柱上都含有截面积缩小的部分(磁阀)，可控电抗器支路三相采用三角形连接方式，固定可投切电容器支路采用三相星形连接方式，测量单元取电网的电压及电流信号，该信号转换后送入微机控制器，微机控制器根据控制规律发出调整可控电抗器支路中可控硅整流电路的晶闸管触发脉冲，进而调整可控电抗器支路的感性无功电流。

2.如权利要求1所述的基于可控电抗器的静态无功补偿装置，其特征在于，其可控电抗器支路的三相磁阀式磁控电抗器的六个铁芯柱采用完全相同的结构，其每个铁芯柱上的磁阀采用分布式磁阀构成，即每个铁芯柱上含有至少一个以上磁阀。

3.如权利要求1所述的基于可控电抗器的静态无功补偿装置，其特征在于，其可控电抗器支路的三相固定铁心电抗器为油浸式结构固定电抗器。

4.如权利要求1所述的基于可控电抗器的静态无功补偿装置，其特征在于，其固定可投切电容器支路的固定铁心电抗器采用干式三相铁芯电抗器。

5.如权利要求1所述的基于可控电抗器的静态无功补偿装置，其特征在于，在固定可投切电容器支路与可控电抗器支路发生并联谐振时，微机控制器会自动调整器脉冲触发角，改变可控电抗器支路的电抗，从而避免并联谐振的发生。

Images