CN102227085A - Lc调谐式静止无功发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LC调谐式静止无功发生器，属于无功补偿与调控技术领域。为了使电容器的容量连续平滑的变化和可调电抗器的输出波形不畸变，采用线性电抗器与电容器进行串、并联混合调谐的同时又组成了具有谐波治理能力的低通滤波器，对调控电流中的高次谐波旁路、扼制，实现了感性电流对容性谐振电流此大彼小、此小彼大的调控。无论是感性还是容性状态，输出电流都是连续平滑的变化，而且始终是正弦波。其只为容性状态时可以对系统进行可控的串、并联补偿；其在两种状态之间互相快速转变时可以成为动态无功补偿器(SVC)和静止调相器；还可以成为潮流控制器。

Description

LC调谐式静止无功发生器

技术领域

本发明涉及一种LC调谐式静止无功发生器，属于无功补偿与调控技术领域。

背景技术

在感性无功发生器的现有技术中，常见的有两种。其中一种是比较原始的、以直流电流控制铁芯饱和度而进行交流调控的饱和电抗器。另一种是采用晶闸管控制线性电抗器制成的等效电抗器(TCR)。这两种电抗器输出的波形都不是正弦波，其三次谐波尤为明显，一般不适合对波形有要求的负载和场合。并且伴有高次谐波产生，以传导、幅射的方式对电力系统以及周边环境与电子电器仪器、设备构成电磁污染与干扰。为此，工程上通常要为其配置专用滤波器。为了减小谐波功率，出现一种采用几个并联的电子开关各与线性电抗器串联(TSR)后和等效电抗器(TCR)并联、以开关投切电抗器与等效电抗器的线性精调相配合实施综合调控的设计。其不但开关和电抗器的用量成倍增多而使材料成本升高，而且开关投切时电流的变化为阶梯式。

在容性无功发生器的现有技术中，常见的也可以分为两种。其中一种是作为并联补偿(通常是用来进行功率因数补偿)、串联补偿使用的电容器组，基本都是以开关对彼此并联或彼此串联的电容器进行投切，其补偿度必然是阶梯式有级变化。不但补偿精度受到限制，由于存在开关，其可靠性和使用寿命也受到影响，并由此增加了维护、检修工作量和运行成本。另一种是作为动态无功补偿(SVC)使用的LC并联调谐系统，既以固定接入的电容器与等效电抗器并联(TCR+FC)或以电子开关对电容器进行投切与等效电抗器并联(TCR+TSC)。虽然前者的输出电流为连续平滑变化，但是，由于电容器回路电流不可控，若使输出电流减小，就要求感性并联回路(TCR)提供较大的电流，特别是需要吸收无功功率时，感性回路(TCR)电流必须大于电容器回路电流，不但增大了(TCR)容量而使成本升高，而且损耗、谐波功率也随之增大。后者的容性回路电流在开关控制下虽然可以减小，但是，由于是用开关对电容器投切，该回路电流和输出电流并不是连续平滑变化。由于存在(TCR)，既使配置专用滤波器，输出波形也不是正弦波。电压等级高的，需要多只晶闸管串接成组合阀，并且还需配套冷却水系统，因而使材料成本升高。

在输出波形正弦化并且连续平滑调控方面，中国发明专利申请公开了几种技术方案。其中一种(公开号：CN.1588745A)方案是采用脉宽调制(PWM)式等效电抗器与固定接入的电容器(FC)配合接于降压变压器二次各回路，虽然可以实现波形的正弦化和连续平滑调控，但是却增添了变压器而使成本升高，由于电容器是固定接入，仍然存在损耗大的问题。另一种(公开号：CN.1601846A)虽然无需降压变压器，并且实现了平滑的连续调控，但是其只能输出容性无功，而且电容器同样是固定接入，损耗大的问题依然存在。再有一种(公开号：CN.101252282A)虽然实现了连续平滑的调控，并且可以分别输出容性、感性无功，但是其采用有触点开关对电容器和电抗器进行投切转换，不但切换时间相对较慢，由于存在开关，也影响可靠性和使用寿命。

发明内容

本发明的目地是要提供一种结构、线路简单，成本低、可靠性高、损耗小，输出电流连续平滑的无级变化、波形连续完整、符合电磁兼容标准的静止无功发生器。

发明内容一

本交流调控的LC调谐式静止无功发生器，由线性电抗器、电容器和可调电抗器等部分组成，其特征是：线性电抗器的一端与电容器的一端相连接，串接成对于三次谐波线性电抗的感抗等于电容器容抗的LC串联回路。可调电抗器的两端分别与LC串联回路的两端相连接，与其组成并联调谐回路。另一个线性电抗器的一端与并联调谐回路的一端相连接，既与其串接成串、并联混合调谐回路，又与LC串联回路组成了低通滤波器，并且成为并联调谐回路的总回路。可调电抗器的感性调控电流从最小值开始线性增大时，迫使LC串联回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，波形畸变的感性调控电流经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。感性调控电流刚开始增大时还小于容性正弦谐振电流，相位相反的两种电流在总回路的代数和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小。当感性调控电流增大到与容性谐振电流大小相等时，两种电流在总回路的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性调控电流增大到大于容性谐振电流时，两种电流在总回路的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。当感性调控电流开始线性减小时，LC串联回路的容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流。当感性调控电流增大到等于容性谐振电流时就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化。当感性电流减小到等于容性谐振电流时就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

发明内容二

本直流调控的LC调谐式静止无功发生器，由饱和电抗器、电容器和线性电抗器等部分组成，其特征是：饱和电抗器的两个交流绕组分别由主绕组和付绕组组成，两个主绕组彼此以串联或并联的方式互相连接，成为一次回路。两个付绕组同样以串联或并联的方式互相连接，其两端分别与由电容器和线性电抗器串接成的、对于三次谐波电容器的容抗等于线性电抗器感抗的LC串联器件的两端相连接，成为与一次回路相隔离的二次闭合回路。另一个线性电抗器的一端与一次回路的一端相连接，既与其串接成调谐式主回路，又与LC串联器件共同构成了低通滤波器。饱和电抗器直流绕组上的调控电流从零开始线性增大时，二次闭合回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，一次回路容性正弦电流随之线性减小的同时、波形畸变的感性电流从最小值开始线性增大，经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。感性电流刚开始增大时还小于容性谐振电流，主回路中相位相反的两种电流的代数和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小。当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，主回路中两种电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性电流增大到大于容性谐振电流时，主回路中两种电流的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。饱和电抗器直流绕组上的调控电流从最大值开始线性减小到零时，感性电流开始线性减小，容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流。当感性电流增大到等于容性谐振电流时直流调控电流就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化。当感性电流减小到等于容性谐振电流时直流调控电流就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

发明内容三

本直流调控的LC调谐式静止无功发生器，由饱和电抗器、电容器和线性电抗器等部分组成，其特征是：饱和电抗器的两个交流绕组分别具有中间抽头，两个中间抽头同一侧的两个绕组彼此以串联或并联的方式互相连接，成为变性回路。两个中间抽头另一侧两个绕组的两端分别与由电容器和线性电抗器串接成的、对于三次谐波电容器的容抗等于线性电抗器感抗的LC串联器件的两端相连接，成为与变性回路反相并联的串联回路。另一个线性电抗器的一端与其中一个交流绕组的中间抽头相连接，既与两个回路串接成串、并联混合调谐回路，又与LC串联器件组成了低通滤波器，并且成为两个回路的总回路。饱和电抗器直流绕组上的调控电流从零开始线性增大时，LC串联回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，变性回路的容性电流随之线性减小的同时、波形畸变的感性电流从最小值开始线性增大，经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。变性回路的感性电流刚开始增大时还小于本回路的容性电流，相位相反的两种电流的代数和还是容性，总回路中相位相同的两个回路电流的算术和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小。变性回路的感性电流增大到大于本回路的容性电流时，该回路的电流从容性变成感性，但是还小于LC串联回路的容性谐振电流，总回路中相位相反的两个回路电流的代数和还是容性，输出电流继续线性减小。当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，总回路中两个回路电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性电流增大到大于容性谐振电流时，总回路中两个回路电流的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。饱和电抗器直流绕组的调控电流从最大值开始线性减小到零时，变性回路的感性电流开始线性减小，LC串联回路的容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流。当感性电流增大到等于容性谐振电流时直流调控电流就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化。当感性电流减小到等于容性谐振电流时直流调控电流就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

由于本发明的几种无功发生器采用了LC串、并联混合调谐的方案，既线性电抗器既与电容器串联而产生容性正弦谐振电流、又与其组成了具有谐波治理能力的低通滤波器而对感性电流中的高次谐波进行旁路、扼制，具有这样的特点与效果：

1、无论是容性还是感性状态，输出电流都是连续平滑的线性变化，因而既提高了补偿、调控精度，又不易引发振荡而有利于系统稳定。

2、输出电流的波形是连续完整的正弦波，因而无需配置专用滤波器，既消除了电磁污染与干扰，又简化了装置、降低了成本。

3、感性电流与容性电流此大彼小、此小彼大的变化，因而减小了感性调控回路的容量和损耗，既又有利于降损节能，又降低了成本。

4、饱和电抗器式无功发生器的主回路既无开关又无电力电子器件，不但具有极高的可靠性和使用寿命，而且由于不存在器件的串、并联和为其配套的冷却水系统，既简化了装置，又降低了材料成本。

5、根据需要，既可以只为容性或感性，又可以两者兼备、在两种状态之间互相快速转变，因而扩大了应用范围。

附图说明

下面结合附图对本发明的几种调谐式静止无功发生器作进一步的说明。

图1是第一种技术方案的单相(或三相中一相)接线原理图。

图2是第二种技术方案的单相(或三相中一相)接线原理示意图。

图3是第三种技术方案的单相(或三相中一相)接线原理示意图。

图4是如上三种技术方案感性电流(I_L)与容性电流(I_C)彼此同时变化的暂态矢量图，其中(a)为I_C＞I_L、(b)为I_C＝I_L、(c)为I_C＜I_L。

附图说明一

图1所示的LC调谐式静止无功发生器由线性电抗器(L)、电容器(C)和可调电抗器(TK)等部分组成。线性电抗器(L_b)的一端与电容器(C)的一端相连接，串接成对于基波电容器(C)的容抗(1/ωC)大于电抗器(L_b)的感抗(ωL)、对于三次谐波其容抗(1/ωC)等于感抗(ωL)的(L_bC)串联回路。可调电抗器(TK)的两端分别与(L_bC)串联回路的两端相连接，与其组成并联调谐回路。另一个线性电抗器(L_a)的一端与并联调谐回路的一端相连接，既与并联调谐回路串接成串、并联混合调谐回路，又与(L_bC)串联回路组成了具有谐波治理能力的低通滤波器，并且成为并联调谐回路的总回路。

本LC调谐式静止无功发生器是这样工作的：其两端接入交流电源，可调电抗器(TK)的感性调控电流为固定不变的最小值时，线性电抗器(L_a)与电容器(C)组成串联回路。由线性电抗器(L_a)与电容器(C)参数决定，既线性电抗器(L_a)的感抗(ωL)小于电容器(C)的容抗(1/ωC)，(L_aC)串联回路处于准谐振状态(根据串联谐振的定义和条件，(ωL)＝(1/ωC)时是真正的谐振，而这里两者不相等，故称之为准谐振)。谐振电流的性质和大小则由式：U/(ωL-1/ωC)决定，式中U为电源电压，(ωL)为线性电抗器(L_a)的感抗，(1/ωC)为电容器(C)的容抗。(ωL)＜(1/ωC)时，谐振回路的阻抗为容性，谐振电流即为容性。(L_aC)的参数设定合适时，谐振电流的波形为正弦波。这时，(L_aC)串联回路产生较大的、相对恒定的容性正弦谐振电流。总回路中的电流为该电流与可调电抗器(TK)感性最小电流的代数和。

可调电抗器(TK)的调控电流从最小值开始线性增大时，其等效L值开始线性减小，迫使与其并联的(L_bC)串联回路两端的谐振电压线性降低。虽然(L_bC)各自的参数并没有因此被改变，但是其与线性电抗器(L_a)串联谐振的容量却因此而减小，因而，(L_aC)串联回路的谐振电流开始线性减小。可调电抗器(TK)的感性畸变调控电流中幅值最大的三次谐波分量被与其并联的、对其呈零阻抗的(L_bC)串联回路旁路，其他幅值较小、频率更高的谐波分量则被总回路的线性电抗器(L_a)对其呈现的高感抗扼制而不能通过，畸变电流被低通滤波器如此治理后，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。总回路输出电流的性质和大小随之发生这样的变化：当可调电抗器(TK)的感性调控电流刚开始线性增大时，还小于线性减小的(L_bC)串联回路的容性谐振电流，相位相反的两个并联回路电流在总回路形成的代数和还是容性的正弦波，输出电流从最大值开始线性减小。当感性调控电流增大到与容性谐振电流大小相等时，两个回路电流在总回路形成的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性调控电流增大到大于容性谐振电流时，总回路中两个回路电流形成的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。

当可调电抗器(TK)的感性调控电流从最大值开始线性减小时，(L_bC)串联回路的容性谐振电流从最小值开始线性增大，刚开始时感性调控电流还大于容性谐振电流，两个回路电流在总回路的代数和还是感性的正弦波，输出电流从最大值开始线性减小。当感性调控电流减小到与容性谐振电流大小相等时，两个电流在总回路的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性调控电流减小到小于容性谐振电流时，输出电流变成线性增大的容性正弦波。

当把感性调控电流增大到等于容性谐振电流时的电流设定为最大值，其线性变化时，输出电流只在容性状态下线性变化。当把感性调控电流线性减小到等于容性谐振电流时的电流设定为最小值，其线性变化时，输出电流只在感性状态下线性变化。

当线性电抗器(L_a)具有铁芯、其绕组设有中间抽头时，该抽头与绕组另一端之间的这部分绕组串接于系统，由此组成了综合静止调控器。无功发生器电流的大小与性质受控发生改变时，串接于系统的那部分绕组两端的电压和相位随之发生变化，因而系统的有功电压和相位以及无功功率同时被调控。

具体实施方式

铁芯式线性电抗器参数：L_a为76mH，基波感抗(ωL)值为23.8Ω。L_b为28mH，三次谐波的感抗(ωL)值为26.4Ω。电容器参数：40μF/450V交流电容器一个，基波容抗(1/ωC)为80Ω，三次谐波容抗(1/ωC)为26.5Ω。可调电抗器为两种：一、线性电抗器的L值110mH，与工作在相控状态的晶闸管(型号为BTA16/600)串接成等效电感器。二、饱和电抗器的两个交流绕组同为220V，以串联方式互相连接。按图1所示的接线原理图进行连接，接于220V交流电源，分别以如上两种可调电抗感器进行调控。可调电抗器电流从下限的0.20A线性增大到上限的4.80A时，(L_bC)串联回路的容性谐振电流从最大值3.80A线性减小到2.10A，总回路输出的容性正弦电流从最大值3.80A线性减小，减小到0.20时变成电阻性，然后变成感性，线性增大到2.50A。感性调控电流从4.80A线性减小到0.20A时，(L_bC)串联回路的容性谐振电流从2.10A线性增大到3.80A，总回路输出的感性电流从2.50A开始线性减小，减小到0.20A时变成电阻性，然后又变成容性正弦电流，线性增大到3.80A.

附图说明二

图2所示的LC调谐式静止无功发生器由饱和电抗器(BH)、电容器(C)和线性电抗器(L)等部分组成。饱和电抗器(BH)的两个交流绕组(N₁、N₂)分别由主绕组(N_1a、N_2a)和付绕组(N_1b、N_2b)组成。两个主绕组(N_1a、N_2a)彼此以串联或并联方式互相连接(示意图为串联连接方式)，成为一次回路。两个付绕组(N_1b、N_2b)同样以串联或并联的方式互相连接(示意图也是串联连接方式)，其两端分别与由电容器(C)和线性电抗器(L_b)串接成的、对于基波电容器(C)的容抗(1/ωC)大于线性电抗器(L_b)的感抗(ωL)、对于三次谐波其容抗(1/ωC)等于线性电抗器(L_b)感抗(ωL)的(L_bC)串联器件的两端相连接，成为与一次回路相隔离的二次闭合回路。另一个线性电抗器(L_a)的一端与一次回路绕组的一端相连接，一方面与一次回路串接成受直接电流调控的调谐式主回路，另一方面与二次回路(L_bC)构成了具有谐波治理能力的低通滤波器。

本LC调谐式静止无功发生器是这样工作的：其两端接入交流电源，饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)为零时，一次回路绕组(N_1a、N_2a)的感抗最大，其与二次闭合回路绕组(N_1b、N_2b)的偶合系数(K)等于1。线性电抗器(L_a)与二次闭合回路的(L_bC)等效于直接串联，相当于一个(L_aC)串联回路。由(L_aC)参数决定，既线性电抗器(L_a)的感抗(ωL)小于电容器(C)的容抗(1/ωC)，该(L_aC)串联回路处于准谐振(根据串联谐振的定义和条件，(ωL)＝(1/ωC)时是真正的谐振，而这里两者并不相等，故称之为准谐振)状态。谐振电流的性质和大小由式：U/(ωL-1/ωC)决定。式中U为电源电压，(ωL)为线性电抗器(L_a)的感抗，(1/ωC)为电容器(C)的容抗。(1/ωC)＞(ωL)时回路的谐振阻抗为容性，谐振电流即为容性。(L_aC)的参数设定合适，谐振电流的波形为正弦波。这时，二次闭合回路产生较大的、相对恒定的容性正弦谐振电流，主回路的电流为该谐振电流与一次回路绕组的感性空载电流的代数和。

饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)从零开始线性增大时，铁芯从浅到深的进入饱和区，其导磁率随之开始下降，一次回路绕组(N_1a、N_2a)的感抗和其与二次闭合回路绕组(N_1b、N_2b)的偶合系数(K)同时开始线性减小，致使电容器(C)串联谐振的参数和电流发生这样的变化：

1、电容器(C)的参数  电容器(C)是经过磁路以互感偶合的方式与电抗器(L_a)进行的等效串联，偶合系数(K)减小时，其与电抗器(L_a)串联的紧密程度从原来的等效直接串联开始降低。虽然其本身的实际容量并没有因此而改变，但是其串联谐振的容量却因偶合系数的减小而减小，串联谐振的阻抗随之增大。使二次闭合回路的容性正弦振电流线性减小，主回路的容性电流随之线性减小。

2、一次回路电流的波形  铁芯导磁率下降时，一次回路绕组(N_1a、N_2a)的感抗随之减小，该回路的感性畸变电流随即开始增大。畸变电流中幅值最大的三次谐波分量被二次闭合回路对其呈零阻抗的(L_bC)串联回路旁路，其他幅值较小、频率更高的谐波分量则被主回路的线性电抗器(L_a)对其呈现的高感抗扼制而不能通过，因而，畸变电流被低通滤波器如此治理后，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。

随着感性电流的线性增大和容性正弦谐振电流的线性减小，主回路输出电流的性质和大小发生这样的变化：

1、当感性电流刚开始线性增大时，还小于线性减小的容性谐振电流，这时，相位相反的两种电流在主回路形成的代数和还是容性的正弦波，输出电流从最大值开始线性减小。

2、当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，两种电流在主回路的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。

3、当感性电流增大到大于容性谐振电流时，主回路中两种电流的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。

饱和电抗器(BH)直流绕组的调控电流(IK)从最大值开始线性减小到零时，随着铁芯导磁率的回升，一次回路绕组(N_1a、N_2a)的感抗和其与二次回路绕组(N_1b、N_2b)互感偶合系数(K)开始增大。线性电抗器(L_a)与电容(C)串联紧密程度随之回升，主回路中的感性电流从最大值开始线性减小，容性谐振电流从最小值开始线性增大。刚开始时感性电流还大于容性谐振电流，两种电流的代数和还是感性，输出电流从最大值开始线性减小。当感性电流减小到与容性谐振电流大小相等时，两种电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性电流减小到小于容性谐振电流时，两种电流的代数和变成容性正弦波，输出电流从最小值开始线性增大。

当把感性电流增大到等于容性谐振电流时的直流调控电流设定为最大值，其线性变化时，输出电流则只在容性状态下线性变化。当把感性电流减小到等于容性谐振电流时的直流调控电流设定为最小值，其线性变化时，输出电流则只在感性状态下线性变化。

当线性电抗器(L_a)具有铁芯、其绕组设有中间抽头时，该抽头与绕组另一端之间的这部分绕组串接于系统，由此组成了综合静止调控器。无功发生器电流的大小与性质受控发生改变时，串接于系统的那部分绕组两端的电压和相位随之发生变化，因而系统的有功电压和相位以及无功功率同时被调控。

具体实施方式

饱和电抗器交流绕组的参数：两个主绕组N_1a、N_2a和两个付绕N_1b、N_2b同为110V。铁芯式线性电抗器参数：L_a为185mH，基波感抗(ωL)值为58Ω。L_b为56mH，三次谐波感抗(ωL)为52.5Ω。电容器参数：20μF/450V交流电容器一个，基波容抗(1/ωC)为159Ω，三次谐波容抗(1/ωC)为53Ω。按图2所示的线路示意图连接，接于220V交流电源。饱和电抗器(BH)直流绕组的调控电流(IK)从零开始线性增大时，二次闭合回路的容性谐振电流从最大值2.10A线性减小到0.75A，主回路输出的容性正弦电流从最大值1.75A开始线性减小，减小到0.20A时变成电阻性，然后变成感性，线性增大到1.70A。直流调控电流(IK)从最大值开始线性减小到零时，二次闭合回路的容性谐振电流从0.75A线性增大到2.10A，主回路输出的感性电流从1.70A开始线性减小，减小到0.20A时变成电阻性，然后变成容性正弦电流，线性增大到1.75A。

附图说明三

图3所示的LC调谐式静止无功发生器由饱和电抗器(BH)、电容器(C)和线性电抗器(L)等部分组成，饱和电抗器(BH)的两个交流绕组(N₁、N₂)分别具有中间抽头，两个中间抽头同一侧的两个绕组(N_1a、N_2a)彼此以串联或并联的方式(示意图为串联连接方式)互相连接，成为变性回路。两个中间抽头另一侧两个绕组(N_1b、N_2b)的两端分别与由电容器(C)和线性电抗器(L_b)串接成的、对于三次谐波电容器的容抗(1/ωC)等于线性电抗器(L_b)感抗(ωL)的(L_bC)串联器件的两端相连接，成为与变性回路反相并联的(L_bC)串联回路。另一个线性电抗器(L_a)的一端与其中一个交流绕组的中间抽头相连接，既与两个回路串接成串、并联混合调谐回路，又与(L_bC)串联器件组成了具有谐波治理能力的低通滤波器，并且成为两个回路的总回路。

本LC调谐式静止无功发生器是这样工作的：其两端接入交流电源，饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)为零时，两个反相并联的交流回路绕组(N_1a、N_2a)、(N_1b、N_2b)各自的感抗最大，两个回路绕组之间互感偶合系数(K)等于1。线性电抗器(L_a)通过饱和电抗器的绕组(N_1b、N_2b)与电容器(C)形成(L_aC)串联回路。由线性电抗器(L_a)和电容器(C)参数决定，既线性电抗器(L_a)的感抗(ωC)小于电容器(C)的容抗(1/ωL)，(L_aC)串联回路处于准谐振状态(根据串联谐振的定义和条件，(ωL)＝(1/ωC)时是真正的谐振，而这里两者不相等，故称之为准谐振)。谐振电流的性质与大小由式：U/(ωL-1/ωC)决定，式中U为电源电压，(ωL)为线性电抗器(L_a)感抗，(1/ωC)为电容器容抗。(ωL)＜(1/ωC)时，谐振回路的阻抗为容性，谐振电流即为容性。(L_aC)的参数设定合适时，谐振电流的波形则为正弦波。同时感性的饱和电抗器绕组(N_1b、N_2b)与容性的(L_bC)串联器件又进行了串联，使该回路的容性阻抗减小了一倍，因而，该回路的容性谐振电流增大了一倍。这时，饱和电抗器绕组(N_1b、N_2b)在磁路产生的磁通与变性回路绕组(N_1a、N_2a)空载电流产生的磁通不但方向相反，而且磁通密度也强大了多倍，由于互感作用变性回路产生与(L_aC)串联回路的容性正弦谐振电流大小相等(忽略其感性空载电流时)的电流。总回路的容性正弦输出电流为两个反相并联回路电流的算术和，增大了四倍，并且相对恒定。

饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)从零开始线性增大时，其铁芯由浅到深的进入饱和区，导磁率随之开始下降，两个反相并联回路绕组(N_1a、N_2a)、(N_1b、N_2b)的感抗和绕组之间的互感偶合系数(K)同时开始线性减小，致使两个回路的电流发生这样的变化：

1、(L_bC)串联回路  该回路的饱和电抗器绕组(N_1b、N_2b)的感抗线性减小时，回路的容性阻抗随之线性增大，其容性的正弦谐振电流随即线性减小。

2、变性回路  一方面，(L_bC)串联回路电流减小时其互感磁通随之减小，而两个回路之间的互感耦合系数(K)也同步减小，致使该回路的容性电流随即线性减小。另一方面，该回路的绕组(N_1a、N_2a)的感抗同样在线性减少，其感性的畸变电流开始线性增大。因而，该回路的容性电流快速的线性减小。这时，两个回路的容性电流在总回路的算术和、既输出的容性正弦电流从最大值开始线性减小。

3、电流的波形  变性回路的感性畸变电流开始线性增大时，畸变电流中幅值最大的三次谐波分量被与该回路反相并联的、对三次谐波呈零阻抗的(L_bC)串联回路旁路，其他幅值较小、频率更高的谐波分量则被总回路的线性电抗器(L_a)对其呈现的高感抗扼制而不能通过，畸变电流被低通滤波器如此治理后，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波。

变性回路中的感性电流增大到大于本回路的容性电流时，电流的性质从容性变成感性，这时，总回路输出电流的性质与大小发生这样的变化：

1、刚开始时，变性回路的感性电流还小于(L_bC)串联回路的容性谐振电流，相位相反的两个回路电流在总回路形成的代数和还是容性，输出电流继续线性减小。

2、当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，两个回路电流在总回路形成的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。

3、当感性电流线性增大到大于容性谐振电流时，总回路中两种电流形成的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大。

饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)从最大值开始线性减小到零时，随着铁芯导磁率的上升，两个反相并联的绕组(N_1a、N_2a)、(N_1b、N_2b)各自的感抗开始线性增大，两个回路绕组之间的耦合系数(K)同时开始增大。变性回路的感性电流从最大值开始线性减小，(L_bC)串联回路的容性谐振电流从最小值开始线性增大。刚开始时，变性回路的感性电流还大于(L_bC)串联回路的容性谐振电流，总回路中两种电流的代数和还是感性，输出电流从最大值开始线性减小。当感性电流减小到与容性谐振电流大小相等时，总回路中两种电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小。当感性电流减小到小于线性增大的容性谐振电流时，总回路中两种电流的代数和变成容性的正弦电流，输出电流从最小值开始线性增大。

当把感性电流增大到等于容性谐振电流时的直流调控电流设定为最大值，其线性变化时，输出电流则只在容性状态下线性变化。当把感性电流减小到等于容性谐振电流时的直流调控电流设定为最小值，其线性变化时，输出电流则只在感性状态下线性变化。

当线性电抗器(L_a)具有铁芯、其绕组设有中间抽头时，该抽头与绕组另一端之间的这部分绕组串接于系统，由此组成了综合静止调控器。无功发生器电流的大小与性质受控发生改变时，串接于系统的那部分绕组两端的电压和相位随之发生变化，因而系统的有功电压和相位以及无功功率同时被调控。

具体实施方式

饱和电抗器(BH)交流绕组参数：两个交流绕组中间抽头两侧绕组N_1a、N_1b、N_2a、N_2b同为110V。铁芯式线性电抗器参数：L_a为116mH，基波感抗(ωL)值为36Ω。L_b为112mH，三次谐波感抗(ωL)值为105Ω。电容器参数：10μF/450V交流电容器一个，基波容抗(1/ωC)值为318Ω，三次谐波容抗(1/ωC)为106Ω。按图3所示的线路示意图连接，接于220V交流电源。饱和电抗器(BH)直流绕组的调控电流(IK)从零开始线性增大时，变性回路的容性电流从最大值1.70A线性减小到0.30A，然后变成感性电流，线性增大到3.00A。(L_bC)串联回路的容性谐振电流从最大值2.20A开始线性减小至0.90A。总回路输出的容性正弦电流从最大值3.85A开始线性减小，减小至0.25A时变成电阻性，然后变成感性，线性增大到2.50A。直流调控电流(IK)从最大值开始线性减小到零时，变性回路的感性电流从3.00A线性减小到0.30A，然后变成容性，然后线性增大到1.70A。(L_bC)串联回路的容性谐振电流从0.90A线性增大到最大值2.20A。总回路输出的感性电流从最大值2.50A开始线性减小，减小至0.25A时变成电阻性，然后又变成容性正弦电流，并线性增大到3.85A。

说明：

1、受电源电压波动、器件参数的离散性和测量器具的误差等因素影响，上述三个具体实施方式的测量结果必然有一定的误差。

2、鉴于L值测量表误差不一、且偏大，三个具体实施方式中线性电抗器的L值为伏安法测算值。

Claims (8)

1.一种交流调控的LC调谐式静止无功发生器，由线性电抗器(L)、电容器(C)和可调电抗器(TK)等部分组成，其特征是：线性电抗器(L_b)的一端与电容器(C)的一端相连接，串接成对于三次谐波线性电抗器(L_b)的感抗等于电容器(C)容抗的(L_bC)串联回路；可调电抗器(TK)的两端分别与(L_bC)串联回路的两端相连接，与其组成并联调谐回路；另一个线性电抗器(L_a)的一端与并联调谐回路的一端相连接，既与其串接成串、并联混合调谐回路，又与(L_bC)串联回路组成了低通滤波器，并且成为并联调谐回路的总回路；可调电抗器(TK)的感性调控电流从最小值开始线性增大时，迫使(L_bC)串联回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，波形畸变的感性调控电流经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波；感性调控电流刚开始增大时还小于容性谐振电流，相位相反的两种电流在总回路的代数和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小；当感性调控电流增大到与容性谐振电流大小相等时，两种电流在总回路的代数和变成电阻性，此时输出电流最小；当感性调控电流增大到大于容性谐振电流时，两种电流在总回路的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大；当感性调控电流开始线性减小时，(L_bC)串联回路的容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流；当感性调控电流增大到等于容性谐振电流时就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化；当感性电流减小到等于容性谐振电流时就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

2.一种直流调控的LC调谐式静止无功发生器，由饱和电抗器(BH)、电容器(C)和线性电抗器(L)等部分组成，其特征是：饱和电抗器(BH)的两个交流绕组(N₁、N₂)分别由主绕组(N_1a、N_2a)和付绕组(N_1b、N_2b)组成，两个主绕组(N_1a、N_2a)彼此以串联或并联的方式互相连接，成为一次回路；两个付绕组(N_1b、N_2b)同样以串联或并联的方式互相连接，其两端分别与由电容器(C)和线性电抗器(L_b)串接成的、对于三次谐波电容器(C)的容抗等于线性电抗器(L_b)感抗的串联器件的两端相连接，成为与一次回路相隔离的二次闭合回路；另一个线性电抗器(L_a)的一端与一次回路的一端相连接，既与其串接成调谐式主回路，又与(L_bC)串联器件共同构成了低通滤波器；饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)从零开始线性增大时，二次闭合回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，一次回路的容性正弦电流随之线性减小的同时、波形畸变的感性电流从最小值开始线性增大，经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波；感性电流刚开始增大时还小于容性谐振电流，主回路中相位相反的两种电流的代数和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小；当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，主回路中两种电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小；当感性电流增大到大于容性谐振电流时，主回路中两种电流的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大；饱和电抗器(BH)直流绕组的调控电流(IK)从最大值线性减小到零时，感性电流开始线性减小，容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流；当感性电流增大到等于容性谐振电流时直流调控电流(IK)就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化；当感性电流减小到等于容性谐振电流时直流调控电流(IK)就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

3.一种直流调控的LC调谐式静止无功发生器，由饱和电抗器(BH)、电容器(C)和线性电抗器(L)等部分组成，其特征是：饱和电抗器(BH)的两个交流绕组(N₁、N₂)分别具有中间抽头，两个中间抽头同一侧的两个绕组(N_1a、N_2a)彼此以串联或并联的方式互相连接，成为变性回路；两个中间抽头另一侧两个绕组(N_1b、N_2b)的两端分别与由电容器(C)和线性电抗器(L_b)串接成的、对于三次谐波电容器(C)的容抗等于线性电抗器(L_b)感抗的串联器件的两端相连接，成为与变性回路反相并联的(L_bC)串联回路；另一个线性电抗器(L_a)的一端与其中一个交流绕组的中间抽头相连接，既与两个回路串接成串、并联混合调谐回路，又与(L_bC)串联器件组成了低通滤波器，并且成为两个回路的总回路；饱和电抗器(BH)直流绕组上的调控电流(IK)从零开始线性增大时，(L_bC)串联回路的容性正弦谐振电流从最大值开始线性减小，变性回路的容性电流随之线性减小的同时、波形畸变的感性电流从最小值开始线性增大，经过低通滤波器治理，其与容性正弦谐振电流反相叠加成的输出电流还是正弦波；变性回路的感性电流刚开始增大时还小于本回路的容性电流，相位相反的两种电流的代数和还是容性，总回路中相位相同的两个回路电流的算术和还是容性，输出电流从最大值开始线性减小；变性回路的感性电流增大到大于本回路的容性电流时，该回路的电流从容性变成感性，但是还小于(L_bC)串联回路的容性谐振电流，总回路中相位相反的两个回路电流的代数和还是容性，输出电流继续线性减小；当感性电流增大到与容性谐振电流大小相等时，总回路中两个回路电流的代数和变成电阻性，此时输出电流最小；当感性电流增大到大于容性谐振电流时，总回路中两个回路电流的代数和变成感性，输出电流从最小值开始线性增大；饱和电抗器(BH)直流绕组的调控电流(IK)从最大值开始线性减小到零时，变性回路的感性电流开始线性减小，(L_bC)串联回路的容性谐振电流开始线性增大，输出的感性电流从最大值开始线性减小，变成阻性的最小值后，又变成线性增大的容性正弦电流；当感性电流增大到等于容性谐振电流时直流调控电流(IK)就开始减小，输出电流则只在容性状态下线性变化；当感性电流减小到等于容性谐振电流时直流调控电流(IK)就开始增大，输出电流则只在感性状态下线性变化。

4.根据权利要求1所述的LC调谐式静止无功发生器，其特征是：可调电抗器(TK)为晶闸管控制的线性电抗器或饱和电抗器。

5.根据权利要求1、2、3所述LC调谐式静止无功发生器，其特征是：线性电抗器(L)为铁芯电抗器或空心电抗器。

6.根据权利要求1、2、3所述的LC调谐式静止无功发生器，其特征是：当线性电抗器(L_a)具有铁芯、其绕组设有中间抽头时，绕组的另一端与抽头之间的这部分绕组串接于系统，构成有功和无功综合调控器。

7.根据权利要求1、2、3所述的LC调谐式静止无功发生器，其特征是：其两端接于变压器或电抗器的二次侧绕组两端，一次侧绕组串接于系统。

8.根据权利要求1、2、3、7所述的LC调谐式静止无功发生器，其特征是：变压器或电抗器的一次侧绕组跨接于系统。

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