CN102420433A - 基于磁控开关的无功补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁控开关的无功补偿系统，包括至少一条无功补偿支路；支路包括串联的磁控开关单元和电容器单元；电容器单元由电容器、放电线圈、电阻串联开关并联而成；磁控开关单元由变压器和在变压器低压侧并联的功率开关器件管组成；利用变压器低压侧双向晶闸管的导通和开断，可以使变压器在空载状态和短路状态之间转换，从而使无功补偿支路在近似变压器空载状态和无功补偿状态之间无冲击、无过渡过程的转换，达到“正向工作制”补偿容性无功的目的，需要补偿多少容性无功，就投入多少无功补偿支路。由于功率开关器件在变压器的二次侧可选用较低电压的器件，无需串联，可提高可靠性并降低成本。

Description

基于磁控开关的无功补偿系统

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿技术领域，具体涉及一种用于高压电力系统的基于磁控开关的无功补偿系统，它尤其适用于风电、太阳能的无功补偿。

背景技术

风电、太阳能的无功补偿有一个特殊要求：无功补偿容量要大范围变动，例如太阳能电站晚上无功补偿容量为0，装置要求无人值守。至今还没有一个满意的解决方案。目前用得较多的是：第一种是基于磁阀式可控电抗器的SVC无功补偿方案，它的缺点是采用“反向工作制”，当风电系统在不刮风时，电站需要补偿的无功为0，磁阀式可控电抗器吸收的感性无功为100％。由于这种电抗器的基本原理是磁饱和电抗器，它是利用过饱和得到低阻抗，它的振动、噪声很大、损耗大且产生较大的谐波电流。第二种基于晶闸管多级串联的无功补偿支路投切方案，它虽然可实现“正向工作制”，需要多少补多少，但在高压系统中晶闸管多级串联会造成成本高可靠性低。对于35kV系统国内用户端(大约10MVA左右)少见这样的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁控开关的无功补偿系统，该系统用于实现在高压系统中无功补偿支路的无过渡过程投切，达到“正向工作制”补偿容性无功的目的。

本发明提供的一种基于磁控开关的无功补偿系统，其特征在于，它包括一条单相无功补偿支路，或者二条以上的、并联的无功补偿支路；

所述无功补偿支路包括串联的磁控开关单元和电容器单元；

电容器单元由电容器C、放电线圈L_r、电阻R_z串联开关KM1三条支路并联而成；

磁控开关单元由变压器和在变压器低压侧并联的功率开关器件组成；功率开关器件可以是双向晶闸管或IGBT等。

功率开关器件的导通和开断，使上述变压器在空载状态和短路状态之间转换，使无功补偿支路在近似变压器空载状态和无功补偿状态之间转换，从而实现在变压器高压侧系统中无功补偿支路的无冲击、无过渡过程的投入与切断。

无功补偿系统由多条支路并联而成。用它来实现在高压系统中电容器支路的无过渡过程投切，达到“正向工作制”补偿容性无功的目的，需要补偿多少容性无功，就投入多少无功补偿支路。采用本方法，可以在变压器二次侧用较低电压的功率开关器件(如双向晶闸管)的导通、开断来实现高压侧无功补偿支路的无过渡过程投切。变压器只工作在空载、短路两种工况，是很可靠的。

由多条无功补偿支路可以构成无功补偿系统，以增大无功补偿的范围，各支路的电抗率可以设置不相同，以滤除不同次数的谐波。

本技术至少对现有的二种技术有明显的优势：现有的技术中的第一种方案是在风电系统中目前广泛采用基于磁阀式可控电抗器的SVC无功补偿方案，它的缺点是采用“反向工作制”，10000kW风电机组无功补偿系统电能消耗大约在40万元/年。而本技术采用“正向工作制”，无风不发电也不补偿，与磁阀式SVC相比，无此项电能消耗，大大节能。现有的技术中的第二种方案是在高压系统中用多个串联双向晶闸管投切无功补偿支路，10kV系统就要9组串；技术复杂可靠性低，成本高。而采用本技术，变压器低压侧只要1组双向晶闸管就够了，无需串联，可靠性高，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的单相无功补偿支路的结构示意图；

图2为三相无功补偿支路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，基于磁控开关的无功补偿系统为单相无功补偿支路，主要由磁控开关单元I、电容器单元II等二个单元组成，电容器单元II与磁控开关单元I串联。

电容器单元II由电容器C、放电线圈L_r、电阻R_z串联开关KM1三条支路并联而成。电容器C的工频容抗为阻抗基值，即

$X_C^{*}=1;$

用以抑制线路谐振，其具体值根据仿真确定，当无功补偿支路补偿电流稳定后，用开关KM1将电阻R_z断开。放电线圈L_r用于泄放电容器中的剩余电荷。

磁控开关单元I由变压器和在变压器低压侧并联的功率开关器件组成，变压器的励磁阻抗为

短路阻抗为

功率开关器件可以是双向晶闸管、IGBT或其他开关器件。

当无功补偿支路工作在近似变压器空载状态时，R_z用以抑制线路谐振；当无功补偿支路工作在无功补偿状态时，用开关KM1将电阻R_z断开，以减少损耗。

下面以双向晶闸管为例说明本发明系统的工作过程。

投切过程

1、空载投入

先将开关KM1闭合，然后将单相(或三相)无功补偿支路AO(与

串联，表示

与并联)投入电网，经过t₁(例如t₁＝60ms)后，电流达到稳态。此时支路的相阻抗为

支路进入近似变压器空载状态，支路流过近似变压器空载电流由于电阻

与电容器C并联，能抑制线路谐振，补偿支路AO每次都能成功投入电网。由于电阻R_z很小，空载电流也很小，其损耗也远小于变压器的空载损耗。

2、无功补偿支路的投入、退出

2.1无功补偿支路的投入

当无功补偿支路工作在近似变压器空载状态时，支路流过近似变压器空载电流

在变压器二次侧用晶闸管实现无过渡过程导通而使得a-x两端短路(此技术已经成熟，控制板在市场有售)，变压器A-X两端阻抗立即由变压器励磁阻抗变为变压器短路阻抗

在晶闸管导通后经过t₂(例如t₂＝100～160ms)，开关KM1断开，电阻R_z与电容器C断开。容性补偿支路变成

与

串联，进入电抗率为

的滤波兼无功补偿状态。从电网吸收的容性无功功率为支路电流

2.2无功补偿支路的退出

当无功补偿支路正常运行时，支路电流

若要退出补偿，则应：

(1)将KM1闭合，电阻R_z支路与电容器C并联，支路电流I^*立即增大到 $I^{*}=\frac{U_{\mathrm{\&phi;}}^{*}}{R_z^{*}//X_C^{*}+X_k^{*}}<2$

(2)经过t₃(例如t₃＝100～160ms)，晶闸管实现无过渡过程关断而使得a-x开路，再经过t₄(例如t₄＝60ms)后电流达到稳态，支路进入近似变压器空载状态。

在以上过程中，无功补偿支路可根据功率因数控制器发出的指令在近似变压器空载状态和无功补偿状态之间转换，转换过程中无过渡过程、无冲击。相应地变压器就在空载状态和短路状态之间转换，它既不改变电压也不转换电能，它的作用就是一个磁控开关，只不过它在断开时电流不是零，而是由励磁阻抗

决定的近似变压器空载电流；它在闭合时阻抗也不是零，而是变压器的短路阻抗

由与

串联，构成电抗率为

的无功补偿支路，以滤除大部分

次左右谐波。

采用本方法，利用变压器低压侧双向晶闸管的导通和开断，可以使变压器在空载状态和短路状态之间转换，从而使无功补偿支路在近似变压器空载状态和无功补偿状态之间转换，从而实现在变压器高压侧系统中无功补偿支路的无冲击、无过渡过程的投入与切断，达到“正向工作制”补偿容性无功的目的，需要补偿多少容性无功，就投入多少无功补偿支路。

由于开关KM1仅用于投入、断开电阻R_z ^*，开关电弧极小。

由多条无功补偿支路并联可以构成无功补偿系统，以增大无功补偿的范围；各支路的电抗率可以设置不相同，以滤除不同次数的谐波。

实施例

三相无功补偿支路如图2所示。

元件参数：电容器额定电压

50Hz条件下额定容量为200kVar/相；基波容抗为220.44Ω，

变压器额定电压

额定电流为30.5A；励磁阻抗短路电抗 $X_k^{*}=0.06(X_k=13.23\mathrm{\&Omega;}),$

电阻 $R_z^{*}=4.54(R_z=100\mathrm{\&Omega;}).$

1、空载投入

先将KM1闭合，然后将三相补偿支路(

与

串联)投入电网，经过t₁＝60ms(最大值)后，电流达到稳态，阻抗为

支路进入近似变压器空载状态，电流为

空载投入过程完毕。

2、无功补偿支路的投入、退出

2.1无功补偿支路的投入

在无功支路处于近似变压器空载状态时，在变压器二次侧用晶闸管实现无过渡过程导通而使a-x短路，变压器A-X两端阻抗立即由励磁阻抗

变为短路阻抗此时电阻R_z与电容器C并联，此时电容C吸收容性无功功率，R_z电阻吸收一定数量有功功率；经过t₂＝100～160ms之后，KM1可靠分闸，电阻R_z与电容器断开，补偿支路转入电抗率为6％的滤波兼无功补偿的稳定状态，无功补偿容量为212.8kVar/相，标幺值为同时可滤除大部分5、7次谐波。

2.2无功补偿支路的退出

当无功补偿支路正常运行时，若要退出补偿状态，则要：

(1)将KM1合闸，R_z立即与电容器并联，R_z支路电流短时提高到

$I^{*}=\frac{U_{\mathrm{\&phi;}}^{*}}{R_z^{*}//X_C^{*}+X_k^{*}}<2$

(2)经过t₃＝100～160ms，此时晶闸管实现无过渡过程关断而使得a-x开路，再经过t₄＝60ms后电流达到稳态，支路进入近似变压器空载状态。

于是经过步骤2.1、2.2，支路可根据指令，在近似变压器空载状态(感性电流I^*＝0.01)和无功补偿状态(容性电流I^*＝1)之间转换，转换过程中无过渡过程，无冲击。

由于开关KM2仅用于将电阻R_z与电容C并联、开断，且时间很短，开关电弧极小。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于磁控开关的无功补偿系统，其特征在于，它包括一条单相无功补偿支路，或者二条以上的、并联的无功补偿支路；

所述无功补偿支路包括串联的磁控开关单元和电容器单元； 

电容器单元由电容器C、放电线圈L _r、电阻串联开关KM1三条支路并联而成； 

磁控开关单元由变压器和在变压器低压侧并联的功率开关器件组成；

功率开关器件的导通和开断，使上述变压器在空载状态和短路状态之间转换，使无功补偿支路在近似变压器空载状态和无功补偿状态之间转换, 从而实现在变压器高压侧系统中无功补偿支路的无冲击、无过渡过程的投入与切断。

2.根据权利要求1所述的无功补偿系统，其特征在于，功率开关器件为双向晶闸管或IGBT等。

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