CN103490432B - 三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置及方法，包括U相、V相和W相调压调容无功补偿单元和控制单元，其中每相调压调容无功补偿单元主要由电流检测元件，电压检测元件，全压补偿电容组，自偶变压器和调压电容组组成。其在三相四线制电网中采取每相独立无功补偿的控制方式，各相总电容量相同，每相电容等分成n组，其中有一组通过自耦变压器调压调容，自耦变压器共有m级输出电压，每相共分n×m档补偿，实现了对电网多级精细补偿。

Description

三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及三相四线制电网的无功补偿，属于晶闸管控制并联电容无功自动补偿技术领域，具体涉及一种三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置及方法。

背景技术

三相四线制电网具有三相负荷不平衡严重、负荷变化频繁、负载功率因数较低等缺点，这不利于电网的安全高效运行。无功补偿是维持电网电压稳定，维护电力系统安全运行的重要手段，而并联电容器是电网进行无功补偿的重要手段。常规的电容器补偿装置采用三相等容量同时投切方式，容易造成某相过补偿，另一相却欠补偿的现象，而危及电网安全。另外常规的电容器补偿装置还存在补偿实时性差、补偿精度低和投切过程冲击电流较大等缺点。为了提高补偿精度，目前还出现了采用调压调容无功补偿技术，其根据Q_C=2πfCU²原理，当电容量C一定时，电容超前无功Q与电容两端电压U²成正比。这种无功补偿技术一般以自耦变压器作为调压设备，但自耦变压器本身是一种既耗能又产生无功的设备，自耦变压器容量大对经济运行极为不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供针对三相四线制电网的特点及常规电容器补偿装置存在的不足，提出一种三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置及方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置，包括U相、V相和W相调压调容无功补偿单元和控制单元，其中每相调压调容无功补偿单元主要由电流检测元件，电压检测元件，全压补偿电容组，自偶变压器和调压电容组组成；

每相电流检测元件串联在该相电网的火线上，每相电压检测元件并联在该相电网的火线和零线上，每相电流检测元件和每相电压检测元件的信号输出端与控制单元的输入端相连；

每相全压补偿电容组由n-1条并联在该相电网火线和零线上的并联支路组成；每条支路均由1个双向晶闸管B1i、1个熔断器Fi、1个电感Li和1个电容Ci串联而成；双向晶闸管B1i的T1端连接该相电网的火线，双向晶闸管B1i的T2端经熔断器Fi、电感Li和电容Ci与该相电网的零线相连；双向晶闸管B1i的T2端连接控制单元的输入端，双向晶闸管B1i的G端连接控制单元的输出端；上述i=1，2，……，n-1；其中n为每相电容的等分组数；

每相自偶变压器有m级输出电压即具有m个电压输出端，且相邻两电压输出端的级压差一致；该自偶变压器的输入端并联在该相电网的火线和零线上；

每相调压电容组由1个电容Cn、1个熔断器Fn和m个双向晶闸管B2j组成；每个双向晶闸管B2j的T1端连接自偶变压器的一个电压输出端，所有双向晶闸管B2j的T2端相连后分为2路，一路经熔断器Fn和电容Cn和接至该相电网的零线，一路连接控制单元的输入端；所有双向晶闸管B2j的G端均与控制单元的输出端相连；上述j=1，2，……，m；其中m为自偶变压器的电压输出端的个数。

上述方案中，每相自偶变压器相邻两电压输出端的级压差按无功差ΔQ_C一致来设计，即 $\mathrm{\Δ}{Q}_C=2\mathrm{\πf}{C}_n(U_j^2-U_{j-1}^2)=\frac{1}{m}2\mathrm{\πf}{C}_n{U}^2;$ 上述j=1，2，……，m；m为自偶变压器的电压输出端的个数；f为电网的频率；Cn为电容Cn的电容值；U为相电压。

上述方案中，所述n和m均为大于等于3的整数。

基于上述装置所实现的三相四线制电网部分调压调容无功补偿方法，包括如下步骤：

①控制单元根据电流检测元件所检测出的单相电流信号和电压检测元件所检测出的单相电压信号，计算无功量Q，其中Q=UIsinφ，式中U为相电压值，I为相电流值，φ为相电压和电流的相位；

②控制单元根据无功量Q计算电容的投切，即选择全压补偿电容组的投入支路数及调压电容组的工作电压；

③控制单元累计全压补偿电容组中电容C1、C2、……和Cn-1的各自工作时间；如果需要增加投入支路，要选择累计工作时间短的支路投入，如果需要减少投入支路，要选择累计工作时间长的支路切断；

④控制单元检测各双向晶闸管B1i、B2j的端电压，要投入支路时，选择双向晶闸管B1i、B2j的端电压接近零的时刻投入以避免电容投入引起冲击电流；

⑤控制单元计算电容支路投入前后电网无功量Q的无功减少量ΔQ，并将无功减少量ΔQ与新投入电容支路的理论无功值Q_C进行比较，其中Q_C=2πfCU²，式中f为电网的频率，C为投切支路的电容值；U电容端电压值；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在允许的范围内，则说明投切的电容支路工作正常，并指示该电容支路正常工作状态；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在超过了允许的范围，则说明投切的电容支路工作异常，并指示该电容支路异常工作状态。

本发明在三相四线制电网中采取每相独立无功补偿的控制方式，各相总电容量相同，每相电容等分成n组，其中有一组通过自耦变压器调压调容，自耦变压器共有m级输出电压，每相共分n×m档补偿，n、m为大于等于3的整数，实现了对电网多级精细补偿。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、每相独立补偿控制，避免三相负荷不平衡引起各相过补或欠补的弊端。

2、采用部分调压调容控制方式，提高补偿精度，减少调压变压器的容量、损耗和无功。

3、采用双向晶闸管投切，提高投切转换速度及无功补偿的实时性，选择双向晶闸管的端电压接近零的时刻投入，消除电容投入引起冲击电流。

4、合理控制全压补偿电容组的每支路的工作时间，使得每支路电容的累计工作时间相当，使用寿命一致。

附图说明

图1为一种三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置的原理结构示意图。

图中标号：1－U相电流检测元件，2－U相电压检测元件，3－U相全压补偿电容组，4－U相自偶变压器，5－U相调压电容组，6－控制单元，7－V相调压调容无功补偿单元，8－W相调压调容无功补偿单元。

具体实施方式

一种三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置，如图1所示，包括U相、V相和W相调压调容无功补偿单元和控制单元6。其中每相调压调容无功补偿单元主要由电流检测元件1，电压检测元件2，全压补偿电容组3，自偶变压器4和调压电容组5组成。

下面以U相调压调容无功补偿单元为例对每相调压调容无功补偿单元进行详细说明：

U相电流检测元件1串联在电网U相的火线上，U相电压检测元件2并联在电网U相的火线和零线上，U相电流检测元件1和U相电压检测元件2的信号输出端与控制单元6的输入端相连。U相电流检测元件1检测U相电流的大小及波形（相位）。U相电压检测元件2检测U相电压的大小及波形（相位）。

U相全压补偿电容组3由n-1条并接在电网U相的火线和零线上的并联支路组成。每条支路均由1个双向晶闸管B1i、1个熔断器Fi、1个电感Li和1个电容Ci串联而成。双向晶闸管B1i的T1端连接电网U相的火线，双向晶闸管B1i的T2端经熔断器Fi、电感Li和电容Ci与电网的零线相连。双向晶闸管B1i的T2端连接控制单元6的输入端，双向晶闸管B1i的G端连接控制单元6的输出端。上述i=1，2，……，n-1。其中n为每相电容的等分组数。双向晶闸管B1i用于本支路与电网的投切。熔断器Fi用于本支路短路保护。电感Li的电感量较小，用于抑制三次谐波电流及投入冲击电流。电容Ci产生超前无功是补偿装置的基础元件。

U相自偶变压器4有m级输出电压即具有m个电压输出端，且相邻两电压输出端的级压差按无功差一致来设计，即上述j=1，2，……，m；m为自偶变压器4的电压输出端的个数；f为电网的频率；Cn为电容Cn的电容值；U为相电压。该自偶变压器4的输入端并接在电网U相的火线和零线上；

U相相调压电容组5由1个电容Cn、1个熔断器Fn和m个双向晶闸管B2j组成。每个双向晶闸管B2j的T1端连接自偶变压器4的一个电压输出端，所有双向晶闸管B2j的T2端相连后分为2路，一路经熔断器Fn和电容Cn接至电网的零线，一路连接控制单元6的输入端。所有双向晶闸管B2j的G端均与控制单元6的输出端相连。上述j=1，2，……，m。其中m为自偶变压器4的电压输出端的个数。电容Cn产生超前无功是是补偿装置的基础元件。熔断器Fn用于电容Cn的短路保护。双向晶闸管（B21、B22、……和B2m）用于切换电容Cn的电压。

V相调压调容无功补偿单元7和W相调压调容无功补偿单元8的电路与U相调压调容无功补偿单元电路结构相同，参数一致。上述n和m均为大于等于3的整数。

上述装置所实现的三相四线制电网部分调压调容无功补偿方法，包括如下步骤：

①控制单元6根据电流检测元件1所检测出的单相电流信号和电压检测元件2所检测出的单相电压信号，计算无功量Q，其中Q=UIsinφ，式中U为相电压值，I为相电流值，φ为相电压和电流的相位。

②控制单元6根据无功量Q计算电容的投切，即选择全压补偿电容组3的投入支路数及调压电容组5的工作电压。在本发明中，无功补偿最大误差即精度为上述j=1，2，……，m；m为自偶变压器4的电压输出端的个数；f为电网的频率；Cn为电容Cn的电容值；U为相电压。

③控制单元6累计全压补偿电容组3中电容C1、C2、……和Cn-1的各自工作时间；如果需要增加投入支路，要选择累计工作时间短的支路投入，如果需要减少投入支路，要选择累计工作时间长的支路切断；

④根据双向晶闸管的特性，需要在双向晶闸管为零时进行投入以避免电容投入引起冲击电流。如要对全压补偿电容组3进行投入时，控制单元6检测双向晶闸管B1i的端电压，并选择双向晶闸管B1i的端电压接近零的时刻投入。如要对调压电容组5进行投入时，控制单元6检测双向晶闸管B2j的端电压，选择双向晶闸管B2j的端电压接近零的时刻投入。

⑤控制单元6计算电容支路投入前后电网无功量Q的无功减少量ΔQ，并将无功减少量ΔQ与新投入电容支路的理论无功值Q_C进行比较，其中Q_C=2πfCU²，式中f为电网的频率，C为投切支路的电容值；U电容端电压值；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在允许的范围内，则说明投切的电容支路工作正常，并指示该电容支路正常工作状态；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在超过了允许的范围，则说明投切的电容支路工作异常，并指示该电容支路异常工作状态。

Claims (3)

1.三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置，其特征在于：包括U相、V相和W相调压调容无功补偿单元和控制单元(6)，其中每相调压调容无功补偿单元主要由电流检测元件(1)，电压检测元件(2)，全压补偿电容组(3)，自偶变压器(4)和调压电容组(5)组成；

每相电流检测元件(1)串联在该相电网的火线上，每相电压检测元件(2)并联在该相电网的火线和零线上，每相电流检测元件(1)和每相电压检测元件(2)的信号输出端与控制单元(6)的输入端相连；

每相全压补偿电容组(3)由n-1条并联在该相电网火线和零线上的并联支路组成；每条支路均由1个双向晶闸管B1i、1个熔断器Fi、1个电感Li和1个电容Ci串联而成；双向晶闸管B1i的T1端连接该相电网的火线，双向晶闸管B1i的T2端经熔断器Fi、电感Li和电容Ci与该相电网的零线相连；双向晶闸管B1i的T2端连接控制单元(6)的输入端，双向晶闸管B1i的G端连接控制单元(6)的输出端；上述i＝1，2，……，n-1；其中n为每相电容的等分组数；

每相自偶变压器(4)有m级输出电压即具有m个电压输出端，且相邻两电压输出端的级压差一致；该自偶变压器(4)的输入端并联在该相电网的火线和零线上；

每相调压电容组(5)由1个电容Cn、1个熔断器Fn和m个双向晶闸管B2j组成；每个双向晶闸管B2j的T1端连接自偶变压器(4)的一个电压输出端，所有双向晶闸管B2j的T2端相连后分为2路，一路经熔断器Fn和电容Cn接至该相电网的零线，一路连接控制单元(6)的输入端；所有双向晶闸管B2j的G端均与控制单元(6)的输出端相连；上述j＝1，2，……，m；其中m为自偶变压器(4)的电压输出端的个数；

每相共分n×m档补偿，n、m为大于等于3的整数，实现了对电网多级精细补偿。

2.根据权利要求1所述的三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置，其特征在于：每相自偶变压器(4)相邻两电压输出端的级压差按无功差ΔQ_C一致来设计，即上述m为自偶变压器(4)的电压输出端的个数；f为电网的频率；Cn为电容Cn的电容值；U为相电压。

3.基于权利要求1所述装置的三相四线制电网部分调压调容无功补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

①控制单元(6)根据电流检测元件(1)所检测出的单相电流信号和电压检测元件(2)所检测出的单相电压信号，计算无功量Q，其中Q＝UIsinφ，式中U为相电压值，I为相电流值，φ为相电压和电流的相位；

②控制单元(6)根据无功量Q计算电容的投切，即选择全压补偿电容组(3)的投入支路数及调压电容组(5)的工作电压；

③控制单元(6)累计全压补偿电容组(3)中电容C1、C2、……和Cn-1的各自工作时间；如果需要增加投入支路，要选择累计工作时间短的支路投入，如果需要减少投入支路，要选择累计工作时间长的支路切断；

④控制单元(6)检测各双向晶闸管B1i、B2j的端电压，要投入支路时，选择双向晶闸管B1i、B2j的端电压接近零的时刻投入以避免电容投入引起冲击电流；

⑤控制单元(6)计算电容支路投入前后电网无功量Q的无功减少量ΔQ，并将无功减少量ΔQ与新投入电容支路的理论无功值Q_C进行比较，其中Q_C＝2πfCU²，式中f为电网的频率，C为投切支路的电容值；U电容端电压值；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在允许的范围内，则说明投切的电容支路工作正常，并指示该电容支路正常工作状态；若无功减少量ΔQ与理论无功值Q_C的差值在超过了允许的范围，则说明投切的电容支路工作异常，并指示该电容支路异常工作状态。