CN103715698B - 无功功率补偿器 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有第一相（6）、第二相（7）和第三相（8）的三相网络（4）的无功功率补偿器（1），包括：电容器（C1、C2、C3）的组件（24）；至少两个机电式接触器（CT1、CT2），与电容器（C1、C2、C3）的组件（24）电连接，每个接触器（CT1、CT2）都包括至少一个上游电源端子（18）和至少一个下游电源端子（20），电流适于在接触器（CT1、CT2）处于闭合位置时、在上游和下游电源端子（18、20）之间循环，第一接触器（CT1）适于连接至第一相（Ph1）且第二接触器（CT2）适于连接至第三相（Ph3）；装置（33），测量在至少一个机电式接触器（CT1、CT2）的上游和下游电源端子（18、20）之间的电压；装置（36、38），根据预定控制算法而控制机电式接触器（CT1、CT2）。

Description

无功功率补偿器
技术领域
本发明涉及一种用于具有第一相、第二相和第三相的三相网络的无功功率补偿器。
发明内容
根据本发明的补偿器包括：电容器组件；电连接至电容器组件的至少两个机电式接触器，每个接触器都包括至少一个上游电源端子和至少一个下游电源端子，在接触器处于闭合位置时，电流适用于在上游电源端子和下游电源端子之间循环，适用于连接至第一相的第一接触器和适用于连接至第三相的第二接触器；用于测量至少一个机电式接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压的装置；以及用于根据预定控制算法而控制机电式接触器的装置。
已知包括机电式接触器与预插入电阻器件的无功功率补偿器，在接触器接合时，即，当接触器允许电流经过时，该预插入电阻器件用于限制峰值电流。
然而，机电式接触器的控制算法是异步的并且接触器的接合易于在接触器的端子的最大电压处发生。在这种情况下，补偿器会经受非常高的峰值电流，产生高应力水平，并且虽然这种解决方法相对较便宜，但是随着时间的推移，这种解决方法会呈现出劣势，从而对其可靠性产生不利影响。而且，在电容器经由放电电阻器的放电时间通常短于1分钟时，该电容器放电时间很重要，并且这种解决方案不适用于主动无功功率补偿，例如，在几十毫秒内通过电容器组件的放电补偿。
因此，本发明的目的是提供一种无功功率补偿器，用于降低对机电式接触器的损害的风险，同时非常快地进行无功功率补偿，即，通过在几十毫秒内的电容器组件放电补偿。
为此，本发明涉及上述类型的无功功率补偿器，其特征在于，控制算法包括：相应的机电式接触器闭合，用于机电式接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的基本0电压；和相应的机电式接触器的断开，用于该接触器连接的一个或多个电容器的基本最小功率值。
根据本发明的进一步的有利方面，无功功率补偿器包括独立地或者根据任何技术上可行的组合所采用的一个或多个以下特征：
-测量装置，一方面，该测量装置适用于测量第一接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压，另一方面，适用于测量第二接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压，并且根据接触器的上游电源端子和下游电源端子之间所测量的电压，来确定相应的接触器的闭合；
-测量装置，该测量装置适用于仅测量第一接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压，并且根据通过该测量装置所测量的电压来确定相应的接触器的闭合，将第二接触器的闭合确定为具有第一接触器的闭合与第一接触器的闭合和第二接触器的闭合之间的预定时间延迟的第一接触器的闭合的函数；
-三相网络电压是周期性的，并且预定时间延迟基本上等于三相电压周期的四分之一；
-无功功率补偿器包括恰好两个机电式接触器；
-电容器组件包括根据三角形结构所配置的三个电容器，第一电容器连接在第一相和第二相之间，第二电容器连接在第二相和第三相之间，以及第三电容器连接在第一相和第三相之间；
-用于断开第一接触器以获得存储在电容器中的最小功率值的条件验证以下公式：
U31–U12=0
其中，U31表示在第三电容器的端子处的电压并且U12表示第一电容器的端子处的电压；
-用于断开第二接触器以获得存储在电容器中的最小功率值的条件验证以下公式：
U31-U23=0
其中，U31表示第三电容器的端子处的电压并且U23表示第二电容器的端子处的电压；
-功率补偿器包括三个接触器，每个接触器都适用于电连接至网络的相应相；
-在第一容限内，每个接触器的闭合都对应于其上游电源端子和下游电源端子之间的0电压，第一容限优选地等于+800μs或-800μs；
-在第二容限内，每个接触器的断开都对应于该接触器连接的一个或多个电容器的最小功率值，第二容限优选地等于+500μs或-500μs；以及
-用于控制接触器的装置适用于将控制信号发送给接触器，并且控制装置进一步包括用于根据每个接触器的切换时间测量值改变传送控制信号的时间。
附图说明
在参照附图阅读以下描述（仅作为非限定性示例）时，本发明的特征和优点会显现出来，其中：
图1是根据本发明的无功功率补偿器的电路图，无功功率补偿器包括电容器组件和电连接至电容器组件的两个机电式接触器；
图2是表示在两个接触器相继断开的条件下，随着时间的推移，在图1中的补偿器的电容器端子处的电压的发展（progression）的一系列曲线；
图3是表示在两个接触器相继断开的条件下，随着时间的推移，电容器的端子处的电压和电流以及两个接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压的发展的一系列曲线。
图4是表示在两个接触器相继闭合的条件下，随着时间的推移，电容器的端子处的电压和电流以及两个接触器的上游电源端子和下游电源端子之间的电压的发展的一系列曲线。
具体实施方式
在图1中，无功功率补偿器1和电负载2电连接至交流网络4，交流网络4由交流电压发电机5供电并且包括多条相导线6、7、8。在图1的实施例的示例中，交流网络4是三相网络并且包括第一相导线6、第二相导线7、和第三相导线8。交流网络4的三相电压是周期性的。例如，网络频率等于50Hz或者60Hz，并且三相电压周期等于20ms或者16.67ms。
无功功率补偿器1分别通过第一电连接线9、第二电连接线10、和第三电连接线11分别连接至第一相导线6、第二相导线7、和第三相导线8。在下文描述中，连接至第一相导线6的第一电连接线9对应于第一相（参考Ph1），连接至第二相导线7的第二电连接线10对应于第二相（参考Ph2），连接至第三相导线8的第三电连接线11对应于第三相（参考Ph3）。
无功功率补偿器1包括三相断路器12，该三相断路器包括分别连接至第一相、第二相和第三相的第一断路模块14、第二断路模块15和第三断路模块16。可选地，无功功率补偿器包括三个分开的断路器，每个断路器都连接至第一相、第二相和第三相中的相应一相。
另外地和任选地，无功功率补偿器1还包括第一感性电阻器、第二感性电阻器和第三感性电阻器（未示出），它们分别与第一相、第二相和第三相相关联，并且分别与第一断路器14、第二断路器15和第三断路器16串联连接。
无功功率补偿器1包括与第一断路模块14串联连接的第一机电式接触器CT1。第一机电式接触器CT1的端部参考A和C，端部A连接至第一断路模块14。
无功功率补偿器1包括与第三断路模块16串联连接的第二机电式接触器CT2。第二机电式接触器CT2的端部参考B和D，端部B连接至第三断路模块16。
第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2均包括：至少一个上游电源端子18、至少一个下游电源端子20以及至少一个可动触点（未示出）。以本身公知的方式，可动触点在接触器CT1、CT2的闭合位置和接触器CT1、CT2的断开位置之间可动，在接触器CT1、CT2的闭合位置处，可动触点与相应的上游电源端子18和下游电源端子20接触并且允许电流按照两种方向在上游电源端子18和下游电源端子20之间流动，在接触器CT1、CT2的断开位置处，可动触点与相应的上游电源端子18和下游电源端子20分离，由此电流不能在上游电源端子18和下游电源端子20之间流动。
第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2均包括控制端子22，用于在闭合位置和断开位置之间控制相应的可动触点。
在图1的实施例的示例中，第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2均包括三个上游电源端子18、三个下游电源端子20和未示出的三个可动触点。接触器CT1、CT2的可动触点被并联地使用，以最小化过热并且减小补偿器的尺寸。换句话说，三个上游电源端子18在端部A或B处互连并且连接至相应的断路模块14、16，并且三个下游电源端子20在端部C或D处互连，三个可动触点适用于同时被控制。
无功功率补偿器1进一步包括电容器组件24。在图1的实施例的示例中，电容器组件24被配置为三角形结构，三角形的顶点E、F、G中的每个都对应于相应相Ph1、Ph2、Ph3。
另外地或任选地，无功功率补偿器1进一步包括放电电阻器组件（未示出），每个放电电阻器与电容器组件24的相应电容器并联。
无功功率补偿器1进一步包括监控装置28，监控装置28包括：存储器30和与存储器30相关联的处理器32，以及用于测量至少一个机电式接触器CT1、CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压的装置33。
组件24包括：连接在第一相Ph1和第二相Ph2之间的第一电容器C1、连接在第二相Ph2和第三相Ph3之间的第二电容器C2、以及连接在第三相Ph3和第一相Ph1之间的第三电容器C3。换句话说，第一电容器C1的一端部连接至顶点E，该顶点E转而连接至与第一相Ph1相关联的第一接触器CT1的端部C，而第一电容器的另一端部连接至顶点F，该顶点F转而连接至与第二相Ph2相关联的第二感性电阻器20。第二电容器C2的一端部连接至顶点F而第二电容器C2的另一端部连接至顶点G，该顶点G转而连接至与第三相Ph3相关联的第二接触器CT2的端部D。最后，第三电容器C3的一端部连接至顶点G而第三电容器C3的另一端部连接至顶点E。
如图1所示，第一电容器C1的端子处的电压参考U12，第二电容器C2的端子处的电压参考U23，并且第三电容器C3的端子处的电压参考U31。
存储器30适用于存储软件34，该软件34用于测量第一接触器CT1的上游电源端子18和下游电源端子20之间的第一电压UAC并且测量第二接触器的CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的第二电压UBD。
存储器30还适用于存储第一软件程序36和第二软件程序38，该第一软件程序36用于根据预定控制算法而控制第一接触器CT1，并且该第二软件程序38用于根据预定控制算法而控制第二接触器CT2。第一控制软件程序36和第二控制软件程序38用作根据预定控制算法并且经由控制端子22而控制机电式接触器CT1、CT2。可选地，以专用集成电路的形式或者以可编程逻辑电路的形式来实现控制装置36、38。控制装置适用于获得相对稳定的闭合和断开次数，该闭合和断开次数对电压和温度变化不敏感。控制装置还计算闭合和断开次数。
测量装置33包括测量软件34和例如电阻电桥40、42，第一电阻电桥40适用于将第一接触器CT1的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压的第一典型信号传送至测量软件34并且第二电阻电桥42适用于将第二接触器CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压的第二典型信号传送至测量软件34。
可选地，测量装置33适用于仅测量第一接触器CT1的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压UAC，并且根据由测量装置33所测量的电压UAC来确定第一接触器CT1的闭合，根据第一接触器CT1的闭合与第一接触器CT1的闭合和第二接触器CT2的闭合之间的预定时间延迟来确定第二接触器CT2的闭合。
例如，预定时间延迟大体上等于三相电压周期的四分之一。
控制装置36、38适用于根据预定控制算法，将断开控制信号和闭合控制信号分别发送给第一接触器CT1和第二接触器CT2的控制端子22。
预定控制算法包括：相应的机电式接触器CT1、CT2的闭合，用于其上游电源端子18和下游电源端子20之间的基本0电压；以及相应的机电式接触器CT1、CT2断开，用于所述接触器CT1、CT2连接到的电容器C1、C2、C3的基本最小功率值，在断开序列结束时，获得存储在电容器C1、C2、C3中的最小功率值。
控制装置36、38进一步包括根据接触器CT1、CT2中的每个的切换时间测量值来改变传送控制信号的时间的装置。例如，使用移动平均来执行信号传送的时间改变。移动平均能够考虑闭合和断开次数的缓慢变化。
现在，分别基于模拟测量值和实际测量值，使用图2和图3来解释用于断开无功功率补偿器1的第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2的操作模式。
图2表示在断开第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2的条件下，随着时间的推移，在组件24的第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3的端子处的电压U12、U23、U31相应的发展。
在图2中，以本身公知的方式，电容器C1、C2、C3的端子处的电压U12、U23、U31是正弦型的，具有相同的振幅和角度为2xπ/3的相位差。在时间t0处，如图2所示，通过测量装置33所测量的电压U31基本为0。然后，第一控制软件程序36在时间t1处断开第一接触器CT1，并且第二软件程序38在时间t2处断开第二接触器CT2。为了计算接触器CT1、CT2的切换时间，分别在时间t1和t2点之前，通过第一控制软件程序36和第二控制软件程序38发送分别用于断开第一接触器CT1和第二接触器CT2的控制信号。换句话说，时间t1和t2分别地对应于第一接触器CT1和第二接触器CT2分别地实际断开的时间。驱动接触器CT1、CT2断开以使电容器C1、C2、C3放电。在断开两个接触器CT1和CT2之后，在电容器C1、C2、C3的端子处的电压U12、U23、U31中的每一个都为0。
在图2中，当网络频率等于50Hz时，由于检测到在电容器C1、C2、C3的端子处的电压U12、U23、U31中的一个的0截距（intercept），电容器C1、C2、C3在约6.67ms内放电。当网络频率等于60Hz时，该电容器放电时间约为5.5ms。
例如，用于断开第一接触器CT1以获得存储在第一接触器连接至的电容器中的最小功率值的条件验证以下公式[1]：
用于断开第一接触器以获得存储在电容器中的最小功率值的条件验证以下公式：
U31–U12=0 [1]，
即，在图2的实施例的示例中，当U31=U12时，在时间t1处被验证。
类似地，例如，用于断开第二接触器CT2以获得存储在被连接的接触器CT2连接至的电容器中的最小功率值的条件验证以下公式[2]：
U31–U23=0 [2]，
即，在图2的实施例的示例中，当U31=U23时，在时间t2点处被验证。
图3示出了对于被测值、当在电容器的端子处由测量装置33所测量的电压基本为0时，断开接触器CT1、CT2的进一步示例。在时间t’0处，对应于相应的电容器C1、C2、C3的端子处的电压U12、U23、U31的电压Ucapa基本为0。在时间t’1处，第二接触器CT2断开。随后，在π/2的相移以后，即，在基本等于网络4的三相电压周期的四分之一的时延以后，第一接触器CT1在时间t’2处断开。当网络4的电压频率为50Hz时，π/2的相移对应于在第二接触器CT2断开和第一接触器CT1断开之间的5ms延迟。在时间t’2以后，在第一接触器CT1和第二接触器CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压曲线（分别参考UCT1和UCT2）具有基本相同的振幅，指示接触器CT1、CT2的确已进行切换以至于使电容器C1、C2、C3放电。
在优选地等于+500μs或-500μs的容限内，每个相应的接触器CT1、CT2的断开都对应于时间t1、t2，其中，在断开序列结束时，接触器CT1、CT2连接的电容器C1、C2、C3的功率值最小。
在图3中，当网络频率等于50Hz时，由于检测到电压Ucapa的0截距，在约6.67ms的时间段内，电容器C1、C2、C3放电。当网络频率等于60Hz时，电容器放电时间约为5.5ms。
现在，使用图4来解释无功功率补偿器1的接触器CT1、CT2的闭合的操作模式。
类似于图3，图4示出了接触器CT1、CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压UCT1、UCT2的发展，以及电容器C1、C2、C3的端子处的电压Ucapa和电流Icapa。
在图4所示的时间t3以前，以本身公知的方式，电压UCT1、UCT2为正弦型的，具有相同的振幅，和角度为2xπ/3的相位差。
在时间t3处，电压UCT2基本为0并且控制软件程序36先前驱使第二接触器CT2的闭合，使得在时间t3处完成。然后，从之隔时间t3开始出现电流Icapa。
类似地，在时间t4处，电压UCT1基本为0并且控制软件程序36先前驱使第一接触器CT1的闭合，使得在时间t4处完成。因此，第一接触器CT1的闭合对应于从单相模式至三相模式的转换。
在闭合第一接触器CT1和第二接触器CT2以前，电压Ucapa和电流Icapa为0。在断开它们以后，电压Ucapa和电流Icapa为0。
在优选地等于+800μs或-800μs的容限内,每个相应的接触器CT1、CT2的闭合都对应于时间t3、t4，其中，在相应接触器CT1、CT2的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压UCT1、UCT2的值为0。
第一控制软件程序36和第二软件控制程序38发送用于断开和闭合相应接触器CT1、CT2的控制信号并且随着时间的推移，计算接触器CT1、CT2的每个的切换时间，以用于其各个断开和闭合阶段。
可选地，仅测量第一接触器CT1的上游电源端子18和下游电源端子20之间的电压UAC，基于由测量装置33所测量的电压UAC，诸如电压UAC的0截距，来确定第一接触器CT1的闭合，并且根据第一接触器CT1的闭合与第一接触器CT1的闭合和第二接触器CT2的闭合之间的预定时间延迟来确定第二接触器CT2的闭合。例如，预定时间延迟基本等于三相电压周期的四分之一。
根据未示出的进一步的实施例，无功功率补偿器1包括三个接触器，每个接触器都与相应相Ph1、Ph2、Ph3之一电连接。
经由三个接触器的相应接触器的闭合，第一相Ph1、第二相Ph2、第三相Ph3中的一相首先连接至电容器组件24，随时进行该连接，假定当相应接触器的上游电源端子18和下游电源端子20处没有电流时（卸载连接）进行这个连接。
然后，经由另外两个相应接触器的闭合，第一相Ph1、第二相Ph2和第三相Ph3的另外两相连接至电容器组件24，该另外两个接触器的控制算法等同于无功功率补偿器仅包括两个接触器的先前实施例。
为了获得存储在另外两个接触器连接的电容器中的最小功率值，根据等同于无功功率补偿器仅包括两个接触器的先前实施例所述的控制算法，另外两个相应的接触器断开。
最后，三个接触器中的最早闭合的接触器断开，在断开另外两个接触器之后的任意时刻实施该断开，假定当在接触器的上游电源端子18和下游电源端子20处没有电流时（卸载断开），实施断开。
在该实施例中，三个接触器中的任意一个故障导致将故障接触器锁定在闭合位置，即，可动触点在接触器的闭合位置时融化，不意味着无功功率补偿器故障，因为劣化操作涉及先前所述的情况，两个接触器保持运行。
根据本发明的补偿器1可能降低第一机电式接触器CT1和第二机电式接触器CT2损坏的风险，同时快速进行无功功率补偿，即，在几十毫秒内通过电容器C1、C2、C3组件放电进行补偿。
根据本发明的补偿器1还适用于消除现有的感性电阻器，即，电磁线圈，其分别与第一相、第二相和第三相相关联并且分别与第一断路模块14、第二断路模块15和第三断路模块16串联连接。

Claims (9)

1.一种用于具有第一相(6)、第二相(7)、和第三相(8)的三相网络(4)的无功功率补偿器(1)，所述补偿器(1)包括：电容器(C1、C2、C3)的组件(24)；至少两个机电式接触器(CT1、CT2)，与所述电容器(C1、C2、C3)的组件(24)电连接，每个接触器(CT1、CT2)都包括至少一个上游电源端子(18)和至少一个下游电源端子(20)，电流适用于在所述接触器(CT1、CT2)处于闭合位置时、在所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间循环，第一接触器(CT1)适用于连接至第一相(Ph1)并且第二接触器(CT2)适用于连接至第三相(Ph3)；测量装置(33)，用于测量在至少一个机电式接触器(CT1、CT2)的所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的电压；以及控制装置(36、38)，用于根据预定控制算法而控制所述机电式接触器(CT1、CT2)，
其特征在于，控制算法包括：相应的机电式接触器(CT1、CT2)的闭合，用于其所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的基本0电压(UAC、UBD)；和相应的机电式接触器(CT1、CT2)的断开，用于所述接触器(CT1、CT2)连接的一个或多个电容器(C1、C2、C3)的基本最小功率值，
其特征在于，所述电容器(C1、C2、C3)的组件(24)包括根据三角形结构所配置的三个电容器(C1、C2、C3)，第一电容器(C1)连接在所述第一相(Ph1)和所述第二相(Ph2)之间，第二电容器(C2)连接在所述第二相(Ph2)和所述第三相(Ph3)之间，以及第三电容器(C3)连接在所述第一相(Ph1)和所述第三相(Ph3)之间，
其特征在于，用于断开所述第一接触器(CT1)以获得存储在所述电容器(C1、C2、C3)中的最小功率值的条件验证以下公式：
U31–U12＝0
其中，U31表示所述第三电容器(C3)的端子处的电压并且U12表示所述第一电容器(C1)的端子处的电压，以及
其特征在于，用于断开所述第二接触器(CT2)以获得存储在所述电容器(C1、C2、C3)中的最小功率值的条件验证以下公式：
U31-U23＝0
其中，U31表示所述第三电容器(C3)的端子处的电压并且U23表示所述第二电容器(C2)的端子处的电压。
2.根据权利要求1所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，一方面，所述测量装置(33)适用于测量所述第一接触器(CT1)的所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的电压(UAC)并且，另一方面，所述测量装置(33)适用于测量所述第二接触器(CT2)的所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的电压(UBD)，并且根据在所述接触器(CT1、CT2)的所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间所测量的电压(UAC、UBD)来确定所述相应的接触器(CT1、CT2)的闭合。
3.根据权利要求1所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，所述测量装置(33)适用于仅测量所述第一接触器(CT2)的所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的电压(UAC)，并且根据通过所述测量装置(33)所测量的电压(UAC)来确定所述第一接触器(CT1)的闭合，并且作为所述第一接触器(CT1)的闭合与所述第一接触器(CT1)的闭合和所述第二接触器(CT2)的闭合之间的预定时间延迟的函数，来确定所述第二接触器(CT2)的闭合。
4.根据权利要求3所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，所述网络的三相电压是周期性的，并且所述预定时间延迟基本等于三相电压周期的四分之一。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，它恰好包括两个机电式接触器(CT1、CT2)。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，它包括三个接触器(CT1、CT2)，每个接触器都电连接至网络(4)的相应相(Ph1、Ph2、Ph3)。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的无功功率补偿器，其特征在于，在第一容限内，每个接触器(CT1、CT2)的闭合都对应于其所述上游电源端子和所述下游电源端子(18、20)之间的0电压，所述第一容限优选地等于+800μs或-800μs。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，在第二容限内，每个接触器(CT1、CT2)的断开都对应于所述接触器(CT1、CT2)连接的一个或多个电容器(C1、C2、C3)的最小功率值，所述第二容限优选地等于+500μs或-500μs。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的无功功率补偿器(1)，其特征在于，用于控制所述接触器(CT1、CT2)的所述控制装置(36、38)适用于将控制信号发送给所述接触器(CT1、CT2)，并且所述控制装置(36、38)进一步包括：根据所述接触器(CT1、CT2)中的每一个的切换时间测量值，改变传送所述控制信号的时间的装置。
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