CN104362649B - 晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置及方法，通过对晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的副边流入中点的正向电流和流出中点的负向电流的单周期电流积分平均值的闭环控制，在晶闸管传统触发角移相控制基础上引入正向偏移量和负向偏移量值，正向偏移量和负向偏移量的值通过闭环控制环路动态调节，从而保证可控电抗器有效的消除直流分量。本发明通过快速检测电抗器绕组电流，动态控制相应铁芯的磁化特性，具有较高的灵敏度和响应速度，有效地防止铁芯的直流偏磁，提高电抗器的运行可靠性。

Description

晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及晶闸管控制变压器型三相可控电抗器直流分量抑制装置及方法，属于电力电子设备技术领域。

背景技术

无功功率是电网安全、可靠、经济运行的重要保证，对于超、特高压长距离输电网尤其如此。高压并联电抗器能够较大程度地减小空载或者轻载线路的容升效应，从而限制工频过电压和操作过电压的幅值。当线路输送的功率接近自然功率时，线路自身的容性无功和感性无功达到平衡，高压并联电抗器增加了线路输送的无功，产生附加损耗、线路压降，降低了线路的输电能力；然而，故障模式下，无并联电抗器将难以抑制工频过电压和操作过电压。

传统的高压并联电抗器的容量不可调节，不能很好的应对线路负载变化，满足不同无功功率的需求。可控并联电抗器能够根据线路输送功率的情况自动、连续、平滑的调节自身容量，且能在短时间内从空载容量调节到额定容量，其良好的调节特性，能较好的满足电网对无功功率的需求。

晶闸管控制变压器型三相可控电抗器(ThyristorControlledTransformer)利用高阻抗变压器替代电抗器与晶闸管串联构成。通过调节晶闸管触发角，调节晶闸管控制变压器型三相可控电抗器副边晶闸管的导通时间，进而改变电抗器的等效电感量，以及调节电抗器接入电网的无功功率。当晶闸管完全关断时，该电抗器为高阻抗，对电网影响很小，可以很好的应对电网故障模式。电抗器的控制放置于副边，副边的控制电压和电流可以根据实际条件进行优化选择，提高了系统利用率，也降低了系统的难度。

当前，晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的控制过程为：根据无功功率需求，设定晶闸管的触发角度，再以电抗器原边电压为同步信号，合成晶闸管的触发脉冲。当晶闸管或变压器绕组，以及电网电压出现不均衡时，会导致电抗器铁芯中出现直流分量，该直流分量降低了铁芯的利用率，严重时还会影响整个电网的直流分量情况。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置及方法，解决了供电或电路元件不均衡导致电抗器铁芯中出现直流分量，使得铁芯单向磁化，磁路不平衡会降低铁芯利用率的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置，其特征是：所述晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置包括变压器型三相可控电抗器，晶闸管单元，电流检测单元，电压检测单元和控制与触发单元；

所述晶闸管控制变压器型三相可控电抗器，以三相铁芯为载体，并绕以原边和副边绕组；所述电抗器的原边利用星形接法接入交流电网，副边采用星形接法与所述晶闸管单元相连接，产生可控的感性无功功率；

所述晶闸管单元，将两只晶闸管器件反向并联，形成具有双向电流控制能力的晶闸管组件；以三组所述晶闸管组件构建星形网络，即三个晶闸管组件接成一个公共节点，称之为中点，所述中点与三个晶闸管组件分别连接，所述晶闸管组件的另一端分别与所述变压器型三相可控电抗器相连，所述中点与变压器型三相可控电抗器副边中点相连接；

所述电流检测单元，与晶闸管单元串联，检测变压器型三相可控电抗器副边电流，送入控制器中；

所述电压检测单元，与电抗器副边绕组并联，检测变压器型三相可控电抗器原边电压，送入控制器中；

所述控制与触发单元检测变压器型三相可控电抗器的原边输入电压信号、副边输出电流信号，并产生晶闸管触发信号传输给晶闸管单元。

前述的一种基于上述任一权利要求所述的晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置的抑制方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一、检测所述晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的副边电流，对流入中点的正向电流和流出中点的负向电流分别进行单周期积分，计算两者单周期电流均值；

步骤二、建立单周期电流均值的闭环控制环路，电流均值的参考值为零，电流均值的低通滤波值作为反馈量，经PI调节器后输出晶闸管触发角调整系数比例值；

步骤三、由PI调节器输出的晶闸管触发角调整系数比例值，可以计算得到正向晶闸管触发角调整系数和负向晶闸管触发角调整系数，并分别与单周期电流均值相乘，得到晶闸管触发角的正向偏移量和负向偏移量值；

步骤四、当正向电流与负向电流的平均值大于零时，在下一工频周期内，正向晶闸管触发角增加正向偏移量值，负向晶闸管触发角减小负向偏移量值；当正向电流与负向电流的平均值小于零时，正向晶闸管触发角减小正向偏移量值，负向晶闸管触发角增加负向偏移量值；

步骤五、根据线路中无功功率需求可得到理论上的晶闸管移相角度，同时叠加所述正向偏移量和负向偏移量值，得到晶闸管触发角的控制角度值；

步骤六、检测晶闸管控制变压器型三相可控电抗器原边电压信号，利用三相锁相环实现对三相绕组并联晶闸管的同步触发，控制和触发单元发送正向触发脉冲至正向晶闸管，发送负向触发脉冲至负向晶闸管。

本发明所达到的有益效果：通过对晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的副边流入中点的正向电流和流出中点的负向电流的单周期电流积分平均值的闭环控制，在晶闸管传统触发角移相控制基础上引入正向偏移量和负向偏移量值，正向偏移量和负向偏移量的值通过闭环控制环路动态调节，从而保证可控电抗器有效的消除直流分量。本发明通过快速检测电抗器绕组电流，动态控制相应铁芯的磁化特性，具有较高的灵敏度和响应速度，有效地防止铁芯的直流偏磁，提高电抗器的运行可靠性。

附图说明

图1是晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置结构示意图；

图2是晶闸管控制变压器型可控电抗器电压电流波形图；

图3是晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制方法流程图。

附图中的标记含义：1-Sap表示a相正向晶闸管，2-Scn表示c相负向晶闸管，3-Sbp表示b相正向晶闸管，4-San表示a相负向晶闸管，5-Scp表示c相正向晶闸管，6-Sbn表示b相负向晶闸管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制装置，包括：晶闸管控制变压器型三相可控电抗器，晶闸管单元，电流检测单元，电压检测单元和控制与触发单元。

晶闸管控制变压器型三相可控电抗器，以三相铁芯为载体，分别绕制原边和副边绕组；原边星形接法接入交流电网，副边星形接法，与晶闸管单元相连接，产生可控的感性无功功率；

晶闸管单元，两只晶闸管器件反向并联，形成具有双向电流控制能力的晶闸管组件；以三只晶闸管组件构建星形网络，即三个组件接成一个公共节点，该节点与三个组件皆有连接，为中点，组件的另一端与受控电抗器相连，中点与变压器型三相可控电抗器副边中点相连接；控制流入中点电流的晶闸管为正向晶闸管，控制流出中点电流的晶闸管为负向晶闸管。

电流检测单元，采用霍尔电流传感器，与晶闸管单元串联，并将电流检测值数据送入控制与触发单元。

电压检测单元，采用霍尔电压传感器，与电抗器副边绕组并联，并将电压检测值数据送入控制与触发单元。

控制与触发单元，检测变压器型三相可控电抗器的原边输入电压信号、副边电流信号，并在晶闸管的90度～180度相角范围内对6个晶闸管San，Scp，Sbn，Sap，Scn，Sbp依次生成晶闸管触发信号。

晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的直流电阻很小，可以等同于纯感性负载，当晶闸管触发角位于0～90゜时，电感电流连续，晶闸管失控，电抗器以最大无功状态。当晶闸管触发角位于90゜～180゜时，电抗器电流波形如图2所示，在忽略绕组电阻和晶闸管导通压降前提下，电抗器电流以电压波形过零点为中心对称。

在触发角变化范围较小时，其导致电流积分变化等同与电流曲线上下移动触发角变化量。本实施例以电抗器a相电流为例，对直流分量抑制方法进行阐述。

电抗器绕组的正向电流的积分值I_α+可通过对正向电流的积分计算得到，如下式所示：

$I_{a+}={\∫}_{(\mathrm{\π}-{\mathrm{\α}}_{+})}^{(\mathrm{\π}+{\mathrm{\α}}_{+})}{i}_a\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中α+表示正向触发角度，i_a为晶闸管a相电流。

电抗器绕组的负向电流的积分值为I_α-可通过对负向电流的积分计算得到，如下式所示：

$I_{a-}={\∫}_{(\mathrm{\π}+{\mathrm{\α}}_{-})}^{(\mathrm{\π}-{\mathrm{\α}}_{-})}{i}_a\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中α-表示负向触发角度，i_a为晶闸管a相电流。

电流均值I_avg通过正向电流积分值与负向电流积分值取平均得到，可用以下公式实现：

$I_{\mathrm{avg}}=\frac{I_{\mathrm{\α}+}+I_{\mathrm{\α}-}}{2}---\left(3\right)$

定义k_p为正向晶闸管触发角调整系数，k_n为负向晶闸管触发角调整系数，k为正向触发角调整系数与负向触发角调整系数之间的比例。

对电流均值I_avg进行低通滤波得到静态误差量，与零比较后，进行比例积分(Proportion-Integral，PI)调节，PI调节器的输出为比例系数k值：

$\frac{k_p}{k_n}=k---\left(4\right)$

定义k_p与k_n的约束条件：

k_p+k_n＝1(5)

基于上式的数值关系，可以得到k_p和k_n数值，分别与单周期电流均值相乘，即可得到正向与负向偏移量。

正向偏移量Δα₊计算用以下公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{+}=\frac{k}{1+k}*I_{\mathrm{avg}}---\left(6\right)$

负向偏移量Δα_-计算用以下公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{-}=\frac{1}{1+k}*I_{\mathrm{avg}}---\left(7\right)$

在传统晶闸管移相调节角度的基础上叠加正向偏移量Δα₊和负向偏移量Δα_-，可以得到正向晶闸管和负向晶闸管的触发信号，如图3所示。

晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制方法，包括以下步骤：

步骤一，检测晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的副边电流，对流入中点电流(正向电流)和流出中点电流(负向电流)分别进行单周期积分，计算两者单周期电流均值I_avg；

步骤二，建立单周期电流均值I_avg的闭环控制环路，电流均值I_avg的参考值为零，I_avg的低通滤波值为反馈量，经PI调节器后输出，PI调节器的输出为比例系数k；

步骤三，得到比例系数k值后，利用上文的公式(5)和公式(6)计算正向偏移量Δα₊和负向偏移量Δα_-；

步骤四，当正向电流与负向电流的平均值大于零时，在下一工频周期内，正向晶闸管触发角增加Δα₊值，负向晶闸管触发角减小Δα_-值；当正向电流与负向电流的平均值小于零时，正向晶闸管触发角减小Δα₊值，负向晶闸管触发角增加Δα_-值。

步骤五，根据线路中无功功率需求可得到理论上的晶闸管移相角度，同时叠加上述过程计算得到的Δα₊和Δα_-，即可得到本发明最终所需的控制角度。

步骤六，检测晶闸管控制变压器型三相可控电抗器原边电压信号，利用三相锁相环实现对三相绕组并联晶闸管的同步触发，正向触发脉冲分别送至Sap1，Sbp3，Scp5三个晶闸管，负向触发脉冲分别送至San4，Sbn6，Scn2三个晶闸管。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、检测晶闸管控制变压器型三相可控电抗器的副边电流，对流入中点的正向电流和流出中点的负向电流分别进行单周期积分，计算两者单周期电流均值；所述中点为呈星形连接的三个晶闸管组件的公共节点，所述晶闸管组件包括两只反向并联连接的晶闸管；

步骤二、建立单周期电流均值的闭环控制环路，电流均值的参考值为零，电流均值的低通滤波值作为反馈量，经PI调节器后输出晶闸管触发角调整系数比例值；

步骤三、由PI调节器输出的晶闸管触发角调整系数比例值，可以计算得到正向晶闸管触发角调整系数和负向晶闸管触发角调整系数，并分别与单周期电流均值相乘，得到晶闸管触发角的正向偏移量和负向偏移量值；所述正向晶闸管为控制流入所述中点电流的晶闸管，所述负向晶闸管为控制流出所述中点电流的晶闸管；

步骤四、当正向电流与负向电流的平均值大于零时，在下一工频周期内，正向晶闸管触发角增加正向偏移量值，负向晶闸管触发角减小负向偏移量值；当正向电流与负向电流的平均值小于零时，正向晶闸管触发角减小正向偏移量值，负向晶闸管触发角增加负向偏移量值；

步骤五、根据线路中无功功率需求可得到理论上的晶闸管移相角度，同时叠加所述正向偏移量和负向偏移量值，得到晶闸管触发角的控制角度值；

步骤六、检测晶闸管控制变压器型三相可控电抗器原边电压信号，利用三相锁相环实现对三相绕组并联晶闸管的同步触发，控制和触发单元发送正向触发脉冲至正向晶闸管，发送负向触发脉冲至负向晶闸管。

2.根据权利要求1所述的晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制方法，其特征在于：步骤一，对流入中点的正向电流和流出中点的负向电流分别进行单周期积分，计算两者单周期电流均值，计算步骤为：

电抗器绕组的正向电流的积分值I_α+计算公式为：

式中，α+表示正向触发角度，i_a为晶闸管的一相电流；

电抗器绕组的负向电流的积分值为I_α-计算公式为：

式中，α-表示负向触发角度，i_a为晶闸管的一相电流；

电流均值I_avg计算公式为：

。

3.根据权利要求2所述的晶闸管控制变压器型可控电抗器直流分量抑制方法，其特征在于：步骤三，由PI调节器输出的晶闸管触发角调整系数比例值，可以计算得到正向晶闸管触发角调整系数和负向晶闸管触发角调整系数，分别与单周期电流均值相乘，得到正向偏移量和负向偏移量，计算过程为：

定义k_p为正向晶闸管触发角调整系数，k_n为负向晶闸管触发角调整系数，k为正向触发角调整系数与负向触发角调整系数之间的比例；

对电流均值I_avg进行低通滤波得到静态误差量，与零比较后，进行PI校正，PI调节器的输出为比例系数k值：

定义k_p与k_n的约束条件：

k_p+k_n＝1(5)

可以得到k_p和k_n数值，分别与单周期电流均值相乘，得到正向与负向偏移量：

正向偏移量Δα₊计算公式为：

负向偏移量Δα_-计算公式为：