CN104953601A

CN104953601A - 三相电网无功补偿电路、补偿系统及补偿方法

Info

Publication number: CN104953601A
Application number: CN201510423048.8A
Authority: CN
Inventors: 高鹏; 王启华; 白士贤; 吴隆辉
Original assignee: XI'AN ACTIONPOWER ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: XI'AN ACTIONPOWER ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明涉及三相电网无功补偿电路、补偿系统及补偿方法，包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相桥式电路、电容组C4，三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相桥式电路的逆变输出侧连接，电容组C4为三相桥式电路直流侧的支撑电容；本发明的目的是解决电网系统功率因数低，变压器无功无法补偿的问题，提出一种针对三相电网的提高电网台区功率因数、提高变压器出力、降低线路损耗、稳定线路电压、补偿变压器无功的一种补偿装置。

Description

三相电网无功补偿电路、补偿系统及补偿方法

技术领域

本发明涉及电网供电系统电能质量的改善，具体涉及一种三相电网无功补偿方法及户外柱上装置。

背景技术

电网系统，用户多为单相负荷，大多数负载属于感性负荷，例如电磁炉、空调、电机、水泵以及农用电器等设备，需要从电网吸取无功，导致电网功率因数低、变压器出力不足、线路损耗大、线路末端低电压问题；传统无功补偿采用电容器投切方式，电容器投切容易造成过补偿、欠补偿问题、容易与电网发生谐振。当变压器夜间空载或者变压器负载率低的情况下，变压器自身的无功损耗显得异常突出，通常无功补偿装置安装于变压器二次侧，补偿装置通过检测负载电流，进行无功补偿，但当变压器空载或者负载率低的情况下，变压器二次侧负载非常小或者检测不到负载电流，传统的无功补偿设备将无法运行工作；无法补偿变压器自身无功消耗；

本发明提出一种电网柔性无功补偿的户外柱上装置，针对以上提到的功率因数低、变压器出力不足、线路损耗大、线路末端低电压问题，能很好的解决以上电网系统存在的问题，较传统无功补偿方式解决了存在的欠补偿、过补偿以及无法进行变压器无功补偿等问题。

发明内容

本发明的目的是解决电网系统功率因数低，变压器无功无法补偿的问题，以及线路末端低电压问题，提出一种针对三相电网的提高电网台区功率因数、提高变压器出力、降低线路损耗、稳定线路电压、补偿变压器无功的一种补偿装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

三相电网无功补偿电路，其特殊之处在于：包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相桥式电路、电容组C4，所述三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，所述三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相桥式电路的逆变输出侧连接，所述电容组C4为三相桥式电路直流侧的支撑电容；

电感器L1与电感器L4的连接点连接有串联的R1与C1，电感器L2与电感器L5的连接点连接有串联的R2与C2，电感器L3与电感器L6的连接点连接有串联的R3与C3；所述C1、C2、C3的另一端连接于同一点。

上述三相桥式电路是由3只IGBT模块构成的。

三相电网无功补偿系统，包括三相电网无功补偿电路、检测采样调理单元、控制运算单元以及驱动单元，

所述检测采样调理单元用于采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处的LCL滤波电流、三相逆变电感与三相桥式电路连接处的三相逆变输出电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；

所述控制运算单元包括软锁相环控制模块、稳压模块、提取模块、变压器无功分量计算模块以及SPWM调制模块，

所述稳压模块用于接收目标电压值、同时将三相电网电压稳定到目标电压值，并发送给SPWM调制模块；

所述变压器无功分量计算模块用于接收已知变压器参数，通过计算得到变压器自身无功电流，并发送给SPWM调制模块；

所述软锁相环控制模块对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：

所述提取模块基于瞬时无功电流检测法，依据同步信号，将负载电流分解为正序分量和负序分量；后进一步提取正序分量和负序分量中的基波成分，得到需要补偿的正序无功电流和负序无功电流，并发送给SPWM调制模块；

所述SPWM调制模块接收三相负载电流对应的正序无功电流、负序无功电流以及变压器的无功电流，并将以上无功电流指令相加进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；

上述驱动单元：将三路PWM信号电平转换调理，得到6路隔离的PWM驱动信号，控制三相桥式电路。

上述控制运算单元还包括保护模块，用于依据电压、电流、频率保护设备。

上述控制运算单元基于DSP和FPGA。

三相电网无功补偿方法，包括以下步骤：

1)采集采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处的三相LCL滤波电流、三相逆变电感与三相桥式电路连接处的三相逆变输出电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；设置目标电压值；

2)同时将三相电网电压稳定到目标电压值，同时对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：

3)依据同步信号，将负载电流分解为正序分量和负序分量；后进一步提取正序分量和负序分量中的基波成分，得到需要补偿的正序无功电流和负序无功电流；

4)接收已知变压器参数，通过计算得到变压器的无功电流；

5)正序无功电流、负序无功电流以及变压器的无功电流相加进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；

6)将三路PWM信号电平转换调理，得到六路隔离的PWM驱动信号，控制三相桥式电路，实现线路电压稳定。

上述步骤3具体采用基于瞬时无功电流检测法。

上述步骤2具体如下：

在已知变压器参数的情况下，通过以下公式计算得到变压器的无功功率△Q：

Δ Q = Q_{0} + Q_{r} = \sqrt{{(\frac{I_{0} % * S_{r}}{100})}^{2} - p_{0}^{2}} + I_{L}^{2} * X_{B}

其中：

Q₀：变压器空载的励磁损耗无功功率；

Q_r：负载引起的实际变压器的励磁无功功率；

I_L：变压器副边视在电流有效值；

P₀：变压器空载损耗；

S_r：变压器容量(KVA)；

I₀％：变压器空载电流标幺值；

X_B：变压器感抗；

X_{B} = \sqrt{Z_{B}^{2} - R_{B}^{2}}

R_B：变压器等效电阻；

R_{B} = \frac{P_{K} * U_{r}^{2}}{S_{r}^{2}} * 10^{3}

P_K：变压器铜损(KW)；

U_r：变压器变比KV/V；

Z_B：变压器等效阻抗：

Z_{B} = \frac{U_{K} {%U}_{r}^{2}}{100 S_{r}} * 10^{3}

U_K％：变压器短路电压(KV)。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明能实现无功补偿：由3个电流互感器采样负载电流，实时提取出无功电流，依据负载无功电流特性，感性无功还是容性无功。如果负载为感性无功，则输出容性无功，如果负载为容性无功，则装置输出感性无功，且幅值相等，实现负载柔性无功补偿。

2、本发明不会出现过/欠补偿：通过检测负载电流，提取无功电流，跟随负载无功电流大小实时调节，全响应时间小于10ms，动态跟随效果好，不会出现过/欠补偿。区别于传统电容柜补偿方式。

3、本发明可以实现分相补偿：电网负载多为单相负载，由于负载工作时间上的差异性以及三相负载的差异性，系统三相不平衡，由电流互感器采样三相电流，提取出三相分别无功电流大小，可以分相补偿，依据负载每相无功电流的差异，实时动态分相补偿；

4、本发明能实现变压器无功补偿：电网台区空载或者轻载情况下，只有变压器自身的无功消耗，变压器低压侧电流互感器无法采样到电流，无法补偿变压器自身无功消耗：通过设定变压器的相关参数，由DSP运算得到变压器无功，产生PWM控制信号，驱动IGBT模块，输出相应的变压器无功补偿电流，通过低压侧补偿变压器无功。

附图说明

图1为本发明的三相电网无功补偿电路图；

图2为对称分量法分解正序负序无功的原理示意图；

图3为本发明的三相电网无功补偿系统示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明的结构和工作原理。由于电网系统中负载引起无功功率的不平衡，是由于负载电流中的负序无功分量叠加在正序分量上造成的。为了补偿使无功功率平衡，就要把这些不平衡分量从总电流中提取出来。

本发明装置，为电流型变流器。如图1所示，三相电网无功补偿电路，包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相桥式电路、电容组(C4，C5)，三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相桥式电路的逆变输出侧连接，电容组(C4，C5)为三相桥式电路直流侧的支撑电容；

电感器L1与电感器L4的连接点连接有串联的R1与C1，电感器L2与电感器L5的连接点连接有串联的R2与C2，电感器L3与电感器L6的连接点连接有串联的R3与C3；C1、C2、C3的另一端连接于同一点。滤波电路，主要是滤除开关次高频信号。

主电路为三相桥式两电平电流型变流器组成，功率开关器件采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块，直流侧采用电解电容作为直流电压储能支撑，装置的输出回路采用LCL滤波，主要滤除功率开关器件高频开关噪声，设备通过电抗器与电网连接，装置不会与电网产生谐振。

本发明为了补偿由负载引起的无功再加上变压器无功电流，作为系统需要补偿的无功电流的给定，利用DSP进行SPWM调制，生成一系列的PWM信号，经驱动电路驱动由IGBT模块组成的三相桥式电路，发出需要的补偿电流。另外还可以运行在稳压模式，解决线路电压大范围波动的问题，尤其是线路末端的低电压问题，通过设置稳压目标值，设备通过输出容性无功或者感性无功，达到稳定线路电压的功能，通过检测稳压目标值与实际电网电压的偏差，得到需要输出的无功电流指令，利用DSP进行SPWM调制，生成一系列的PWM信号，经驱动电路驱动IGBT模块，通过输出无功电流的方式，实现线路电压稳定。

三相电网无功补偿方法，包括以下步骤：

2)同时将三相电网电压稳定到目标电压值，同时对三相电网电压进行锁相，输出同步信号；

3)基于瞬时无功电流检测法，依据同步信号，将负载电流分解为正序分量和负序分量；后进一步提取正序分量和负序分量中的基波成分，得到需要补偿的正序无功电流和负序无功电流；

4)接收已知变压器参数，通过计算得到变压器的无功电流；

Δ Q = Q_{0} + Q_{r} = \sqrt{{(\frac{I_{0} % * S_{r}}{100})}^{2} - p_{0}^{2}} + I_{L}^{2} * X_{B}

其中：

Q₀：变压器空载的励磁损耗无功功率；

Q_r：负载引起的实际变压器的励磁无功功率；

I_L：变压器副边视在电流有效值；

P₀：变压器空载损耗；

S_r：变压器容量(KVA)；

I₀％：变压器空载电流标幺值；

X_B：变压器感抗；

X_{B} = \sqrt{Z_{B}^{2} - R_{B}^{2}}

R_B：变压器等效电阻；

R_{B} = \frac{P_{K} * U_{r}^{2}}{S_{r}^{2}} * 10^{3}

P_K：变压器铜损(KW)；

U_r：变压器变比KV/V；

Z_B：变压器等效阻抗：

Z_{B} = \frac{U_{K} {%U}_{r}^{2}}{100 S_{r}} * 10^{3}

U_K％：变压器短路电压(KV)。

三相电网一种提高电网功率因数，补偿变压器无功，稳定线路电压的方法，包括以下步骤：

1】基于瞬时无功电流检测法：

根据三相负载电流，基于瞬时无功电流检测法，将其分解为正序分量和负序分量，进一步提取基波成分，从而得到了需要补偿的正序无功电流和负序无功电流。实现分相无功补偿，有效针对电网不平衡进行治理。

2】变压器无功：

Δ Q = Q_{0} + Q_{r} = \sqrt{{(\frac{I_{0} % * S_{r}}{100})}^{2} - p_{0}^{2}} + I_{L}^{2} * X_{B}

其中：

Q₀：变压器空载的励磁损耗无功功率；

Q_r：负载引起的实际变压器的励磁无功功率；

I_L：变压器副边视在电流有效值；

P₀：变压器空载损耗；

S_r：变压器容量(KVA)；

I₀％：变压器空载电流标幺值；

X_B：变压器感抗；

X_{B} = \sqrt{Z_{B}^{2} - R_{B}^{2}}

R_B：变压器等效电阻；

R_{B} = \frac{P_{K} * U_{r}^{2}}{S_{r}^{2}} * 10^{3}

P_K：变压器铜损(KW)；

U_r：变压器变比KV/V；

Z_B：变压器等效阻抗：

Z_{B} = \frac{U_{K} {%U}_{r}^{2}}{100 S_{r}} * 10^{3}

U_K％：变压器短路电压(KV)。

3】锁相技术：

利用DSP的软锁相环控制模块，对电网电压进行锁相，作为控制系统同步信号，电网系统各种冲击性负荷多，电网电压波动范围大，而且电网电压存在较大的相位频率偏移，该锁相环针对电网应用增加了防抖动和相位偏移处理，适应较宽的电网频率波动范围，可以达到48Hz～52Hz；

4】一种基于有源补偿技术的提高电网末端电压稳定性的方法：

电网供电系统，受负载功率变化，电压波动范围大，尤其在负载功率大的时候，末端低电压问题严重，本装置可以安装到线路末端低电压端户外柱上，本装置实时监测电网电压，末端线路电压若低于国网低电压限值，装置自动运行于稳压模式，输出容性无功电流，将电网电压稳定到目标电压值；末端线路电压若高于国网高电压限值，装置自动运行于稳压模式，输出感性无功电流，将电网电压稳定到目标电压值。

5】有源电流发生技术：

通过检测负载三相电流ia、ib、ic分别得到三相电流的不平衡成分对应的正序无功、负序无功以及变压器无功电流，将以上无功电流指令相加，再由d,q坐标系转换到三相坐标系，得到三相坐标系的电流指令，基于DSP进行SPWM调制，得到三路PWM信号，DSP输出的PWM信号电平为3.3V，在外部经过信号放大，得到+15V、-10V电平的带死区隔离的6路驱动信号，6路3组驱动信号驱动IGBT工作，逆变输出通过电感器连接电网，采用闭环控制系统，精确得到需要输出的电流。

由于电网中存在大量的单相负荷，单相负荷投运将引起三相无功功率的不平衡。本发明通过提取三相电流中的不平衡分量。首先利用对称分量法，将测量的三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的负序分量电流和正序分量电流：

Claims

1.三相电网无功补偿电路，其特征在于：包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相桥式电路、电容组C4，所述三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，所述三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相桥式电路的逆变输出侧连接，所述电容组C4为三相桥式电路直流侧的支撑电容；

2.根据权利要求1所述的三相电网无功补偿电路，其特征在于：所述三相桥式电路是由3只IGBT模块构成的。

3.采用权利要求1或2所述三相电网无功补偿电路的三相电网无功补偿系统，其特征在于：包括三相电网无功补偿电路、检测采样调理单元、控制运算单元以及驱动单元，

所述驱动单元：将三路PWM信号电平转换调理，得到6路隔离的PWM驱动信号，控制三相桥式电路。

4.根据权利要求3所述的三相电网无功补偿系统，其特征在于:所述控制运算单元还包括保护模块，用于依据电压、电流、频率保护设备。

5.根据权利要求3或4所述的三相电网无功补偿系统，其特征在于：所述控制运算单元基于DSP和FPGA。

6.三相电网无功补偿方法，包括以下步骤：

4)接收已知变压器参数，通过计算得到变压器的无功电流；

7.根据权利要求6所述三相电网无功补偿方法，其特征在于：

所述步骤3具体采用基于瞬时无功电流检测法。

8.根据权利要求6所述三相电网无功补偿方法，其特征在于：

所述步骤2具体如下：

Δ Q = Q_{0} + Q_{r} = \sqrt{{(\frac{I_{0} % * S_{r}}{100})}^{2} - p_{0}^{2}} + I_{L}^{2} * X_{B}

其中：

Q₀：变压器空载的励磁损耗无功功率；

Q_r：负载引起的实际变压器的励磁无功功率；

I_L：变压器副边视在电流有效值；

P₀：变压器空载损耗；

S_r：变压器容量(KVA)；

I₀％：变压器空载电流标幺值；

X_B：变压器感抗；

X_{B} = \sqrt{Z_{B}^{2} - R_{B}^{2}}

R_B：变压器等效电阻；

R_{B} = \frac{P_{K} * U_{r}^{2}}{S_{r}^{2}} * 10^{3}

P_K：变压器铜损(KW)；

U_r：变压器变比KV/V；

Z_B：变压器等效阻抗：

Z_{B} = \frac{U_{K} {%U}_{r}^{2}}{100 S_{r}} * 10^{3}

U_K％：变压器短路电压(KV)。