CN106026116A - 无功补偿快速平滑调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，具体是：通过电能检测模块(4)、控制器(7)、连续可调电容器(6)和分级投切电容器(5)构成的基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统来实现大功率时变电力负载的动态无功补偿，该方法包括信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功等4个步骤。本发明可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。

Description

无功补偿快速平滑调节方法

技术领域

本发明涉及动态无功补偿领域，特别是一种无功补偿快速平滑调节方法。

背景技术

随着工业的发展，各行业使用的感性用电设备的数量快速增长，各种大功率冲击性负载使低压配电网上电压和无功功率波动频繁，功率因数降低，电压质量变差，严重影响电网中其它设备的工作。

针对上述问题，中国专利文献(201020535748.9)公开的“基于逆阻型IGBT的PWM分相控制电容型SVC装置”，其技术方案是：连续调容装置与一定值电感并联，通过控制器控制IGBT开关的驱动电路，改变脉冲占空比大小实现连续调节主电路中连续调容装置的等效电容，从而达到调节无功功率的目的。但是，该专利提供的补偿装置由于连续调容装置和定值电感的调节范围有限，总无功调节容量小，主要应用在小功率负载上的静止无功补偿。

中国专利文献(200920087271.X)公开的“基于可变电抗的静止无功补偿器”，其技术方案是：通过智能控制器控制可变电抗器中晶闸管的导通角，改变变压器二次侧电流大小，进而通过电磁感应来改变变压器一次侧电流，达到电感量可调的效果，使无功补偿器电路吸收或者发出无功功率，实现负荷动态无功补偿。但该专利提供的补偿装置会出现磁滞现象，不适合反复多次调节，且调节速度较慢。

因此，在配电网和负载需要补偿的无功功率容量大、变化快等情况下，需要研究一种新的无功补偿方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题，提供一种无功补偿快速平滑调节方法，该方法可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，其特征是该方法包括信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功步骤，具体为：

第一步，信号检测：

高压隔离开关和高压断路器合闸后，电路中的电能检测模块以及控制器得电；控制器开始工作，电压电流互感器检测提取电压和电流信号；

第二步，电能信号分析与计算：

检测到的电压和电流信号经电能检测模块分析处理后，得到功率因数ph、有功功率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器；控制器通过实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Q_S；

第三步，基准补偿无功：

根据需要补偿的无功功率Q_S，控制器通过控制接触器KM1₁～KM1_N的闭合来投切分级投切电容器，记为C₀，向电力系统发出基准补偿无功，记为Q_C0，当ph达到功率因数的国家标准值ph₀时，则返回第一步，否则转入第四步；

第四步，微调补偿无功：

控制器输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器中逆阻型IGBT的脉冲占空比，记为D，调节连续可调电容器的等效容值ΔC，快速地发出无级可调的无功功率ΔQ_C，ph≥ph₀时则返回第一步，否则转入第四步；

从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节，使功率因数满足国家标准。

所述的连续可调电容器，由两组电力电子容抗变换器和电容器的串联电路经过并联后组成，用于发出连续可调的补偿无功。

所述的电力电子容抗变换器，由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用于调节连续可调电容器的等效容抗。

所述的分级投切电容器和连续可调电容器，其等效电容值C_S的计算公式为：

C_S＝C₀+ΔC，其中，

式中：C₀为投入的分级投切电容器(5)的等效电容值，C_a和C_b分别为与电力电子容抗变换器相串联的电容器的电容值，D为逆阻型IGBT的脉冲占空比。

所述的等效电容值C_S，可在C₀+min{C_a，C_b}至C₀+(C_a+C_b)之间平滑调节。

本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，其在配电网或负载的动态跟踪无功功率中的应用，以实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

(1)连续可调电容器与分级投切电容器并联，两者协同发出无功功率，实现平滑调节的同时，总无功调节容量大；

(2)电力电子容抗变换器采用反并联逆阻型IGBT结构，逆阻型IGBT的开关速度可达到2.5×10^-5s，无功补偿速度快；

(3)连续可调电容器采用电容器件进行无功微调，不消耗无功，可反复多次调节；

(4)实用性强，可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的快速平滑调节，提高功率因数。

附图说明

图1是本发明无功补偿快速平滑调节方法的原理图。

图2是本发明无功补偿快速平滑调节方法的系统仿真模型图。

图中：1.高压隔离开关；2.高压断路器；3.电压电流互感器；4.电能检测模块；5.分级投切电容器；6.连续可调电容器；7.控制器；8.快速熔断器；9.电容接触器；10.电容器；11.电容器；12.电力电子容抗变换器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，该方法采用分级投切电容器5和连续可调电容器6的并联组合装置；经过信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功等4个步骤，完成对大功率时变电力负载的快速平滑补偿。

该方法具体步骤如下：

第一步：信号检测

高压隔离开关1和高压断路器2合闸后，电路中的电能检测模块4以及控制器7得电；控制器7开始工作，电压电流互感器3检测提取电压和电流信号。

第二步：电能信号分析与计算

检测到的电流和电压信号经电能检测模块4分析处理后，得到功率因数ph、有功功率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器7；控制器7通过实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Q_S。

第三步：基准补偿无功

根据需要补偿的无功功率Q_S，控制器7通过控制接触器KM1₁～KM1_N的闭合来投切分级投切电容器5，记为C₀，向电力系统发出基准补偿无功，记为Q_C0，当ph达到功率因数的国家标准值ph₀时则返回第一步，否则转入第四步。

第四步：微调补偿无功

控制器7输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器12中逆阻型IGBT的脉冲占空比，记为D，调节连续可调电容器6的等效容值，记为ΔC，快速地发出无级可调的无功功率，记为ΔQ_C，ph≥ph₀时则返回第一步，否则转入第四步。

从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节，使功率因数满足国家标准。

所述的连续可调电容器6，由两组电力电子容抗变换器12和电容器11的串联电路经过并联后组成。

所述的电力电子容抗变换器12由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成。

所述的分级投切电容器5和连续可调电容器6的等效电容C_S的计算公式为：C_S＝C₀+ΔC，其中，式中：C₀为投入的分级投切电容器(5)的等效电容值，C_a和C_b分别为与电力电子容抗变换器(12)相串联的电容器(11)的电容值，D为逆阻型IGBT的脉冲占空比。

所述的等效电容C_S可在C₀+min{C_a，C_b}至C₀+(C_a+C_b)之间平滑调节。

本发明提供的上述无功补偿快速平滑调节方法，可以采用图1所示的基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统来实现，该系统的结构是：由电能检测模块4、控制器7、连续可调电容器6和分级投切电容器5组成，所述连续可调电容器6和分级投切电容器5并联后的一端接入电网中，另一端接地；控制器7通过RS485总线分别与电能检测模块4、连续可调电容器6和分级投切电容器5相连接。

所述的电能检测模块4，可采用电子式电能智能传感器WB1867B35，用于分析处理电压电流互感器3检测到的电压和电流信号，得到有功功率、无功功率、功率因数等电能参数。

所述的分级投切电容器5，由多组快速熔断器8、电容接触器9和电容器10的串联电路经过并联后组成，用于发出分级可调的补偿无功。

所述的连续可调电容器6，其由两组电力电子容抗变换器12和电容器11的串联电路经过并联后组成，其负极接地；用于发出连续可调的补偿无功。电容器11的正极与电力电子容抗变换器12相连接。

所述的电力电子容抗变换器12，由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用于调节连续可调电容器6的等效容抗。

所述的控制器7采用PLC控制系统，用于控制电容接触器9(KM1₁～KM1_N)的通断电和调节逆阻型IGBT脉冲占空比的大小，控制投切电容器5和连续可调电容器6发出的无功功率。

所述的PLC控制系统，由与电源相连接的PLC控制器和以数据线分别与PLC控制器相连接的触摸屏、I/O接口电路、脉冲输出电路和驱动电路组成。

所述的触摸屏可采用MCGS触摸屏。

该基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统的工作过程如下：

所述的控制器7通过“信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功”过程，对大功率时变电力负载进行快速平滑的无功补偿，具体如下：

步骤1)：高压隔离开关1和高压断路器2合闸后，电路中的电能检测模块4以及控制器7得电，控制器7开始工作，电压电流互感器3检测提取电压电流信号；

步骤2)：检测到的电流电压信号经电能检测模块4分析处理后，得到功率因数ph、有功功率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器7，控制器7通过实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Q_S；

步骤3)：根据所需要补偿的无功功率Q_S，控制器7通过控制接触器KM1₁～KM1_N的闭合来投切分级投切电容器5，记为C₀，向电力系统发出基准补偿无功，记为Q_C0，以提高功率因数ph，当ph达到国家标准值ph₀时返回步骤1)，否则转入步骤4)；

步骤4)：控制器7输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器12中逆阻型IGBT的脉冲占空比，记为D，来调节连续可调电容器6的等效容值，记为ΔC，使连续可调电容器6快速发出无级可调的无功功率ΔQ_C，ph≥ph0时则返回步骤1)，否则转入步骤4)。

从步骤1)至步骤4)周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节，使功率因数满足国家标准。

上述基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统中的分级投切电容器5和连续可调电容器6的等效电容计算公式为C_S＝C₀+ΔC，其中所述的等效电容C_S可在C₀+min{C_a，C_b}至C₀+(C_a+C_b)之间平滑调节。

所述的分级投切电容器5和连续可调电容器6，其发出的总无功功率可在Q_C0+2πf·U²·min{C_a,C_b}至Q_C0+2πf·U²·(C_a+C_b)之间平滑调节，其中，U为系统侧电压，f为系统电压频率。

如图2所示，设定系统电压U＝220V，频率f＝50Hz，在加入补偿系统之前，检测单元检测到的负载上的有功P和无功Q分别为5100W和10050Var，功率因数ph为0.45。设定功率因数的国家标准值ph₀＝0.95，则需要补偿的总无功容量为：

等效的总电容值为据此，首先将分级投切电容器5接入系统，其电容值记为C₀，将C₀设为225uF，补偿后系统的功率因数为0.61，仍低于国家标准值ph₀；按照补偿方法的第四步，再接入连续可调电容器6，并根据公式C_S＝C₀+ΔC和其中C_a＝75uF，C_b＝300uF，得到逆阻型IGBT的脉冲占空比为D₁＝0.57，D₂＝-0.17，其中，D₂为负值，应被舍去，取D＝0.57，将仿真模型中的脉冲信号占空比调节至57％后，检测到的系统无功为1157Var，功率因数为0.97，达到了国家标准ph₀。

本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。

Claims (6)

1.无功补偿快速平滑调节方法，其特征是该方法包括信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功步骤，具体为：

第一步，信号检测：

高压隔离开关(1)和高压断路器(2)合闸后，电路中的电能检测模块(4)以及控制器(7)得电；控制器(7)开始工作，电压电流互感器(3)检测提取电压和电流信号；

第二步，电能信号分析与计算：

检测到的电压和电流信号经电能检测模块(4)分析处理后，得到功率因数ph、有功功率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器(7)；控制器(7)通过实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Q_S；

第三步，基准补偿无功：

根据需要补偿的无功功率Q_S，控制器(7)通过控制接触器KM1₁～KM1_N的闭合来投切分级投切电容器(5)，记为C₀，向电力系统发出基准补偿无功，记为Q_C0，当ph达到功率因数的国家标准值ph₀时，则返回第一步，否则转入第四步；

第四步，微调补偿无功：

控制器(7)输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器(12)中逆阻型IGBT的脉冲占空比，记为D，调节连续可调电容器(6)的等效容值ΔC，快速地发出无级可调的无功功率ΔQ_C，ph≥ph₀时则返回第一步，否则转入第四步；

从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节，使功率因数满足国家标准。

2.根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的连续可调电容器(6)，由两组电力电子容抗变换器(12)和电容器(11)的串联电路经过并联后组成，用于发出连续可调的补偿无功。

3.根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的电力电子容抗变换器(12)，由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用于调节连续可调电容器(6)的等效容抗。

4.根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的分级投切电容器(5)和连续可调电容器(6)，其等效电容值C_S的计算公式为：

C_S＝C₀+ΔC，其中，

式中：C₀为投入的分级投切电容器(5)的等效电容值，C_a和C_b分别为与电力电子容抗变换器(12)相串联的电容器(11)的电容值，D为逆阻型IGBT的脉冲占空比。

5.根据权利要求4所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的等效电容值C_S，可在C₀+min{C_a，C_b}至C₀+(C_a+C_b)之间平滑调节。

6.根据权利要求1至5中任一所述无功补偿快速平滑调节方法的应用，其特征在于该方法在配电网或负载的动态跟踪无功功率中的应用，以实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。