CN106469912B - 静止无功补偿装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种静止无功补偿装置，包括：多个电容器组，其供给三相交流(AC)电力；多个双向晶闸管，其断开和接通多个电容器组；和控制器，其计算需要补偿的无功功率的量并控制多个双向晶闸管以对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通多个电容器组，其中多个电容器组处于Y形连接的结构。

Description

静止无功补偿装置及其操作方法
技术领域
本公开涉及一种静止无功补偿装置及其操作方法，且更具体地，涉及一种改变了其中将用于无功功率的补偿的晶闸管投切电容器(TSC)连接至电力系统的结构的静止无功补偿装置及其操作方法。
背景技术
为了电力的传输的目的，有必要在直流(DC)输电系统和交流(AC)输电系统中均补偿无功功率。无功功率表示没有实际使用和没有消耗热量的功率。无功功率在电源和电力设备之间来回运送但是没有导致能量的产生，所以它不能被使用。如果无功功率增加，电压在其传输中可能会明显降低并且因此电力可能会切断。为了防止上述问题，有必要适当地补偿无功功率。
为此目的，在输电系统中使用无功功率补偿器。无功功率补偿器可以分类为：静止无功补偿器(SVC)，其使用晶闸管元件以补偿无功功率；和静止同步补偿器(STATCOM)，其使用绝缘栅双极型晶体管(IBGT)元件。
一般的SVC系统可以包括供给无功功率的晶闸管投切电容器(TSC)和吸收无功功率的晶闸管控制电抗器(TCR)。SVC系统调节TSC和TCR的无功功率以将无功功率供给至电力系统或吸收无功功率。通过这样做，SVC系统控制电压、功率因数和无功功率以便控制整个系统，从而提高电力系统的稳定性。
图1为示出构造现有SVC系统的TCR和TSC的电力系统连接的图。
如图1中所示，现有的SVC系统100可以包括TCR 110和TSC 120。
TCR 110包括三个双向晶闸管111、112和113，以及三个电抗器114、115和116。
三个双向晶闸管111、112和113以及三个电抗器114、115和116可以以三角形连接的结构连接至AC电力系统130。在这种情况下，三个双向晶闸管111、112和113以及三个电抗器114、115和116中的每一个构造产生三相AC的三相中的任一相。
TCR 110接通和关断三个双向晶闸管111、112和113以吸收AC电力系统130的无功功率。
TSC 120配置为包括三个双向晶闸管121、122和123，以及三个电容器124、125和126。
三个双向晶闸管121、122和123以及三个电容器124、125和126可以以三角形连接的结构连接至AC电力系统130。在这种情况下，三个双向晶闸管121、122和123以及三个电容器124、125和126中的每一个构造产生三相AC的三相中的任一相。
TSC 120接通和关断三个双向晶闸管121、122和123以将无功功率供给至AC电力系统130。
图2为示出栅极电压和由于图1中TSC的配置所施加的电压之间关系的图。
三角形连接的结构为如下这种结构：将连接诸如晶闸管和电容器的元件的线圈的一端，与另一个线圈的一端相连接，并且从线圈链接点引出的线路与电力系统相连接。以三角形连接的结构配置的电路产生三相AC，其表示以120度的相位差连续产生AC。
参见图2，线圈X的一端X2与线圈Y的一端Y1相连接。线圈Y的另一端Y2与线圈Z的一端Z1相连接，且线圈Z的另一端Z2与线圈X的另一端X1相连接。
此外，X2和Y1的链接点通过线路与电力系统L1相连接，Y2和Z1的链接点通过线路与电力系统L2相连接，并且，X1和Z2的链接点通过线路与电力系统L3相连接。
相电压Up是感应到三个线圈的每一个线圈的电压。在图2中，施加给线圈X的相电压为U31，施加给线圈Y的相电压为U12，以及施加给线圈Z的相电压为U23。
线电压UL是施加至彼此相邻的线路之间的电压。在图2中，施加在线路L1和线路L2之间的线电压为U1～2，施加在线路L2和线路L3之间的线电压为U2～3，以及施加在线路L1和线路L3之间的线电压为U1～3。
如图2中所示，在三角形连接的结构中相电压等于线电压。也就是，建立Up＝UL的关系。因此，电力系统的线电压施加至TSC的每一个相电压。
构造现有SVC系统的TCR和TSC中的每一个均处于三角形连接的结构。因为TCR调节将施加至晶闸管的触发信号，所以TCR必须处于三角形连接的结构。
但是，在TSC的情况下，如果TSC的相电压变高，在TSC中需要使用更大量的晶闸管元件并且因此TSC的价格会增加。此外，如果TSC的相电压变高，电容器的绝缘等级会升高故电容器元件可能具有更大的体积并且因此TSC的价格会上升。此外，在这种情况下，施加至每个可配置的设备的电压变为增加，减小了设备的稳定性。
发明内容
本公开的实施例提供一种静止无功补偿装置及其操作方法,其中静止无功补偿装置使用处于Y形连接的结构、而不是处于现有的三角形连接结构的TSC，从而降低了TSC的相电压和绝缘等级并因此在提高设备稳定性的同时降低TSC的价格。
本公开的技术目标并不限于上述目标，并且尽管在下面未提到其他目标，但在和以下实施例有关的领域的技术人员可以清楚地理解其他目标。
实施例提供一种静止无功补偿装置，包括：多个电容器组，其供给三相交流(AC)电力；多个双向晶闸管，其断开和接通多个电容器组；和控制器，其计算需要补偿的无功功率的量并控制多个双向晶闸管以对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通多个电容器组，其中多个电容器组处于Y形连接的结构。
实施例提供一种静止无功功率补偿系统，包括：晶闸管控制电抗器(TCR)，其吸收无功功率；和晶闸管投切电容器(TSC)，其供给无功功率，其中TSC包括：多个电容器组，其以Y形连接的结构连接并根据断开/接通状态供给三相交流(AC)电力；多个双向晶闸管，其断开和接通多个电容器组；和控制器，其计算需要补偿的无功功率的量并对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通多个电容器组。
实施例提供一种静止无功功率补偿器的操作方法，所述静止无功功率补偿器包括以Y形连接的结构连接的多个电容器组，该方法包括：计算需要补偿的无功功率的量；对应于所计算出的无功功率的量，通过断开和接通多个电容器组来供给三相交流(AC)电力。
一种包括处于Y形连接的结构的晶闸管投切电容器(TSC)的静止无功功率补偿系统的操作方法，该方法包括：计算需要补偿的无功功率的量；对应于所计算出的无功功率的量，吸收无功功率或通过TSC供给无功功率；并吸收在静止无功功率补偿系统中产生的谐波。
附图说明
图1为示出构造现有的静止无功补偿器(SVR)系统的晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)与电力系统的连接的电路图。
图2为用于解释栅极电压和由于图1中的TSC的配置所施加的电压之间的关系的图。
图3为示出根据本公开实施例的静止无功补偿装置的配置的图。
图4为示出根据本公开实施例的静止无功补偿装置与电力系统的连接的电路图。
图5为示出根据本公开实施例的静止无功补偿装置如何连接在Y形连接的结构的图。
图6为用于解释线电压和由于图5中的静止无功补偿装置的配置所施加的相电压之间的关系的图。
图7为示出根据本公开另一实施例的静止无功补偿装置的配置的图。
图8为示出根据本公开实施例的静止无功补偿系统的配置的图。
图9为示出根据本公开实施例的如何补偿静止无功功率的图。
具体实施方式
在下文中参考示出本发明的示例性实施例的附图来更充分地描述本发明。但是，本发明可以采用许多不同的形式来具体体现且不应该被解释为局限于在这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开是全面的，并将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。
本公开通篇所采用的术语具有在本领域通常使用的含义，且还使用由发明人任选的术语。在后者情况下，将在详细说明书中详细地描述其含义。因此，应基于这些术语的含义来理解本公开。在以下描述中，如在这里使用的术语“组成”和/或“包括”将理解为意指以下列出的是非穷举的且可能或可能不包括任何其他附加的适合项，例如，视情况而定的一个或多个另外的部件、操作、工序和/或元件。
图3为示出根据本公开的实施例的静止无功补偿装置的配置的图。
根据本公开实施例的静止无功补偿装置300可以包括：多个电容器组310、多个双向晶闸管320和控制器330。
根据多个电容器组310的断开/接通状态，供给三相交流(AC)电力。
电容器组310是用于积累电能的大容量电容器，且可以包括多个电容器。电容器是由两个电极和这两个电极之间的电介质组成的元件，并存储电能。
多个电容器310可以Y形连接到电力系统。
在上述Y形连接的结构中，产生三相交流(AC)的三个线圈中的每个线圈的一端被连接以配置一个中性点，并且三个线圈中的每个线圈的另一端与电力系统相连接。Y形连接的结构将参考图5和图6进行详细阐述。
多个双向晶闸管320断开和接通多个电容器组310。
每个双向晶闸管320均处于两个晶闸管反向并联的结构且因而电流可以在导通状态下沿两个方向流动。
晶闸管是PNPN四层半导体结构，且导通和关断以允许和阻断电流流动。在阳极相对其阴极为正的情况下，如果充足的电流在栅极上流动，则建立电气连接。一旦建立了电气连接，只要阳极电压设定为0晶闸管就不被关断。
控制器330计算要补偿的无功功率，并控制多个双向晶闸管320以对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通多个电容器组310。
图4为示出根据本公开实施例的静止无功补偿装置与电力系统的连接的电路图。
根据本公开实施例的静止无功补偿装置以Y形连接的结构连接到电力系统以便减小施加给该静止无功补偿装置的相电压。
参见图4，连接多个电容器组411、412和413以及多个双向晶闸管421、422和423的三个线圈以Y形连接的结构布置。此外，三个线圈中的每个线圈的一端被连接以配置一个中性点，且三个线圈中的每个线圈的另一端与AC电力系统相连接。
为了便于解释，图4显示了其中设置了三个电容器组411、412和413以及三个双向晶闸管421、422和423的范例，但是该配置可以根据系统设计而有所不同。
图5为用于解释根据本公开实施例的静止无功补偿装置的Y形连接的方法的图。
参见图5左侧的(a)，各自作为每个线圈的一端的U2、V2和W2在中性点N(或公共点)510处相连接。此外，从各自作为每个线圈的另一端的U1、V1和W1引出的三条线路分别与线路L1、L2和L3相连接。由于该配置，产生三相AC。
U1和V1之间、V1和W1之间或W1和U1之间的电压被称作线电压UL。在这种情况下，U12、U23和U31为线电压UL。
U1和中性点N 510之间、V1和中性点N 510之间或W1和中性点N 510之间的电压被称作相电压Up。在这种情况下，U1N、U2N和U3N为相电压Up。
参见图5右侧的(b)，示出了施加至三相AC的每相的相电压。在三角形连接的结构中，线电压施加至相电压。但是，在本公开中，如果多个电容器处于Y形连接的结构，相电压变为低于线电压。在下文中，参考图6描述相电压如何降低的原理。
图6为用于解释线电压和由于图5中的静止无功补偿装置的配置所施加的相电压之间关系的图。
参见图6左侧的(a)，三相的相电压分别为U1N、U2N和U3N，并且三相的线电压分别为U12、U23和U31。
在这种情况下，通过向量计算建立关系U31＝U1N-U3N。
也就是，公式U1N＝U31+U3N有效。
基于此，利用向量计算和在图6右侧的(b)中的余弦函数可以获得线电压和相电压之间的关系。
参见图6右侧的(b)，线电压(UL：U12、U23、U31)和相电压(Up：U1N、U2N、U3N)之间的关系可以表示为如下公式：
在这种情况下，故相电压Up减小至1/1.73倍线电压UL。因此，能够减小将施加给静止无功补偿装置的相电压。
如果晶闸管投切电容器(TSC)与电力系统以现有的三角形连接的结构相连接，则等于线电压的相电压被施加给TSC的每相。
但是，如果TSC与电力系统以本公开提出的Y形连接的结构相连接，施加给TSC的每相的电压可以减小至线电压的1/1.732倍。
施加给配置三相AC的相的相电压越高，静止无功补偿器需要使用越多的晶闸管元件。此外，如果将高的相电压施加给一相，则电容器的绝缘等级变为升高且因此电容器元件可能具有更大的体积。
因此，在根据本公开实施例的TSC与电力系统以Y形连接的结构相连接的情况下，晶闸管元件的数量和电容器元件的体积都减小，从而TSC的价格也可以减小。
图7为示出根据本公开另一实施例的静止无功补偿装置的配置的图。
根据本公开另一实施例的静止无功补偿装置300可以包括多个电容器组310、多个双向晶闸管320、控制器330和谐波滤波器710。
多个电容器组310、多个双向晶闸管320和控制器330实行与图3中所描述的那些元件相同或相似的功能，使得下文中不再描述以上已经描述了的功能。
谐波滤波器710吸收特定的谐波，从而滤除掉驱动静止无功补偿装置300时可能产生的谐波。根据静止无功补偿装置300的特性，可以包含多个谐波滤波器710。
谐波滤波器710可以为无源滤波器或有源滤波器。无源滤波器由电抗器、电容器和电阻器组成，而有源滤波器由有源元件组成。
谐波滤波器710可以与多个电容器组310的一端相连接。
在这种情况下，谐波滤波器710和多个电容器组310之间可以插入开关。该开关可以为机械开关或晶体管。如果此开关为晶体管，其可以为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)元件。
可替换地，多个谐波滤波器710的每一个中均可插入开关。
根据断开/接通状态，开关将电力输送给谐波滤波器710或阻断对谐波滤波器710的电力输送。
控制器330可以计算在静止无功补偿装置300的操作期间产生的谐波的量，并基于所计算出的量来控制谐波滤波器710以滤除谐波。
具体地，控制器330可以通过断开和接通上述开关来控制对谐波滤波器710的电力输送，并且，同时，控制谐波滤波器710以吸收谐波。
大部分谐波产生于晶闸管控制电抗器(TCR)中，故包括现有TSC的静止无功(无功伏安)补偿器(SVC)系统不包括谐波滤波器。为了在无需另外的谐波滤波器的情况下补偿部分谐波，TSC通常以三角形连接的结构布置。
但是，根据本公开的另一实施例的静止无功补偿装置Y形连接到电力系统并包括谐波滤波器。
因而，由于TSC配置为包括常规地与TSC并联且与TSC分离的谐波滤波器，能够减小SVC系统的体积并减小SVC系统所占用空间。
此外，TSC实行谐波滤波器的功能，故能够减小在现有SVC系统中安装谐波滤波器所需要的成本。
图8为示出根据本公开实施例的静止无功补偿系统的配置的图。
SVC系统与线路并联，且通过晶闸管高速地断开和接通电容器组或电容器组/电容器组的组合以及电抗器，从而产生或吸收无功功率以试图控制无功功率。为此目的，SVC系统可以包括TCR 810和TSC 820。
同时，根据系统设计，SVC系统可以进一步包括机械开关补偿器(未示出)、机械开关电容器(未示出)和变压器。
TCR 810导通和关断晶闸管以便吸收AC电力系统的无功功率。具体地，如果从电力系统传送的无功功率大于特定级别，则TCR 810可以吸收超出该特定级别的无功功率的量。
为此目的，TCR 810控制在电抗器中流动的电流的相位。在这种情况下，在电抗器中流动的电流失真并因此产生谐波。因此，需要能够滤除产生于TCR 810中的谐波的谐波滤波器，并且，在该实施例中，TSC 820中包括这样谐波滤波器。
TSC 820为三相组件，其可以以Y形连接的结构与电力系统连接。
通过导通和关断晶闸管，TSC 820断开和接通电容器从而将无功功率供给至AC电力系统。具体地，如果从电力系统传送的无功功率小于特定级别，则TSC 820供给未达到该特定级别的无功功率的量。
为此目的，TSC 820可以包括双向晶闸管821、822和823，电容器组824、825和826，以及谐波滤波器827、828和829，其中双向晶闸管821、822和823，与各自的电容器组824、825和826，以及各自的谐波滤波器827、828和829相连接。
断开和接通电容器组824、825和826由导通和关断双向晶闸管821、822和823来判定。
此外，TSC 820可以进一步包括小型电抗器831、832和833。小型电抗器831、832和833用于限制开关瞬态并阻断在并联的别的无功功率补偿器和电力系统中产生的谐波和浪涌电流的影响。
谐波滤波器827、828和829滤除驱动SVC系统时可能产生的谐波。根据SVC系统的特性，SVC系统可以包括多个谐波滤波器827、828和829。
谐波滤波器827、828和829可以与多个电容器组824、825和826的一端相连接。在这种情况下，可以在谐波滤波器827、828和829与多个电容器组824、825和826之间插入开关。可替换地，可以在谐波滤波器827、828和829的每一个中插入开关。根据断开/接通状态，开关将电力输送给谐波滤波器827、828和829或阻断对谐波滤波器827、828和829的电力输送。
图9为根据本公开实施例的用于补偿静止无功功率的方法的图。
静止无功补偿装置300接收来自电力系统的AC电力(S901)。
静止无功补偿装置300计算需要补偿的无功功率的量(S902)。在这种情况下，静止无功补偿装置300可以基于接收到的AC电力和负载特性来确定无功功率的量。
静止无功补偿装置300对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通多个电容器组(S903)。
静止无功补偿装置300供给无功功率(S904)。
根据本公开的实施例，可以减小施加至TSC的一相的电压，其可以使得能够减小TSC中使用的晶闸管元件的数量和TSC的价格。此外，如果TSC的相电压降低，TSC中使用的电容器的绝缘等级也会降低，其可以导致电容器元件的体积、TSC的价格和安装空间的减小。
此外，较低的电压施加给每个可配置的设备，从而可以提高设备稳定性。
尽管已经参考数个其示范实施例描述了一些实施例，但应当理解的是，本领域技术人员能够设想出落在本公开原理的精神和范围内的许多其他修改和实施例。尤其是，在本公开、附图和所附权利要求书的范围内可以对主题组合布置的组成部件和/或布置做出各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置做出的各种变化和修改以外，替换使用对本领域的技术人员来说也将是显而易见的。

Claims (8)

1.一种静止无功补偿装置包括：
多个电容器组，其供给三相交流(AC)电力；
多个双向晶闸管，其断开和接通所述多个电容器组；以及
控制器，其计算需要补偿的无功功率的量并控制所述多个双向晶闸管以对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通所述多个电容器组，
其中，所述多个电容器组处于Y形连接的结构，
其中，所述静止无功补偿装置包括晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器，
其中，所述晶闸管投切电容器包括所述多个电容器组、所述多个双向晶闸管和配置为吸收谐波的多个谐波滤波器，
其中，所述多个谐波滤波器分别连接到所述多个电容器组，
其中，多个开关插入在所述多个谐波滤波器和所述多个电容器组之间，
其中，所述控制器计算在所述静止无功补偿装置的操作期间产生的谐波的量，并基于所计算的量通过断开和接通所述多个开关来控制对所述多个谐波滤波器的电力输送。
2.如权利要求1所述的静止无功补偿装置，其中所述Y形连接的结构是如下结构：具备分别连接在所述电容器组和所述双向晶闸管之间的三个线圈，用于产生三相交流的所述三个线圈中的每个线圈的一端被连接以配置一个中性点，并且所述三个线圈中的每个线圈的另一端与电力系统相连接。
3.如权利要求1所述的静止无功补偿装置，其中所述多个双向晶闸管中的每一个配置为两个晶闸管反向并联的结构并根据通/断状态使电流沿两个方向流动。
4.如权利要求1所述的静止无功补偿装置，其中所述Y形连接的结构是如下结构：所述多个电容器组中的每个电容器组的一端被连接以配置一个中性点并且所述多个电容器组中的每个电容器组的另一端连接至电力系统。
5.一种静止无功补偿系统，包括：
晶闸管控制电抗器(TCR)，其吸收无功功率；以及
晶闸管投切电容器(TSC)，其供给所述无功功率，
其中所述晶闸管投切电容器包括：多个电容器组，其以Y形连接的结构连接并且根据断开/接通状态供给三相交流(AC)电力；多个双向晶闸管，其断开和接通所述多个电容器组；控制器，其计算需要补偿的无功功率的量并控制所述多个双向晶闸管以对应于所计算出的无功功率的量来断开和接通所述多个电容器组；以及配置为吸收谐波的多个谐波滤波器，
其中，所述多个谐波滤波器分别连接到所述多个电容器组，
其中，多个开关插入在所述多个谐波滤波器和所述多个电容器组之间，
其中，所述控制器计算在所述静止无功补偿装置的操作期间产生的谐波的量，并基于所计算的量通过断开和接通所述多个开关来控制对所述多个谐波滤波器的电力输送。
6.如权利要求5所述的静止无功补偿系统，其中所述Y形连接的结构是如下结构：具备分别连接在所述电容器组和所述双向晶闸管之间的三个线圈，用于产生三相交流的所述三个线圈中的每个线圈的一端被连接以配置一个中性点并且所述三个线圈中的每个线圈的另一端连接至电力系统。
7.如权利要求5所述的静止无功补偿系统，其中所述谐波滤波器连接至所述多个电容器组的一端。
8.一种包括晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器的静止无功补偿系统的操作方法，所述方法包括：
计算需要补偿的无功功率的量；
对应于所计算出的无功功率的量，吸收无功功率或通过所述晶闸管投切电容器供给无功功率；以及
吸收在所述静止无功补偿系统中产生的谐波，
其中，所述晶闸管投切电容器包括多个电容器组、多个双向晶闸管和配置为吸收谐波的多个谐波滤波器，
其中，所述多个电容器组处于Y形连接的结构，
其中，所述多个谐波滤波器分别连接到所述多个电容器组，
其中，多个开关插入在所述多个谐波滤波器和所述多个电容器组之间，并且
其中，所述吸收谐波包括：计算在所述静止无功补偿系统的操作期间产生的谐波的量，并基于所计算的量通过断开和接通所述多个开关来控制对所述多个谐波滤波器的电力输送。
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