CN1126898A - 静态无功功率补偿装置 - Google Patents

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Abstract

在一种静态无功功率补偿装置中包括：第一电抗器2，该电抗器的电流由晶闸管-电路4来控制，电容器1分别地与第一电抗器2并联连接，并且在第一电抗器2和电容器1的连接点与输出端7之间连接有第二电抗器3，所述电容器每个被连接由所述电容器1和一个第三电抗器8组成的串联谐振电路中，以致于在该装置中吸收了高次谐波电流，由此减少了流出到电力系统中的高次谐波电流。

Description

静态无功功率补偿装置
本发明涉及一种与电力系统连接的静态无功功率补偿装置。
通常，在连接一个显著波动的无功功率负载的电力系统中，在负载节点上的电压随着流入负载中的电流而波动。为了抑制这种电压波动设置了一种静态无功功率补偿装置。该静态无功功率补偿装置基本上是由电容器和电抗器的并联连接电路所构成的，并且当负载的无功电流是滞后电流时该装置借助于在电容器中流动的超前电流通过补偿或抵消流入负载中的负载的无功电流来补偿无功功率，和当负载的无功电流是超前电流时该装置借助于在电抗器中流动的滞后电流通过补偿或抵消流入负载中的负载的无功电流来补偿无功功率。在公知的静态无功功率补偿装置中，为了在从滞后相位区域至超前相位区域的一个范围内连续地和自动地补偿，在电抗器电路中插接了电流控制开关电路，并且根据流入到负载中的无功电流为开关电路提供相位控制，以便在0至最大值的范围内调节滞后电流。
在已有技术的基本结构中，电容器和电抗器容量是非常的大。为了改进这种缺陷，在日本专利申请，公开号为昭61-109426中所公开的静态无功功率补偿装置提出了一种电容器和电抗器并联电路，而其它的电抗器借助于开关元件串联连接，由此减少了构成该装置的电容器、电抗器和晶闸管的总容量。
在上面描述的现有技术中，对晶闸管进行相位控制使谐波电流流出静态无功功率补偿装置，已知流出的谐波电流的量主要和有害的分量是由七次谐波电流跟随的五次谐波电流。因此，现有技术具有对连接到具有静态无功功率补偿装置的电力系统上的其它设备造成有害影响的这种问题，并由此需要安装一个外部谐波保护装置来防止该有害影响。
本发明试图解决上述现有技术的问题，并且本发明的目的在于提供一种静态无功功率补偿装置，该补偿装置能够防止通过调节来自相位控制的滞后补偿电流所产生的谐波电流流出该装置。由此上面描述的缺陷被消除了并且大大改进了它的实际效果。
为了实现上述的发明目的，本发明的静态无功功率补偿装置包括：
至少一个第一电抗器，该电抗器的电流由一个相控开关装置来控制；
至少一个实质上与所述第一电抗器并联连接的电容器；
至少一个连接在所述第一电抗器和所述电容器的连接点与至少一个外部输出端之间的第二电抗器，
其特征是：
所述至少一个电容器每个被连接在由所述电容器和至少一个第二电抗器组成的串联谐振电路中。
在静态无功功率补偿装置的另一种型式中，所述第一电抗器、第二电抗器和第三电抗器中的至少一个电抗器是由一个具有所希望的漏电感的变压器的线圈构成的。
在静态无功功率补偿装置的又一种型式中，在一种三相电路的情况下，所述第一电抗器和所述相控开关装置的串联连接电路被连接构成一个三角形连接。
在静态无功功率补偿装置的又一种型式中，在一种三相电路的情况下，三角形连接的相控开关装置的各个连接点与所述第一电抗器的对应的一端相连接。
具有上述结构的静态无功功率补偿装置能够减少流出静态无功功率补偿装置的总谐波电流分量，其原因是利用由电容器和第三电抗器组成的串联谐振电路防止了谐波电流的产生。
本发明具有这样的效果，即在一种静态无功功率补偿装置中，包括：一个第一电抗器，利用一个开关电路来控制在第一电抗器中流动的电流，一个与第一电抗器并联连接的电容器电路，和一个连接在第一电抗器和电容电路的一个节点与一个输出端之间的第二电抗器，其中，电容电路是通过连接一组或多组并联连接的，由一个电容和一个第三电抗器组成的串联谐振电路所构成的，它能够吸收在该补偿装置的谐波电流，由此明显地减少流出补偿装置的谐波电流，并且能够减少元件电容器和电抗器的容量，因而提供一种极好的静态无功功率补偿装置。
图1是本发明的第一种实施例的静态无功功率补偿装置的一种三相连接电路图。
图2是第一种实施例的静态无功功率补偿装置的一种单相连接电路图。
图3是在本发明的第一种实施例中具有多个串联谐振电路被并联连接的静态无功功率补偿装置的一种三相连接电路图。
图4是本发明的第二种实施例的静态无功功率补偿装置的一种三相连接电路图。
图5是本发明的第三种实施例的静态无功功率补偿装置的一种三相连接电路图。
图6A是本发明的第一种实施例的静态无功功率补偿装置的特性曲线图。
图6B是本发明的第二种实施例的静态无功功率补偿装置的特性曲线图。
图6C是现有技术的静态无功功率补偿装置的特性曲线图。
图7是静态无功功率补偿装置的特性曲线图。
下面结合附图将描述本发明的一个实施例。
图1示出了一种根据本发明的静态无功功率补偿装置的3相连接图，而图2示出了一种用于说明在图1中所示静态无功功率补偿装置的工作的一种单相结构的等效电路连接图。
本实施例的特征在于附加了一个与电容器1串联的第三电抗器8。也就是说，如在图1和图2中所示，三个电容器1在它们的各自一端以星形连接方式连接起来，而它们的另一端分别与第三电抗器8连接。此外，在第三电抗器8的另一端和对应的输出端7之间连接有第二电抗器3。在第二电抗器3和第三电抗器8之间的三个连接点N与开关网络相连接，该开关网络是一个在每个支路上包括一个第一电抗器2和一个开关电路4的三角形连接网络。每个开关电路4包括两个反向并联连接的晶闸管5，并且该晶闸管5的控制极与一个给出所需控制信号的控制电路6相连接。在这个实施例中，一个0.257mH的电抗器作为第三电抗器8被插入或加入与电容量为1.088mF的电容器1相串联，作为最大超前补偿功率为300KVA的静态无功功率补偿装置。每个第一电抗器2具有2.484mH的电感，而每个第二电抗器3具有2.353mH的电感；并且一个与输出端7连接的升压变压器是具有变压器电抗器为0.0934mH的600V：6600V的变压器。
下面将描述如在上面所描述结构的静态无功功率补偿装置的操作。由于本实施例的第三电抗器8的阻抗小于第一电抗器2、第二电抗器3和电容器1的阻抗，所以本实施例用于在负载中流动的无无功电流的补偿作用的操作实际上是与现有技术中的静态无功功率补偿装置的操作是相同的。电容器1和第三电抗器8组成的串联电路在大约300Hz时发生谐振，它是在电力系统工作在频率为60Hz时产生的五次谐波。因此，在晶闸管的相控期间由静态无功功率补偿装置产生的谐波电流的最显著分量的五次谐波电流由电容器1和第三电抗器8构成的串联谐振电路所吸收。其结果是，从静态无功功率补偿装置流到外面系统的谐波电流的总比率被减少了。
图6A、6B和6C示出了特性曲线的比较图。图6A示出了本实施例的静态无功功率补偿装置的特性曲线，图6C示出了现有技术中不具有第三电抗器8的静态无功功率补偿装置的特性曲线。图6A，图6B和图6C的的每个曲线的横坐标是用于通过从100％超前补偿电流到100％滞后补偿电流的范围内改变导通开关电路的周期所获得的补偿电流作刻度。每个纵坐标是用在额定电流中谐波电流的含量(％)作为刻度，并且每个曲线代表总的谐波电流分量的含量(％)和第五次和七次谐波电流分量的含量(％)，其中五次和七次谐波电流分量构成了总的谐波电流分量的大部分。如在图7中所示的，补偿电流的谐波电流含量根据第二电抗器3的容量与电容器1的电容量之比来变化，其中设置第二电抗器3是为了获得一个规定的最大超前补偿电流。因此，考虑到图7的曲线，第二电抗器3的容量与电容器1的容量之比设置为38∶100，该容量比使谐波电流比限制到一个最小值，由此获得了图6。图7的横坐标是用第二电抗器3的容量与电容器1的容量的百分比之比作为刻度。纵坐标是用类似于图6的谐波电流在额定电流中的含量(％)作为刻度。
如从图6A，6B和6C中可清楚地看到的，本实施例的静态无功功率补偿装置具有提供补偿电流的五次谐波电流分量和充分降低总的谐波电流的含量比的极好效果。
如从图7中也可以清楚看到的，当电容器1和第二电抗器3的容量被减小(通过减小[第二电抗器3的容量]/[电容器1的容量]的比)以便获得相同的最大超前补偿电流时，在现有技术的静态无功功率补偿装置的情况下，谐波电流大大地增加了。与其相反，在本发明的静态无功功率补偿装置中，谐波电流几乎不增加。因此，本实施例的静态无功功率补偿装置具有减小在一个电力系统中的电容器1和第二电抗器3的容量的极好效果和优点，在该电力系统中谐波电流允许到一定程度。
根据上面所述的实施例，在包括第一电抗器2的静态无功功率补偿装置中，第一电抗器2的电流通过开关电路4来控制，电容器1与第一电抗器2并联连接，而第二电抗器3插接在第一电抗器2和电容器1的一个连接点与输出端7之间，所述电容器1包括与第三电抗器8串联的形式。这种结构形式使它能够在静态无功功率补偿装置内吸收五次谐波并且急剧地减小流出静态无功功率补偿装置的总的谐波电流。
除了上述所述的实施例之外，在上述实施例中由电容器电路和第三电抗器8构成的电容器1的串联谐振电路的谐振频率被设置为300Hz，即五次谐波的频率，一种变型的实施例可以被构成，选择这样的电常数以致于420Hz的频率，即七次谐波在静态无功功率补偿装置中被吸收，由此减小了流出静态无功功率补偿装置的总的谐波电流。
作为另一种方式，用象五次、七次和十一次谐波这样的各种谐波分别产生谐振的各种串联谐振电路可以相互并联连接。图3示出了一种由并联连接两个串联谐振电路构成的实施例，这两个串联谐振电路分别与五次谐波和七次谐波产生谐。在图3中，1a和8a分别地代表电容器和第三电抗器，它们构成了与五次谐波产生谐振的串联谐振的电路，而1b和8b分别代表电容器和电抗器，它们构成了与七次谐波产生谐振的串联谐振的电路，其它的结构类似于图1的结构。用这样的电路结构能够在静态无功功率补偿装置中吸收五次谐波和七次谐波；并且能够进一步减小流出静态无功功率补偿装置的总的谐波电流。
虽然在电力系统工作在60Hz的情况下描述了上面的实施例，但是显然在电力系统工作在50Hz的情况下，五次谐波是250Hz，七次谐波是350Hz，而电容器1的电容量和第三电抗器的电感量设置为适合于50Hz这样的值。第二种实施例
下面参照图4和图6B将描述本发明的第二种实施例。
图4示出了第二种实施例的静态无功功率补偿装置的3相连接电路图。在该实施例中，在该3相连接电路中，不同于在图1中所示的第一种实施例的电路，第一电抗器2和开关电路4的连接被改变了。也就是说，三个开关电路4用三角形连接方式被连接，并且各个相互连接点或与第一电抗器2的一端对应的三角形的顶点以星形连接方式被连接。在图4中，电容器1、第二电抗器3、每个包括反向并联连接的可关断晶闸管的开关电路4、控制器6、输出端7和第三电抗器8被连接成类似于在图1中所示的第一种实施例的结构。但是只有第一电抗器2和开关电路4的连接不同于第一种实施例。用于说明本实施例的操作的等效单相连接图由类似于第一种实施例的图2来表示。
下面将描述第二种实施例的操作。如上所述，图4的第二种实施例的等效单相连接图是与第一种实施例的单相连接图相同的，并且产生补偿电流的操作与第一种实施例的操作基本上是相同的。本实施例在一个三相电路中的操作的特征在于：第一电抗器2的电感值可以是第一种实施例中第一电抗器2的电感值的三分之一。然而当开关电路4的导通周期超过120°时，三相被共同地短路，由此导致了开关电路4的不正常工作。在第一种实施例的情况下，各个导通周期能够被扩展到180°，其原因是甚至当开关电路4的各个导通周期超过120°时，由于第一电抗器2的工作，三相不被短路。然而在第二种实施例中，为了避免三相的短路，导通的最大周期预先地被设置不大于120°。这就导致了晶闸管5和第一电抗器2的容量在本实施例中不能够100％的利用。
本实施例的静态无功功率补偿装置的特性曲线被显示在图6B中。如从图6B中清楚看到的，虽然在本实施例中的补偿电流中的谐波电流含量比在第一种实施例中的谐波电流含量高一点，但是与现有技术的静态无功功率补偿装置相比能够获得更好的效果。
根据这个实施例，如上面所述，利用把三角形连接的相控开关装置和星形连接的第一电抗器2结合的电路结构，即把星形连接的第一电抗器2分别连接到三角形连接的开关电路4的顶点的电路结构，利用比第一种实施例中的第一电抗器的电感量更低的第一电抗器能够获得实际上类似于第一种实施例的效果。
当应用本发明时，根据待补偿的超前和滞后的电流容量和用于待抑制的谐波电流比的设计需要可以选择第一种实施例也可以选择第二种实施例。第三种实施例
下面参照图5和图6C将描述本发明的第三种实施例。
图5示出了第三种实施例的静态无功功率补偿装置的3相连接电路图。这种实施例的特征在于：借助于具有所希望的漏电感值的变压器线圈来构成第二种实施例的第一、第二和第三电抗器。也就是说在图5中，电容器1、开关电路4、晶闸管5和控制器6类似于第二种实施例中的这些部分。第三种实施例不同于第一种实施例或第二种实施例在于：它借助于具有所希望的漏电感值的变压器9的三个线圈来构成第一、第二和第三电抗器。
除了利用变压器的线圈的漏电感的操作来代替电抗器的操作之外，上面图5中所述的第三种实施例的静态无功功率补偿装置的操作几乎类似于已被描述的第二种实施例的操作，因此省了对它的类似描述，并且仅对它们不同之处进行说明。
根据第三种实施例，具有所希望的电压额定值和电流额定值的电容和开关电路能够用在一种简单的结构中，即通过借助于具有所希望的漏电感值的变压器线圈来构成第二种实施例的第一、第二和第三电抗器的电路结构中。同样地利用变压器能够增加与相关电力系统绝缘的能力和适用于各种包括极高电压系统的各种电力系统。
除了利用具有所希望的漏电感值的变压器线圈来构成第二种实施例的第一、第二和第三电抗器之外，更不用说，利用具有漏电感值的变压器线圈可以构成第一、第二和第三电抗器中的至少一个电抗器来代替利用变压器线圈来构成所有三个电抗器。
除了图5的连接之外，其中第一电抗器和开关电路的连接构成类似于第二种实施例的连接结构，当然可以构成其它的连接结构，例如连接成类似于第一种实施例的连接结构。
虽然利用目前最佳的实施例已经描述了本发明，但是可以理解这种公开不被解释为限制。在读完上面所公开的内容之后，对于本领域里的技术人员来说本发明适用的各种变型和改进无疑将变得更明显，因此，意图在于，附设权利要求书被解释为覆盖了属于本发明的精神和范围之内的所有变型和改型。

Claims (4)

1.一种静态无功功率补偿装置，包括：
至少一种第一电抗器(2)，该电抗器(2)的电流由一个相控开关装置(4)来控制；
至少一个本质上与所述第一电抗器(2)并联连接的电容器(1)；
至少一个连接在所述第一电抗器(2)和所述电容器(1)的连接点与至少一个外部输出端(7)之间的第二电抗器(3)；
其特征是：
所述至少一个电容器(1)每个被连接在由所述电容器(1)和至少一个第三电抗器(8)组成的串联谐振电路中。
2.根据权利要求1的静态无功功率补偿装置，其特征是：所述第一电抗器(2)、第二电抗器(3)和第三电抗器(8)中的至少一个电抗器是由一个具有所希望的漏电感的变压器的一个线圈(9)构成的。
3.根据权利要求1或2的静态无功功率补偿装置，其特征是：在三相电路的情况下，所述第一电抗器(2)和所述相控开关装置(4)的串联连接电路被连接构成一个三角形连接。
4.根据权利要求1或2的静态无功功率补偿装置，其特征是，在三相电路的情况下，三角形连接的相控开关装置(4)的各个连接点与所述第一电抗器(2)的对应的一端相连接。
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