CN112865127A - 动态无功补偿装置 - Google Patents

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CN112865127A CN202110304747.6A CN202110304747A CN112865127A CN 112865127 A CN112865127 A CN 112865127A CN 202110304747 A CN202110304747 A CN 202110304747A CN 112865127 A CN112865127 A CN 112865127A
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Abstract

本发明公开了一种属于电气控制技术领域的串并联型动态无功补偿装置。为了节电、缩短反应时间、降低成本和复杂程度，采用绕于鼠笼形三相三柱对称铁芯上的主绕组、副绕组、隔离绕组和直流控制绕组以及三相直流控制电源制成三相磁控电抗器与电容器串并联的方案。其中隔离绕组一端互相连接，另一端与三相直流控制电源的输入端连接。直流控制绕组互相串联后并联，其两端与三相直流控制电源的正、负端连接。通过对部分交流输出电流的自励式调控，使输出的容性电流快速变化。具有体积小、损耗少、成本低、反应快、节省电能、静态调整的特点。为动态无功补偿提供了一种实用设备。

Description

动态无功补偿装置
技术领域
本发明涉及一种属于电气控制技术领域的动态无功补偿装置。
技术背景
现有的动态无功补偿装置SVC可以分为两种。一种是由TCR与电容器并联组成，另一种是由MCR与电容器并联组成。存在这样的不足：TCR、MCR型电抗器都不同程度的存在三次谐波，需要采用线性电抗器与电容器串联成对三次谐波阻抗为零的治理电路与其并联。不但增大了体积、重量与损耗，而且提高了成本。其中TCR电抗器工作在高电领域时需要多管串并联技术和冷却水系统，使工程复杂、成本升高。而MCR型电抗器不但反映时间长，三相的具有六个铁芯柱。既增大了体积、重量与损耗，也提高了成本。
基于此，本发明试图提供一种不但结构、原理简单，成本低，而且反应时间短，有功损耗小的动态无功补偿装置。
为了实现这一目的，采用这样的技术方案：
发明内容1
一种并联型动态无功补偿装置，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组、三相直流控制电源和电容器组，其特征是：所述并联型动态无功补偿装置是由自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器组并联组成。
所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的交流工作绕组和直流控制绕组组成。所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成。所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器分别与三相桥式调压整流电路的交流输入端相连接而组成。所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端连接。上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接。组成自励式三相三柱型电调磁控电抗器后与所述电容器组并联。通过三相直流电源的控制，由电、磁混合调控产生的感性电流使容性交流工作电流快速无级变化。
发明内容2
一种串并联型动态无功补偿装置，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组、三相直流控制电源和电容器组，其特征是：所述串并联型动态无功补偿装置是由自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器组串、并联组成。
所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的交流工作绕组和直流控制绕组组成。所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组、副绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成。所述三相直流控制电源是由晶闸管与三相线性电抗器各相串接成等效电抗器后分别与三相桥式整流电路的交流输入端相连接而组成。所述副绕组分别与所述电容器组串联后与所述主绕组反相并联。所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端以及另外一组并联电容器组连接。上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接。通过三相直流电源的控制，使容性的交流工作电流快速无级变化。
在本发明的另一种型式中，所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由立体三角形卷绕铁芯组成。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由分别绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
在本发明的另一种型式中，所述鼠笼形三相三柱对称铁芯是由三个口字形叠插式铁芯的边柱与边柱拼成的立体三角形铁芯组成。所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的交流工作主绕组和隔离绕组组成。所述直流控制绕组是由绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
在本发明的另一种型式中，所述交流工作绕组是由具有中间抽头的绕组组成，所述三相直流控制电源的交流输入端与绕组的中间抽头连接，其直流输出端与直流控制绕组的两端连接。
本发明具有这样的特点：
1.在性能方面
由于本发明中的自励式三相三柱型电调磁控电抗器不但采用了电调与磁控相配合的调控方案，而且直流控制绕组兼有谐波治理功能，因而，既缩短了反应时间、又提高了调整速度，同时，使无论是交流工作主绕组的三次谐波、还是三相直流控制电源中TCR的三次谐波都被廉价的治理，有利于电磁环境保护。
2.在成本方面
采用卷绕式三相三柱对称铁芯，使体积减小、重量减轻，用料量更少，材料与加工成本降低。由于谐波已经被治理，不再需要与电容器串联的性性电抗器，因而使成本更低。
3.在节电方面
同样，由于本发明中的自励式三相三柱型电调磁控电抗器实现了用部分交流工作电流变换成的直流调控电流进行自励，因而，不再额外消耗励磁功率。同时，还减小了铁损。
4.在可靠性方面
由于核心部件是自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器，主回路中无电力电子器件的串并以及水冷却系统，因而，减少维护、捡修工作量和复杂程度，具有极高的可靠性和寿命。
附图说明
图1是并联型动态无功补偿装置的星形接线图。
图2是串、并联型动态无功补偿装置的星形接线图。
图3是自励式三相三柱型电调磁控电抗器的三相直流控制电源的一种电路型式。
图4是自励式三相三柱型电调磁控电抗器的三相直流控制电源的另一种电路型式。
图5是图1的鼠笼形三相三柱对称铁芯的形状、结构图。
图6是图2的鼠笼形三相三柱对称铁芯的形状、结构图。
具体实施方式一
下面结合附图对并联型动态无功补偿装置作进一步说明.
图1的并联型动态无功补偿装置是由自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器组C并联组成，其中自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的交流工作主绕组3、隔离绕组4、直流控制绕组5以及三相直流控制电源6组成。所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭1和下轭1是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱2分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间。三个铁芯柱2上分别绕有交流工作主绕组3、隔离绕组4。上轭不相邻的另外三个边、下轭不相邻的另外三个边分别绕有直流控制绕组5。隔离绕组4的一端互相连接，另一端与三相直流控制电源6的交流输入端连接。上轭1的绕组5之间、下轭1的绕组5之间分别以此首与彼尾相接的方式串联后并联，其两端分别与三相直流控制电源6的正、负输出端连接。组成自励式三相三柱型电调磁控电抗器后与所述电容器组C并联。
三相直流控制电源6是由三相线性电抗器L与由二极管D1～D3和单向晶闸管G1～G3组成的三相半控桥式调压整流电路组成。接入方式是线性电抗器L各相绕组的一端与二极管和单向晶闸管的串接点相连接，各相绕组的另一端为交流输入端分别与三个隔离绕组4连接，调压整流电路的正、负端与直流控制绕组5的两端连接。
如果自励式三相三柱型电调磁控电抗器单独接入电源是这样工作的：
电路调控的工作过程与状态.
当三相直流控制电源6中晶闸管的导通角从零开始增大时，输出给直流控制绕组5的调控电流立刻从零开始增大。这时，电调磁控电抗器的状态等效成变压器，隔离绕组4成为三相直流控制电源6的交流电源，直流控制绕组5成为其负载，交流工作主绕组3的电流随晶闸管导通角的增大而立刻增大。可见，此时交流工作主绕组3的电流是通过磁路经隔离绕组4与直流控制绕组5构成回路。随晶闸管导通角的增大，交流工作主绕组3、隔离绕组4的电流同时增大。由于是晶闸管在电路直接调控，交流工作主绕组3产生电流的启始时间与晶闸管开通的时间几乎同步，因而，交流工作主绕组3产生交流电流的时间、既电调磁控电抗器的反应时间提前了近1/10秒。晶闸管的导通角减小时，交流工作主绕组3的电流、隔离绕组4的电流同时线性减小，电调磁控电抗器电流减小的反应时间同样提前了近1/10秒。显然，采用隔离绕组4作为三相直流控制电源6的交流电源、以直流控制绕组5作为负载的方案，一方面，缩短了电调磁控电抗器产生电流的反应时间。另一方面，实现了自励、既交流工作主绕组3的电流通过磁路经三相直流控制电源6调压整流后成为直流控制绕组5的励磁电流。因而，不再额外耗用直流调控功率，从而达到节电目的。
磁路调控的工作过程与状态.
当晶闸管的导通角增大时，直流控制绕组5的电流立刻增大，在使交流工作主绕组3电流增大的同时、还使铁芯上下轭的导磁率开始下降，致使交流工作主绕组3的电抗值随之开始减小。在电路调控产生的电流基础上、交流工作主绕组3中因导磁率的减小、电抗值的下降而产生的磁控电流开始增大，并与电路调控形成的电流相叠加而继续增大。晶闸管的导通角线性减小时，铁芯上、下轭的导磁率随之开始上升，交流工作主绕组3的磁控电流随铁芯导磁率的回升而减小，由电调与磁控共同调控而产生的电流减小。
由六边形卷绕铁芯组成的上下轭不但分别构成了公共磁路，而且三个铁芯柱两侧的磁路都是对称的。绕在公共磁路的、互相串联的直流控制绕组5则组成了对称的公共电路，使无论是由磁控、还是由晶闸管直接电调产生的三次谐波在对称的公共电路形成的互感电压的瞬时值都为零、既任意时刻三相交流工作主绕组3的三次谐波在三相对称的公共电路产生的互感电压都大小相等但相位相反而互相抵消。由于三次谐波可以分解为其他奇次(5、7…)谐波，故其他各奇次谐波也为零。可见，不但铁芯柱数量由六个减少至三个而节省了铁芯材料，而且又构成了廉价的交流消谐电路。
显而易见，采用电调与磁控相结合的混合调控模式，不但交流工作主绕组3的电流是由电调与磁控共同构成，而且无论电流增大还是减小，每次电流发生变化都是电调产生的电流变量在前、磁控产生的电流变量在后，既电调产生电流的时间节点总是在磁控电流未产生变量之前的电抗器反映时间内，因而，既减小了时间常数，又节省了直流励磁功率。使其兼有TCR的反应时间短、调整速度快、不额外消耗励磁功率和CSR、MCR的容量大、工作电压高的共同优点。
晶闸管的导通角如此往复的增大、减小，使电、磁混合调控产生的交流工作电流从小到大、从大到小的发生无级变化。
本并联型动态无功补偿装置是这样工作的：
当晶闸管的导通角为零时，自励式三相三柱型电调磁控电抗器的电抗值最大，该回路的感性电流最小，并联电容器组C回路的容性电流最大，此时容性工作电流最大。当晶闸管的导通角增大时，自励式三相三柱型电调磁控电抗器的感性电流从最小值开始快速增大，使相位差180度的两个并联回路电流的矢量合、既容性工作电流快速减小。反之，当晶闸管的导通角减小时，容性工作电流则快速增大。
具体实施方式二
图2所示串、并联型动态无功补偿装置包括：三相三柱对称铁芯上下轭1、铁芯柱2、交流工作主绕组3、副绕组4、隔离绕组5、、直流控制绕组6、三相直流控制电源7和电容器C1、C2。三相三柱对称铁芯由鼠笼形三相三柱铁芯制成，铁芯上、下轭1是由六边形卷绕铁芯构成，三个铁芯柱2分别固定在上轭1不相邻的三个边与下轭1不相邻的三个边之间。三个铁芯柱2上分别绕有交流工作主绕组3、副绕组4、隔离绕组5。其中副绕组4与电容器C1串联后分别与各相的主绕组3反相并联。隔离绕组5的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源7的交流输入端以及另外一组并联电容器组C2连接。上轭不相邻的另外三个边、下轭不相邻的另外三个边分别绕有直流控制绕组6。上轭的直流控制绕组6之间、下轭的直流控制绕组6之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源7的正、负输出端连接。
三相直流控制电源7是由三个晶闸管的一端分别与三相线性电抗器L各相绕组的一端连接成TCR后与三相桥式整流电路组成，其中线性电抗器L各相绕组具有中间抽头。接入方式是TCR中晶闸管的另一端为输入端与隔离绕组5连接，三相线性电抗器L绕组的另一端与由二极管D1～D6组成的三相桥式整流电路中串联二极管之间的接点连接，线性电抗器L绕组的中间抽头进行三角形连接，三相桥式整流电路的正、负端与直流控制绕组6的两端连接。
本串、并联型动态无功补偿装置是这样工作的：
当TCR中晶闸管的导通角为零、既直流控制绕组6无调控电流时，交流工作主绕组3、副绕组4的自感最大，三种绕组之间的互感耦合系数K等于1。由副绕组4与电容器C1组成的LC串联回路产生电流，该电流的性质与大小由式：U/ωL-1/ωC决定，式中U为电源电压，ωL为副绕组4的感抗，1/ωC为电容器组C1的容抗。
电流的性质.当L、C的参数合适、既满足ωL＜1/ωC条件时，回路的阻抗为容性，回路电流即为容性。
电流的大小.满足ωL＜1/ωC条件时，电容器C1的容抗减小，故该电路不但产生相位超前的、且大于电容器C1单独接通时的容性恒定电流。该相位超前的容性电流通过磁路在主绕组3产生同样相位超前的互感电流。由于该互感电流在磁路产生的磁通密度远大于主绕组3原来感性空载电流的磁通密度，故主绕组3产生大于原感性初始电流、但是与LC串联回路电流相位相反的容性互感电流，该电流与原感性初始电流的矢量合成为此时主绕组3的回路电流。由于副绕组4与主绕组3反相并联，故此时主绕组3、副绕组4两个最大值的容性电流的算术和成为输出电流的一部分。
由于互感作用，隔离绕组5也产生互感电压，并产生由式：U/1/ωC决定的容性电流，式中U为隔离绕组5的电压，1/ωC为电容器组C2的容抗。主绕组3的容性电流又产生一个增量。
当晶闸管的导通角增大、既直流调控电流从零开始线性增大时，电路工作过程与状态发生这样的变化：
晶闸管调控电路的工作过程与状态
由于线性电抗器L的绕组具有中间抽头，形成了两个支路。其中一个支路是由线性电抗器L绕组抽头进行三角形连接后构成的交流支路。另一个支路是由线性电抗器L绕组另一端与三相桥式整流电路的交流输入端连接、其直流输出端与直流控制绕组6两端连接而构成的直流支路。晶闸管的导通角开始增大时，交流支路、直流支路的电流立刻同时增大。由于是电子调压器件在电路直接调控，产生电流的启始时间与晶闸管开通的启始时间同步，使反映时间缩短了近1/10秒。还由于TCR的电流为相位滞后90度的感性，与并联电容器C2的容性电流相位差为180度，使隔离绕组5的容性电流立刻减小，因而，交流工作主绕组3的容性工作电流随之立刻减小。晶闸管的导通角减小时，隔离绕组5的容性电流立刻增大，交流工作主绕组3的容性工作电流随之增大。同样，电流发生增大的时间也缩短了近1/10秒。显然，采用交流隔离绕组5作为三相直流控制电源7的交流电源、并以交流支路和直流支路作为负载的方案，一方面，缩短了电调磁控电抗器产生电流的反应时间。另一方面，实现了自励、既交流工作绕组3的部分工作电流经过三相直流控制电源7调控整流后成为直流控制绕组6的励磁电流，因而，不再额外耗用调控功率而节电。
磁路的工作过程与状态.
当晶闸管的导通角增大时，一方面，交、直流两个支路的电流立刻同时增大，交流工作绕组3的容性工作电流立刻随之减小。另一方面，直流控制绕组6电流的增大使铁芯上、下轭的导磁率开始下降，交流工作绕组3的电抗值开始线性减小，其感性的磁控电流开始增大。由于该感性电流的相位与正在减小的容性电流相位相反，故加速了容性工作电流的减小。晶闸管的导通角减小时，铁芯上、下轭的导磁率随之开始回升，交流工作绕组3的磁控电流随铁芯导磁率的回升而减小，由电控与磁控共同产生的容性工作电流增大。
六边形卷绕铁芯上下轭不但分别构成了公共磁路，而且三个铁芯柱两侧的磁路都是对称的。绕在公共磁路的、互相串联的直流控制绕组6则组成了对称的公共电路，使无论是由磁控、还是由TCR直接电调产生的三次谐波在对称的公共电路形成的互感电压的瞬时值都为零、既任意时刻三相交流工作主绕组3中的三次谐波在三相对称的公共电路产生的互感电压都大小相等但相位相反而互相抵消。由于三次谐波可以分解为其他奇次(5、7…)谐波，故其他各奇次谐波也为零。因而，既节省了铁芯材料、又构成了廉价的交流消谐电路。
TCR中晶闸管的导通角如此往复的增大、减小，使电、磁混合调控产生的容性交流工作快速电流从小到大、从大到小无级变化。

Claims (10)

1.一种并联型动态无功补偿装置，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组、三相直流控制电源和电容器组，其特征是：所述并联型动态无功补偿装置是由自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器组并联组成。
2.根据权利要求1所述的并联型动态无功补偿装置，其特征是：所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的交流工作绕组和直流控制绕组组成；所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成；所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器分别与三相桥式调压整流电路的交流输入端相连接而组成；所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端连接；上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接；组成的所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器与所述电容器组并联；通过三相直流电源的控制，由电、磁混合调控产生的感性电流使容性工作电流快速无级变化。
3.一种串并联型动态无功补偿装置，包括：三相三柱铁芯、交流工作绕组、直流控制绕组、三相直流控制电源和电容器组，其特征是：所述串并联型动态无功补偿装置是由自励式三相三柱型电调磁控电抗器与电容器组串、并联组成。
4.根据权利要求3所述的串并联型动态无功补偿装置，其特征是：所述自励式三相三柱型电调磁控电抗器是由绕在鼠笼形三相三柱对称铁芯上的交流工作绕组和直流控制绕组组成；所述鼠笼形三相三柱对称铁芯的上轭和下轭是由六边形卷绕铁芯组成，三个铁芯柱分别固定在上轭不相邻的三个边与下轭不相邻的三个边之间；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组、副绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的另外三个边、下轭的另外三个边上的各个绕组组成；所述三相直流控制电源是由晶闸管与三相线性电抗器各相串接成等效电抗器后分别与三相桥式整流电路的交流输入端相连接而组成；所述副绕组分别与所述电容器组串联后与所述主绕组反相并联；所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端以及另外一组并联电容器组连接；上轭的各个直流控制绕组之间、下轭的各个直流控制绕组之间分别以此首与彼尾相连接的方式串联后并联，其两端与所述三相直流控制电源的直流输出端连接；通过三相直流电源的控制，使容性的交流工作电流快速无级变化。
5.根据权利要求3所述的动态无功补偿装置，其特征是：所述副绕组两端与电容器两端并联，所述隔离绕组的一端互相连接，另一端与所述三相直流控制电源的交流输入端连接。
6.根据权利要求1～5所述的动态无功补偿装置，其特征是：所述鼠笼式三相三柱对称铁芯是由立体三角形卷绕铁芯组成；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的主绕组、副绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由分别绕在上轭的三个边、下轭的三个边上的各个绕组组成。
7.根据权利要求1～5所述的动态无功补偿装置，其特征是：所述鼠笼式三相三柱对称铁芯是由三个口字形叠插式铁芯的边柱与边柱拼成的立体三角形铁芯组成；所述交流工作绕组是由分别绕在三个铁芯柱上的交流工作主绕组和隔离绕组组成；所述直流控制绕组是由绕在三角形上轭的三个边、三角形下轭的三个边上的各个绕组组成。
8.根据权利要求1～5所述的自励式三相三柱型电调磁控电抗器，其特征是：所述交流工作主绕组是由具有中间抽头的绕组组成，三相直流控制电源的交流输入端与绕组的抽头连接，其直流输出端与直流控制绕组的两端连接。
9.根据权利要求1～5所述的动态无功补偿装置，其特征是：所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器和三相桥式调压整流电路组成；其中线性电抗器各相绕组的一端与三相桥式调压整流电路中二极管与晶闸管串联的接点相连接，各相绕组的另一端为交流输入端，三相桥式调压整流电路的正、负端为直流输出端。
10.根据权利要求1～5所述的动态无功补偿装置，其特征是：所述三相直流控制电源是由三相线性电抗器各相绕组的一端与晶闸管一端连接成TCR后与三相整流桥相接而组成，线性电抗器各相绕组具有中间抽头；其中线性电抗器各相绕组的另一端与由二极管组成的三相桥式整流电路中同向串联的二极管之间的接点相连接，各相绕组的中间抽头进行三角形连接；晶闸管的另一端为交流输入端，三相桥式整流电路的正、负端为直流输出端。
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