CN114899835A - 基于旋转移相变压器的电压源型动态无功补偿器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于配电网无功补偿领域的一种基于旋转移相变压器(Rotary Phase ShiftingTransformer,RPST)的电压源型动态无功补偿器拓扑电路，所述单相或三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路主要包括串联电感、双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件、并联补偿电容，所构成得单相或三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路，通过单相或三相双RPST合成幅值和相位均连续可调的电压矢量，调节补偿电容器两侧电压，从而实现无功功率的连续、双向的补偿，具有易高电压化、大容量、低谐波、易运维、低成本、强抗冲击能力等优势，并且对于单方向补偿感性负荷的情形装备的性价比更高。

Description

基于旋转移相变压器的电压源型动态无功补偿器拓扑电路

技术领域

本发明属于配电网无功补偿技术领域，特别涉及含有分布式新能源与电动汽车等非线性负荷的新型配电网动态无功补偿。

背景技术

国家电网公司和南方电网公司提出规划建设以新能源为主体的新型电力系统。其中，接入大量分布式电源、分布式储能及电动汽车等非线性负荷的新型配电网是新型电力系统实现“双碳”目标的关键环节。随着配电网中分布式新能源的渗透率逐渐升高，配电网的功率流向逐渐复杂，供、用电环节的界限逐渐模糊，这给新型配电网的电压控制带来了极大挑战，电压越线问题严重制约了分布式新能源的快速发展。随着电能替代加速推进，电动汽车、空调等非线性负荷逐年增加，系统对无功的需求也日益增大。在配电网的关键节点安装无功补偿设备，不仅可以降低线损，提高配电线路的传输能力，而且可以稳定电压，改善供电质量，提高负载工作效率。

采用静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)时，设备结构简单，安装方便，成本经济，调节效率较高，因此SVC是电力系统中最常见的无功补偿装置。SVC主要包括晶闸管投切电容器(Thyristor Switching Capacitor,TSC)和晶闸管控制电抗器(Thyratron Control Reactor,TCR)。TSC依靠投切电容器分级调节无功功率，一般处于过补偿或欠补偿状态。TCR 依靠调节晶闸管触发角可连续调节无功功率，与TSC配合使用，可吸收其过剩无功，但TCR 调节过程中存在较大的谐波问题，严重影响电网的供电质量。

采用静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)时，电力电子开关控制灵活，调制方便，具有良好的快速响应能力和精准补偿能力，可以向系统提供连续、动态无功支撑，谐波问题也有了极大改善。但电力电子器件成本较高，耐受性差，不易高电压、大容量化，难以在配电网中大范围推广使用。

采用SVC和STATCOM混合补偿装置时，SVC承担主要压降和大容量补偿， STATCOM实现小容量精准补偿，可有效减少STATCOM容量，降低整个设备的投入成本，但电容器每次投切所引起的动态调节过程都会给STATCOM带来一定冲击，严重影响设备使用寿命，电力电子装置带来的谐波问题依然没有得到有效解决。

采用级联型多电平变流器(CHB)或模块化多电平变流器(MMC)与STATCOM相结合，可有效减少电力电子器件应力，不会向系统注入很大谐波，可以实现高电压、大容量精准补偿，但控制策略较为复杂，造价较高，无法广泛应用。

因此，有必要发明一种能够满足新型配电网无功补偿需求，具有连续、双向无功补偿能力、成本经济、易高电压大容量化、耐受性好、抗冲击性强、易运维的单相或三相动态无功补偿器拓扑电路。

发明内容

本发明主要提供一种基于旋转移相变压器(Rotary Phase ShiftingTransformer,RPST) 的单相或三相电压源型动态无功补偿器(Voltage Source DynamicVar Compensator,VS-DVC) 拓扑电路，其根据电压源型换流器(Voltage SourceConverter,VSC)的工作原理以及RPST 的移相调压机理实现连续、双向无功补偿。其基本思想是将VS-DVC并联在无功补偿点提供补偿电流，经过对电容两侧电压幅值的调节，连续改变补偿电流的大小和方向，可实现对负荷无功电流的全补偿。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是根据RPST的移相调压原理实现电容两侧电压连续可调，进而连续调节补偿电流的大小和方向。其基本结构包括：串联电感、双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件和并联补偿电容。具体技术方法是：两台RPST的转子绕组作为一次绕组并联，经串联电感接入并联补偿点，RPST的定子绕组作为二次绕组串联后接在补偿电容两侧。通过调节RPST的一、二次绕组的相对位置角可以改变输出电压对输入电压的相位差，两台RPST的输出电压幅值相近，相位取决于各自一、二次绕组的相对位置角，只需在0°～±90°范围内调节相对位置角，就可以实现电容两侧电压幅值在 0～2U_2N范围内连续可调，进而改变补偿电流的幅值和方向。当电容两侧电压幅值较大，电容发出的无功功率大于电感吸收的无功功率，VS-DVC的网侧特性呈容性；当电容两侧幅值较小，电感吸收的无功功率大于电容发出的无功功率，VS-DVC的网侧特性呈感性。因此， VS-DVC可实现无功功率连续、双向补偿，满足新型配电网对无功补偿设备精准补偿、成本经济、易运维、抗冲击性强和耐受性好等要求。由于VS-DVC的网侧特性主要取决于电容两侧电压，只需改变补偿电容的大小，就可以改变VS-DVC发出无功功率的额定范围，因此 VS-DVC以发出无功功率为主，特别适用于补偿感性负荷且补偿范围灵活可变。

与配电系统中使用最多的SVC相比，采用VS-DVC不仅可以有效地解决TSC分级调节带来的诸多问题，可实现TSC无法做到的全补偿，也不会向配电网额外注入谐波，影响整个系统的供电质量。与快速响应型无功补偿装置STATCOM相比，VS-DVC用两台RPST 代替STATCOM中的功率开关管桥路，在同样实现全补偿的基础上，降低了电力电子器件的投资成本，无需考虑电力电子器件的耐压问题，易高电压、大容量化、耐受性好，可在新型配电网中大范围推广使用。与级联H桥STATCOM和MMC-STATCOM相比，在同样实现高电压、大容量和精准补偿的基础上，极大地降低了整个设备的投资成本，也无需复杂的控制方法，具有良好的发展前景。

附图说明

图1为基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路较佳实施例的电气系统应用示意图。

图2为基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路较佳实施例的电气系统应用示意图。

图3为基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图。

图4为基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图。

图5为基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图。

图6为基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于RPST的电压源型动态无功补偿器拓扑电路，所述电压源型动态无功补偿器拓扑电路主要包括串联电感、双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件和并联补偿电容，具体应用时可分为单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路和三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路。

所述双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件，主要包括一次绕组、一次铁心磁路、二次绕组和二次铁心磁路。两台RPST一次绕组并联后经串联电感接入电网的无功补偿点，利用电磁感应原理，调节一次绕组与二次绕组之间的相对位置角，可实现输出电压相位相对于输入电压相位的连续调节而不改变电压幅值，将两台RPST二次绕组串联，利用矢量合成原理，即可实现对二次侧电压幅值及相位的连续调节，进而改变补偿无功功率的大小和方向。

所述单相或三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于计及内阻抗的配电系统等值电源

输出电压

直接与负荷相连，选取等值电源出口为并联无功补偿点，将单相或三相电压源型动态无功补偿器接入补偿点，单相电压源型动态无功补偿器提供补偿电流

补偿负荷侧电流

中的无功分量，使得电源侧电流

与电源电压

保持同相位，维持电源侧A相功率因数为设定值。三相电压源型动态无功补偿器提供补偿电流

补偿负荷侧电流

中的无功分量，使得电源侧电流

分别与电源电压

保持同相位，维持电源侧功率因数为设定值。

下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。

实施例1基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路：

图1所示的基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器并联接入单相配电线路中，适合补偿单相非线性负荷用户造成的无功功率缺额，可以实现用户端就地补偿无功功率，减少配电线路上无功功率流动，也可以减少因单相负荷造成的三相不平衡情况，能够有效降低配电网的线路损耗，提高配电网的传输能力和供电质量，有利于配电网的经济稳定运行。当线路末端接单相非线性负荷时，单相电压源型动态无功补偿器提供补偿电流

补偿负荷电流

中的无功分量，使得电源侧A相电压

和电流

始终保持同相位，单相电压源型动态无功补偿器在实际应用中更常工作在容性工况，补偿单相感性负荷。

图3所示基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图，主要包括串联电感1、双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件2和并联补偿电容3。双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件2中两台单相RPST的一次绕组4并联，一端经串联电感1接于线路的火线A上，另一端接于零线N上，通过由一次铁心5、二次铁心6组成的主磁路及气隙实现一次绕组4与二次绕组7之间的电压和功率变换，将两台RPST的二次绕组串联后接于补偿电容3两侧。根据矢量合成原理，仅调节两台RPST的一、二次绕组的相对位置角8和9，就可以合成一个幅值和相位均连续可调的电压矢量，从而调节电容发出的无功功率，改变单相动态无功补偿器的网侧特性。因此，施加一定控制策略控制α₁和α₂，即可实现精准补偿单相非线性负荷特别是感性负荷所需无功。

图4所示为基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图。双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件由两台单相RPST组成，两台单相RPST的一次绕组4并联后经过串联电感1接于线路A相的火线上，电网向一次绕组供给激磁电流，该电流在一次铁心5和二次铁心6及其之间的气隙中产生旋转磁场，在一次绕组4和二次绕组 7中分别感应电动势，其一、二次绕组的有效匝数比决定输出电压的幅值，一、二次绕组的相对位置角8、9即α₁和α₂决定输出电压相对于输入电压的相位差。将两台RPST二次绕组串联接于补偿电容3两侧，实现两台RPST输出电压的矢量合成，在电容两侧施加一个幅值和相位均可调的电压矢量，调节补偿电容3发出的无功功率，实现补偿无功的连续、双向调节。

实施例2基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路：

图2所示的基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器并接于三相配电线路中，适合大量分布式新能源接入的新型配电网并网点及系统关键节点的无功补偿与电压控制，有利于提高分布式新能源在配电网的渗透率，减少电能在生产、输送环节的碳排放量，提高电能的终端消费占比，加速能源替代；还适合接入大量电动汽车、空调等非线性负荷的新型配电网终端的无功就地补偿，降低无功功率在配电网中大范围流动造成的网损，提高配电网的传输能力和供电质量，避免出现因大量非线性负荷接入造成的电能质量不合格，提高整个配电网运行的经济稳定性，有利于加速电能替代。当线路末端接三相非线性负荷时，三相电压源型动态无功补偿器提供补偿电流

分别补偿负荷电流

中的无功分量，使得电源侧三相电压

和电流

始终分别保持同相位，三相电压源型动态无功补偿器在实际应用中更常工作在容性工况，补偿三相感性负荷。

图5所示为基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图，主要包括串联电感1、三相双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件10和并联补偿电容 3。所述三相RPST移相调压部分10中两台三相RPST的一次绕组4对应相并联，经过串联电感1接于并联点对应的火线A、B、C相上，另一端统一接于零线N上，通过一次铁心5 和二次铁心6组成的主磁路及气隙实现一次绕组4与二次绕组7之间的电压和功率变换，将两台三相RPST二次绕组串联结成星型后接于三相补偿电容3两侧。根据矢量合成原理，仅调节两台三相RPST的一、二次绕组的相对位置角8和9，就可以合成一个幅值和相位均连续可调的三相电压矢量，调节补偿电容发出的无功功率，改变三相动态无功补偿器的网侧特性，因此，施加适合的控制策略控制α₁和α₂，即可实现对新型配电网关键节点无功功率的精准补偿。

图6所示为基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图，两台三相RPST的一次绕组401、402、403、404、405、406对应相并联，经串联电感101、102、103接入并联点A、B、C相火线，电网向三相RPST的一次绕组供给激磁电流，该电流在一次铁心501、502和二次铁心601、602及其之间的气隙中产生旋转磁场，在一次绕组 401、402、403、404、405、406和二次绕组701、702、703、704、705、706中分别感应电动势，其一、二次绕组的有效匝数比决定输出电压的幅值，一、二次绕组的相对位置角决定输出电压相对于输入电压的相位差。因此，RPST的一次绕组逆磁场旋转方向分别旋转α₁、α₂角度时，忽略RPST的内抗压降时，701、702、703输出电压超前401、402、403输入电压α₁，704、705、706输出电压超前404、405、406输入电压α₂。将两台三相RPST的二次绕组串联接成星型后接在三相补偿电容301、302、303两侧，实现两台RPST输出电压矢量合成，对动态无功补偿器输出无功功率进行调节。

为了更详细地说明电压源型动态无功补偿器的补偿原理，下面以单相动态无功补偿器为例，分析其工作原理。

忽略RPST内阻，将其自身电感归算到串联电感中记为等效串联电感L′，将RPST 视为理想移相变压器，根据变压器原理，RPST一、二次电压符合以下关系：

T_RPST为一、二次绕组的有效匝数比，此处选取该值为0.5。根据矢量合成原理，补偿电容两侧电压可表示为：

当α₁＝-α₂＝α，则上式可化为：

补偿电容发出的无功功率可表示为：

电压源型动态无功补偿器的补偿电流表示为：

等效串联电感吸收的无功功率为：

Q_l＝I²ωL′ (6)

以吸收无功为正，电压源型动态无功补偿器提供的无功功率可表示为：

Q＝Q_l-Q_c (7)

将式(3)、(4)、(5)、(6)带入式(7)化简近似可得：

由式(8)可知，当

时，Q＜0，此时电容两侧电压较大，电容发出的无功功率大于电感吸收的无功功率，动态无功补偿器对外发出无功，可补偿感性负荷；当

时，Q＞0，此时电容两侧电压较小，电感吸收的无功功率大于电容吸收的无功功率，动态无功补偿器对外吸收无功，可补偿容性负荷。三相电压源型动态无功补偿器的工作原理同理。由于RPST本身存在自感抗，将该感抗归算到串联电感中，可减小串联电感的电感值。

如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，本发明并不局限于所给出的实施例，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对熟悉本领域的技术人员来说可做出的多种变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于旋转移相变压器(Rotary Phase Shifting Transformer,RPST)的电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于，所述电压源型动态无功补偿器拓扑电路主要包括串联电感、双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件和并联补偿电容，根据具体应用场景可分为基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器和基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器；

所述双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件，主要包括两台旋转移相变压器RPST，RPST的一次绕组并联后经串联电感接入配电系统的无功补偿点，通过由一次铁心、二次铁心组成的主磁路及气隙实现一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，调节一、二次绕组的相对位置角，实现输出电压相位相对于输入电压相位差的连续调节，RPST的二次绕组串联接在补偿电容两侧，根据矢量合成原理，合成一个幅值和相位均连续可调的电压矢量；

所述基于RPST的单相或三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于，考虑阻抗的配电网等值电源

输出电压

直接向单相或三相负荷供电，将单相或三相电压源型动态无功补偿器并联在电源出口，提供单相或三相电流补偿负荷线路上的无功电流，使电源侧电流和电压保持同相位，维持电源侧功率因数为设定值。

2.根据权利要求1所述的基于RPST的单相电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于，单相双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件2中两台RPST的一次绕组4并联，经串联电感1并接于无功补偿点的火线上，通过一次铁心5、二次铁心6及其之间的气隙实现一次绕组4和二次绕组7之间的电压和功率变换，改变一、二次绕组的相对位置角，调节每台RPST输出电压对输入电压的相位差，两台RPST的二次绕组7串联后接于补偿电容3两端；实际补偿电容两侧所加电压为两台RPST输出电压的矢量和，根据矢量合成原则，每台RPST移相角只需要在0～±90°范围内调节，就可以得到一个幅值在0～2U_2N之间，相位-90～+90范围内连续可调的电压矢量。

3.根据权利要求1所述的基于RPST的三相电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于，三相双RPST移相变压器及其转子位置角调节部件10中两台RPST的一次绕组401与404、402与405、403与406并联后经串联电感101、102、103分别接于补偿点火线A、B、C三相上，通过一次铁心501、502和二次铁心601、602及其之间的气隙实现一次绕组401、402、403、404、405、406和二次绕组701、702、703、704、705、706之间的电压和功率变换，改变每台RPST的一、二次绕组的相对位置角，实现输出电压相对于输入电压的相位差调节；两台RPST的二次绕组701、702、703、704、705、706串联接成星型后接在三相补偿电容301、302、303两端；实际补偿电容两侧所加电压为两台RPST输出三相电压的矢量和，根据矢量合成原理，每台RPST移相角只需要在0～±90°范围内调节，就可以得到一个幅值在0～2U_2N之间，相位-90～+90范围内连续可调的三相电压矢量。

4.根据权利要求1所述的基于RPST的电压源型动态无功补偿器拓扑电路，其特征在于，首先电网向RPST一次绕组供给激磁电流，在气隙中产生一个旋转磁场，根据电磁感应原理，一次绕组和二次绕组在旋转磁场下分别产生感应电动势，其有效匝数比决定感应电动势的幅值，相对位置角决定电动势的相位差；当一次绕组逆磁场方向转动α角度时，若忽略RPST内阻抗影响，其输出电压超前输入电压α角度。

5.根据权利要求1所述的单相或三相RPST移相调压原理，其特征在于，两台RPST分别输出两个幅值固定，相位连续可调的单相或三相电压矢量，根据矢量合成原理，可以得到一个幅值和相位均连续可调的合成电压矢量，调节补偿电容发出的无功功率，进而改变补偿电流以及动态无功补偿器的网侧特性，实现补偿无功功率的连续调节；由于补偿电容可变，只需要改变补偿电容的大小，就可以改变动态无功补偿器发出无功功率的最大值，因此电压源型动态无功补偿器更适用于发出无功，补偿感性负荷。

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