CN1330066C - 调节电容无功功率的方法及所用装置 - Google Patents

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Abstract

调节电容无功功率的方法和装置。将无功补偿电容器组(C)和辅助变压器(TB)二次绕组串联或等效串联后，与辅助变压器(TB)一次绕组共同接于同一母线；使电网电压一方面施加于电容器组(C)，另一方面使辅助变压器(TB)二次绕组产生的附加电势反方向施加于电容器组(C)；电容器组(C)两端电压为电网电压与附加电势之差的模；利用晶闸管开关装置(VT2)来改变辅助变压器(TB)二次绕组的抽头匝数或等效匝数，以改变辅助变压器(TB)一、二次绕组匝数比K和附加电势的大小，进而改变电容器组(C)两端电压和所发出的无功功率。具有造价低，控制简单、易实现，允许工作电压高，控制级数多(可达80级以上)的特点。

Description

调节电容无功功率的方法及所用装置
技术领域
本发明涉及电容无功补偿的调节方法以及所用装置。
背景技术
电容无功补偿是电力网各种电气负荷用于调节电压和提高功率因素最普遍最常见的补偿装置，也是电力系统普遍采用的无功电源。但目前国内几乎全部采用机械式断路器投切电容器组(MSC)，它存在如下问题。断路器投入时，冲击电流大，不但影响电网，而且增加断路器触头电磨损，不允许频繁操作，只能适应缓慢变化的负荷。若电网电压波动大，波动频率高，特别是铁路电气牵引，电弧炉、轧钢机、油田抽油机、矿井大容量提升机等经常急剧变化的大负荷用机械式断路器投切电容器组进行调压和无功补偿，难以胜任。机械式断路器投切电容器组只适用于缓慢变化的静态调压和无功补偿。
电力电子技术出现后，开始研制应用了下列动态无功补偿装置，如晶闸管过零投切电容器组(TSC)，晶闸管控制电抗器(TCR)+电容器组(MSC)，基于变流原理的SVG。这类无功补偿设备，具有无冲击电流、反应速度快、可频繁调节等优点，可适用波动频率较高或电压急剧变化的无功电压快速动态调节。但这类设备投资高，电力用户难以接受。且允许工作电压低，接入高压母线时，不得不加装中间变压器，更增加工程造价。
有一种晶闸管串联调压电容无功补偿装置，简称俄式CKY，在一定范围内使用，它较TSC造价低，但仍存在造价高、控制技术复杂等缺点。这种装置的原理是通过晶闸管开关装置改变辅助变压器的一次绕组抽头，同时改变辅助变压器的联结组别，从而改变TB二次绕组所产生的附加电势，进而改变电容器组C两端电压的大小，调节电容无功。因为辅助变压器二次绕组附加电势的改变是通过辅助变压器一次绕组的晶闸管开关装置来实现，故称为间接变压式电容无功补偿装置。这种装置需要两个变压器，虽然总容量只为补偿装置额定容量的60％，仍增加了装置成本。另外，俄式CKY的晶闸管开关装置在换级过程中有不同结线，导致流过晶闸管开关电流在不同级，其方向是变化的，造成换级控制的复杂性，从而阻碍了俄式CKY的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种新的调节电容无功功率的方法及所用装置。本发明只用一个辅助变压器；将晶闸管开关装置接在辅助变压器二次侧，直接改变电容器两端电压；晶闸管开关装置只改变辅助变压器二次绕组等效匝数，辅助变压器联结组别在换级前后保持不变。装置成本大大降低，控制也十分简单，技术性能仍和TSC一样。
本发明的实现方案是：调节电容无功功率的方法，其特征在于：将无功补偿电容器组C和辅助变压器TB二次绕组串联或等效串联后，与辅助变压器TB一次绕组共同接于电网同一母线；使电网电压一方面施加于电容器组C，另一方面使辅助变压器TB二次绕组产生的附加电势反方向施加于电容器组C；电容器组C两端电压为电网电压与附加电势之差的模；利用晶闸管开关装置VT2来改变辅助变压器TB二次绕组的抽头匝数或等效匝数，以改变TB一、二次绕组匝数比K，改变二次绕组所产生的附加电势的大小，进而改变电容器组C两端电压的大小和电容器组C所发出的无功功率的大小。在电容器组电抗XC不变的情况下，调节电容器组所发出的无功功率。
上述调节电容无功功率的方法中，还可利用晶闸管开关装置VT1来改变辅助变压器一次绕组的抽头匝数或等效匝数，起辅助作用，配合改变辅助变压器一、二次绕组的匝数比。
调节电容无功功率方法用的装置，它包括串接的常规电容器组C和限流电感L；其特征在于：还包括一个三相辅助变压器TB和晶闸管开关装置VT2；三相辅助变压器TB的一次绕组直接与母线相接，二次绕组与电容器组C、限流电感L串接后，接于电网同一母线；晶闸管开关装置VT2采用“抽头”或“桥接”方式接于二次绕组，控制改变二次绕组的抽头匝数或等效匝数。
上述调节电容无功功率的装置中，三相辅助变压器TB的一次绕组可有采用“抽头”或“桥接”方式接入的控制改变一次绕组的抽头匝数或等效匝数的晶闸管开关装置VT1。
与现有技术比较。本发明不使用中间变压器或电源变压器，只用了一个辅助变压器；晶闸管开关装置不接在主回路中，也不是接在辅助变压器的一次侧，而是接在辅助变压器二次侧，直接控制改变电容器两端电压；晶闸管开关装置只改变辅助变压器二次绕组等效匝数，辅助变压器联结组别在换级前后保持不变。使得装置成本和应用成本大大降低，控制也十分简单，技术性能仍与TSC和俄式CKY一样。因为晶闸管开关装置直接接在辅助变压器二次侧，直接改变加在电容器C两端的端电压，故称为直接变压式电容无功补偿，又称为新型晶闸管控制串联调压电容无功补偿。本发明用于电容无功补偿，具有造价低，应用成本低，控制简单、易实现，允许工作电压高，控制级数多(可达80级以上)的特点。根据我国目前晶闸管串联技术水平，可直接接于35KV、110KV甚至220KV。它可广泛应用于电力系统各级电压变电站电容无功补偿调压、提高高压线路输电能力；还特别适用于铁路电气牵引网、冶炼和轧钢设备供电母线以及供电电压较高的各种冲击负载供电的无功补偿。
附图说明
图1是TSC方式的原理接线图；
图2是TCR+MSC方式的原理接线图；
图3是SVG方式的原理接线图；
图4是俄式CKY方式的原理接线图；
图5是本发明的原理接线图；
图6是本发明“抽头”式晶闸管开关装置接线图；
图7是本发明“桥接”式晶闸管开关装置接线图；
图8是本发明“抽头”式控制的一种具体接线图；
图9是本发明“桥接”式控制的一种具体接线图；
图10是本发明“桥接”式控制的一种具体接线图；
具体实施方式
实施例：如图5所示，本发明调节电容无功功率方法是将普通电容器组C和限流电感L按常规连接后，通过晶闸管开关装置VT2和辅助变压器TB二次绕组连接后再和辅助变压器TB的一次绕组(可经过或不经过晶闸管开关装置VT1)一起经断路器QF接于电网同一母线。断路器QF只作整个装置投入、切除(包括故障切除)用。用晶闸管开关装置改变辅助变压器一、二次绕组抽头匝数或等效匝数，即改变辅助变压器一、二次绕组的匝数比K，当辅助变压器一次绕组施加电网电压不变时，二次绕组所产生的附加电势将发生大范围改变，在电网电压U和辅助变压器可变的二次绕组附加电势共同作用下，电容器组C两端电压将发生大范围的改变，从而电容器组C发出的无功将在大范围内可调。晶闸管开关装置是由多个晶闸管开关组成。每个晶闸管开关可由半控器件普通晶闸管或双向晶闸管构成，也可由全控器件构成。每个晶闸管开关装置可直接接不同抽头来改变辅助变压器一、二次绕组匝数，即“抽头”式连接；也可用晶闸管开关对一、二次绕组的调节线圈构成桥式接线，对调节线圈进行正接、反接或不接来改变绕组的等效匝数，即“桥接”式连接。一、二次绕组匝数的改变所采用的晶闸管开关装置是“抽头”接还是“桥接”并不固定，根据需要选取，且一次绕组的匝数也可不调节。
图1所示的是晶闸管过零投切电容器组(即TSC)的原理接线图。它可直接接入10KV及以下母线，接入35KV及以上的母线，要经一个中间变压器降压后才能接入。TSC方式中，晶闸管工作电压高，为2倍网络额定电压UN，是导致TSC成本高的致命弱点。
图2所示的是TCR+MSC无功补偿装置的原理接线图。所谓TCR就是晶闸管控制电抗器，它是通过改变晶闸管的导通角来实现装置基波电感电流的改变。所谓MSC就是用机械开关来投切电容器组。虽然TCR本身的成本要比TSC低，但因它只能调节感性电流，且有高次谐波，必须和电容器组C并联才能实现容性无功的调节。主要用于500KV变电站感性无功和容性无功调节的地方。若用于220KV及以下变电站只需要容性无功的地方，或者用于提高输电能力，用TCR+MSC的单位容量的成本就比TSC高了，但由于技术原因，在钢铁冶炼和轧制大型企业，我国采用了TCR+MSC装置较多。目前最高工作电压只为35KV。
图3所示的是静止无功电源的SVG方式原理接线图，它是基于逆变器原理，可吸可发无功，但成本高，每兆乏大于50万，国内只有一台20MVAR投入使用。
图4所示的是俄式CKY装置的原理接线图，它也是基于晶闸管串联调压原理，在俄罗斯已有实际应用，比TSC成本低。但所需变压器容量仍较大，晶闸管控制复杂。只能接于10KV～35KV。
图5所示的是本发明装置的单相原理接线图。它仍是基于晶闸管串联调压原理，和俄式CKY显著不同点是：1)取消了电源变压器TY；2)晶闸管开关装置VT2和电容器组C一起放在辅助变压器TB二次绕组侧起主要调节作用，一次绕组侧晶闸管开关装置VT1起配合调节作用，一般可不用；3)晶闸管开关装置只改变辅助变压器一、二次绕组变比，不改变联结组别。本发明装置的最大特点是：所需晶闸管、变压器容量小，晶闸管工作电压低、控制不复杂，成本低，可直接接于35KV、110KV及220KV高压母线，综合造价更低。
图6所示的是“抽头”式晶闸管开关装置一相接线图，1～6表示晶闸管开关号，每级只有一个晶闸管开关接通，将电容器接至辅助变压器TB一、二次绕组的一个抽头，晶闸管开关装置VT2起主要调节作用，VT1配合(也可不要)。
图7所示的是“桥接”式晶闸管开关装置一相接线图，辅助变压器TB的二次绕组由3个线圈构成，其中W21、W22表征的线圈为调节线圈，分别和晶闸管开关1～4、5～8同电源构成桥式接线，每个“桥接”的晶闸管开关通过有序的通断组合可实现调节线圈的正接、反接或不接，来实现辅助变压器TB二次绕组等效匝数的改变。同理，TB一次绕组可由两个线圈构成，W11表征的线圈为调节线圈，通过桥接晶闸管开关9～12的通断组合，可实现调节线圈W11和线圈W12的正接、反接或不接三种工作方式；也可用抽头式晶闸管开关装置代替；也可不控制改变TB一次绕组匝数。
图8所示的是本发明“抽头”式晶闸管开关装置控制的一种具体接线举例。晶闸管开关装置VT的晶闸管开关1～12为“抽头”式连接，接在TB二次绕组的相间抽头上，每级工作状态只有同级的晶闸管开关接通，其余断开。图中F为压敏电阻，作过压保护用，L为三相限流电抗。
图9所示的是本发明“桥接”式晶闸管开关装置控制的一种具体接线举例。晶闸管开关装置VT2为“桥接”式连接，VT1取消。TB一、二次绕组联结为Y0/Y0-12，此接线可直接接入110KV和220KV母线。TB一、二次侧的电源都接于同一母线。
图10所示的也是本发明“桥接”式控制的一种具体接线举例。VT2和VT1均为“桥接”式晶闸管开关装置。辅助变压器TB一、二次绕组采用Δ/Δ-12联结。F1、F2、F3均为过压保护元件。此接线可直接接入10KV～35KV母线。
图8～图10表示了本发明典型的几种实际接线，但不完全限于此3种，通常实际接线特征是：晶闸管开关装置VT1和VT2可采用“桥接”或“抽头”，也可采用“桥接”和“抽头”的组合，VT1也可不要；辅助变压器TB一、二次绕组除采用Y/Y-12和Δ/Δ-12外，还可采用Y/d-11或Y/d-1等联结方式；无论哪种联结方式，TB二次侧都可以等效为电网母线-L、C-VT2和TB二次绕组相串联形式，VT1和TB一次绕组接于电网同一母线。联结形式一旦设计确定后，在调级控制中不变。
本发明的晶闸管开关装置只改变辅助变压器一、二次绕组匝数比，不改变它们的联结组别。辅助变压器一、二次绕组联结组别根据需要可采用Y/Y-12、Δ/Δ-12、Y/d-11、Y/d-1或其它联结形式。
本发明所涉及的三相辅助变压器，其铁芯和绕组设计和普通变压器没有本质区别。
本发明一般用于电网，负载三相对称容性无功补偿，也可和电感配合用于三相非对称补偿，还可用于单相、二相容性补偿，所用方法、原理、每相结构基本不变。虽然本发明也是分级调节，但采用“桥接”方式改变绕组等效匝数，可以利用不同匝数调节线圈的组合，两组即可实现80级以上的多级调节。

Claims (4)

1、调节电容无功功率的方法，其特征在于：将无功补偿电容器组和辅助变压器二次绕组串联或等效串联后，与辅助变压器一次绕组共同接于电网同一母线；使电网电压一方面施加于电容器组，另一方面使辅助变压器二次绕组产生的附加电势反方向施加于电容器组，电容器组两端电压为电网电压与附加电势之差的模；利用晶闸管开关装置来改变辅助变压器二次绕组的抽头匝数或等效匝数，以改变辅助变压器一、二次绕组的匝数比，改变二次绕组所产生的附加电势的大小，进而改变电容器组两端电压的大小和电容器组所发出的无功功率的大小。
2、根据权利要求1所述的调节电容无功功率的方法，其特征在于：还利用晶闸管开关装置来改变辅助变压器一次绕组的抽头匝数或等效匝数，以改变辅助变压器一、二次绕组的匝数比。
3、调节电容无功功率的装置，包括串接的常规电容器组(C)和限流电感(L)；其特征在于：还包括一个三相辅助变压器(TB)和晶闸管开关装置(VT2)；三相辅助变压器(TB)的一次绕组直接与母线相接，二次绕组与电容器组(C)、限流电感(L)串接后，接于电网同一母线；晶闸管开关装置(VT2)采用“抽头”或“桥接”方式接于二次绕组，控制改变二次绕组的抽头匝数或等效匝数。
4、根据权利要求3所述的调节电容无功功率的装置，其特征在于：三相辅助变压器(TB)的一次绕组有采用“抽头”或“桥接”方式接入的控制改变一次绕组的抽头匝数或等效匝数的晶闸管开关装置(VT1)。
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