CN1588746A

CN1588746A - 一种变压器式可调电抗器及其构成的静止无功补偿器

Info

Publication number: CN1588746A
Application number: CN 200410060664
Authority: CN
Inventors: 丁洪发; 段献忠; 朱庆春
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2004-07-31
Filing date: 2004-07-31
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2024-07-31
Also published as: CN100334787C

Abstract

本发明公开了一种变压器式可调电抗器及其构成的静止无功补偿器。可调电抗器包括并联变压器单元、电压源型逆变器组合单元和可调电抗组合单元；电压源型逆变器组合单元由一个双桥臂逆变电源和一个限流电抗器串联构成，可调电抗组合单元由N－1个晶闸管投切电抗器支路构成，每个晶闸管投切电抗器支路分别由一个反并联晶闸管T_i1和一个电抗器X_i1串联构成。由上述可调电抗器构成的补偿器，它还包括固定并联电容器单元，测量单元和控制单元。可调电抗器具有更快的响应速度、更广的调节范围、更好谐波性能和输出电流谐波很小，无需设计专门的滤波器就可以直接接入系统运行。静止无功补偿器具有：容易实现大容量化、谐波污染小和动态响应速度快等优点。

Description

一种变压器式可调电抗器及其构成的静止无功补偿器

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种变压器式可调电抗器，以及由此构成的静止无功补偿器。

背景技术

电力系统的安全、稳定及经济运行水平同无功功率平衡密切相关。为此，必需装设相应的补偿装置以解决电力系统在不同运行方式下可能出现的无功不足和无功过剩问题。归纳起来，当前正在应用和研究中的无功补偿器有以下几种：

静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)：在这类补偿器中，目前研究和使用较多的是采用基于晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlledreactor，TCR)的SVC，它能较好地解决负荷的动态无功补偿问题，但TCR工作过程中将产生大量的谐波电流注入系统，为消除这些谐波需增加大量的滤波器，从而增加了装置的占地面积和造价。此类技术参考文献有：肖立军，贺炳庆，伍世民，彭建中译.静止无功补偿装置.长沙：湖南大学出版社，1989.以及N.GHingorani，L.Gyugyi.Understanding FACTS：Concepts and technology of flexible ac transmission systems，Chapter 5.NewYork：IEEE Press(ISBN 0-7803-3455-8)，2000.

基于变压器式可调电抗器(Controllable Shunt Reactors of TransformerType，CSRT)的无功补偿器：和TCR相比，CSRT具有谐波电流较小、功率损耗较低等优点。但CSRT存在如下缺点：①轻载时为了减小注入系统电流的谐波畸变率，存在不可调的死区；②为满足工作区内电抗器输出电流的谐波限制，控制绕组的各级容量和调节级数必需满足一定的关系，从而使装置的设计和实现变得复杂。此类技术参考文献有：田铭兴，励庆孚.变压器式可控电抗器的谐波分析和功率级数计算，中国电机工程学报，2003，23(8)：168-171。

常规的变压器式可调电抗器(CSRT)的电路结构如图1所示，其中，W_C为原方绕组，直接并联接入系统，i_C为流过CSRT原方绕组的电流(称为CSRT的输出电流)；W_C1，W_C2，...，W_CN(N为大于等于1的正整数)为副方绕组，T₁，T₂，...，T_N和X₁，X₂，...，X_N分别为串联在副方绕组中的反并联晶闸管和限流电抗器，i_C1，i_C2，...，i_CN分别为流过各副方绕组的电流。通过控制各副方绕组反并联晶闸管的导通和关断可以达到分级平滑调节整个电抗器等效阻抗的目的。

先进静止无功发生器(Advanced Static Var Generator，ASVG)：与基于可调电抗器的无功补偿设备相比，ASVG具有调节速度更快、调节范围更广、谐波输出更小，及欠压条件下的无功调节能力更强等优点。但限于电力电子器件的生产和发展水平，目前制造大容量的ASVG仍存在技术难度大、造价高等问题。此类技术参考文献有：Hanson，D，J.，Woodhouse，M.L.，Horwill，C.，et al.STATCOM：a new era of reactive compensation.PowerEngineering Journal[see also Power Engineer]，2002，16(3)：151-160.以及Schauder，C.，Gernhardt，M.，Stacey，E.，et al.Operation of±100 MVAR TVASTATCON.IEEE Transactions on Power Delivery，1997，12(4)：1805-1811.

发明内容

本发明针对现有技术的问题和不足，提出一种新型的变压器式可调电抗器及其构成的静止无功补偿器，它综合利用了CSRT和ASVG的技术特点，具有易于大容量化、谐波污染小、性价比高、动态响应速度快等优点。

本发明提供一种变压器式可调电抗器，包括并联变压器单元，其特征在于：它还包括电压源型逆变器组合单元和可调电抗组合单元；并联变压器单元副方有N个绕组：W_C1～W_CN，N为大于等于1的正整数，其原、副方电压同相，且原方与副方各绕组变比一定；电压源型逆变器组合单元由一个双桥臂逆变电源和一个限流电抗器串联构成，串联在并联变压器单元副方第1个绕组W_C1上，其输出电流i_VSI的范围为[-I，+I]；可调电抗组合单元由N-1个晶闸管投切电抗器支路构成，每个晶闸管投切电抗器支路分别由一个反并联晶闸管T_i1和一个电抗器X_i1串联构成，I＝2，...，N，该N-1个晶闸管投切电抗器支路分别串联在并联变压器单元副方第2至第N个绕组W_C2～W_CN上；并联变压器单元用于将可调电抗器并联接入电网，降低变压器副方电压等级，其副方的多绕组结构用于减小各绕组容量、实现电流的分级调节；电压源型逆变器组合单元用于产生连续可调的容性/感性电流；可调电抗组合单元用于产生分级可调的感性电流。

由上述可调电抗器构成的补偿器，其特征在于：它还包括固定并联电容器单元，测量单元和控制单元；固定并联电容器单元与可调电抗器的原方并联接入电网；可调电抗器提供连续可调的感性无功；固定并联电容器单元提供固定的容性无功；测量单元测量相关电压电流量；控制单元根据测量单元所测得的电压电流对可调电抗器进行控制，使得可调电抗器发出的无功与固定并联电容器单元发出的无功一起，对电网进行实时的补偿。

与现有的可调电抗器相比，本发明所提供的变压器式可调电抗器具有如下优点：①具有更快的响应速度；②具有更广的调节范围；③具有更好谐波性能，输出电流谐波很小，无需设计专门的滤波器就可以直接接入系统运行；④本发明所提供的变压器式可调电抗器还可以工作于有源滤波器(Active Power Filter，APF)方式，补偿无功的同时补偿负荷产生的谐波电流，用于诸如钢铁厂、电气化铁道等负荷的无功和谐波补偿。

由本发明提供的变压器式可调电抗器构成的补偿器与现有的无功补偿技术相比具有以下优点：

1、容易实现大容量化。本发明提供的变压器式可调电抗器的调节绕组采用了VSI(VSI的开关器件采用GTO、IGBT等)进行控制，其他控制绕组均采用反并联晶闸管控制。根据目前电力电子器件的发展现状，新型补偿器的大容量化主要受VSI的限制，由于在本发明提供的无功补偿器中，VSI的额定容量仅占整个补偿器额定容量的很小一部分，因此，容易实现整个无功补偿装置的大容量化，从而满足大容量的无功补偿要求。

2、谐波污染小。基于下述因素，本发明提供的无功补偿器的谐波污染非常小。通常可以认为处于全导通或全关断的绕组不会对系统产生谐波污染；VSI输出电流的谐波含量远小于TCR输出电流的谐波含量，同时由于新型变压器式静止无功补偿器中的VSI容量相对较小，所以其产生的谐波电流在整个补偿器输出电流中所占的比例很小；此外，VSI的损耗在整个装置中所占的比例也较小，因此还可以采用较高开关频率以进一步减小其输出电流中的谐波。

3、动态响应速度快。当负荷无功发生变化时，本发明所述变压器式静止无功补偿器仅需半个周波到一个周波时间就可以响应负荷变化，实现快速补偿。

4、该发明综合了CSRT和ASVG的技术特点，克服了传统的并联电抗器/电容器响应速度慢、连续可控性差，基于TCR的SVC输出电流谐波畸变大，基于常规CSRT的无功补偿器工作区域受负载条件限制、设计和实现复杂，以及ASVG造价高、难于大容量化等缺点。因此，本发明具有较高的性价比。

附图说明

图1为常规变压器式可调电抗器的电路结构示意图；

图2为本发明提供的变压器式可调电抗器的电路结构示意图；

图3为由图2改进的一种变压器式可调电抗器的电路结构示意图；

图4为由图2所示电抗器构成的补偿器的结构示意图；

图5为由图3所示电抗器构成的补偿器的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明所述之变压器式可调电抗器包括三个部分：并联变压器单元1，电压源型逆变器(Voltage Source Inverter，VSI)组合单元2和可调电抗器组合单元3。并联变压器单元1副方有N个绕组：W_C1～W_CN；VSI组合单元2由一个双桥臂逆变电源2.1和一个限流电抗器X₁串联构成，串联在并联变压器单元1副方第1个绕组W_C1上；可调电抗器组合单元3由(N-1)个晶闸管投切电抗器(Thyristor Switched Reactor，TSR)支路3.2～3.N构成，每个TSR支路分别由一个反并联晶闸管T_i1(i＝2，...，N)和一个电抗器X_i1(i＝2，...，N)串联构成，这(N-1)个TSR支路分别串联在并联变压器单元1副方第2至第N个绕组W_C2～W_CN上。

各个单元主要功能为：并联变压器单元1用于将可调电抗器并联接入电网，降低变压器副方电压等级，其副方的多绕组结构可以减小各绕组容量、实现电流的分级调节；VSI组合单元2用于产生连续可调的容性/感性电流；可调电抗器组合单元3用于产生分级可调(不连续)的感性电流。

本发明所述之变压器式可调电抗器具有如下特点：

设计并联变压器单元1原副方电压同相，且原副方各绕组变比一定，为k∶1，变压器变比值k可以根据系统的实际需要在[0.5，500]内取值；设计VSI组合单元2输出电流i_VSI的范围为[-I，+I](其中负号表示i_VSI以90°超前于原方电压v，即容性；正号表示i_VSI以90°滞后于原方电压v，即感性；以下同)，电流值I可以根据系统的实际需要确定(其值可以从几安培到上千安培)，这样该绕组发出的无功可以在[-Q₁，+Q₁](无功值Q₁可以根据副方绕组电压和电流值I直接确定)范围内连续调节，因此该绕组又称为调节绕组；在控制中，设定T_i1(i＝2，...，N)或者全导通，或者全关断，即流过并联变压器单元1副方第2至第N个绕组的电流i_C2～i_CN或者为额定值，或者为0；设计合适的电抗器X_i1(i＝2，...，N)的值，使得i_C2＝+2I、i_C3＝+4I、……、i_CN＝+2^N-1I，即各绕组容量比值为Q₁∶Q₂∶...∶Q_N＝1∶2∶...∶2^N-1。在以上设计的基础上，通过对VSI组合单元2.1和T_i1(i＝2，...，N)的控制，流过并联变压器单元1副方绕组的总电流可以在[-I+(2^N-1)I]范围内连续变化，于是并联变压器单元1原方绕组电流可以在[-I/k，+(2^N-1)I/k]之间连续变化，即该可调电抗器可以向外发出连续可调的无功电流(主要是感性)。

如图3所示，根据图2所示变压器式可调电抗器改进得到的另一种变压器式可调电抗器，包括三个部分：并联变压器单元1，VSI组合单元2和可调电抗-电容组合单元4。并联变压器单元1和VSI组合单元2的结构同前，主要的改进在于采用可调电抗-电容组合单元4代替了可调电抗组合单元3；可调电抗-电容组合单元4由TSR支路与晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)支路并联构成，可调电抗-电容组合单元4用于产生分级可调(不连续)的容性/感性电流。TSC支路由反并联晶闸管T_i2(i＝2，...，N)、电容器C_i(i＝2，...，N)以及阻尼电抗器X_i2(i＝2，...，N)串联而成，阻尼电抗器的作用在于降低电容器投入或故障时电路的冲击电流。

上述变压器式可调电抗器具有如下特点：

设计并联变压器单元1原副方电压同相，且原副方各绕组变比一定，为k∶1；设计VSI组合单元2输出电流i_VSI的输出电流范围为[-I，+I]；在控制中，设定T_ij(i＝2，...N；j＝1，2)或者全导通，或者全关断，即并联变压器单元1副方第2至第N个绕组电流i_C2～i_CN或者为额定值，或者为0；设计合适的电抗器X_i1(i＝2，...，N)和电容器C_i(i＝2，...，N)的值，使得i_C2＝±2I、i_C3＝±4I、……、i_CN＝±2^N-1I。在以上设计的基础上，通过对VSI组合单元2.1和T_ij(i＝2，...，N；j＝1，2)的控制，并联变压器单元1副方绕组的电流可以在[-(2^N-1)I，+(2^N-1)I]范围内连续变化，于是并联变压器单元1原方绕组电流可以在[-(2^N-1)I/k，+(2^N-1)I/k]范围内连续变化，即该可调电抗器可以向外发出连续可调的容性/感性无功电流。

由图2所示的电抗器构成的补偿器的结构如图4所示，包括四个单元：可调电抗器5，固定并联电容器(Fixed Capacitor，FC)单元6，测量单元7和控制单元8。各个单元主要功能为：可调电抗器5提供连续可调的感性无功；FC单元6提供固定的容性无功；测量单元7测量相关电压电流量；控制单元8根据测量单元7所测得的电压电流对可调电抗器5进行控制，从而使得可调电抗器5发出的无功与FC单元6发出的无功一起对电网进行实时的补偿。

测量单元7包括电压测量单元7.1、负荷电流测量单元7.2、VSI电流测量单元7.3和信号采集单元7.4。其中，电压测量单元7.1在负荷侧测量负荷节点电压v；负荷电流测量单元7.2在负荷侧测量负荷电流i_L；VSI电流测量单元7.3在VSI输出电路上测量VSI输出电流i_VSI；信号采集单元7.4则对前述测得的电压电流信号加以采集，供给控制单元8使用。控制单元8包括无功电流计算单元8.1、无功电流分配单元8.2、脉冲发生器单元8.3、VSI参考输出电流单元8.4和滞环电流控制单元8.5。其中，无功电流计算单元8.1根据负荷节点电压v和负荷电流i_L计算出负荷电流中无功分量的幅值，并对该无功分量的属性(容性或感性)进行识别；无功电流分配单元8.2根据无功电流的幅值和属性将其分配到各个控制绕组中去，从而决定控制绕组中各反并联晶闸管的导通或关断，并给出调节绕组输出参考电流的幅值和属性(该参考电流的属性可能和负荷无功电流相同，也可能不同)；脉冲发生器单元8.3用来产生晶闸管的触发脉冲；VSI参考输出电流单元8.4根据计算所得的参考电流幅值和属性以及负荷节点电压v产生VSI输出电流的参考量；滞环电流控制单元8.5根据VSI参考输出电流单元8.4输出的VSI输出电流参考量和VSI输出电流实际值向VSI提供所需的PWM脉冲信号。

上述补偿器的工作原理如下：

可调电抗器5的原方绕组与FC单元6一起并联接入系统。可调电抗器5副方N个绕组的设置如前所述，即各绕组容量比值为Q₁∶Q₂∶...∶Q_N＝1∶2∶...∶2^N-1。通过控制VSI的输出电流，调节绕组发出的无功可以在-Q₁～+Q₁之间连续调节；其余的(N-1)个副方绕组发出的无功要么是0，要么是Q_n(n＝2，3，...，N)。因此，具有N个控制绕组的新型变压器式可调电抗器的等效电抗可以实现2^N级分级连续平滑调节。

测量单元7采集获得i_VSI、v和i_L。测量单元7测得的v和i_L作为无功电流计算单元8.1的输入。无功电流计算单元8.1的输出与无功电流分配单元8.2相连。无功电流分配单元8.2的输出与脉冲发生器单元8.3及VSI参考输出电流单元8.4相连。脉冲发生器单元8.3发出各反并联晶闸管组的旁路或阻断脉冲。VSI参考输出电流单元8.4的输入由两部分构成，一是无功电流分配单元8.2的输出，一是测量单元7测得的v。VSI参考输出电流单元8.4的输出与测量单元7测得的i_VSI一起输入到滞环电流控制单元8.5。滞环电流控制单元8.5发出触发脉冲用于触发导通VSI各桥臂的电力电子开关元件(如GTO、IGBT等)。由于FC单元6稳定地吸收系统感性无功(即发出容性无功)，因此，通过调节可调电抗器5所发出的感性无功可以调节整个补偿器的输出无功，从而实现对系统感性/容性无功的动态补偿，其中FC的额定容量可以根据系统的实际需要选定。

以一个具有四个控制绕组的可调电抗器式新型静止无功补偿器为例，假设系统所需的无功补偿范围是-Q(容性)～+Q(感性)，则设置FC的额定容量为四个控制绕组的额定容量分别为：

和Q；

这样，负荷在-Q～+Q之间变化时，这个新型变压器式静止无功补偿器就可以动态跟踪负荷无功的变化，实现负荷无功的全补偿。

由图3所示的新型变压器式可调电抗器也可以构成一种静止无功补偿器，其结构如图5所示。它由三个单元构成：可调电抗-电容器9；测量单元7；控制单元8；各单元结构同前。

各个单元主要功能为：可调电抗-电容器9提供连续可调的感性/容性无功；测量单元7测量相关电压电流量；控制单元8根据测量单元7所测得的电压电流对可调电抗-电容器9进行控制，从而使得可调电抗-电容器9发出的无功可以对电网进行实时的补偿。

上述补偿器的工作原理如下：

可调电抗-电容器9的原方绕组并联接入系统。可调电抗-电容器9副方N个控制绕组的额定容量比值可以设定为Q₁∶Q_L2∶...∶Q_LN＝1∶2∶...∶2^N-1以及Q₁∶Q_C2∶...∶Q_CN＝1∶2∶...∶2^N-1，也可以根据系统的实际补偿要求分别作相应的设定。测量单元7和控制单元8的结构和工作原理同前。

通过调节可调电抗-电容器9所发出的感性/容性无功就可以对系统的无功进行动态补偿。以一个副方具有四个控制绕组的静止无功补偿器为例，假设系统所需的无功补偿范围是-Q～+Q，则设置四个绕组容量分别为：

Q_{1} = &PlusMinus; \frac{1}{15} Q, Q_{L 2} = + \frac{2}{15} Q / Q_{C 2} = - \frac{2}{15} Q, Q_{L 3} = + \frac{4}{15} Q / Q_{C 3} = - \frac{4}{15} Q

和

Q_{L 4} = + \frac{8}{15} Q / Q_{C 4} = - \frac{8}{15} Q;

这样，负荷在-Q～+Q之间变化时，这种补偿器就可以动态跟踪负荷无功的变化，实现负荷无功的全补偿。

Claims

1、一种变压器式可调电抗器，包括并联变压器单元，其特征在于：它还包括电压源型逆变器组合单元(2)和可调电抗组合单元(3)；并联变压器单元(1)副方有N个绕组：W_C1～W_CN，N为大于等于1的正整数，其原、副方电压同相，且原方与副方各绕组变比一定；电压源型逆变器组合单元(2)由一个双桥臂逆变电源(2.1)和一个限流电抗器(X₁)串联构成，串联在并联变压器单元(1)副方第1个绕组W_C1上，其输出电流i_VSI的范围为[-I，+I]；可调电抗组合单元(3)由N-1个晶闸管投切电抗器支路(3.2～3.N)构成，每个晶闸管投切电抗器支路分别由一个反并联晶闸管T_i1和一个电抗器X_i1串联构成，i＝2，...，N，该N-1个晶闸管投切电抗器支路分别串联在并联变压器单元(1)副方第2至第N个绕组W_C2～W_CN上；并联变压器单元(1)用于将可调电抗器并联接入电网，降低变压器副方电压等级，其副方的多绕组结构用于减小各绕组容量、实现电流的分级调节；电压源型逆变器组合单元(2)用于产生连续可调的容性/感性电流；可调电抗组合单元(3)用于产生分级可调的感性电流。

2、根据权利要求1所述的可调电抗器，其特征在于：上述各晶闸管投切电抗器支路(3.2～3.N)上均并联有晶闸管投切电容器支路，用于产生分级可调的容性/感性电流；上述各晶闸管投切电容器支路由反并联晶闸管T_i2、电容器C_i以及阻尼电抗器X_i2串联而成，其中i＝2，...，N。

3、由权利要求1所述可调电抗器构成的补偿器，其特征在于：它还包括固定并联电容器单元(6)，测量单元(7)和控制单元(8)；固定并联电容器单元(6)与可调电抗器(5)的原方并联接入电网；可调电抗器(5)提供连续可调的感性无功；固定并联电容器单元(6)提供固定的容性无功；测量单元(7)测量相关电压电流量；控制单元(8)根据测量单元(7)所测得的电压电流对可调电抗器(5)进行控制，使得可调电抗器(5)发出的无功与固定并联电容器单元(6)发出的无功一起，对电网进行实时的补偿。

4、根据权利要求3所述的补偿器，其特征在于：测量单元(7)包括电压测量单元(7.1)、负荷电流测量单元(7.2)、电压源型逆变器电流测量单元(7.3)和信号采集单元(7.4)；电压测量单元(7.1)用于在负荷侧测量负荷节点电压v；负荷电流测量单元(7.2)用于在负荷侧测量负荷电流i_L；电压源型逆变器电流测量单元(7.3)用于在电压源型逆变器输出电路上测量电压源型逆变器输出电流i_VSI；信号采集单元(7.4)用于对前述测得的电压电流信号加以采集，供给控制单元(8)使用。

5、根据权利要求3或4所述的补偿器，其特征在于：控制单元(8)包括无功电流计算单元(8.1)、无功电流分配单元(8.2)、脉冲发生器单元(8.3)、VSI参考输出电流单元(8.4)和滞环电流控制单元(8.5)；其中，无功电流计算单元(8.1)根据负荷节点电压v和负荷电流i_L计算出负荷电流中无功分量的幅值，并对该无功分量的属性进行识别；无功电流分配单元(8.2)根据无功电流的幅值和属性将其分配到各个控制绕组中去，以决定控制绕组中各反并联晶闸管的导通或关断，并给出调节绕组输出参考电流的幅值和属性；脉冲发生器单元(8.3)用于产生晶闸管的触发脉冲；电压源型逆变器参考输出电流单元(8.4)根据计算所得的参考电流幅值和属性以及负荷节点电压v产生电压源型逆变器输出电流的参考量；滞环电流控制单元(8.5)根据电压源型逆变器参考输出电流单元(8.4)输出的电压源型逆变器输出电流参考量和电压源型逆变器输出电流实际值向电压源型逆变器提供所需的PWM脉冲信号。