CN201556947U - 三相三线动态分相无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相三线动态分相无功补偿装置。它结构简单，成本低，补偿效果好，更适用于三相三线不平衡系统。其结构为：它包括电流检测单元I，电流检测单元I输入端与补偿前的被补偿配电线路L1、L2和L3连接或与补偿后的被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与减法运算装置连接，减法运算装置与无功电流计算单元连接；电压检测单元输入端与被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与无功电流计算单元连接；无功电流计算单元与补偿控制单元连接，补偿控制单元与三角形接法的补偿装置连接；电流检测单元II输入端与补偿装置连接，输出端与补偿控制单元连接；补偿装置则与线路L1、L2和L3连接。

Description

三相三线动态分相无功补偿装置

技术领域

本实用新型属于配电系统无功功率补偿技术领域，尤其涉及三相三线动态分相无功补偿装置。

背景技术

对配电系统中的无功功率进行跟踪补偿，是提高供、用电系统稳定性和运行效率所必需的技术手段。公知的三相无功功率补偿器有星型连接和三角型连接两种结构，分别如图5和图6所示。在三相平衡系统中，两种结构都有大量应用，补偿器工作时，三个补偿单元同步调节，产生的三相补偿电流幅值相同，一般称为“三相同步补偿器”或“三相共补补偿器”。在三相不平衡系统中，需要对三条相线中的无功电流分别补偿，即采用各相分别补偿方法。此种用途的补偿器一般称为“分相补偿器”或“三相分补补偿器”。公知分相补偿器均采用图7所示星型连接结构，三个补偿单元的补偿电流分别与三条相线中的无功电流一一对应；图6所示的三角型连接的补偿器由于难以确定三个补偿单元的补偿电流与三条相线中无功电流的对应关系而不被采用。星型连接结构的分相补偿器与配电系统之间需要四线连接，星型连接中点接配电系统的中线，可用于三相四线不平衡系统或三相三线不平衡系统中的无功补偿。

工业用电中的三相不平衡负载通常是由分配在不同相上的许多单相负载构成，而工业单相负载一般均采用两条相线供电，如交流弧焊机、交流点焊机、交流对焊机等。此类负载构成三相三线不平衡系统，不需要中线，也不存在中线电流。用图7所示公知星型连接结构的分相补偿器补偿三相三线不平衡系统，存在以下缺点：

1.补偿器与配电系统的连接复杂，需四线连接，在没有中线的系统中因无法满足连接要求而无法使用；如果不连接中线，则补偿器一般不能正常工作。

2.星型连接结构分相补偿器中的三个补偿单元分别接在各相线与中线之间，分别跟踪补偿各相负载电流，三相补偿电流一般是不相同的，因此补偿器会因三相不平衡而产生中线电流。但三相三线不平衡系统中不需要中线，也没有中线电流，更不需要补偿中线电流。因此补偿器产生的中线电流是一种错误补偿，会对配电变压器造成额外负担，导致额外损耗等不良影响。

实用新型内容

本实用新型的目的就是克服公知星型连接结构的分相补偿器用于三相三线不平衡系统的无功补偿时所存在的缺点，提供一种结构简单，成本低，补偿效果好，更适用于三相三线不平衡系统的三相三线动态分相无功补偿装置。

为实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：

一种三相三线动态分相无功补偿装置，它包括电流检测单元I，电流检测单元I输入端与补偿前的被补偿配电线路L1、L2和L3连接或与补偿后的被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与减法运算装置连接，减法运算装置与无功电流计算单元连接；电压检测单元输入端与被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与无功电流计算单元连接；无功电流计算单元与补偿控制单元连接，补偿控制单元与三角形接法的补偿装置连接；电流检测单元II输入端与补偿装置连接，输出端与补偿控制单元连接；补偿装置则与线路L1、L2和L3连接；电流互感器组I中三个电流互感器的一次侧分别串联于三条被补偿配电线路L1、L2和L3中，二次侧接电流检测单元I的输入端；所述电流互感器组II中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III的输出回路中，二次侧接电流检测单元II的输入端。

所述补偿装置由补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III组成，每个补偿单元的两个补偿输出端依次首尾连接，构成三角型连接；补偿单元I的两个输出端分别接线路L1和L2；补偿单元II的两个输出端分别接线路L2和L3；补偿单元III的两个输出端分别接线路L3和L1。

所述补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器、电抗器和控制开关串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

所述补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器和控制开关串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

所述控制开关是半导体固态开关或者电控机械开关。

所述减法运算装置包括减法运算单元I、减法运算单元II、减法运算单元III，电流检测单元I对应各被补偿配电线路L1、L2和L3的输出端分别接减法运算单元III、减法运算单元II、减法运算单元I输入端，减法运算单元I、减法运算单元II和减法运算单元III的输出端分别接无功电流计算单元的输入端。

本实用新型的三相三线动态分相无功补偿装置，由补偿单元I、补偿单元II、补偿单元III、电压检测单元、电流互感器组I、电流检测单元I、减法运算单元III、减法运算单元II、减法运算单元I、无功电流计算单元、补偿控制单元、电流检测单元II、电流互感器组II构成。补偿单元I的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L1和L2；补偿单元II的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L2和L3；补偿单元III的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L3和L1；电压检测单元的输入端接被补偿配电线路L1、L2和L3，电压检测单元的输出端接无功电流计算单元的电压输入端；电流互感器组I中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿前的被补偿配电线路L1、L2和L3中，二次侧接电流检测单元I的输入端；电流检测单元I对应被补偿配电线路L1的输出端接减法运算单元I的“+”输入端和减法运算单元III的“-”输入端，电流检测单元I对应被补偿配电线路L2的输出端接减法运算单元II的“+”输入端和减法运算单元I的“-”输入端，电流检测单元I对应被补偿配电线路L3的输出端接减法运算单元III的“+”输入端和减法运算单元II的“-”输入端；减法运算单元I、减法运算单元II和减法运算单元III的输出端分别接无功电流计算单元的三个电流输入端；无功电流计算单元的输出端接补偿控制单元的指令电流输入端；电流互感器组II中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III的输出回路中，二次侧接电流检测单元II的输入端；电流检测单元II的输出端接补偿控制单元的反馈电流输入端；补偿控制单元的三组控制输出端分别接补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III的控制输入端。

补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III每个补偿单元的两个补偿输出端依次首尾连接，构成三角型连接，三个首尾连接点分别与被补偿配电线路中的L1、L2和L3连接。

补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器、电抗器和控制开关串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器和控制开关串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

三相三线动态分相无功补偿装置的控制方法，该方法为：

(1)由电压检测单元测得被补偿配电线路L1、L2、L3之间的三个线电压瞬时值u12、u23和u31；

(2)由电流检测单元I测得被补偿配电线路中的三个相电流瞬时值i1、i2和i3；

(3)由减法运算单元I、减法运算单元II和减法运算单元III经过减法运算得到三个差值电流瞬时值：

i12＝i1-i2，i23＝i2-i3，i31＝i3-i1

(4)采用公知算法，由无功电流计算单元根据u12和i12计算出对应的无功功率Q12；根据u23和i23计算出对应的无功功率Q23；根据u31和i31计算出对应的无功功率Q31，并按下式求出对应的三个无功电流有效值：

$\mathrm{Iq}12=\frac{Q12}{3\×U12},$ $\mathrm{Iq}23=\frac{Q23}{3\×U23},$ $\mathrm{Iq}31=\frac{Q31}{3\×U31}$

其中：U12，U23和U31分别为L1、L2、L3之间三个线电压的有效值。

(5)补偿控制单元分别以Iq12、Iq23和Iq31作为指令电流控制补偿单元I、补偿单元II和补偿单元III产生对应的补偿电流，进行无功补偿，并根据电流检测单元II的检测结果调节补偿单元，使补偿电流符合要求。

采用以上方案，将检测到的各相无功电流转化为线间无功电流，并用三角形连接的补偿单元进行补偿；提供了一种对三相三线不平衡用电系统进行动态分相无功补偿的方法，可以正确实现对三相三线不平衡系统的动态分相无功补偿，且补偿装置不需要连接配电系统中的中线，克服了已有同类装置必须连接配电系统中的中线，并且会产生有害中线电流的缺点。

本实用新型的有益效果是：

(1)提供了一种采用三角型连接三个补偿单元的动态分相无功补偿装置及其控制方法；

(2)能够对不具备中线的三相三线不平衡用电系统进行动态分相无功补偿，克服了星型连接的动态分相无功补偿装置不能用于不具备中线的三相三线不平衡用电系统的缺点；

(3)动态分相无功补偿装置与配电线路三线连接，不需要连接中线，简化了连接方式，方便使用；

(4)补偿装置工作时不会产生有害中线电流。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例结构示意图。

图2为本实用新型第二实施例结构示意图。

图3为本实用新型所述补偿单元的内部结构示意图。

图4为本实用新型所述补偿单元的内部结构示意图。

图5为公知的补偿单元星型连接的三相同步无功功率补偿器示意图。

图6为公知的补偿单元三角型连接的三相同步无功功率补偿器示意图。

图7为公知的补偿单元星型连接的分相补偿无功功率补偿器示意图。

其中：1.补偿单元I、2.补偿单元II、3.补偿单元III、4.电压检测单元、5.电流互感器组I、6.电流检测单元I、7.减法运算单元III、8.减法运算单元II、9.减法运算单元I、10.无功电流计算单元、11.补偿控制单元、12.电流检测单元II、13.电流互感器组II、14.电容器、15.电抗器、16.控制开关。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型第一实施例。

如图1所示一种三相三线动态分相无功补偿装置，由补偿单元I1、补偿单元II2、补偿单元III3、电压检测单元4、电流互感器组I5、电流检测单元I6、减法运算单元III7、减法运算单元II8、减法运算单元I9、无功电流计算单元10、补偿控制单元11、电流检测单元II12、电流互感器组II13构成。补偿单元I1的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L1和L2；补偿单元II2的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L2和L3；补偿单元III3的两个输出端分别接被补偿配电线路中的L3和L1；电压检测单元4的输入端接被补偿配电线路L1、L2和L3，电压检测单元4的输出端接无功电流计算单元10的电压输入端；电流互感器组I5中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿前的被补偿配电线路L1、L2和L3中，二次侧接电流检测单元I6的输入端；电流检测单元I6对应被补偿配电线路L1的输出端接减法运算单元I9的“+”输入端和减法运算单元III7的“-”输入端，电流检测单元I6对应被补偿配电线路L2的输出端接减法运算单元II8的“+”输入端和减法运算单元I9的“-”输入端，电流检测单元I6对应被补偿配电线路L3的输出端接减法运算单元III7的“+”输入端和减法运算单元II8的“-”输入端；减法运算单元I9、减法运算单元II8和减法运算单元III7的输出端分别接无功电流计算单元10的三个电流输入端；无功电流计算单元10的输出端接补偿控制单元11的指令电流输入端；电流互感器组II13中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3的输出回路中，二次侧接电流检测单元II12的输入端；电流检测单元II12的输出端接补偿控制单元11的反馈电流输入端；补偿控制单元11的三组控制输出端分别接补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3的控制输入端。

补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3每个补偿单元的两个补偿输出端依次首尾连接，构成三角型连接，三个首尾连接点分别与被补偿配电线路中的L1、L2和L3连接。

补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器14、电抗器15和控制开关16串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关16由各补偿单元的控制端控制接通或断开，参见图3。

或者补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器14和控制开关16串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与各补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关16由补偿单元的控制端控制接通或断开，参见图4。

各补偿单元中的控制开关16是半导体固态开关(例如晶闸管)或者电控机械开关(例如交流接触器)。

三相三线动态分相无功补偿装置的控制方法，该方法为：

(1)由电压检测单元4测得被补偿配电线路L1、L2、L3之间的三个线电压瞬时值u12、u23和u31；

(2)由电流检测单元I6测得被补偿配电线路中的三个相电流瞬时值i1、i2和i3；

(3)由减法运算单元I9、减法运算单元II8和减法运算单元III7经过减法运算得到三个差值电流瞬时值：

i12＝i1-i2，i23＝i2-i3，i31＝i3-i1

(4)采用公知算法，由无功电流计算单元10根据u12和i12计算出对应的无功功率Q12；根据u23和i23计算出对应的无功功率Q23；根据u31和i31计算出对应的无功功率Q31，并按下式求出对应的三个无功电流有效值：

$\mathrm{Iq}12=\frac{Q12}{3\×U12},$ $\mathrm{Iq}23=\frac{Q23}{3\×U23},$ $\mathrm{Iq}31=\frac{Q31}{3\×U31}$

其中：U12，U23和U31分别为L1、L2、L3之间三个线电压的有效值。

(5)补偿控制单元11分别以Iq12、Iq23和Iq31作为指令电流控制补偿单元I1、补偿单元II2和补偿单元III3产生对应的补偿电流，进行无功补偿，并根据电流检测单元II12的检测结果调节补偿单元，使补偿电流符合要求。

采用上述方案，电流检测单元I6通过电流互感器组I5检测到三相负载电流i1、i2和i3，并计算得出三个指令电流Iq12、Iq23和Iq31，补偿控制单元11根据Iq12、Iq23和Iq31和预定控制逻辑控制分别控制三个补偿单元中的控制开关16，接通适当的补偿支路，产生相应的补偿电流Ic12、Ic23和Ic31，并根据电流检测单元II13对Ic12、Ic23和Ic31的检测结果判定补偿是否正确，进行必要的调节或处理。该控制逻辑的目标为保持Ic12、Ic23和Ic31分别跟踪Iq12、Iq23和Iq31，当对应的Ic××与Iq××二者之间的差异超过预设限值时，则控制相应的补偿单元调整各补偿支路的通断状态，减小差异，保持Ic××对Iq××的跟踪。补偿控制单元11对三个补偿单元分别独立进行调节，可实现对不平衡负载的分相补偿；当负载电流变化时，补偿装置将自动跟踪负载变化实现动态补偿。

所述三相三线动态分相无功补偿装置中的电压检测单元4、两电流检测单元、各减法运算单元、无功电流计算单元10和补偿控制单元11均为公知技术。例如电压检测单元可用采样变压器或电压互感器与LM324运算放大器实现；电流检测单元可由采样电阻与LM324运算放大器实现；减法运算单元可采用LM324运算放大器实现，或采用TMS320F2812等数字信号处理器经模/数转换后通过数字运算方法实现；无功电流计算单元10和补偿控制单元11均可采用TMS320F2812等数字信号处理器通过数字运算和逻辑运算方法实现。

实施例2：

图2为本实用新型第二实施例。与第一实施例不同的是，电流互感器组I5中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿后的被补偿配电线路L1、L2和L3中，电流检测单元I6检测的是补偿后的被补偿配电线路L1、L2和L3中的补偿后电流，因此属于闭环调节(第一实施例则属于开环调节)。此时除电流互感器组I6接入被补偿线路的位置发生变化外，装置的结构没有变化，计算三个指令电流Iq12、Iq23和Iq31的方法也没有变化，但补偿控制单元根据Iq12、Iq23和Iq31对三个补偿单元进行控制的逻辑与第一实施例不同，以适应闭环控制的需要。

此时的Iq××是补偿后的Iq××，因补偿电流与负载无功电流相位相反，在非过补偿状态下，当Ic××增大时对应的Iq××就会减小。控制逻辑的目标是保持补偿后的Iq12、Iq23和Iq31均保持在预设上下限值范围之内(下限值＞0，以避免过补偿)。当Iq12、Iq23和Iq31中的任一个Iq××超出预设限值时，则控制相应的补偿单元调整各补偿支路的通断状态，通过改变对应的Ic××而改变该Iq××，使补偿后的Iq××保持在预设上下限值范围之内。

例如，当Iq12超出预设上限值时，则控制补偿单元I通过调整各补偿支路的通断状态，增加补偿电流Ic12以减小Iq12，从而保持补偿后的Iq12小于预设上限值；当Iq12超出预设下限值时，则控制补偿单元I通过调整各补偿支路的通断状态，减小补偿电流Ic12以增加Iq12，从而保持补偿后的Iq12大于预设下限值。

当Iq23超出预设上限值时，则控制补偿单元II通过调整各补偿支路的通断状态，增加补偿电流Ic23以减小Iq23，从而保持补偿后的Iq23小于预设上限值；当Iq23超出预设下限值时，则控制补偿单元II通过调整各补偿支路的通断状态，减小补偿电流Ic23以增加Iq23，从而保持补偿后的Iq23大于预设下限值。

当Iq31超出预设上限值时，则控制补偿单元III通过调整各补偿支路的通断状态，增加补偿电流Ic31以减小Iq31，从而保持补偿后的Iq31小于预设上限值；当Iq31超出预设下限值时，则控制补偿单元III通过调整各补偿支路的通断状态，减小补偿电流Ic31以增加Iq31，从而保持补偿后的Iq31大于预设下限值。

Claims (6)

1.一种三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，它包括电流检测单元I(6)，电流检测单元I(6)输入端与补偿前的被补偿配电线路L1、L2和L3连接或与补偿后的被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与减法运算装置连接，减法运算装置与无功电流计算单元(10)连接；电压检测单元(4)输入端与被补偿配电线路L1、L2和L3连接，输出端与无功电流计算单元(10)连接；无功电流计算单元(10)与补偿控制单元(11)连接，补偿控制单元(11)与三角形接法的补偿装置连接；电流检测单元II(12)输入端与补偿装置连接，输出端与补偿控制单元(11)连接；补偿装置则与线路L1、L2和L3连接；电流互感器组I(5)中三个电流互感器的一次侧分别串联于三条被补偿配电线路L1、L2和L3中，二次侧接电流检测单元I(6)的输入端；所述电流互感器组II(13)中三个电流互感器的一次侧分别串联于补偿单元I(1)、补偿单元II(2)和补偿单元III(3)的输出回路中，二次侧接电流检测单元II(12)的输入端。

2.如权利要求1所述的三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，所述补偿装置由补偿单元I(1)、补偿单元II(2)和补偿单元III(3)组成，每个补偿单元的两个补偿输出端依次首尾连接，构成三角型连接；补偿单元I(1)的两个输出端分别接线路L1和L2；补偿单元II(2)的两个输出端分别接线路L2和L3；补偿单元III(3)的两个输出端分别接线路L3和L1。

3.如权利要求2所述的三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，所述补偿单元I(1)、补偿单元II(2)和补偿单元III(3)具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器(14)、电抗器(15)和控制开关(16)串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

4.如权利要求2所述的三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，所述补偿单元I(1)、补偿单元II(2)和补偿单元III(3)具有相同的内部结构，其内部结构为一组由电容器(14)和控制开关(16)串联组成的补偿支路，各支路两端相互并联，分别与补偿单元的两个补偿输出端连接；各控制开关由补偿单元的控制端控制接通或断开。

5.如权利要求3或4所述的三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，所述控制开关(16)是半导体固态开关或者电控机械开关。

6.如权利要求1所述的三相三线动态分相无功补偿装置，其特征是，所述减法运算装置包括减法运算单元I(9)、减法运算单元II(8)、减法运算单元III(7)，电流检测单元I(6)对应各被补偿配电线路L1、L2和L3的输出端分别接减法运算单元III(7)、减法运算单元II(8)、减法运算单元I(9)输入端，减法运算单元I(9)、减法运算单元II(8)和减法运算单元III(7)的输出端分别接无功电流计算单元(10)的输入端。

Images