CN204681098U - 一种新型的动态调压无功补偿拓扑 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型的动态调压无功补偿拓扑，涉及一种动态调压无功补偿技术。本装置设置可变电抗器和电容器串并联单元、组件出口端的电压偏移量、运行工况和入口端的功率因数的实时检测单元以及可变电抗器和电容器串并联单元的参数控制单元，在负荷入口端和电网之间接入可变电抗器和电容器组件，通过实时检测可变电抗器和电容器串并联单元出口端的电压偏移量、运行工况和入口端的功率因数，改变和调整可变电抗器和电容器的参数，实现负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数提高。本实用新型用于变压器台区的低电压治理、改善电能质量、降损节能、提高供用电可靠性和电能利用效率，具有安全、环保、节能和增效的特点。

Description

一种新型的动态调压无功补偿拓扑

技术领域

本实用新型涉及一种动态调压无功补偿技术，尤其涉及一种新型的动态调压无功补偿拓扑。

背景技术

随着城乡建设步伐的加快和国家节能政策力度的加大,城乡居民生活水平得到显著提高,用电负荷快速增长,城乡配电网的建设滞后于电力需求的增长，导致城乡配电网存在供电质量下降、供电可靠性不高、故障频繁、线损居高不下、局部供电能力不足、部分长线路末端台区电压低至用电设备不能正常工作、部分变电站夜间10kV母线电压偏高，甚至严重超标，危机电网和配电设备的安全运行等问题。这些问题的存在，使得电压偏移严重的地区，电气设备不能正常工作，严重影响城乡居民的正常工作和生活，甚至造成“电压崩溃”，威胁电力系统的稳定性。

为了治理低电压问题对电网和电气设备的不良影响，我国制定了相应的国家标准：《零过渡过程低压动态无功功率补偿装置》GB/T25839-2010。

国内外普遍采用的低电压治理技术与装置有两类：一类是基于电抗调压原理的固定电抗调压技术和可变电抗调压技术，另一类是基于无功补偿调压原理的固定电容调压技术和可变电容调压技术。但以上各种技术均存在各种不足：

串联固定电抗技术升压不明显，且无法做到动态调压，功率因数无法 得到保证。

串联可变电抗技术可以实现调压，但调压的同时无法保证功率因数满足要求。

并联固定电容技术具有较强的无功补偿能力，在一定的条件下具有一定的抬高电压的功能，但调节电压的范围很窄，无法降低电压。

目前，为了针对配电网台区低电压治理的问题，市场上迫切需要一种既能到达调压效果，又能满足功率因数要求，本实用新型提供了可变串联电抗器动态调压无功补偿装置。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种运用可变串联电抗器与可变并联电容器组配合实现动态调压无功补偿的原理，对低电压问题与无功缺额问题严重的负荷侧进行有效的动态调压与无功补偿，使负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数符合国家电压质量和功率因数标准的要求，而且，可以提高供用电可靠性和电能利用效率，具有安全、环保、节能和增效的特点的一种新型的动态调压无功补偿拓扑。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一个可变电抗器和电容器串并联单元；所述可变电抗器和电容器串并联单元的串联组件端连接电网，可变电抗器和电容器串并联单元串联组件和并联组件公共端连接负荷侧；

一个负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元的两组输入分别接入串联组件端电网侧和串联组件与并联组件公共端的负荷侧；

一个动态调压和无功补偿控制单元；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元的输出连接动态调压和无功补偿控制单元输入；

一个动态调压和无功补偿执行单元；动态调压和无功补偿控制单元的输出连接动态调压和无功补偿执行单元的输入；动态调压和无功补偿执行单元的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元的输入；

一个器件和装置保护单元；器件和装置保护单元的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元的输入和动态调压和无功补偿执行单元输入；

其中，所述可变电抗器和电容器串并联单元包括等效可变电抗器串联组件和等效电容器并联组件；所述等效可变电抗器串联组件包括n个电抗器支路串联；所述等效可变电抗器串联组件一端接电网等效阻抗Rs，另一端接负荷Z_L；

所述等效电容器并联组件包括N_C个电容器支路并联，该等效电容器并联组件一端接负荷源Z_L，另一端接电网等效电压源的中性线；

所述等效可变电抗器串联组件中，第n个电抗器支路的电抗器的电抗参数均为2的n-1次方,即：jX_L1,j2X_L1,j4X_L1,...，j2^n-1X_L1,n＝1、2、3、...、N_L，通过晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K₁n进行并联组合，形成调节负荷侧电压的等效可变电抗器串联组件，实现对负荷侧电压的动态调节；

所述等效电容器并联组件中，第n个并联电容器支路的容性无功功率容量为2的n-1次方,即：-jQ_C1、-j2Q_C1、-j4Q_C1、-j8Q_C1、...、-j2^n-1Q_C1，n＝1、2、3、...、N_C；

所述等效电容器并联组件的各并联电容器支路通过分别串联晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n对并联电容器进行并联组合，形成与负荷侧额定电压和 电网侧功率因数相对应的调压无功补偿可变电抗器和电容器并联组件；

所述晶闸管开关由一对正反并联的两个普通晶闸管构成。

在上述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元包括两组电压互感器V₁和V₂，两组电流互感器I₁和I₂；用于采集可变电抗器和电容器串并联单元电网侧和负荷侧的三相电压和三相电流。

在上述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，所述动态调压和无功补偿执行单元包括晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n，以及晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n；可变电抗器串联组件的执行单元按每个电抗器对应依次并联晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n，当开关闭合时，对应的电抗器退出；当开关断开时，对应的电抗器投入；

可变电容器并联组件的执行单元按每个电容器对应依次串联晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n，当开关闭合时，对应的电容器投入；当开关断开时，对应的电容器退出。

在上述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，所述器件和装置保护单元包括断路器DL₁和DL₂、快速熔断器以及过电压保护器、过电流保护器、缺相保护器、短路保护器、过热保护器、电流变化率监测器、电压变化率监测器，实现电力电子开关、电抗器和电容器的保护。

在上述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，动态调压和无功补偿控制单元包括高性能微处理器、8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板以及动态调压和无功补偿控制器；所述 高性能微处理器为32位及以上CPU，400MHz以上主频；8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板以及动态调压和无功补偿控制器同时与高性能微处理器连接。

因此，本实用新型具有如下优点：1、调压效果好：在实现动态调压的同时，可以确保负荷侧电压偏差ΔU保持在允许范围±3％U_N以内。2、功率因数高：串联电抗动态无功补偿装置可以动态控制和调整可变电抗器和电容器串并联组件的组合方式和参数，实现负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数提高。3、附加损耗低：串联电抗动态无功补偿装置采用晶闸管电力电子开关，要么处于导通状态、要么处于关断状态，其功率损耗远小于IGBT器件高速开关状态的损耗。4、系统电流小：串联电抗动态无功补偿装置通过并联电抗器和并联电容器组合，使系统无功电流大大降低。5、调压成本低：串联电抗动态无功补偿装置按2的幂次方设置可变电抗器和电容器串并联组件的参数，在满足调压效果的同时，使调压成本远低于现有的调压技术及装置。6、运行维护方便：串联电抗动态无功补偿装置采用免维护自动运行方式工作，无需人工操作。7、安全性好：串联电抗动态无功补偿装置采用晶闸管开关控制技术，在工频下稳态工作，损耗小，不易损坏，因此安全性好。总之。本实用新型既可以有效调节负荷侧电压，又可以提高变压器台区功率因数，净化电网、改善电能质量、降损节能；提高电能利用效率和电气设备的工作效率。本实用新型具有结构简单、性能稳定、经济实用的特点。

附图说明

图1为变压器台区变参数调压补偿装置结构框图。

图2为变压器台区变参数调压补偿装置实施例系统接线原理图。

图3为变压器台区变参数调压补偿装置实施例系统结构图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面结合附图和实施例，对本实用新型变压器台区变参数调压补偿装置详细说明：

一、总体。

如图1所示，变压器台区变参数调压补偿装置包括可变电抗器和电容器串并联单元10、负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元20、调压补偿控制单元30、调压补偿执行单元40和器件和装置保护单元50。

可变电抗器和电容器串并联单元10的一端串联组件端连接电网，另一端串联组件和并联组件公共端连接负荷侧；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元20的两组输入分别接入串联组件端变压器台区和串联组件与并联组件公共端的负荷侧；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元20的输出连接调压补偿控制单元30输入；调压补偿控制单元30的输出连接调压补偿执行单元40的输入；调压补偿执行单元40的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元10的输入；器件和装置保护单元50的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元10的输入和调压补偿执行单元40输入。

二、主要功能块。

可变电抗器和电容器串并联单元10：由可变电抗器串联单元和电容器并联单元组成，用于实现负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数提高。

负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元20：由两组三相电压互感器和两组三相电流互感器组成，用于采集可变电抗器和电容器串并联单元10变压器台区和负荷侧的三相电压和三相电流。

调压补偿控制单元30：由高性能微处理器或工控机、8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板和电压与功率因数检测、分析、智能控制软件组成，通过实时控制调压补偿执行单元40，动态控制可变电抗器和电容器串并联单元10的结构和参数，实现负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数提高的目标。

调压补偿执行单元40：由机械开关或电力电子开关组成，其额定电压、电流和功率与接入的电网和负荷相匹配，满足长期稳定运行的要求。电力电子开关通过调压补偿控制单元30控制相应的触发电路实现其导通和关断。

器件和装置保护单元50：由di/dt、du/dt、过电压、过电流、缺相、短路、过热、故障退出和自动旁路等保护组成，实现电力电子开关、电抗器和电容器的保护。

三、实例

如图2和图3所示，一个变压器台区变参数调压补偿装置的单相接线原理图和变压器台区变参数调压补偿装置实施例系统结构图。图中Vs为电 网等效电压源电压，Rs为电网等效电阻，Z_L为负荷,DL1和DL2为断路器,X_L1,X_L2,,...，X_Ln为串联电抗器电抗参数,K₁₁，K₁₂，...,K₁n和K₂₁，K₂₂，...,K₂n为晶闸管开关，

n＝1、2、3、...、N_L，X_C1,X_C2,,...，X_Cn为并联电容器容抗参数，n＝1、2、3、...、N_C。

1、可变电抗器和电容器串并联单元10。

由等效可变电抗器串联组件和等效电容器并联组件组成。

等效可变电抗器串联组件由n个电抗器支路串联而成。等效可变电抗器串联组件一端接电网等效阻抗Rs，另一端接负荷Z_L。

第n个电抗器支路的电抗器的电抗参数均为2的n-1次方,即：jX_L1,j2X_L1,j4X_L1,...，j2^n-1X_L1,n＝1、2、3、...、N_L，通过晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K₁n进行并联组合，形成调节负荷侧电压的等效可变电抗器串联组件，实现对负荷侧电压的动态调节。

等效电容器并联组件由N_C个电容器支路并联而成。等效电容器并联组件一端接负荷源Z_L，另一端接电网等效电压源的中性线。

第n个并联电容器支路的容性无功功率容量为2的n-1次方,即：-jQ_C1、-j2Q_C1、-j4Q_C1、-j8Q_C1、...、-j2^n-1Q_C1，n＝1、2、3、...、N_C。

等效电容器并联组件通过晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n对并联电容器进行并联组合，形成与负荷侧额定电压和变压器台区功率因数相对应的调压无功补偿可变电抗器和电容器并联组件，实现有效调节负荷侧电压和变压器台区功率因数提高的要求。

2、负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元20。

由两组电压互感器V₂₁和V₂₂，两组电流互感器I₂₁和I₂₂组成，用于检测变压器台区和负荷侧的电压和电流。

3、调压补偿控制单元30。

调压补偿控制单元30由高性能微处理器(32位及以上CPU，400MHz以上主频)、8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板和电压与功率因数检测、分析、智能控制软件组成，通过实时控制调压补偿执行单元40，动态控制可变电抗器和电容器串并联单元10的结构和参数，实现负荷侧电压指标达标和变压器台区功率因数提高的目标。该保护单元的实质结构属于本领域的基本公知常识，在此不再赘述具体的连接结构。

可变电抗器串联组件的等效参数的调节范围ΔV为：

$\mathrm{\Δ}V=V_2-V_S=-V_S\±\sqrt{{(V_S-{\mathrm{IR}}_S)}^2+{\left({\mathrm{IX}}_L\right)}^2}$

式中：V2为负荷侧电压，V_S为变压器台区额定电压，I为负荷电流，R_S和X_L分别为电网等效电阻和可变串联电抗器组件等效电抗。

4、调压补偿执行单元40。

由晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n；K₂₁，K₂₂，...,K_2n组成，用于等效可变电抗器串联组件和等效电容器并联组件的串并联组合控制。

一个晶闸管开关由一对正反并联的两个普通晶闸管构成。

晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n分别并联接入各串联电抗器支路，用于可变电抗器串联组件的参数控制，当开关闭合时，对应的电抗器退出，等效 电抗参数减少；当开关断开时，对应的电抗器投入，等效电抗参数增加。

晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n；K₂₁，K₂₂，...,K_2n分别串联接入各并联电容器支路，用于可变电容器并联组件的参数控制，当开关闭合时，对应的电容器投入，等效电容参数增加；当开关断开时，对应的电容器退出，等效电容参数减少。

5、器件和装置保护单元50。

由断路器DL₂₁和DL₂₂、快速熔断器以及通常采用的过电压、过电流、缺相、短路、过热、di/dt(电流变化率)、du/dt(电压变化率)等保护组成，实现电力电子开关、电抗器和电容器的保护。该保护单元的实质结构属于本领域的基本公知常识，在此不再赘述具体的连接结构。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种新型的动态调压无功补偿拓扑，其特征在于，包括：

一个可变电抗器和电容器串并联单元(10)；所述可变电抗器和电容器串并联单元(10)的串联组件端连接电网，可变电抗器和电容器串并联单元(10)串联组件和并联组件公共端连接负荷侧；

一个负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元(20)；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元(20)的两组输入分别接入串联组件端电网侧和串联组件与并联组件公共端的负荷侧；

一个动态调压和无功补偿控制单元(30)；负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元(20)的输出连接动态调压和无功补偿控制单元(30)输入；

一个动态调压和无功补偿执行单元(40)；动态调压和无功补偿控制单元(30)的输出连接动态调压和无功补偿执行单元(40)的输入；动态调压和无功补偿执行单元(40)的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元(10)的输入；

一个器件和装置保护单元(50)；器件和装置保护单元(50)的输出连接可变电抗器和电容器串并联单元(10)的输入和动态调压和无功补偿执行单元(40)输入；

所述可变电抗器和电容器串并联单元(10)包括等效可变电抗器串联组件和等效电容器并联组件；所述等效可变电抗器串联组件包括n个电抗器支路串联；所述等效可变电抗器串联组件一端接电网等效阻抗Rs，另一端接负荷Z_L；

所述等效电容器并联组件包括N_C个电容器支路并联，该等效电容器并 联组件一端接负荷源Z_L，另一端接电网等效电压源的中性线；

所述等效可变电抗器串联组件中，第n个电抗器支路的电抗器的电抗参数均为2的n-1次方,即：jX_L1,j2X_L1,j4X_L1,...，j2^n-1X_L1,n＝1、2、3、...、N_L，通过晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K₁n进行并联组合，形成调节负荷侧电压的等效可变电抗器串联组件，实现对负荷侧电压的动态调节；

所述等效电容器并联组件中，第n个并联电容器支路的容性无功功率容量为2的n-1次方,即：-jQ_C1、-j2Q_C1、-j4Q_C1、-j8Q_C1、...、-j2^n-1Q_C1，n＝1、2、3、...、N_C；

所述等效电容器并联组件的各并联电容器支路通过分别串联晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n对并联电容器进行并联组合，形成与负荷侧额定电压和电网侧功率因数相对应的调压无功补偿可变电抗器和电容器并联组件；

所述晶闸管开关由一对正反并联的两个普通晶闸管构成。

2.根据权利要求1所述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，其特征在于，负荷电压偏移和电网无功缺额检测单元(20)包括两组电压互感器V₁和V₂，两组电流互感器I₁和I₂；用于采集可变电抗器和电容器串并联单元(10)电网侧和负荷侧的三相电压和三相电流。

3.根据权利要求1所述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，其特征在于，所述动态调压和无功补偿执行单元(40)包括晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n，以及晶闸管开关K₂₁，K₂₂，...,K_2n；可变电抗器串联组件的执行单元按每个电抗器对应依次并联晶闸管开关K₁₁，K₁₂，...,K_1n，当开关闭合时，对应的电抗器退出；当开关断开时，对应的电抗器投入；

可变电容器并联组件的执行单元按每个电容器对应依次串联晶闸管开 关K₂₁，K₂₂，...,K_2n，当开关闭合时，对应的电容器投入；当开关断开时，对应的电容器退出。

4.根据权利要求1所述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，其特征在于，所述器件和装置保护单元(50)包括断路器DL₁和DL₂、快速熔断器以及过电压保护器、过电流保护器、缺相保护器、短路保护器、过热保护器、电流变化率监测器、电压变化率监测器，实现电力电子开关、电抗器和电容器的保护。

5.根据权利要求1所述的一种新型的动态调压无功补偿拓扑，其特征在于，动态调压和无功补偿控制单元(30)包括高性能微处理器、8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板以及动态调压和无功补偿控制器；所述高性能微处理器为32位及以上CPU，400MHz以上主频；8路同步隔离16位A/D模数转换高速数据采集板、16路光电隔离开关量输出板以及动态调压和无功补偿控制器同时与高性能微处理器连接。