CN216530562U - 电网阻容式谐波消纳及取电装置 - Google Patents

电网阻容式谐波消纳及取电装置 Download PDF

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秦建松
蔡继东
沈祥
许海峰
章立宗
王军慧
徐文华
裘天佳
汪磊
王飞
胡恩德
周明
金钢
贺明
张健
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Shaoxing Daming Electric Power Construction Co ltd
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Shaoxing Jianyuan Electric Power Group Co ltd
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Abstract

本实用新型涉及交流电网中无功率补偿及电能质量管理领域，具体涉及一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，包括串联连接的电容器和电抗器，包括阻容特性元件、整流桥堆及蓄电池组，所述阻容特性元件的两端并联在电抗器上，阻容特性元件的中部输出端与整流桥堆的输入端电连接，整流桥堆的输出端与蓄电池组的输入端电连接；有益效果：采用以碳化硅或等离子体等元件作为具有容性特征的电阻的方法，将累积电抗器上的谐波能力进行消纳吸收，并通过整流桥堆和蓄电池进行取电转换为直流电源。

Description

电网阻容式谐波消纳及取电装置
技术领域
本实用新型涉及交流电网中无功率补偿及电能质量管理领域，具体涉及一种电网阻容式谐波消纳及取电装置。
背景技术
电力系统住往会出现各种各样的电能质量问题，例如，电力系统受到的“谐波污染”越来越严重。谐波是以波形畸变为特征的稳态电能质量问题，也是电能质量问题中很典型的问题。电力系统中的谐波是指电压电流在波形、相位上跟基波值的不一致现象，谐波的频率一般是基波频率的n倍，谐波问题的引起可以主要归结为以下几个方面：1.由系统本身所产生，发电机的励磁绕组磁场很难做到完全正弦分布，励磁电流也容易受到一些参数影响，所以其输出电压波形与任意工作瞬间也可能与基波波形有所不同；2.冲击类及整流类等非线性负荷增多；3.其他情况也会影响电能质量。
日本国内的调查研究表明，电网谐波约有30％来自于商业、居民用电系统，如果不加治理和改善，这些问题随着电力系统规模不断扩大与网络结构复杂化将会越来越严重。
现有技术中，虽然有源电力滤波器APF具有良好的谐波滤波特性，但是该有源电力滤波器的电能转换器容量必须大于负载谐波电流与电源电压的乘积，因此该有源电力滤波器的电能转换器的容量很大，造成设备投资大，价格昂贵而限制其实用性。为了解决无源电力滤波器谐振及邻近谐波电流注入所造成过载问题，及有源电力滤波器的电能转换器容量大所造成的价格昴贵问题，迫切需要新的技术和思路对谐波问题加以抑制。
在现有技术中，江苏东能电力科技有限公司申请的“具有消谐和无功功率补偿双重功能的补偿装置”专利号：201220447406.0，该技术采用了可纳电抗器的方式，但此种方式并没有吸纳掉谐波源的能量，而仍然会在电抗器和电容器之间形成振荡的危害。
目前广泛采用的由电容器和电抗器串联接线的无功补偿电容器柜体中，由于电网中含有谐波时，谐波电压在电抗器上的积累遵循U＝Ic·XL＝Ic·2πfL。由于谐波的频率高出工频50HZ的频率数倍，因而就会在电抗器上积累出极高的电压，从而对电抗器设备过热造成损坏现象。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，用于将电抗器上积累的高压进行消纳吸收，并加以取电转换。
一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，包括串联连接的电容器和电抗器，包括阻容特性元件、整流桥堆及蓄电池组，所述阻容特性元件的两端并联在电抗器上，阻容特性元件的中部设有输出端且该输出端与整流桥堆的输入端电连接，整流桥堆的输出端与蓄电池组的输入端电连接。
进一步的，所述阻容特性元件选用低盐液相等离子阻容元件或固态碳化硅阻容元件。
进一步的，所述低盐液相等离子阻容元件选用浓度为5％-30％碳酸氢钠盐等离子体或浓度为5％-10％氯化钠等离子体。
进一步的，所述电抗器包括固定电抗器或可变电抗器，结构为线圏式或者是铁芯式，其绝缘水平与电网中所处的电压等级相匹配。
进一步的，所述电容器包括交流通用薄膜式电力电容器，电压等级与电网电压等级相匹配。
进一步的，所述整流桥堆包括单相大电流硅整流桥堆。
进一步的，所述蓄电池组包括铅酸蓄电池组或者是锂电池组。
本实用新型的优点在于：采用以碳化硅或低盐液相等离子体等元件作为具有容性特征的电阻的方法，将累积电抗器上的谐波能力进行消纳吸收，并通过整流桥堆和蓄电池进行取电转换为直流电源。
附图说明
图1是实施例中该装置的接线示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本实用新型作进一步详细描述。
当交流电网中接入大容量电容器C时，根据容抗公式XC＝1/2πfc，会将谐波源的能量流向电容器C中，根据上述公式可知，谐波频率越高容抗值Xc 越小，流向电容器C的比例值越高，在流向电容器柜的同时，由于支路上存在着交流电抗器，则在电抗器上积累的电压值UDK＝Ic*2πfL，其中Ic为电容器柜上电流，L为电抗器的电感值，f为谐波的频率值。由此可知，频次越高的谐波分量在电抗器上所积累的电压值越高，设工频50HZ下，电抗器上电压为U0时，谐波下电抗器上积累的电压值为UH时，设计阻容元件在选取合理电阻值可起消谐作用。
本实施例消纳谐波的特点是在电抗器DK上并联一组或者是几组阻容特性元件Rc，由该元件对积累于电抗器上的谐波能量加以消纳的工作方式，由于阻容特性元件具有电容特性，因此电抗器上的谐波频率较高时，谐波能量更容易向阻容特性元件流动，从而进行消纳。具体如图1所示，包括阻容特性元件Rc、电抗器DK、电容器C、整流桥堆D及蓄电池组E，将电抗器DK与阻容特性元件RC两端并联后，再与电容器C进行串联接线，再经开关、刀闸接入高、低压电网之中，而整流桥堆D的输入端连接于阻容特性元件RC的中部输出端，蓄电池组E的输入端连接于整流桥堆D的输出端。在工频条件下，U0较小，流过阻容特性元件Rc的电流较小，损耗能量亦小，当有谐波干扰时，UH大大高于U0，同时，由于f加大，阻容特性元件Rc容抗变小，使电抗器DK中电流流向阻容元件进行发热消耗，并通过整流桥堆D和蓄电池将能量转化为直流电，从而使电抗器上的电压由UH下降至U0附近的水平，达到谐波能量进行有效消纳和转换的目的。
具体选型可参考如下所述：
在具体实施中，首先要根据所处电网中供电的配电变压器的容量和谐波的电压畸变率THD来选择电容器C，通常电容器C的容量按照变压器容量的 10～20％确定，与电容器C串联的电抗器DK按照谐波干扰的大小来确定。当谐波次数较高时，电抗器选用5～6％的电抗率，而谐波次数较低时，如电网以三次、五次谐波为主时，宜选用10～13％的电抗率值。
现假设电容器C的容量为1000kVA，电压为10kV时，根据Se＝√3*IU，
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000041
相电压Ua＝I*XC，
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000042
Xc＝100Ω，若是电抗器5％时，则电抗器取XDK＝0.05×100Ω＝5Ω，XDK＝2πfL， I1为考虑电抗器串入后电流，
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000043
因此电抗器选用电感量为15.9mH的值。
在基波下，电抗器两端电压U0＝I1*XDK＝60×5＝300V，设置采用阻容特性元件Rc，在基波条件下从电抗器上的分流值在20％～35％范围时，若是取25％时，则I＝60×0.25，U＝IR，阻容特性元件电阻值
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000044
本阻容的正常损耗 P＝IU＝I2R＝152×20＝4500W，该阻容特性的空载损耗容量为P＝4.5kW，占比α＝4.5/100＝0.45％，由于占比例仅为0.45％，在经济上是可以承受的，因为有源滤波器APF装置的功率损耗高达2％～3％。
当电网中会有谐波量时，设定实测电抗器DK上的电压为600V，此时，由于阻容特性元件Rc电阻值选取为20Ω，流入Rc的电流为：
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000051
由电阻元件消耗的功率P＝I2R＝30×30×20＝18kW，由此可知，谐波电压下的消耗功率为18千瓦，远大于平时的4.5千瓦，这是因为谐波的功率频率高。
1.阻容特性元件同时具备电阻特性和电容器特性，可选用低盐液相等离子阻容元件或固态碳化硅阻容元件。
1.1采用固态碳化硅阻容元件时，电阻为20Ω值的碳化硅SiC电热元件，型号：U-100，直径为100mm，长度为1000mm的螺纹式发热元件，中间带抽头引线用作输出端，生产厂家为：郑州凯诺高温元件有限公司。
碳化硅材料具有良好的非线性导电特性，其电阻可以随电场的增加而自动降低，从而达到自动调节场强的目的。因此，碳化硅是容性特征的电阻电热加工材料。测试结果表明，对于各种粒径碳化硅，颗粒越粗，电阻率ρ0越低、非线性系数β(介电常数)越大；颗粒越细，电阻率ρ0越高、非线性系数β越小，计算碳化硅非线性系数β值的表达式：
Figure DEST_PATH_GDA0003579025300000052
式中：E为场强，ρ0是未加电场之电阻率，β为碳化硅的非线性系数，表征碳化硅的电阻随场强提高而下降的能力。
本实施例具体使用的SiC选用硅碳棒元件，硅碳棒具有良好的阻容特性，非常适用于对高次谐波能量的消纳之用。
1.2选用采用低盐液相等离子阻容元件时，选用浓度为5％-30％碳酸氢钠盐等离子体或浓度为5％-10％氯化钠等离子体，选取的电阻值为20Ω～100Ω左右，中间带引线抽头用作输出端，其电容值将远大于固体SiC，而实际流元件的电流将大于固体元件的额定电流，从而可达到吸纳谐波的能力比固体元件更好效果。生产厂家：上海哨兵电子技术有限公司。
2.电抗器DK的选择，由上述计算可知，电抗器选用电感量L＝15.9MH，容量S＝IU＝60A×300V＝18KVA，取25KVA值，选择现有厂家：浙江温州同迈电气有限公司，型号：CKSG-10-5％-25KVA。
3.无功补偿电容器选择，本实施例选用电压等级为10kV的电容器，采用交流电压耐压11kV，由于电容器总容量为S＝1000kVA，选用单台容量100kVA，采用10台并联方式，生产厂家为陕西省华荣电器设备有限公司，型号为 BAM11-100-1W。
4.硅整流桥堆选用，若是10kV电压等级，选用型号为2CL3KV/100A大功率高压二极管，4只组成桥式整流器接线，厂家为辽宁省鞍山术立电子有限公司。
5.取电蓄电池采用通用的铅蓄电池组式，分为1#组和2#组，蓄电池容量通常取12V/10A～30A，多节蓄电池串联，型号为BP-10-12，密闭阀控式蓄电池，生产厂家为北京盛世君诚科技有限公司。
上述实施例仅用于解释说明本发明的构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，包括串联连接的电容器和电抗器，其特征在于：包括阻容特性元件、整流桥堆及蓄电池组，所述阻容特性元件的两端并联在电抗器上，阻容特性元件的中部设有输出端且该输出端与整流桥堆的输入端电连接，整流桥堆的输出端与蓄电池组的输入端电连接。
2.如权利要求1所述的一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，其特征在于：所述阻容特性元件选用低盐液相等离子阻容元件或固态碳化硅阻容元件。
3.如权利要求1所述的一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，其特征在于：所述电抗器包括固定电抗器或可变电抗器，结构为线圏式或者是铁芯式，其绝缘水平与电网中所处的电压等级相匹配。
4.如权利要求1所述的一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，其特征在于：所述电容器包括交流通用薄膜式电力电容器，电压等级与电网电压等级相匹配。
5.如权利要求1所述的一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，其特征在于：所述整流桥堆包括单相大电流硅整流桥堆。
6.如权利要求1所述的一种电网阻容式谐波消纳及取电装置，其特征在于：所述蓄电池组包括铅酸蓄电池组或者是锂电池组。
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