CN217984539U - 一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，包括电网供电端、旁路晶闸管S、输出滤波器F、双向变流器I、储能电容Ce以及耦合变压器T，所述电网供电端与耦合变压器T的一次侧串联后为敏感负荷供电，所述旁路晶闸管S并联在耦合变压器T的二次侧，所述旁路晶闸管S与输出滤波器F连接，所述输出滤波器F与双向变流器I连接，所述双向变流器I与电容储能单元Ce连接。本实用新型专利采用三相三柱式的耦合变压器结构，以取代传统的三个单相变压器结构，在功能上可以同样实现对称电压骤降/骤升和不对称电压骤降/骤升等工况的良好补偿，具有体积小、成本低等优势，适合应用在三相三线制供电系统的各种电压补偿装置中。

Description

一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置

技术领域

本实用新型涉及电压补偿技术领域，尤其是一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置。

背景技术

随着用电设备的技术革新，现代化水平的不断提高，计算机、变频器等敏感设备在工业生产中得到了大规模应用，其对于供电系统电能质量提出了更高的要求，而电压骤降或骤升已成为影响电网电能质量最严重的问题之一。电压补偿装置是基于现代电力电子技术的定制电力设备，是有效的骤降/骤升治理装置。

传统电压补偿装置是三个单相变压器，由于磁路不存在耦合关系，零序磁通可以在铁心中形成闭合回路，因此电压补偿装置可以补偿正序电压、负序电压和零序电压，适合应用于三相四线制系统的电压骤降/骤升的场合。而对于我国10kV等三相三线制供电系统，上游一般配置为Dy型或Yd型降压变压器，零序阻抗很大，因此电压骤降/骤升所产生的零序分量无法传递至下游，所以电压补偿装置需要补偿不对称工况中的负序电压分量。

且对于电压补偿装置而言，一般可由储能电容部分、变流部分、变压器部分和电气开关部分等构成，从占地面积和重量上而言，变压器部分占比最大，总体成本上变压器部分也占据了20％以上，因此对于电压补偿装置进行优化是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型针对三相三线制供电系统大容量电压补偿装置的设计优化问题，提出了一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，将传统的三相电压补偿装置中的三个单相变压器替换为三相三柱式变压器结构，实现不对称电压骤降/骤升工况的良好补偿的同时，显著降低变压器占地面积，同时降低系统成本，尤其在大容量线路的电压骤降/骤升治理中，效果更加明显，适合应用在三相三线制供电系统的各种电压补偿装置中。

为实现上述目的，提出以下技术方案：一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，包括电网供电端、旁路晶闸管S、输出滤波器F、双向变流器I、储能电容Ce以及耦合变压器T，所述电网供电端与耦合变压器T的一次侧串联后为敏感负荷供电，所述旁路晶闸管S并联在耦合变压器T的二次侧，所述旁路晶闸管S与输出滤波器F连接，所述输出滤波器F与双向变流器I连接，所述双向变流器I与电容储能单元Ce连接。

本装置中的耦合变压器采用三相三柱式结构，其三相磁链存在耦合关系，同相位的零序磁通不能在铁心内部形成闭合回路，零序磁通路径主要由非铁磁材料构成，因此零序励磁阻抗很大，而对于10kV等三相三线制供电系统，上游一般配置为Dy型降压变压器，零序阻抗很大，因此电压骤降/骤升所产生的零序分量无法传递至下游，所以电压补偿装置不需要补偿零序电压，而所需要补偿的正序电压和不对称骤降/骤升工况中存在的负序电压均为三相对称分量，三相三柱式变压器可以很好地应用于该场合中。相比于三个单相变压器，三相三柱式变压器的磁芯体积约为三个单相变压器磁芯总体积的三分之二，可以显著地节省铜质(或铝质)线材、磁心和绝缘材料，降低了系统占地面积的同时优化了装置成本。

作为优选，所述电网供电端为三相三线制供电系统，包括第一端子Vsa、第二端子Vsb和第三端子Vsc。

作为优选，所述耦合变压器T为三相三柱式变压器，包括三相耦合磁心、三相一次侧绕组、三相二次侧绕组、三相一次侧绕组端子和三相二次侧绕组端子；所述耦合变压器T的各相绕组分别套装在各相对应磁心柱上；所述耦合变压器的对外端子，包括A相一次侧第一端子Ta1、A相一次侧第二端子Ta2、A相二次侧第一端子Ta3、A相二次侧第二端子Ta4、B相一次侧第一端子Tb1、B相一次侧第二端子Tb2、B相二次侧第一端子Tb3、B相二次侧第二端子Tb4、C相一次侧第一端子Tc1、C相一次侧第二端子Tc2、C相二次侧第一端子Tc3、C相二次侧第二端子Tc4。

作为优选，所述第一端子Vsa与耦合变压器T的A相一次侧第一端子Ta1连接，所述耦合变压器T的A相一次侧第二端子Ta2与敏感负荷连接；所述第二端子Vsb与耦合变压器T的B相一次侧第一端子Tb1连接，所述耦合变压器T的B相一次侧第二端子Tb2与敏感负荷连接；所述第三端子Vsc与耦合变压器T的C相一次侧第一端子Tc1连接，所述耦合变压器T的C相一次侧第二端子Tc2与敏感负荷连接。

作为优选，所述旁路晶闸管S包括第一旁路晶闸管Sa、第二旁路晶闸管Sb、第三旁路晶闸管Sc；所述耦合变压器T的A相二次侧第一端子Ta3接有第一旁路晶闸管Sa的一端，所述耦合变压器T的A相二次侧第二端子Ta4与第一旁路晶闸管Sa的另一端连接；所述耦合变压器T的B相二次侧第一端子Tb3接有第二旁路晶闸管Sb的一端，所述耦合变压器T的B相二次侧第二端子Tb4与第一旁路晶闸管Sb的另一端连接；所述耦合变压器T的C相二次侧第一端子Tc3接有第一旁路晶闸管Sc的一端，所述耦合变压器T的C相二次侧第二端子Tc4与第一旁路晶闸管Sc的另一端连接。

作为优选，所述输出滤波器F包括第一滤波电容Cf_a、第二滤波电容Cf_b、第三滤波电容Cf_c、第一滤波电感Lf_a、第二滤波电感Lf_b、第三滤波电感Lf_c；所述第一旁路晶闸管Sa的一端接有第一滤波电容Cf_a的一端和第一滤波电感Lf_a的一端，所述第一旁路晶闸管Sa的另一端与第一滤波电容Cf_a的另一端连接；所述第二旁路晶闸管Sb的一端接有第二滤波电容Cf_b的一端和第二滤波电感Lf_b的一端，所述第二旁路晶闸管Sb的另一端与第二滤波电容Cf_b的另一端连接；所述第三旁路晶闸管Sc的一端接有第三滤波电容Cf_c的一端和第三滤波电感Lf_c的一端，所述第三旁路晶闸管Sc的另一端与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。

作为优选，所述双向变流器I为三相全桥结构，由6个半桥的IGBT器件组成，包含第一桥臂中点Ia1、第二桥臂中点Ia2、第三桥臂中点Ib1、第四桥臂中点Ib2、第五桥臂中点Ic1、第六桥臂中点Ic2；所述双向变流器I的第一桥臂中点Ia1与第一滤波电感Lf_a的另一端连接，第二桥臂中点Ia2与第一滤波电容Cf_a的另一端连接；所述双向变流器I的第三桥臂中点Ib1与第二滤波电感Lf_b的另一端连接，第四桥臂中点Ib2与第二滤波电容Cf_b的另一端连接；所述双向变流器I的第五桥臂中点Ic1与第三滤波电感Lf_c的另一端连接，第六桥臂中点Ic2与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。

作为优选，所述储能电容Ce为超级电容模组或者电解电容模组。所需治理线路的容量较大时，超级电容的成本优势和体积优势明显，所需治理线路的容量较小时，电解电容模组的成本优势更加突出。

当供电电压发生电压骤降或骤升时，电压补偿装置强制关断旁路晶闸管S，并通过三相三柱式的耦合变压器T向电网中注入补偿电压，当电网发生三相对称骤降/骤升时，仅注入所需正序分量；当电网发生三相不对称骤降/骤升时，注入电压包括所需正序分量和抵消存在的负序分量。

本实用新型具有以下优点：应用三相三柱式变压器，在保证对称电压骤降/骤升和不对称电压骤降/骤升等工况的良好补偿的同时，磁芯体积约为传统的三个单相变压器磁芯总体积的三分之二，可以显著地节省铜质或铝质线材、磁心和绝缘材料，降低了系统占地面积的同时优化了装置成本。在大容量线路的电压骤降/骤升治理中，效果更加明显。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，不应构成对本实用新型的不当限定。附图标号中的术语，仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型，不应理解为任何附加限制。

图1为拓扑结构示意图。

图2为三相三柱式耦合变压器的结构正视图。

图3为三相三柱式耦合变压器的结构俯视图。

图4为在不对称骤降工况下的电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明，以便更清楚、直观地理解该实用新型。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

电压补偿装置的基本思想是通过控制变流器来补偿供电系统的电压骤降/骤升，从而保护后级敏感负荷，基本原理为：当供电系统正常时，旁路晶闸管闭合；当供电系统异常时，旁路晶闸管关断，储能电容通过双向变流器和耦合变压器向供电系统中注入补偿电压，维持敏感负荷的正常运行；当储能电容能量较低时，储能电容通过双向变流器和耦合变压器从供电系统中吸收有功功率。

实施例：一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置。如图1所示，本实施例包括电网供电端、旁路晶闸管S、输出滤波器F、双向变流器I、储能电容Ce以及耦合变压器T，电网供电端与耦合变压器T的一次侧串联后为敏感负荷供电，旁路晶闸管S并联在耦合变压器T的二次侧，旁路晶闸管S与输出滤波器F连接，输出滤波器F与双向变流器I连接，双向变流器I与电容储能单元Ce连接。电网供电端为三相三线制供电系统，包括第一端子Vsa、第二端子Vsb和第三端子Vsc。

如图2、图3所示，耦合变压器T为三相三柱式变压器，包括三相耦合磁心、三相一次侧绕组、三相二次侧绕组、三相一次侧绕组端子和三相二次侧绕组端子；耦合变压器T的各相绕组分别套装在各相对应磁心柱上；耦合变压器的对外端子，包括A相一次侧第一端子Ta1、A相一次侧第二端子Ta2、A相二次侧第一端子Ta3、A相二次侧第二端子Ta4、B相一次侧第一端子Tb1、B相一次侧第二端子Tb2、B相二次侧第一端子Tb3、B相二次侧第二端子Tb4、C相一次侧第一端子Tc1、C相一次侧第二端子Tc2、C相二次侧第一端子Tc3、C相二次侧第二端子Tc4。参考图1，第一端子Vsa与耦合变压器T的A相一次侧第一端子Ta1连接，耦合变压器T的A相一次侧第二端子Ta2与敏感负荷连接；第二端子Vsb与耦合变压器T的B相一次侧第一端子Tb1连接，耦合变压器T的B相一次侧第二端子Tb2与敏感负荷连接；第三端子Vsc与耦合变压器T的C相一次侧第一端子Tc1连接，耦合变压器T的C相一次侧第二端子Tc2与敏感负荷连接。旁路晶闸管S包括第一旁路晶闸管Sa、第二旁路晶闸管Sb、第三旁路晶闸管Sc；耦合变压器T的A相二次侧第一端子Ta3接有第一旁路晶闸管Sa的一端，耦合变压器T的A相二次侧第二端子Ta4与第一旁路晶闸管Sa的另一端连接；耦合变压器T的B相二次侧第一端子Tb3接有第二旁路晶闸管Sb的一端，耦合变压器T的B相二次侧第二端子Tb4与第一旁路晶闸管Sb的另一端连接；耦合变压器T的C相二次侧第一端子Tc3接有第一旁路晶闸管Sc的一端，耦合变压器T的C相二次侧第二端子Tc4与第一旁路晶闸管Sc的另一端连接。

输出滤波器F包括第一滤波电容Cf_a、第二滤波电容Cf_b、第三滤波电容Cf_c、第一滤波电感Lf_a、第二滤波电感Lf_b、第三滤波电感Lf_c；第一旁路晶闸管Sa的一端接有第一滤波电容Cf_a的一端和第一滤波电感Lf_a的一端，第一旁路晶闸管Sa的另一端与第一滤波电容Cf_a的另一端连接；第二旁路晶闸管Sb的一端接有第二滤波电容Cf_b的一端和第二滤波电感Lf_b的一端，第二旁路晶闸管Sb的另一端与第二滤波电容Cf_b的另一端连接；第三旁路晶闸管Sc的一端接有第三滤波电容Cf_c的一端和第三滤波电感Lf_c的一端，第三旁路晶闸管Sc的另一端与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。双向变流器I为三相全桥结构，由6个半桥的IGBT器件组成，包含第一桥臂中点Ia1、第二桥臂中点Ia2、第三桥臂中点Ib1、第四桥臂中点Ib2、第五桥臂中点Ic1、第六桥臂中点Ic2；双向变流器I的第一桥臂中点Ia1与第一滤波电感Lf_a的另一端连接，第二桥臂中点Ia2与第一滤波电容Cf_a的另一端连接；双向变流器I的第三桥臂中点Ib1与第二滤波电感Lf_b的另一端连接，第四桥臂中点Ib2与第二滤波电容Cf_b的另一端连接；双向变流器I的第五桥臂中点Ic1与第三滤波电感Lf_c的另一端连接，第六桥臂中点Ic2与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。储能电容Ce为超级电容模组或者电解电容模组，具体类型根据容量进行确定。

如图4所示，当供电电压发生电压骤降/骤升时，电压补偿装置强制关断旁路晶闸管S，并通过三相三柱式的耦合变压器T向电网中注入补偿电压，当电网发生三相对称骤降/骤升时，仅注入所需正序分量；当电网发生三相不对称骤降/骤升时，注入电压包括所需正序分量和抵消负序分量。

如以上实施例所述，通过三相三线制动态电压补偿装置，能有效提高供电系统电能质量，有效地解决了电力资源的优化配置的问题，从而实现电力资源的有效利用率。

除上述实施例外，在本实用新型的权利要求书及说明书所公开的范围内，本实用新型的技术特征可以进行重新选择及步骤调整，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此本实用新型没有详细描述的实施例也应视为本实用新型的具体实施例而在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，包括电网供电端、旁路晶闸管S、输出滤波器F、双向变流器I、储能电容Ce和耦合变压器T，

所述电网供电端与耦合变压器T的一次侧串联后为敏感负荷供电，所述旁路晶闸管S并联在耦合变压器T的二次侧，所述旁路晶闸管S与输出滤波器F连接，所述输出滤波器F与双向变流器I连接，所述双向变流器I与电容储能单元Ce连接。

2.根据权利要求1所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述电网供电端为三相三线制供电系统，包括第一端子Vsa、第二端子Vsb和第三端子Vsc。

3.根据权利要求2所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述耦合变压器T为三相三柱式变压器，包括三相耦合磁心、三相一次侧绕组、三相二次侧绕组、三相一次侧绕组端子和三相二次侧绕组端子，所述耦合变压器T的各相绕组分别套装在各相对应磁心柱上，所述耦合变压器的对外端子，包括A相一次侧第一端子Ta1、A相一次侧第二端子Ta2、A相二次侧第一端子Ta3、A相二次侧第二端子Ta4、B相一次侧第一端子Tb1、B相一次侧第二端子Tb2、B相二次侧第一端子Tb3、B相二次侧第二端子Tb4、C相一次侧第一端子Tc1、C相一次侧第二端子Tc2、C相二次侧第一端子Tc3、C相二次侧第二端子Tc4。

4.根据权利要求3所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述第一端子Vsa与耦合变压器T的A相一次侧第一端子Ta1连接，所述耦合变压器T的A相一次侧第二端子Ta2与敏感负荷连接，所述第二端子Vsb与耦合变压器T的B相一次侧第一端子Tb1连接，所述耦合变压器T的B相一次侧第二端子Tb2与敏感负荷连接，所述第三端子Vsc与耦合变压器T的C相一次侧第一端子Tc1连接，所述耦合变压器T的C相一次侧第二端子Tc2与敏感负荷连接。

5.根据权利要求3所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述旁路晶闸管S包括第一旁路晶闸管Sa、第二旁路晶闸管Sb、第三旁路晶闸管Sc，所述耦合变压器T的A相二次侧第一端子Ta3接有第一旁路晶闸管Sa的一端，所述耦合变压器T的A相二次侧第二端子Ta4与第一旁路晶闸管Sa的另一端连接，所述耦合变压器T的B相二次侧第一端子Tb3接有第二旁路晶闸管Sb的一端，所述耦合变压器T的B相二次侧第二端子Tb4与第一旁路晶闸管Sb的另一端连接，所述耦合变压器T的C相二次侧第一端子Tc3接有第一旁路晶闸管Sc的一端，所述耦合变压器T的C相二次侧第二端子Tc4与第一旁路晶闸管Sc的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述输出滤波器F包括第一滤波电容Cf_a、第二滤波电容Cf_b、第三滤波电容Cf_c、第一滤波电感Lf_a、第二滤波电感Lf_b、第三滤波电感Lf_c，

所述第一旁路晶闸管Sa的一端接有第一滤波电容Cf_a的一端和第一滤波电感Lf_a的一端，所述第一旁路晶闸管Sa的另一端与第一滤波电容Cf_a的另一端连接，所述第二旁路晶闸管Sb的一端接有第二滤波电容Cf_b的一端和第二滤波电感Lf_b的一端，所述第二旁路晶闸管Sb的另一端与第二滤波电容Cf_b的另一端连接，所述第三旁路晶闸管Sc的一端接有第三滤波电容Cf_c的一端和第三滤波电感Lf_c的一端，所述第三旁路晶闸管Sc的另一端与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。

7.根据权利要求6所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述双向变流器I为三相全桥结构，由6个半桥的IGBT器件组成，包含第一桥臂中点Ia1、第二桥臂中点Ia2、第三桥臂中点Ib1、第四桥臂中点Ib2、第五桥臂中点Ic1、第六桥臂中点Ic2，

所述双向变流器I的第一桥臂中点Ia1与第一滤波电感Lf_a的另一端连接，第二桥臂中点Ia2与第一滤波电容Cf_a的另一端连接，所述双向变流器I的第三桥臂中点Ib1与第二滤波电感Lf_b的另一端连接，第四桥臂中点Ib2与第二滤波电容Cf_b的另一端连接，所述双向变流器I的第五桥臂中点Ic1与第三滤波电感Lf_c的另一端连接，第六桥臂中点Ic2与第三滤波电容Cf_c的另一端连接。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，所述储能电容Ce为超级电容模组或者电解电容模组。

9.根据权利要求1所述的一种可实现不对称补偿的三相三线制动态电压补偿装置，其特征在于，通过控制变流器I产生三相正序电压来补偿供电系统所需正序电压分量，同时通过控制变流器I产生三相负序电压来抵消供电系统中存在的负序电压分量，对不对称电压骤降或骤升的工况进行补偿。

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