CN2659000Y - 一种可动态无功补偿的电力变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种可动态无功补偿的电力变压器，它不但增加了电力变压器的动态无功补偿的功能，而且易于实现整体优化设计，其结构简单，工作可靠，效率和功率因数高，应用性好，使用灵活，维护方便，延长了电力变压器的使用寿命。本实用新型根据瞬时无功功率的原理，实时检测出负载无功大小，通过正弦波脉宽调制策略，控制电压型逆变电路，产生一与电力变压器副边输出电压u_a、u_b、u_c相位一致，但大小不等的电压u_a′、u_b′、u_c′。当负载为感性无功时，u_a′、u_b′、u_c′高于u_a、u_b、u_c，向电网输入容性无功；当负载为容性无功时，u_a′、u_b′、u_c′低于u_a、u_b、u_c，向电网输入感性无功，从而动态地补偿电力变压器，使电力变压器输出功率因数为1。

Description

一种可动态无功补偿的电力变压器

                          技术领域

本实用新型涉及一种可动态无功补偿的电力变压器，属于电力系统无功补偿技术。

                          背景技术

传统的电力变压器仅有传输和隔离电能的功能，无法实现对电网无功的自动补偿。此外，电力变压器本身对电网而言为感性负载，功率因数不高，尤其是在空载情况下，无功功率较大，也造成较大有功损耗，约占整个配电网损耗的60～70％，而电力变压器的铜耗与铁耗过大会影响变压器的性能，从而降低变压器的使用寿命，同时电力变压器的损耗也是对能源的一种浪费。

                        实用新型内容

本实用新型提供了一种可动态无功补偿的电力变压器，它在负荷电流不变的情况下，减少了无功电流，总电流也随之减少，实现了对电网无功功率的补偿，提高了电网的运行质量；同时也实现了对电力变压器自身的无功动态补偿，从而降低了变压器的损耗，延长了变压器的使用寿命，节省了能源。

随着无功发生器技术的成熟，可将电力变压器和无功发生器结合起来，使电力变压器具有动态无功补偿功能，从而在改善电网供电质量的同时，减少变压器自身的损耗。本实用新型的可动态无功补偿的电力变压器就是将普通电力变压器和无功发生器结合起来，其电路原理框图如图1所示，它包括：一个电压等级为10KV/400V的电力变压器(1)、一个含有三个PT和三个CT的采样电路、一个正弦波脉宽调制(即SPWM)控制信号发生器(2)和一个电压型逆变电路(3)，其连接关系是：电力变压器(1)低压输出侧、采样电路、正弦波脉宽调制控制信号发生器(2)、电压型逆变电路(3)、电力变压器(1)低压输出侧依次相连。所述电力变压器(1)用于传输、隔离和变换电能；含有三个PT和三个CT的采样电路用于三相负载电压和电流的采样；正弦波脉宽调制控制信号发生器(2)用于处理负载电压、电流信号，进而发出控制信号给电压型逆变电路(3)；电压型逆变电路(3)用于补偿感性无功和容性无功，它由电压型逆变器、直流储能电容器C和三个连接电抗器组成，其中电压型逆变器采用的是六单元逆变模块IPM，内含由六个自换相功率开关器件IGBT所组成的三相全控桥式逆变电路，电压型逆变器的直流端接直流储能电容器C，交流输出端通过三个连接电抗器L_a、L_b、L_c分别与电力变压器低压输出侧的a相、b相、c相相连。图1中e_a、e_b、e_c表示三相电路各相电压，e_a′、e_b′、e_c′和i_sa、i_sb、i_sc分别表示三相电路各相补偿电压和电流，V₁～V₆表示主电路的驱动信号。

正弦波脉宽调制控制信号发生器、采样电路和电压型逆变电路统称为电压型无功发生器(即ASVG)，它可以等效地看作成一个幅值和相位均可控制的与电网同频率的交流电压源，通过连接电抗器连接到电力变压器的副边，合理控制其输出电压的幅值和相位，就可以改变连接电抗器上的电压，从而控制电压型无功发生器发出无功功率的大小和性质，实现动态地补偿电力变压器，使电力变压器输出功率因数为1。

本实用新型不但增加了电力变压器的动态无功补偿功能，而且易于实现整体优化设计；同时本实用新型结构简单，工作可靠，效率和功率因数高，应用性好，使用灵活，维护方便。

                         附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2(a)是电流超前时电压和电流的矢量关系图(r≠0时)；

图2(b)是电流滞后时电压和电流的矢量关系图(r≠0时)；

图3是采用PI调节的控制器框图；

图4是无功发生器的控制电路框图；

图5是IPM内部六个单元的其中一个电路功能框图；

图6是IPM输入输出端的接线图。

图1中1-电力变压器  2-正弦波脉宽调制控制信号发生器  3-电压型逆变电路

图3中1-瞬时无功功率运算  2-电容电压U_d的PI调节器  3-无功功率Q的PI调节器  4-电压型无功发生器

图4中1-AD采样电路  2-基于DSP的控制器  3-人机操作界面  4-基于DSP的脉冲发生器  5-切换判断逻辑电路  6-主电路  7-同步PT

图6中1-IPM模块  2-光电耦合器  3-报警输出模块

                        具体实施方式

采样电路是基于瞬时无功功率原理，设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c，将它们变换到两相正交的α-β坐标上，两相瞬时电压为e_α、e_β，两相瞬时电流为i_α、i_β，则有：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

根据α-β理论，瞬时有功功率和瞬时无功功率定义如下：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{\α}}& e_{\mathrm{\β}}\\ -e_{\mathrm{\β}}& e_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

通常电压型无功发生器的器件损耗用集中参数电阻r来表示，连接电抗器仅计其电感X，电压型无功发生器输出电压为U_i，系统电压为U_s，主电路电流为I。

当忽略损耗即r＝0时，在保证向量U_i和向量U_s同相的条件下，无功发生器的无功输出就可由U_i幅值来调节，即当U_i的幅值大于U_s的幅值时，电抗上的电压与U_s反向，由于电抗电流向量I落后电抗电压90°，故电流I超前U_s90°，发出容性无功功率；反之，当U_i的幅值小于U_s的幅值时，电抗上的电压与U_s同相，则电流I落后U_s90°，发出感性无功功率；当U_i的幅值等于U_s的幅值时，处于零无功状态。整个过程可用公式表示为： $Q=U_S\frac{U_S-\mathrm{Ka}{U}_i}{X}$ ( $K=\frac{\sqrt{3}}{2}a,$ a为SPWM的脉冲调制比)。即在直流侧电压为一常量时，可以利用调节a对输出的无功进行控制。

当r≠0时，电压和电流的矢量关系如图2所示。此时U_i与U_s不同相，而是存在一个角度差δ，并设U_s超前于U_i时，δ＞0。假定脉冲宽度不变的条件下，调节无功发生器的无功功率主要靠改变电压U_i与δ角，迫使内部直流电容器充电或放电，电容上的电压发生变化，输出电压幅值也发生相应变化。当δ＞0时，幅值U_i＞U_s，这时向电力变压器副边注入容性的无功功率；当δ＜0时，幅值U_i＜U_s，这时向普通变压器副边注入感性的无功功率。因此，可以通过调节触发角δ来调节所发出的无功功率。

设实际无功发生器的直流侧电压为U_d，开关器件门极触发信号为SPWM调制信号，采用平均对称规则采样法，则U_i＝KaU_d。记α＝tg^-1(r/X)，稳态时得到：

$U_i=U_s\frac{\sin (\mathrm{\δ}+\mathrm{\α})}{\sin \mathrm{\α}},Q_s=\frac{U_s^2}{2r}\sin 2\mathrm{\δ},U_d=\frac{U_s\sin (\mathrm{\δ}+\mathrm{\α})}{\mathrm{Ka}\sin \mathrm{\α}}$

由以上可知，当a恒定时，调节δ，即可调节无功Q_s及电容电压U_d；同时调节δ和a，即可在保持U_d恒定的情况下，发出或吸收所需的无功。其中无功功率和电容电压均采用PI调节，其原理框图如图3所示：一方面三相电路各相电压的瞬时值e_a、e_b、e_c和三相电路各相电流的瞬时值i_a、i_b、i_c通过瞬时无功功率运算(1)得到无功功率Q，然后无功功率Q和无功功率Q的给定值QREF通过无功功率Q的PI调节器(3)调节产生一触发角δ，最后把触发角δ输入给电压型无功发生器(4)；另一方面电容电压U_d和U_d的给定值U_dREF通过电容电压U_d的PI调节器(2)调节产生一脉冲调制比a，然后也把脉冲调制比a输入给电压型无功发生器(4)，最后电压型无功发生器(4)连接到电力变压器的低压侧，以调节电力变压器所发出的无功功率。无功发生器的控制电路框图如图4所示：电容电压U_d(即无功发生器的直流侧电压)、三相电路各相电压的瞬时值e_a、e_b、e_c和三相电路各相电流的瞬时值i_a、i_b、i_c通过含有三个PT和三个CT的采样电路到AD采样电路(1)，AD采样电路(1)与两个基于DSP的控制器(2)连接，两个基于DSP的控制器(2)都直接接到基于DSP的脉冲发生器(4)，DSP作为控制芯片，计算出控制量δ并发送结果给基于DSP的脉冲发生器(4)，另一方面三相电路各相电压的瞬时值e_a、e_b、e_c从同步PT(7)进来到其中一个基于DSP的脉冲发生器(4)，另一个基于DSP的控制器(2)与人机操作界面(3)连接，通过人工控制输入给定值，最后由基于DSP的脉冲发生器(4)发出脉冲给切换判断逻辑电路(5)判断，切换判断逻辑电路(5)判断后发出触发脉冲给主电路(6)，并由主电路(6)通过连接电抗器到电力变压器(1)的低压输出侧。

电压型逆变电路主要由电压型逆变器、直流储能电容器和连接电抗器组成。主要技术指标如下：

无功功率控制容量：超前300Kvar至滞后300Kvar；系统额定电压：400V；逆变器结构：IPM模块；逆变器工作方式：SPWM控制；控制方式：恒定电压控制加恒定无功控制；额定直流侧电压：500V；开关元件：IPM，1200V，300A；冷却方式：风冷。

连接电抗器的作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波，另外起到将无功发生器和变压器副边连接起来的作用。

直流储能电容器用于为电压型逆变器提供一稳定的直流电压源，为了能吸收直流侧谐波和增强无功发生器抵抗系统负序电压造成负序及三次谐波过电流的能力，直流储能电容器容量既不能选择太小，也不能太大。为了减小输出电压谐波含量并确保IPM元件的安全运行，直流电容器的选择应以抑制系统电压不平衡时电容上两倍周波交流电压幅值为依据。

电压型逆变器采用的六单元逆变模块IPM，内含由六个IGBT所组成的三相全控桥式逆变电路。图5中示出了IPM内部六个单元的其中一个电路功能框图，IPM内部已包含驱动电路，但需提供驱动电源和开关控制信号。考虑到IPM的高频开关工作能力，开关控制信号的传输隔离电路应具有尽可能短的传输延迟时间，以提高驱动电路参数的一致性。

应用IPM时其电路接线如图6所示。图中(1)表示IPM模块，(2)表示光电耦合器，(3)表示报警输出模块，R₂为上拉电阻，C₁、C₂为退耦电容，图中示出了各管脚的接法，每个控制电源U_cc的两端分别接IPM模块的1和3、4和6、7和9、10和11端子，IPM模块的2、5、8、13、14、15端子分别接光电耦合器的IGBT的集电极，16端子接报警输出模块的二极管的负极，P和N端分别接直流储能电容器C的正负极，U、V、W分别接电力变压器(1)的低压输出侧，各元件的使用及注意事项如下：

(1)控制电源用4组。上桥臂每个IGBT都连接一个驱动电源，下桥臂的IGBT是共发射极的，共用一个电源驱动，4个电源间及其与主电源间是绝缘的。由于电源输入侧的地线关系，若各电源相互间连接，会造成误动作，因此电源输出侧的GND端子不连接。

(2)下桥臂控制电源GND和主电源GND在IPM内部已连接，因此在IPM外部不连接，否则IPM下桥臂的内外将由于di/dt而产生环流，易引起误动作。

(3)在各控制电源上连接退耦电容C₁和C₂，用于从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。可取C₁＝33uF，C₂＝10uF。

(4)控制信号输入端用R₂＝20KΩ电阻上拉，以避免由于du/dt的作用而产生误动作。

本实用新型使得无功发生器技术与电力变压器融为一体，不但增加了电力变压器的动态无功补偿功能，而且易于实现整体优化设计；同时本发明结构简单，工作可靠，效率和功率因数高，应用性好，使用灵活，维护方便，延长了电力变压器的使用寿命。

Claims (7)

1.一种可动态无功补偿的电力变压器，它包括：一个电力变压器、一个采样电路、一个正弦波脉宽调制控制信号发生器和一个电压型逆变电路，其特征在于，它们的连接关系是：电力变压器低压输出侧、采样电路、正弦波脉宽调制控制信号发生器、电压型逆变电路、电力变压器低压输出侧依次相连，所述电力变压器用于传输、隔离和变换电能，正弦波脉宽调制控制信号发生器用于处理负载电压、电流信号，进而发出控制信号给电压型逆变电路，所述电压型逆变电路由电压型逆变器、直流储能电容器和三个连接电抗器组成，电压型逆变器的直流端接直流储能电容器，交流输出端通过三个连接电抗器L_a、L_b、L_c分别与电力变压器低压输出侧的a相、b相、c相相连。

2.根据权利要求1所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述电力变压器电压等级为10KV/400V。

3.根据权利要求1所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述采样电路含有三个电压互感器和三个电流互感器，用于采样三相负载电压、电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述电压型逆变器采用六单元逆变模块。

5.根据权利要求4所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述逆变模块是由六个自换相功率开关器件所组成的三相全控桥式逆变电路。

6.根据权利要求1所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述正弦波脉宽调制控制器根据负载工作情况，控制自换相功率开关器件的通断。

7.根据权利要求5所述的一种可动态无功补偿的电力变压器，其特征在于，所述自换相功率开关器件是绝缘门极晶体管。

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