无功补偿快速平滑调节方法
【专利摘要】本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，具体是：通过电能检测模块(4)、控制器(7)、连续可调电容器(6)和分级投切电容器(5)构成的基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统来实现大功率时变电力负载的动态无功补偿，该方法包括信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功等4个步骤。本发明可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。
【专利说明】
无功补偿快速平滑调节方法
技术领域
[0001] 本发明涉及动态无功补偿领域，特别是一种无功补偿快速平滑调节方法。
【背景技术】
[0002] 随着工业的发展，各行业使用的感性用电设备的数量快速增长，各种大功率冲击 性负载使低压配电网上电压和无功功率波动频繁，功率因数降低，电压质量变差，严重影响 电网中其它设备的工作。
[0003] 针对上述问题，中国专利文献(201020535748.9)公开的"基于逆阻型IGBT的PWM分 相控制电容型SVC装置"，其技术方案是:连续调容装置与一定值电感并联，通过控制器控制 IGBT开关的驱动电路，改变脉冲占空比大小实现连续调节主电路中连续调容装置的等效电 容，从而达到调节无功功率的目的。但是，该专利提供的补偿装置由于连续调容装置和定值 电感的调节范围有限，总无功调节容量小，主要应用在小功率负载上的静止无功补偿。
[0004] 中国专利文献(200920087271.X)公开的"基于可变电抗的静止无功补偿器"，其技 术方案是:通过智能控制器控制可变电抗器中晶闸管的导通角，改变变压器二次侧电流大 小，进而通过电磁感应来改变变压器一次侧电流，达到电感量可调的效果，使无功补偿器电 路吸收或者发出无功功率，实现负荷动态无功补偿。但该专利提供的补偿装置会出现磁滞 现象，不适合反复多次调节，且调节速度较慢。
[0005] 因此，在配电网和负载需要补偿的无功功率容量大、变化快等情况下，需要研究一 种新的无功补偿方法。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是:针对上述问题，提供一种无功补偿快速平滑调节 方法，该方法可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的平滑调节，提 高功率因数。
[0007] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0008] 本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，其特征是该方法包括信号检测、电能 信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿无功步骤，具体为：
[0009] 第一步，信号检测：
[0010] 高压隔离开关和高压断路器合闸后，电路中的电能检测模块以及控制器得电；控 制器开始工作，电压电流互感器检测提取电压和电流信号；
[0011] 第二步，电能信号分析与计算：
[0012] 检测到的电压和电流信号经电能检测模块分析处理后，得到功率因数ph、有功功 率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器;控制器通过实时 分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Qs;
[0013] 第三步，基准补偿无功：
[0014] 根据需要补偿的无功功率Qs，控制器通过控制接触器KMh-KMlN的闭合来投切分 级投切电容器，记为Co,向电力系统发出基准补偿无功，记为Qco,当ph达到功率因数的国家 标准值pho时，则返回第一步，否则转入第四步；
[0015]第四步，微调补偿无功：
[0016] 控制器输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器中逆阻型IGBT的脉冲占空比，记 为D，调节连续可调电容器的等效容值Δ C，快速地发出无级可调的无功功率Δ Qc，ph彡pho时 则返回第一步，否则转入第四步；
[0017] 从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节， 使功率因数满足国家标准。
[0018] 所述的连续可调电容器，由两组电力电子容抗变换器和电容器的串联电路经过并 联后组成，用于发出连续可调的补偿无功。
[0019] 所述的电力电子容抗变换器，由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用于 调节连续可调电容器的等效容抗。
[0020] 所述的分级投切电容器和连续可调电容器，其等效电容值Cs的计算公式为：
[0022]式中：Co为投入的分级投切电容器(5)的等效电容值，CjPCb分别为与电力电子容 抗变换器相串联的电容器的电容值，D为逆阻型IGBT的脉冲占空比。
[0023] 所述的等效电容值Cs，可在Co+min {Ca，Cb}至Co+ (Ca+Cb)之间平滑调节。
[0024] 本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，其在配电网或负载的动态跟踪无功功 率中的应用，以实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。
[0025] 本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
[0026] (1)连续可调电容器与分级投切电容器并联，两者协同发出无功功率，实现平滑调 节的同时，总无功调节容量大；
[0027] (2)电力电子容抗变换器采用反并联逆阻型IGBT结构，逆阻型IGBT的开关速度可 达到2.5 X l(T5s，无功补偿速度快；
[0028] (3)连续可调电容器采用电容器件进行无功微调，不消耗无功，可反复多次调节；
[0029] (4)实用性强，可应用于配电网、负载等的动态跟踪无功功率，实现无功功率的快 速平滑调节，提高功率因数。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明无功补偿快速平滑调节方法的原理图。
[0031] 图2是本发明无功补偿快速平滑调节方法的系统仿真模型图。
[0032]图中：1.高压隔离开关;2.高压断路器;3.电压电流互感器;4.电能检测模块;5.分 级投切电容器;6.连续可调电容器；7 .控制器;8.快速熔断器;9.电容接触器；10 .电容器； 11.电容器;12.电力电子容抗变换器。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 [0034]本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，该方法采用分级投切电容器5和连续 可调电容器6的并联组合装置;经过信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调 补偿无功等4个步骤，完成对大功率时变电力负载的快速平滑补偿。
[0035]该方法具体步骤如下：
[0036]第一步:信号检测
[0037]高压隔离开关1和高压断路器2合闸后，电路中的电能检测模块4以及控制器7得 电;控制器7开始工作，电压电流互感器3检测提取电压和电流信号。
[0038]第二步：电能信号分析与计算
[0039] 检测到的电流和电压信号经电能检测模块4分析处理后，得到功率因数ph、有功功 率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器7;控制器7通过实 时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Qs。
[0040] 第三步:基准补偿无功
[0041] 根据需要补偿的无功功率QS，控制器7通过控制接触器KMh~KMlN的闭合来投切分 级投切电容器5,记为Co,向电力系统发出基准补偿无功，记为Qco,当ph达到功率因数的国家 标准值pho时则返回第一步，否则转入第四步。
[0042]第四步:微调补偿无功
[0043] 控制器7输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器12中逆阻型IGBT的脉冲占空比， 记为D，调节连续可调电容器6的等效容值，记为Δ C，快速地发出无级可调的无功功率，记为 A Qc，ph多pho时则返回第一步，否则转入第四步。
[0044] 从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节， 使功率因数满足国家标准。
[0045] 所述的连续可调电容器6，由两组电力电子容抗变换器12和电容器11的串联电路 经过并联后组成。
[0046] 所述的电力电子容抗变换器12由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成。
[0047] 所述的分级投切电容器5和连续可调电容器6的等效电容Cs的计算公式为:Cs = Co+ AC，其中，
1式中：Co为投入的分级投切电容器(5)的等效电 容值，CjPCb分别为与电力电子容抗变换器（12)相串联的电容器（11)的电容值，D为逆阻型 IGBT的脉冲占空比。
[0048] 所述的等效电容Cs可在0)+111丨11{(^，&}至0)+(0&)之间平滑调节。
[0049] 本发明提供的上述无功补偿快速平滑调节方法，可以采用图1所示的基于逆阻型 IGBT的动态无功补偿系统来实现，该系统的结构是：由电能检测模块4、控制器7、连续可调 电容器6和分级投切电容器5组成，所述连续可调电容器6和分级投切电容器5并联后的一端 接入电网中，另一端接地;控制器7通过RS485总线分别与电能检测模块4、连续可调电容器6 和分级投切电容器5相连接。
[0050] 所述的电能检测模块4,可采用电子式电能智能传感器WB1867B35,用于分析处理 电压电流互感器3检测到的电压和电流信号，得到有功功率、无功功率、功率因数等电能参 数。
[0051] 所述的分级投切电容器5,由多组快速熔断器8、电容接触器9和电容器10的串联电 路经过并联后组成，用于发出分级可调的补偿无功。
[0052] 所述的连续可调电容器6，其由两组电力电子容抗变换器12和电容器11的串联电 路经过并联后组成，其负极接地;用于发出连续可调的补偿无功。电容器11的正极与电力电 子容抗变换器12相连接。
[0053] 所述的电力电子容抗变换器12,由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用 于调节连续可调电容器6的等效容抗。
[0054] 所述的控制器7采用PLC控制系统，用于控制电容接触器9(KMh~KMlN)的通断电和 调节逆阻型IGBT脉冲占空比的大小，控制投切电容器5和连续可调电容器6发出的无功功 率。
[0055] 所述的PLC控制系统，由与电源相连接的PLC控制器和以数据线分别与PLC控制器 相连接的触摸屏、I/O接口电路、脉冲输出电路和驱动电路组成。
[0056] 所述的触摸屏可采用MCGS触摸屏。
[0057]该基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统的工作过程如下：
[0058]所述的控制器7通过"信号检测、电能信号分析与计算、基准补偿无功和微调补偿 无功"过程，对大功率时变电力负载进行快速平滑的无功补偿，具体如下：
[0059] 步骤1):高压隔离开关1和高压断路器2合闸后，电路中的电能检测模块4以及控制 器7得电，控制器7开始工作，电压电流互感器3检测提取电压电流信号；
[0060] 步骤2):检测到的电流电压信号经电能检测模块4分析处理后，得到功率因数ph、 有功功率P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器7,控制器7 通过实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Qs;
[0061] 步骤3):根据所需要补偿的无功功率Qs，控制器7通过控制接触器KMh~KMlN的闭 合来投切分级投切电容器5,记为Co,向电力系统发出基准补偿无功，记为Qco,以提高功率因 数ph，当ph达到国家标准值pho时返回步骤1)，否则转入步骤4);
[0062] 步骤4):控制器7输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器12中逆阻型IGBT的脉冲 占空比，记为D，来调节连续可调电容器6的等效容值，记为Δ C，使连续可调电容器6快速发 出无级可调的无功功率Δ Qc，ph彡phO时则返回步骤1)，否则转入步骤4)。
[0063] 从步骤1)至步骤4)周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节， 使功率因数满足国家标准。
[0064]上述基于逆阻型IGBT的动态无功补偿系统中的分级投切电容器5和连续可调电容 器6的等效电容计算公式为Cs = Co+ Δ C
_，:所述的等效电 容Cs可在Co+min {Ca，Cb}至C〇+ (Ca+Cb)之间平滑调节。
[0065] 所述的分级投切电容器5和连续可调电容器6,其发出的总无功功率可在QCQ+23if· · U2 · min{Ca，Cb}至Qa)+2Jif · U2 · (Ca+Cb)之间平滑调节，其中，U为系统侧电压，f为系统电压 频率。
[0066] 如图2所示，设定系统电压U = 220V，频率f = 50Hz，在加入补偿系统之前，检测单元 检测到的负载上的有功P和无功Q分别为5100W和10050Var，功率因数ph为0.45。设定功率因 数的国家标准值pho = 0.95，则需要补偿的总无功容量为：
[0067]
，等效的总电容值
据此，首先将分级投切电容器5接入系统，其电容值记为Co，将Co设为225uF，补偿后系统的功 率因数为0.61，仍低于国家标准值pho;按照补偿方法的第四步，再接入连续可调电容器6， 并根据公式CS = CQ+ Δ C和
，其中Ca = 75uF，Cb = 300uF，得到逆 阻型IGBT的脉冲占空比为01 = 0.57,02 = -0.17，其中，02为负值，应被舍去，取0 = 0.57，将仿 真模型中的脉冲信号占空比调节至57%后，检测到的系统无功为1157Var，功率因数为 0.97，达到了国家标准pho。
[0068]本发明提供的无功补偿快速平滑调节方法，可应用于配电网、负载等的动态跟踪 无功功率，实现无功功率的平滑调节，提高功率因数。
【主权项】
1. 无功补偿快速平滑调节方法，其特征是该方法包括信号检测、电能信号分析与计算、 基准补偿无功和微调补偿无功步骤，具体为： 第一步，信号检测： 高压隔离开关（1)和高压断路器(2)合闸后，电路中的电能检测模块(4)以及控制器(7) 得电;控制器(7)开始工作，电压电流互感器(3)检测提取电压和电流信号； 第二步，电能信号分析与计算： 检测到的电压和电流信号经电能检测模块(4)分析处理后，得到功率因数ph、有功功率 P和无功功率Q，并将其转换成数字信号，通过RS485总线传送给控制器(7);控制器(7)通过 实时分析采集到的数字信号，计算所需要补偿的无功功率Qs; 第三步，基准补偿无功： 根据需要补偿的无功功率Qs，控制器(7)通过控制接触器KMh~KMlN的闭合来投切分级 投切电容器(5)，记为Co,向电力系统发出基准补偿无功，记为Qc〇,当ph达到功率因数的国家 标准值Pho时，则返回第一步，否则转入第四步； 第四步，微调补偿无功： 控制器(7)输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器（12)中逆阻型IGBT的脉冲占空比， 记为D，调节连续可调电容器(6)的等效容值AC，快速地发出无级可调的无功功率AQc，ph 彡pho时则返回第一步，否则转入第四步； 从第一步至第四步周而复始地运行，实现配电网中的无功功率的快速平滑调节，使功 率因数满足国家标准。2. 根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的连续可调电 容器(6)，由两组电力电子容抗变换器（12)和电容器（11)的串联电路经过并联后组成，用于 发出连续可调的补偿无功。3. 根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的电力电子容 抗变换器（12)，由两个逆阻型IGBT器件经过反向并联后组成，用于调节连续可调电容器(6) 的等效容抗。4. 根据权利要求1所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的分级投切电 容器(5)和连续可调电容器(6)，其等效电容值Cs的计算公式为： Cs = C〇+AC，其中式中：Co为投入的分级投切电容器(5)的等效电容值，CjPCb分别为与电力电子容抗变 换器(12)相串联的电容器(11)的电容值，D为逆阻型IGBT的脉冲占空比。5. 根据权利要求4所述的无功补偿快速平滑调节方法，其特征在于所述的等效电容值 Cs，可在C〇+min{Ca，Cb}至C〇+(C a+Cb)之间平滑调节。6. 根据权利要求1至5中任一所述无功补偿快速平滑调节方法的应用，其特征在于该方 法在配电网或负载的动态跟踪无功功率中的应用，以实现无功功率的平滑调节，提高功率 因数。
【文档编号】H02J3/18GK106026116SQ201610329013
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】陈静, 凃梦洁, 王飞, 王一飞, 毛玲, 袁佑新
【申请人】武汉理工大学