一种无功补偿装置的制造方法
【专利摘要】本发明专利公开了一种无功补偿装置，该无功补偿装置针对配电系统负荷特性设计相间无功补偿电容值，降低了需要频繁进行投切的补偿电容数目，极大的提高了大部分补偿电容的使用寿命及安全，采用可控半导体开关进行换相提高了换相速率，便于实现快速动态无功补偿，上下桥臂的阀组互为备用，使得当某阀组发生故障时，通过启用备用阀组形成不同导通回路，进行相同的控制方式补偿相同的相间补偿容量，实现了故障快速切除且提高了系统的可靠性。
【专利说明】
一种无功补偿装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无功补偿装置，具体涉及一种用于电力系统母线三相不平衡情况 下的无功补偿装置。
【背景技术】
[0002] 现有的无功补偿装置都是只考虑配电系统三相负荷平衡状态下设计的，然而钢铁 行业或铁路配电系统通常包括多个三相不平衡负荷、如电弧炉、乳机或牵引电机等，导致钢 铁行业或用于铁路运输的配电系统通常是三相不平衡系统，三相不平衡系统所需要的无功 补偿功率也是不平衡的，因此，当采用现有的无功补偿装置对其进行无功补偿时，势必造成 部分母线相间严重过补而剩余母线相间严重欠补的问题。例如:AB相间所需动态无功补偿 容量为0.8Q，BC相间所需动态无功补偿容量为0.8Q，而CA相间所需动态无功补偿容量为 0.5C，此时，如果采用现有无功补偿装置对其进行补偿时，将AB相间动态无功补偿容量调整 为0.8Q，BC相间动态无功补偿容量调整为0.8C，CA相间动态无功补偿容量调整为0.8C，必定 导致CA相间严重无功过补偿的发生，而将AB相间动态无功补偿容量调整为0.5Q，BC相间动 态无功补偿容量调整为〇.5C，CA相间动态无功补偿容量调整为0.5C，必定导致AB、BC相间严 重欠补偿问题的发生，而对某些欠补偿相间追加无功补偿容量时，由于相间无功补偿需求 的交替波动，导致多个补偿电容频繁投入和切除，势必影响电容的使用寿命。部分钢铁行业 和铁路运输行业的配电系统无功波动通常具有相间交替波动性，例如:t〇-tl时间段，AB相 间动态无功补偿容量需求为0.8Q，BC相间动态无功补偿容量需求为0.8C，CA相间动态无功 补偿容量需求为〇.5C，tl-t2时间段，AB相间动态无功补偿容量需求为0.5Q，BC相间动态无 功补偿容量需求为0.9Q，CA相间动态无功补偿容量需求为0.9C，tl-t3时间段，AB相间动态 无功补偿容量需求为〇.7Q，BC相间动态无功补偿容量需求为0.5Q，CA相间动态无功补偿容 量需求为0.7Q，由此可见，其相间无功需求具备一定规律性，即某两相间无功补偿需求较 大，而另外一相间无功补偿容量需求较小，相间无功补偿容量需求较小的相间具有换相性 且其无功补偿需求保持不变。为此，本发明设计了一种针对上述配电系统负荷特性的无功 补偿装置，该装置最小相间无功补偿具有与配电系统无功补偿容量需求较小的相间换相同 步，且最小相间无功补偿容量的补偿值与配电系统无功补偿容量需求较小的相间补偿容量 相等且为恒定，对于无功补偿需求较大相间，通过可调电容实现补偿容量调整以满足对应 相间无功补偿容量的动态需求，且较大相间无功补偿具有与配电系统无功补偿容量需求较 大的相间换相同步，通过可控半导体开关实现相间换相同步。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对包含三相不平衡负荷的配电 系统进行无功补偿的装置。
[0004] 本发明提供的技术方案为:一种无功补偿装置，它包括多个双向可控阀组、多个定 值电容、可调电容、传感器、控制器和阀组驱动控制装置，其特征在于:传感器采集电网 AB、 BC和CA相间电参数，并将所述电参数传输至控制器，控制器根据所述电参数计算出各相间 无功补偿需求值，控制器根据所述无功补偿需求值计算出各相间需要投切的电容值，并根 据所述需要投切的电容值查表获得相应需要导通的双向可控阀组和需要关断的双向可控 阀组，阀组驱动控制装置根据控制器指令驱动所述需要导通的双向可控阀组的导通和驱动 所述需要关断的双向可控阀组的关断。
[0005] 可调电容由多个串联投切开关的电容并联组成，其中，所述投切开关为双向可控 阀组，所述控制器通过控制投切开关的通断实现并联电容数的选择，从而改变可调电容的 电容值。
[0006] 可调电容仅包括一个电容和与其串联连接的双向可控阀组，通过控制双向可控阀 组导通角改变所述可调电容的电容值。
[0007] 可调电容包括通过控制双向可控阀组导通角改变电容值的电容和多个通过投切 开关控制电容通断的电容，所述通过控制双向可控阀组导通角改变电容值的电容和所述通 过投切开关控制电容通断的电容并联。
[0008] 无功补偿装置中的电容共有三个分别为第一电容、第二电容和第三电容，双向可 控阀组共有二十二个，第一阀组与第六阀组于节点j处串联连接组成第一桥臂，第三阀组与 第二阀组于节点k处串联连接组成第二桥臂，第五阀组与第四阀组于节点1处串联连接组成 第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联连接于节点d和节点e，第七阀组与第十二阀 组于节点m处串联连接组成第四桥臂，第九阀组与第八阀组于节点η处串联连接组成第五桥 臂，第十一阀组与第十阀组于节点〇处串联连接组成第六桥臂，第四桥臂、第五桥臂和第六 桥臂并联连接于节点f和节点g，第十三阀组与第十八阀组于节点Ρ处串联连接组成第七桥 臂，第十五阀组与第十四阀组于节点q处串联连接组成第八桥臂，第十七阀组与第十六阀组 于节点r处串联连接组成第九桥臂，第七桥臂、第八桥臂和第九桥臂并联连接于节点h和节 点i，第十九阀组两端分别连接于节点d和节点f，第二十阀组两端分别连接于节点f和节点 h，第二十一阀组两端分别连接于节点e和节点g，第二十二阀组两端分别连接于节点g和节 点i，需要进行无功补偿的配电系统母线A相分别连接节点j、节点m和节点p，B相分别连接节 点k、节点η和节点q，C相分别连接节点1、节点〇和节点r，第一电容两端分别连接在节点d和 节点e，第二电容两端分别连接在节点f和节点g，第三电容两端分别连接在节点h和节点i。 第一电容和第三电容为定值电容，第二电容为可调电容。第一电容和第二电容为定值电容， 第三电容为可调电容。第二电容和第三电容为定值电容，第一电容为可调电容。无功补偿装 置共有六种运行方式，第一种运行方式为仅第一阀组、第十一阀组、第十五阀组、第二十四 阀组和第二十五阀组双向导通，第二种运行方式为仅第六阀组、第十阀组、第十四阀组、第 二十二阀组、第二十三阀组双向导通，第三种运行方式为仅第五阀组、第九阀组、第十三阀 组、第二十四阀组、第二十五阀组双向导通，第四种运行方式为仅第四阀组、第八阀组、第十 八阀组、第二十二阀组、第二十三阀组双向导通，第五种运行方式为仅第三阀组、第七阀组、 第十七阀组、第二十四阀组、第二十五阀组双向导通，第六种运行方式为仅第二阀组、第十 二阀组、第十六阀组、第二十二阀组、第二十三阀组双向导通。
[0009] 当第一种运行方式下第一阀组、第十一阀组、第十五阀组、第二十四阀组或第二十 五阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第二运行方式，第六阀组、第十阀组、第 十四阀组、第二十二阀组或第二十三阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第一 运行方式，第一运行方式和第二运行方式互为备用运行方式，第一运行方式和第二运行方 式的切换使得在可调电容容量不变的情况下仅通过控制不同阀组的投切实现投入配电系 统相间相同的补偿电容值。
[0010]当第三种运行方式下第五阀组、第九阀组、第十三阀组、第二十四阀组或第二十五 阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第四运行方式，第四阀组、第八阀组、第十 八阀组、第二十二阀组、第二十三阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第三运行 方式，第三运行方式和第四运行方式互为备用运行方式，第三运行方式和第四运行方式的 切换使得在可调电容容量不变的情况下仅通过控制不同阀组的投切实现投入配电系统相 间相同的补偿电容值。
[0011] 当第五种运行方式下第三阀组、第七阀组、第十七阀组、第二十四阀组或第二十五 阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第六运行方式，第二阀组、第十二阀组、第 十六阀组、第二十二阀组或第二十三阀组之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第五 运行方式，第五运行方式和第六运行方式互为备用运行方式，第五运行方式和第六运行方 式的切换使得在可调电容容量不变的情况下仅通过控制不同阀组的投切实现投入配电系 统相间相同的补偿电容值。
[0012] 当无功补偿容量需求较小的相间补偿容量相等为恒定的Q1时，将Q1结合系统额定 相间电压U计算出该相间对应需要补偿的电容值C0，将第一电容值C1和第三电容的电容值 C3设计为C1=C3=2C0,此时，对应的最小相间补偿电容值为（1/2)*2C0=C0,刚好用于补偿最 小相间无功补偿需求，且可以通过控制第一阀组至第二十五阀组的通断完成最小相间无功 需求的换相追踪和换相同步。
[0013]实施本发明的无功补偿装置，具有以下有益效果，降低了需要频繁进行投切的补 偿电容数目，从而提高了大部分补偿电容的使用寿命及安全，采用可控半导体开关进行换 相提高了换相速率，便于实现快速动态无功补偿，上下桥臂的阀组互为备用，使得当某阀组 发生故障时，通过启用备用阀组形成不同导通回路，进行相同的控制方式补偿相同的相间 补偿容量，实现了故障快速切除且提高了系统的可靠性。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的无功补偿装置整体系统配置图。
[0015] 图2为可调电容的配置示意图。
【具体实施方式】
[0016] 图1为本发明的第一实施例：图1中一种无功补偿装置，由双向可控阀组1， 双向可控阀组2，双向可控阀组3，双向可控阀组4，双向可控阀组5，双向可控阀组6，双 向可控阀组7,双向可控阀组8,双向可控阀组9,双向可控阀组10,双向可控阀组11，双向可 控阀组12,双向可控阀组13,双向可控阀组14,双向可控阀组15,双向可控阀组16,双向可控 阀组17，双向可控阀组18，双向可控阀组2 2，双向可控阀组2 3，双向可控阀组2 4，双向可控阀 组25,C1电容19，C2可调电容20,C3电容21，传感器26,控制器27,阀组驱动控制装置28组 成。双向可控阀组1和双向可控阀组6串联，双向可控阀组3和双向可控阀组2串联，双向可控 阀组5和双向可控阀组4串联，双向可控阀组1~双向可控阀组6呈3采用三相全桥连接，双向 可控阀组1、双向可控阀组3和双向可控阀组5位于全桥结构的上桥臂;双向可控阀组6、双向 可控阀组2和双向可控阀组4位于全桥结构的下桥臂；双向可控阀组7和双向可控阀组12串 联，双向可控阀组9和双向可控阀组8串联，双向可控阀组11和双向可控阀组10串联，双向可 控阀组7~双向可控阀组12呈3采用三相全桥连接，双向可控阀组7、双向可控阀组9和双向可 控阀组11位于全桥结构的上桥臂;双向可控阀组12、双向可控阀组8和双向可控阀组10位于 全桥结构的下桥臂；双向可控阀组13和双向可控阀组18串联，双向可控阀组15和双向可控 阀组14串联，双向可控阀组17和双向可控阀组16串联，双向可控阀组13~双向可控阀组18呈 3采用三相全桥连接，双向可控阀组13、双向可控阀组15和双向可控阀组17位于全桥结构的 上桥臂;双向可控阀组18、双向可控阀组14和双向可控阀组16连接在全桥结构的下桥臂；可 调电容19连接在节点d、e之间，可调电容20连接在节点f、g之间，可调电容21连接在节点h、i 之间，双向可控阀组22连接在节点d、f之间，双向可控阀组23连接在节点f、h之间，双向可控 阀组24连接在节点e、g之间，双向可控阀组25连接在节点g、i之间，三相母线电源A相分别连 接在节点j、m、p，三相母线电源B相分别连接在节点k、n、q，三相母线电源C相分别连接在节 点1、〇、r。利用传感器采集电网AB、BC和CA相间电压、电流和相位角等电参数，将上述电参数 传输至控制器，控制器根据上述电参数计算出各相间无功补偿需求值，控制器将上述无功 补偿需求值计算成相对应的各相间需要投切的电容值，定义电力系统中三相母线AB相间所 需无功补偿为Qab，BC相间所需无功补偿为Qbc，CA相间所需无功补偿为Qca，当电力系统处 于三相平衡时，各相间所需无功补偿也处于平衡状态Qab=Qbc=Qca，然而大部分情况下，电 力系统处于三相不平衡状态，所需各相间所需无功补偿也处于不平衡状态Qab辛Qbc辛Qca， 特别是电弧炉或乳机等负荷属于严重三相不平衡负荷，对其进行无功补偿通常要根据负荷 特性进行专项补偿，电弧炉或乳机等负荷各相间所需无功补偿通常处于如下几种情况：（1) Qbc=Qca>Qab，（2)Qab=Qbc>Qca，（3)Qab=Qca>Qbc，而且上述3种无功需求情况交替出现， 为此，可以利用控制器对各可控阀组导进行导通或关断控制，以使得针对相间无功需求较 大的相间进行集中补偿，对相间无功需求较小的相间进行弱补偿。
[0017] 当情况（l)Qbc=Qca>Qab发生时，可以使控制器控制仅使阀组1、11、15、24、25双向 导通或仅阀组6、10、14、22、23导通，通过不断调节可调电容02的电容投入值来改变需要集 中补偿的BC相间电容、CA相间电容，对BC相间和CA相间进行集中补偿，对AB相间进行弱补 偿，具体调节情况可参见表1: 仅阀组1、11、15、24、25导通或者仅阀组6、10、14、22、23导通，
当Qbc、Qca无功需求增大时，通过增大BC相间和CA相间的电容来增加 BC相间和CA相间 的无功补偿容量直至满足其无功需求为止，当阀组1、11、15、24或25之一发生故障时，可以 通过仅导通阀组6、10、14、22和23，完成相同的相间电容投切控制。
[0018] 当情况(2)Qab=Qbc>Qca发生时，可以使控制器控制仅使阀组1、11、15、24、25双向 导通或仅阀组4、8、18、22、23导通，通过不断调节可调电容02的电容投入值来改变需要集中 补偿的AB相间电容、BC相间电容，对AB相间和BC相间进行集中补偿，对CA相间进行弱补偿， 具体调节情况可参见表2: 仅阀组5、9、13、24、25导通或者仅阀组4、8、18、22、23导通，
当Qab、Qbc无功需求增大时，通过增大AB相间和BC相间的电容来增加 AB相间和BC相间 的无功补偿容量直至满足其无功需求为止。当阀组5、9、13、24或25之一发生故障时，可以通 过仅导通阀组4、8、18、22和23，完成相同的相间电容投切控制。
[0019] 当情况(3)Qab=Qca>Qbc发生时，可以使控制器控制仅使阀组3、7、17、24、25双向 导通或者仅阀组2、12、16、22、23导通，通过不断调节可调电容02的电容投入值来改变需要 集中补偿的AB相间电容、AC相间电容，对AB相间和AC相间进行集中补偿，对BC相间进行弱补 偿，具体调节情况可参见表3: 使阀组3、7、17、24、25双向导通或者仅阀组2、12、16、22、23导通，
当Qab、Qca无功需求增大时，通过增大AB相间和CA相间的电容来增加 AB相间和CA相间 的无功补偿容量直至满足其无功需求为止，当阀组3、7、17、24或25之一发生故障时，可以通 过仅导通阀组2、12、16、22和23，完成相同的相间电容投切控制。
[0020] 上述表格仅概括了部分调整电容C2的策略，可以通过增加并联电容的组数，不断 调整C2的值，例如：当C2=kC时，最大相间补偿电容值对应为(k/k+1)C，当k趋近于无穷大时， 最大相间补偿电容值接近于C，因此，C2用于调整集中补偿容量时，其可调范围为(1/2)C~C。
[0021] 按照上述方法也可以将Cl设计为可调电容，C2和C3为不可调电容或将C3设计为可 调电容，C1和C2为不可调电容。
[0022]另外可调电容C2的电容可调，可以是通过控制器控制的GT0或IGBT通断来实现电 容连续可调，也可以是投切开关控制并联电容器的组数实现电容可调或者将上述两种方式 实现的可调电容并联来实现电容可调。
[0023]当无功补偿容量需求较小的相间补偿容量相等为恒定的Q1时，将Q1结合系统额定 相间电压U计算出该相间对应需要补偿的电容值C0,可以将C1和C3的电容值设计为C1=C3= 2C0,此时，由表1~表3数据可以看出最小相间补偿电容值为（1/2)*2C0=C0,刚好用于补偿最 小相间无功补偿需求，且可以通过控制阀组1~25的通断完成最小相间无功需求的换相追踪 和换相同步。
[0024] 图2为可调电容可以设计成的两种形式，图2a中仅列出了四组电容的情况并联投 切以改变可调电容C2电容值的情况，其可以设计为k组电容的投切情况，k为1~200之间的自 然数，各组电容之间的电容值可以相同也可以不同，也可以将其设计为某几组电容值相同 而其他组电容值各异的情况，可以根据待无功补偿母线的负荷特性、三相不平衡度或补偿 精度需求自行设计和选择电容值。
[0025] 图2b中仅列出了四组电容并联投切的情况，其中一组电容可以通过阀组导通角的 控制改变电容值，其可以设计为k组电容的投切情况，k为1~200之间的自然数，各组电容之 间的电容值可以相同也可以不同，也可以将其设计为某几组电容值相同而其他组电容值各 异的情况，可以根据待无功补偿母线的负荷特性、三相不平衡度或补偿精度需求自行设计 和选择电容值。
[0026] 本发明不限于所公开的实施例和附图，旨在覆盖落入本发明精神和保护范围的各 种变化和变形。
【主权项】
1. 一种无功补偿装置，它包括多个双向可控阀组、多个定值电容、可调电容、传感器、控 制器和阀组驱动控制装置，其特征在于:传感器采集电网AB、BC和CA相间电参数，并将所述 电参数传输至控制器，控制器根据所述电参数计算出各相间无功补偿需求值，控制器根据 所述无功补偿需求值计算出各相间需要投切的电容值，并根据所述需要投切的电容值查表 获得相应需要导通的双向可控阀组和需要关断的双向可控阀组，阀组驱动控制装置根据控 制器指令驱动所述需要导通的双向可控阀组的导通和驱动所述需要关断的双向可控阀组 的关断。2. 根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于:所述可调电容由多个串联投切开 关的电容并联组成，其中，所述投切开关为双向可控阀组，所述控制器通过控制投切开关的 通断实现并联电容数的选择，从而改变可调电容的电容值。3. 根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于:所述可调电容仅包括一个电容和 与其串联连接的双向可控阀组，通过控制双向可控阀组导通角改变所述可调电容的电容 值。4. 根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于:所述可调电容包括通过控制双向 可控阀组导通角改变电容值的电容和多个通过投切开关控制电容通断的电容，所述通过控 制双向可控阀组导通角改变电容值的电容和所述通过投切开关控制电容通断的电容并联。5. 根据权利要求5所述的无功补偿装置，其特征在于:无功补偿装置中的电容共有三个 分别为第一电容、第二电容和第三电容，双向可控阀组共有二十二个，第一阀组与第六阀组 于节点j处串联连接组成第一桥臂，第三阀组与第二阀组于节点k处串联连接组成第二桥 臂，第五阀组与第四阀组于节点1处串联连接组成第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥 臂并联连接于节点d和节点e，第七阀组与第十二阀组于节点m处串联连接组成第四桥臂，第 九阀组与第八阀组于节点η处串联连接组成第五桥臂，第十一阀组与第十阀组于节点〇处串 联连接组成第六桥臂，第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂并联连接于节点f和节点g，第十三阀 组与第十八阀组于节点P处串联连接组成第七桥臂，第十五阀组与第十四阀组于节点q处串 联连接组成第八桥臂，第十七阀组与第十六阀组于节点r处串联连接组成第九桥臂，第七桥 臂、第八桥臂和第九桥臂并联连接于节点h和节点i，第十九阀组两端分别连接于节点d和节 点f，第二十阀组两端分别连接于节点f和节点h，第二十一阀组两端分别连接于节点e和节 点g，第二十二阀组两端分别连接于节点g和节点i，需要进行无功补偿的配电系统母线A相 分别连接节点j、节点m和节点p，B相分别连接节点k、节点η和节点q，C相分别连接节点1、节 点〇和节点r，第一电容两端分别连接在节点d和节点e，第二电容两端分别连接在节点f和节 点g，第三电容两端分别连接在节点h和节点i。6. 根据权利要求5所述的无功补偿装置，其特征在于：第一电容和第三电容为定值电 容，第二电容为可调电容。7. 根据权利要求5所述的无功补偿装置，其特征在于：第一电容和第二电容为定值电 容，第三电容为可调电容。8. 根据权利要求5所述的无功补偿装置，其特征在于：第二电容和第三电容为定值电 容，第一电容为可调电容。9. 根据权利要求5所述的无功补偿装置，其特征在于：无功补偿装置共有六种运行方 式，第一种运行方式为仅第一阀组、第十一阀组、第十五阀组、第二十四阀组和第二十五阀 组双向导通，第二种运行方式为仅第六阀组、第十阀组、第十四阀组、第二十二阀组、第二十 三阀组双向导通，第三种运行方式为仅第五阀组、第九阀组、第十三阀组、第二十四阀组、第 二十五阀组双向导通，第四种运行方式为仅第四阀组、第八阀组、第十八阀组、第二十二阀 组、第二十三阀组双向导通，第五种运行方式为仅第三阀组、第七阀组、第十七阀组、第二十 四阀组、第二十五阀组双向导通，第六种运行方式为仅第二阀组、第十二阀组、第十六阀组、 第二十二阀组、第二十三阀组双向导通。10.根据权利要求9所述的无功补偿装置，其特征在于：当第一种运行方式下第一阀组、 第十一阀组、第十五阀组、第二十四阀组或第二十五阀组之一发生故障时，控制该无功补偿 装置进入第二运行方式，第六阀组、第十阀组、第十四阀组、第二十二阀组或第二十三阀组 之一发生故障时，控制该无功补偿装置进入第一运行方式，第一运行方式和第二运行方式 互为备用运行方式，第一运行方式和第二运行方式的切换使得在可调电容容量不变的情况 下仅通过控制不同阀组的投切实现投入配电系统相间相同的补偿电容值。
【文档编号】H02J3/26GK106026124SQ201610508799
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月2日
【发明人】周岳
【申请人】周岳