专利名称：谐振式电压与功率因数综合补偿方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用谐振式补偿装置对单相或三相电路网络电压和功率因数进行综合补偿的方法，该补偿装置至少具有电容量可调整的补偿电力电容器组和阻抗参数及绕组电压分配和极性可改变的补偿变压器。
(二)、背景技术电路网络中电源与负载连接处(或称节点)，电压不稳定和无功功率量的不足(即功率因数cosΦ低，达不到要求值)将给发电、输电、配电和用电装置带来电压质量下降、频率变化过大、损耗增加、发、输、配及用电设备运行条件恶化等一系列问题，严重的甚至会损坏设备和造成事故。尽管如此，但由于当今电网中发电量和用电量俱增过速，造成网络及设备超强度运行。这样，电网中的各节点，特别是电源与负载连接处上的电压波动不仅得不到改善，而且有日益恶化之趋势。与此同时，与电压参数密切相关的功率因数cosΦ也因无功功率量不足而常在0.8以下，它反过来又造成电网运行进一步恶化，从而形成恶性循环。
为克服电网电压的不稳定，曾出现过很多种类的稳压方法及电源装置。常见的有电子交流稳压器、感应式稳压器、磁饱和稳压器等。但这些稳压器容量都较小，适应不了功率需求日益增加的要求，且对负载性质适应性差，难于满足实际使用要求，有的还会产生谐波，导致供电质量下降。二十世纪八十年代末九十年代初，中国许多厂家引进生产法国、丹麦和美国等研制的“自动补偿式电力稳压器”。发表于中国《电世界》92年第6期总246页至247页的论文“自动补偿式电力稳压器及其发展”对此类产品的原理、特点、不足及发展动态作了全面综述。采用此类技术的产品，普遍存在的问题一是价格较贵，受其制约，除一些对电压要求严格的进口设备和重要负载不得不采用外，一般用户和设备很难有条件普及，至于广大农村山区发、输、配电网络更是可想而不可得，二是由于它由接触自动调压器演变而来，系用伺服电动机带动电刷滑动的接触式运行，往往因滑动频繁电刷而过度磨损，引起接触不良火花产生，甚至烧坏稳压器。
中国专利局于1998年5月6日公开了西门子公司申请的名称为“利用一带有自动变流器的静态补偿装置对电源电压进行静态和动态控制的方法和装置”发明专利(公开号CN1181160A)。该发明的特征是“为了将连接点上的电源电压调节到恒定不变的幅度上，补偿装置与电网必须交换位移无功功率，以补偿装置的稳定工作点为出发点[在此点与电网没有功率交换(空载)]，在突然出现电压降落时补偿装置向电网提供位移无功功率，从而使该压降消除。反之，在电压升高时，由补偿装置接纳来自电网的无功功率”。该发明系应用可调可控无功功率器件，采用自动变流器电路，通过与电网进行位移无功功率的交换和平衡来实现稳压之目的。其突出特点是，技术指标与经济指标都很高，除大中型电网和重要负载外，在中国大量的中小型电网和一般性负载是很难用如此高的经济代价来获取它的，尽管它是高指标稳压性能的。
发明内容本发明的目的是提供一种技术性能满足要求，经济价格较为适中，应用更为简便广泛的与众不同的稳压方法及其装置；应用这种方法及装置稳压时，也能对电网无功功率量，即功率因数进行补偿。
实现本发明目的的解决方案是为了将单相或三相电路中电源与负载连接处的电压U和功率因数cosΦ稳定在运行要求范围内，可利用谐振式补偿装置[8]进行电压和功率因数综合补偿的方法，该补偿装置至少具有电容量可调整的补偿电力电容器组[CA(B、C)]和阻抗参数及绕组间电压分配和极性可改变的补偿变压器[TA(B、C)]，其特征是根据电路网络中电源电压[UAN(BN、 CN)]波动或负载电压[Uan(aN、cN)]变化的比较偏差和负载功率因数cosΦ瞬时值，通过装置[1]采样、检测、比较和转换，经输入接口装置[2]送至中央处理单元CPU[3]按电路谐振原理计算出补偿电容器组[CA(B、C)]电容量C与补偿变压器[TA(B、C)]阻抗参数Z及绕组间电压分配的相应值，然后经输出接口装置[4]，传送至控制装置[5]，发出控制操作指令，由执行元件晶闸管功率模块6A(B、C)和伺服电机M[7]操作，分别调整电容器组[CA(B、C)]补偿电容量C、补偿变压器[TA(B、C)]阻抗参数Z、绕组间电压分配比和极性，以实现电压和功率因数的综合补偿。
当所补偿电路电流较大(100A以上)时，补偿装置[8]，采用电容器组[CA(B、C)]与补偿变压器[TA(B、C)]原边绕组L1或副边绕组L2组成并联谐振电路来实现电压U和功率因数cosΦ的综合补偿。在传输有功功率P确定的电路中，根据等效电路等式Y=RR2+ω2L2+j(ωC-ωLR2+ω2L2)]]>Φ=arctgU2ω2LCPR]]>调节电容器组[CA(B、C)]电容量C、补偿变压器[TA(B、C)]绕组参数L和R，以及改变绕组间连接或布置方式，使电路处于谐振点及其附近状态工作。
电路的谐振条件为C=LR2+ω2L2]]>此时，电路电压最高，功率因数cosΦ也为最佳值；当C和L的实际值在C=(0.10~1.0)LR2+ω2L2]]>范围内变动时，即可通过等效复导纳Y的改变，以调整电压UAa(Bb、Cc)和相位角Φ。
当补偿电路电流不大(100A以下)时，补偿装置[8]采用电容器组[CA(B、C)]与补偿变压器[TA(B、C)]原边绕组L1或副边绕组L2组成串联谐振电路来实现电压U和功率因数Φ的综合补偿。在传输有功功率P确定的电路中，根据等效电路等式z=R+j(ωL-1ωC)]]>Φ=arctgω2LC-1ωRC]]>
调节电容器组[CA(B、C)]电容量C、补偿变压器[TA(B、C)]绕组参数L和R，以及改变绕组间连接或布置方式，使电路处于谐振点附近(但不是谐振点)状态工作，电路谐振条件为C=1ω2L]]>当C和L的实际值在C=(0.10~0.95)1ω2L]]>范围内变动时，即可通过等效复阻抗Z的改变，以调整电压UAa(Bb、Cc)和相位角Φ。
补偿装置[8]中的补偿变压器[TA(B、C)]的变比K取决于电源电压变化率KΔUAN或负载电压变化率KΔUaN(两者若不同值，可取其最高值KΔUmax)，它们之间的关系为K＝KΔUAN＝KΔUaN＝KΔUmax补偿变压器[TA(B、C)]容量ST，取决于电路中需补偿装置的容量S和变比K，它们之间的关系为ST＝KS补偿变压器[TA(B、C)]的等效阻抗Z可通过多种方式调整改变，如利用分接开关改变原、副边绕组匝数，利用自耦变压器、接触调压器或短路线圈来改变一次侧的输入电压，也可通过绕组间的连接和布置方式来改变原、副边绕组的电压分配比和极性。
补偿装置[8]还可以采用若干个单元电压和单元容量的补偿变压器t和电容器C组成并联单元t1C1、t2C2……tnCn，然后进行同极性或反极性迭加，以实现预定的电压和功率因数综合补偿之目的。
在调整电路电压UAa(Bb、Cc)和改变电容量CA(B、C)的同时，电路中的无功功率总量∑Q及功率因数cosΦ也随之可无级调节根据装置[1]的检测、装置[3]的计算处理、装置[5]的控制指令和装置[6]的晶闸管功率模块的切换动作，按计算公式QC＝ωCUC2cosΦ=PP2+(ΣQ)2]]>∑Q＝QC+QE上式中的UC为补偿电容器端电压，P为电路传输的有功功率，∑Q为电容补偿后的无功功率总量，它为原有无功功率量QE与补偿无功功率量QC的总和。
采样、检测、比较和转换装置[1]、中央处理单元CPU[3]和控制装置[5]，存储有检测、比较、计算和控制关于电路电压U和功率因数cosΦ瞬时值的计算公式和相应控制指令，这些公式都已在本专利说明书中一一列出。
由于上述技术方案中采用的是补偿电容器C的电容元件参数和补偿变压器T中的绕组(包括电感和电阻元件)参数的各种组合及变化，并与传统的调压方式和智能自控方式相结合，因此，既有较好的稳压效果和控制精度，又可使稳压装置产品价格较大幅度下降，从而使稳压效果及精度与稳压装置成本之间的矛盾得以妥善解决，在一般性用户中有着广泛的应用价值。应用本发明的稳压方法及其装置可达到以下技术指标(1)稳压范围及精度容许输入电压U入＝UN±40％UN(UN-输入电压额定值)稳压精度达±1％UN；(2)输出功率1～1600KVA；(3)波形失真度波形畸变＜0.08％；(4)转换效率＞98％；(5)功率因数cosΦ≥0.95(滞后)
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的总体构思示意图。
图2是本发明的第一个实施例的电路原理图。
图3是图2实施例中补偿装置[8]的等效电路。
图4是补偿变压器TA采用抽头式自耦调节式绕组连接示意图。
图5为自耦接触式连续可调绕组连接示意图。
图6是补偿变压器TA采用柱式调节方式绕组连接示意图。
图7是补偿变压器TA采用移动式短路线圈调节方式绕组连接示意图。
图8是组合式补偿装置tc并联单元连接示意图。
图9是本发明的第二个实施例的电路原理图。
图10是串联谐振式补偿装置[8]等效电路。
具体实施方式
在图1所示的三相电路电压与功率因数综合补偿总体构思示意图中，补偿装置[8]由两大部分元件组成一部分是并联个数和电容量可调节变化的电力电容器组CA(B、C)；一部分是绕组等效阻抗参数Z(主要为电感量L，其次为电阻值R)可调节、连接方式和连接极性可改变，原、副边各绕组间电压分配比可调整的补偿变压器TA(B、C)。CA(B、C)。与TA(B、C)的连接一般可有两种方式CA(B、C)与TA(B、C)副边绕组并联，或CA(B、C)与TA(B、C)原边绕组串联。CA(B、 C)电容量的调节通过晶闸管功率模块[6](深圳友邦怡公司生产)进行，TA(B、C)绕组参数Z、绕组间电压分配比的调整和极性的改变有手动和自动两种方式，自动操作由伺服电机M[7]执行。今以A相为例，将补偿装置[8]的具体工作原理介绍如下当电源或负载发生波动时，电源电压UAN与负载电压UaN必然产生偏差电压ΔU＝UAN-UaN设UAN＞UaN，ΔU＞0为正偏差，若UAN＜UaN，ΔU＜0为负偏差。
补偿装置[8]的任务就是要求其输出电压UAa等于偏差电压ΔU。ΔU为零，UAa为零；ΔU增大，UAa也相应增加；ΔU由正变负，装置[8]绕组连接方式通过伺服电机M[7]予以改变，使之UAa极性相应改变，以保持UAa始终与ΔU极性相同，数值相等。
装置[8]的这个任务通过以下过程得以实现装置[1]分别从电源侧和负载侧采样、检测电压值UAN和UaN，并进行比较，以确定偏差电压ΔU的大小和极性，然后将模拟量转换成数字量，经输入接口装置[2]，送至中央处理单元CPU[3]，根据电路原有参数有功功率P，自然功率因数cosΦ及规定技术指标，按本说明书中
发明内容中所列等效复导纳Y、等效复阻抗Z、无功功率总量∑Q、补偿无功功率量QC、功率因数角Φ、功率因数cosΦ等公式进行计算处理，并将计算结果，即所需补偿的矢量电压UAa(即ΔU)及Y、Z、∑Q、QC、Φ、cosΦ等诸参数的要求值经输出接口装置[4]送至电压与功率因数综合控制装置[5]，由其发出两路控制操作指令，一路给晶闸管功率模块[6]，命令其执行电力电容器的规定投切组合；一路给伺服电机M[7]，命令其执行补偿变压器[TA(B、C)]阻抗参数Z(L和R)的调节和绕组间连接方式及极性的改变。这样，电容器电容量CA与补偿变压器TA的等效阻抗Z(或导纳Y)的连接方式和参数组合就会使电路工作在所要求的谐振点或其附近状态，从而使UAa＝ΔUcosΦ=PP2+(ΣQ)2≥0.95]]>(滞后)图2为本发明的第一个实施例的电路原理图，适用于所补偿电路电流较大(100A以上)时，补偿装置[8]采用并联电容器组CA(B、C)与补偿变压器TA(B、C)副边绕组L2(还有视与L2相串联的等效电阻R2，图中未画出)相并联的方式，装置[8]等效电路如图3所示。
今仍以A相为例，说明其电压和功率因数综合补偿的工作原理当因电源电压UAN或负载电压UAN波动产生偏差电压ΔU≠0ΔU＝β(R2*cosΦ+X2*sinΦ)式中，β-补偿变压器TA负荷率X2*、R2*-TA等效短路电抗短路电阻标么值此时，装置[1]立即采样、检测到电路电压和功率因数等参数的变化，与预置值进行比较后，转换成数字信号，经输入接口装置[2]、送至中央处理单元CPU[3]，按并联谐振条件和功率因数cosΦ要求值计算出对应的最佳C和L值。根据图3所示的等效电路有等式Y=RR2+ω2L2+j(ωC-ωLR2+ω2L2)]]>在电源角频率ω、电路传输有功功率P保持不变情况下，电路谐振条件为ωC=ωLR2+ω2L]]>C=LR2+ω2L2]]>当C和L的实际值在等式C=(0.1~1.0)LR2+ω2L2]]>范围内变动时，结合等式 综合考虑技术性能和经济指标(主要是电容投切数量的经济性)优选出最佳补偿电容量CA和电感量LA(RA值随LA而定)，计算结果经输出接口装置[4]，送至综合控制装置[5]转换成两路操作命令，一路送至晶闸管功率模块[6]，按要求投切并联电容器组CA，另一路送至装置[7]伺服电机M，M传动及操作补偿变压器TA分接开关元件SA。SA为双向投切开关，既可改变绕组连接方式，也可改变连接极性，既可为有触点的，也可为无触点的；既可为手动操作，也可为自动控制；既可为遥控，也可为智能型操作。如何选用，可视补偿变压器TA的设计型式和调节方式而定。图4为抽头式自耦调节式绕组连接示意图，图5为自耦接触式连续可调绕组连接示意图，图6为柱式自耦调节式绕组连接示意图，图7为移动式短路线圈调节式绕组连接示意图。
图8为组合式补偿装置tc并联单元连接示意图。图中表示的是4个tc并联单元连接，t1C1、t2C2、t3C3、为同极性连接，单元电压为相加，t4C4为反极性连接，单元电压为相减。各并联单元的副边绕组及电容器总是接入电路的，但它们的单元电压是否参与迭加(迭减)却取决于原边绕组投切开关S的动作当S处于切断状态，即原绕组ln-1未接通电源，其副绕组ln-2无感应电压，与它所并联的电容器Cn起保护开路作用。并接于原边绕组两端的指示灯hn起保护开路兼指示作用。此时的投切开关S为示意的，它可是有触点或无触点的，也可为手动或自动；既可为单向投切，也可为双向投切(即改变副边绕组ln-2的连接极性)；还可通过本发明的检测装置[1]，计算装置[3]等单元实现智能控制。
图9为本发明的第二个实施例的电路原理图，适用于所补偿电路电流较小(100A以下)时，补偿装置[8]采用串联电容器组CA(B、C)与补偿变压器TA(B、C)原边绕组L1A(1B、1C)(还有视与L1相串联的等效电阻R1，图中未画出)相串联的方式，装置[8]的A相等效电路如图10所示。
今以A相为例，说明其电压和功率因数综合补偿工作原理当电源或负载电压发生波动，导致ΔU≠0或cosΦ≤0.85经装置[1]采样、检测、比较和转换，装置[2]输入中央处理单元CPU[3]，按串联谐振条件和功率因数cosΦ要求值计算出对应的C和L值。
根据图10所示的等效电路，有等式Z=R+j(ωL-1ωC)]]>电路谐振条件为C=1ω2L]]>当C和L的实际值在等式C=(0.10~0.95)1ω2L]]>范围内变动时，结合等式 综合考虑技术和经济指标，优选出CA和LA(含RA)值，然后经输出装置[4]、控制装置[5]、转换成操作指令，分别经装置[6]和[7]，调节串联电容器的并联个数、绕组间连接方式、极性和电压分配比以达到规定的CA和LA值，最终实现电压和功率因数综合补偿之目的。
LA(含RA)的调节可通过与原边绕组L1A连接的调节绕组L3A进行。其方式同样可采用图4～图8的技术方案。
根据等式QC＝ωCUC2综合等式Φ=arctgU2ω2LCPR]]>(并联谐振工作方式)Φ=arctgω2LC-1ωRC]]>(串联谐振工作方式)在满足调压要求前提下，在8°≤Φ≤18°范围内再次调整C和L值，使之0.95≤cosΦ=PP2+(ΣQ)2≤0.99]]>(滞后)本说明书所有等式均存入装置[3]，即中央处理单元CPU中，通过装置[1]的采样、检测、比较和转换，经输入装置[2]和输出装置[4]，装置[3]根据装置[1]的采集数据进行计算，并将结果输至控制装置[5]转换成操作指令，以控制电容器组CA(B、C)的投切和补偿变压器TA(B、C)等效阻抗参数或极性的改变，最终达到按预定要求对电压和功率因数综合补偿的目的。
权利要求
1.利用谐振式补偿装置[8]对单相或三相电路网络进行电压和功率因数综合补偿的办法，该谐振式补偿装置至少具有电容量可调的电力电容器组[CA(B.C)]和阻抗参数及绕组电压分配和极性可改变的补偿变压器[TA(B.C)]，其特征是根据电路网络中电源电压UAN(BN、CN)波动或负载电压UaN(bN、cN)变化的比较偏差和负载功率因数cosΦ瞬时值，通过装置[1]采样、检测、比较和转换，经输入接口装置[2]，送至中央处理单元CPU[3]按电路谐振原理计算出补偿电容器组[CA(B、C)]电容量C与补偿变压器[TA(B.C)]阻抗参数Z及绕组间电压分配的相应值，然后经输出接口装置[4]，传送至控制装置[5]，发出控制操作指令，由执行元件(可为晶闸管功率模块)[6(A)、(B)、(C)]和伺服电机M(7)进行操作，分别调整电容器[CA(B、C)]补偿电容量C和补偿变压器[TA(B、C)]阻抗参数Z及绕组间电压分配比和极性，以实现电压和功率因数的综合补偿。
2.根据权利要求1所述的装置和方法，当所补偿电路电流较大(100A以上)时，补偿装置[8]采用电容器组CA(B、C)与补偿变压器TA(B.C)原边绕组L1或副边绕组L2组成并联谐振电路耒实现电压U和功率因数cosΦ的综合补偿，其特征是，在传输有功功率P确定的电路中，根据等效电路等式Y=RR2+ω2L2+j(ωCωLR2+ω2L2)]]>Φ=arctgU2ω2LCPR]]>调节电容量C，绕组参数L和R，以及改变绕组间连接或布置方式，使电路处于谐振点及其附近状态工作，通过等效复导纳Y的改变以调整电压UAa(Bb、Cc)和相位角Φ。
3.根据权利要求1所述的装置和方法，当补偿电路电流不大(100A以下)时，补偿装置[8]采用电容器组CA(B.C)与补偿变压器TA(B、C)原边绕组L1或副边绕组L2组成串联谐振电路耒实现电压U和功率因数Φ的综合补偿，其特征是，在传输有功功率P确定的电路中，根据等效电路等式Z=R+j(ωL-1ωC)]]>Φ=arctgω2LC-1ωRC]]>调节电容量C，绕组参数L和R，以及改变绕组间连接或布置方式，使电路处于谐振点及其附近状态工作，通过等效复阻抗Z的改变，以调整电压UAa(Bb.Cc)和相位角Φ。
4.根据权利要求2或3所述的方法，补偿装置[8]中的补偿变压器TA(B.C)的技术特征是，根据等式K＝KΔUAN＝KΔUaN＝KΔUmaxST＝KSZ＝R+jωL补偿变压器T变比K由电源电压变化率KΔUAN或负载电压变化率KΔUaN求出，当两者不相等时，取其最高值KΔUmax，补偿变压器T容量ST由电路中需补偿装置的容量S和变比K求出，阻抗Z可通过分接开关改变原、副边绕组匝数来进行变换，也可通过接触调压器、自耦变压器或短路线圈改变原副边绕组的电压分配比和连接极性耒改变等效阻抗。
5.根据权利要求1所述的装置和方法，补偿装置可采用若干个单元电压和单元容量的补偿变压器和电容器组成并联单元t1C1、t2C2……tnCn，然后进行同极性或反极性迭加，以实现预定的电压和功率因数综合补偿之目的。
6.根据权利要求2或3或5所述的装置和方法，调整电路电压UAa(BbCc)和改变电容量CA(B.C)的同时，可无级调节电路无功功率量Q和功率因数cosΦ，其特征是，根据装置[1]的检测、装置[3]的计算处理、装置[5]的控制指令和装置[6]的晶闸管功率模块的切换动作，按计算公式Qc＝ωCU2cCOSΦ=PP2+(ΣQ)2]]>Qc和CosΦ可按电路传输的有功功率P和无功功率总量∑Q，补偿电容量C和补偿电容器端的电压值UC平滑无级地调节。
7.根据权利要求1所述的采样、检测、比较和转换装置[1]，中央处理单元CPU[3]和控制装置[5]，其特征是存储有检测、比较、计算和控制电路电压U和功率因数CosΦ瞬时值的计算公式和控制指令。
全文摘要
本发明公开了一种谐振式电压与功率因数综合补偿方法及装置。其补偿装置[8]根据电路网络中电源或负载电压变化的比较偏差ΔU和功率因数cosΦ瞬时值，通过装置[1]采样、检测、比较和转换，经输入接口装置[4]，至控制装置[5]，发出操作指令至晶闸管模块[6]和伺服电机M[7]等执行元件，分别调整补偿电容器C
文档编号H02J3/16GK1444321SQ0210491
公开日2003年9月24日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者陈小华, 朱巧生, 陈巍 申请人:陈巍