专利名称：一种用于电力系统的无功补偿装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于电力系统的无功补偿装置。
背景技术：
实际电力系统中惯性负载整体以感性为主，传统釆用容性器件静态补偿或 同步调相机等动态补偿。前者阻抗固定不变，故不能跟踪负荷无功需求的变化，
即不能实现对无功功率的动态补偿；后者属于旋转器件，运行中损耗和噪声都比 较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。
目前，基于各种控制方法和补偿原理的新型无功补偿装置均包含高压、大
容量的电容器，如TSC、 SVC和STATCOM等其他FACTS设备。与系统起能量交换 作用的补偿电容器在电压与容量方面难以提高，且往往会给系统带来较大幅值 的冲击电流。
实用新型内容
针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种用电感代替传统电容 的用于电力系统的无功补偿装置，有效避免给系统带来较大幅值电流冲击及提 高系统的稳定性，利于提高无功补偿电压和容量等级，降低成本。
为.实现上述目的，本实用新型的技术方案为 一种用于电力系统的无功补 偿装置，其包括一个三相变压器及与三相变压器连接的三个无功补偿单相电路， 三相变压器釆用A/Y接法与系统并联，三个无功补偿单相电路输出电压各相差 120° ,该单相电路包括整流换流桥、逆变换流桥和补偿电感，整流换流桥的输 入端与系统并联，整流换流桥输出端直接连接至逆变换流桥的输入端，逆变换 流桥的输出端连接补偿电感。
整流换流桥及逆变换流桥均由四个开关单元构成。
所述开关单元由两个反接的可关断电子器件并联而成。电子器件为IGBT或GT0。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果本实用新型以电感 器件代替电容器件，通过对整流换流桥和逆变换流桥的控制，使得补偿电感的 激励电压与系统电压基波相位相差90。，从而使补偿电感与系统感性负载在同一 时间系中能量吞吐产生了相位差，即系统感性负载吸收能量时补偿电感释放能 量而补偿电感吸收能量时系统感性负载释放能量，使得补偿电感相对系统呈纯 容特性。
另外，三相电路以单相独立控制为基础，各相相差120。。单相电路无功补 偿反馈电流严重的3次谐波在三相电路中经A/Y变压器得到了有效的抑制。
图l为基本控制单元原理图，其中(a)为基本开关单元，由2个反接的可 关断电力电子器件组成，(b)为等效理想开关。
图2为单相电路原理图，ul为系统电压，系统电流为il; Zl是系统负载， 呈感性，系统电流为i2;整流换流桥l系统交流侧电流为i3;直流侧电压为u2, 电流为i4;逆变换流桥2的逆变电压为u3,流过补偿电感Ll的电流为i5。各 电压电流的参考方向如图2中所示。
图3为单相电路波形图，系统电压ul的相位为O，有效值为10kV,其波形 见图3(a)。直流侧电压u2波形如图3 (b)，逆变换流桥2输出交流电压u3波 形见图3 (c)。补偿电感Ll在电压u3激励下，电流i5波形为图3 (d)。电流 i5经过换流桥2反馈在直流侧线路，其电流M波形见图3 (e)。再经过换流桥 1,交流侧电流i3的波形为图3 (f )所示。
图4为单相电路补偿电流高次谐波分析，即电流i3图3 (f )的高次谐波分 布情况，可以看出谐波主要集中在基波和120次谐波附近。
图5为单相电路补偿电流低次谐波分析，即电流i3图3 (f )对系统影响较 大的低次谐波分布情况，可以看出主要为3次谐波。
图6为无功补偿装置三相电路原理图，简化单相电路图2中换流桥1和换 流桥2为二端口网络"换流桥组"，控制方法与单相情况相同，换流桥组启始相位各差120° 。
图7为三相无功补偿电路波形图，以A相为例。
图8为A相无功补偿电流谐波分析，可以看出，以基波为主。
图9为补偿后系统A相电流的幅值与相角，相角在补偿后由-45°变为-14
° ,可以明显看到补偿效果。
具体实施方式
以下结合附图
对本实用新型的原理进行描述. 1、单相电路工作原理
单相电路主要工作器件是整流换流桥和逆变换流桥，为了保证准确相位的 无功反馈电流，釆用两个反接的可关断电力电子器件并联作为换流桥的基本开 关单元，如图l所示。
电路原理图如图2所示，该无功补偿单相电路包括电压输入端及系统感性 负载，电压输入端通过系统感性负载连接到接地端，电压输入端还连接至一整 流换流桥的输入端，整流换流桥的另一输入端接地，输出端分别连接至一逆变 换流桥的两输入端，逆变换流桥的两输出端分别连接至补偿电感的两端。通过 对整流换流桥1和逆变换流桥2的控制，使得补偿电感Ll的激励电压与系统电 压基频相位相差±90°，从而使补偿电感与系统感性负载在同一时间系中能量吞 吐产生了相位差，即系统感性负载吸收能量时补偿电感释放能量而补偿电感吸 收能量时系统感性负载释放能量，使得补偿电感相对系统呈纯容特性。
由于直流侧电路里不含补偿电容，大大减少了换流桥l对系统的冲击电流， 但使得换流桥2逆变输入电压在理论基频输出峰值区域具有不可补偿的电压损 失。换流桥1交流侧电流i3通过SPWM换流以后一定程度上削弱了其他低次谐 波，但任含有较高幅值的3次谐波，见图4谐波分析。图4(a)所示为电流i3 在200次以内的谐波情况，主要集中在基波和120次谐波附近。对系统影响较 大的低次谐波情况见图5所示，可以看到低次谐波以3次为主，而且幅值较大， 该补偿电流虽具备电容特性，但没有实际应用意义。该问题在三相电路中得以 很好的解决。2、无功补偿装置工作原理
电路原理图见图6所示， 一种用于电力系统的无功补偿装置，其包括一个 三相变压器及与三相变压器连接的三个无功补偿单相电路，三相变压器釆用A
/Y接法与系统并联，三个无功补偿单相电路输出电压各相差120° ,该单相电
路包括整流换流桥、逆变换流桥和补偿电感，整流换流桥的输入端与系统并联, 整流换流桥输出端直接连接至逆变换流桥的输入端，逆变换流桥的输出端连接
补偿电感。釆用引入三相变压器A/Y接法，可以消除单相补偿电路回馈电流的 3次谐波。简化单相电路图2中换流桥1和换流桥2为二端口网络、、换流桥组〃， 控制方法相同，换流桥组启始相位各相差120°。
三相电路负载对称，只分析A相波形，见图7。设系统电压u(A)相位为0， 见图7(a),感性负载电流iL(A)相位为45°,即补偿前功率因数为0. 71,见图 7(b)。补偿支路变压器原边侧电压为系统电压，原边电流为il(A)，其波形见 图7( e )。由于变压器采用A侧超前Y侧30°接法，副边电压u2 (A)相位角为-30。， 见图7(c)。补偿电感电流经过换流桥组A后，在变压器副边电流应超前u2(A) 波形90°,再经过A/Y变压器后原边电流il(A)基波相位超前系统电压u(A)波 形90°,具备纯容性，由图7(e)可以看出，3次谐波明显消弱。il(A)与系统 感性负载电流iL(A)叠加为系统电流i(A)，由图7(f )可以看出，系统电流i(A) 相位得到明显的改善。其他两相波形与A相相同，相位各差120。，不再赘述。
以下结合附图对本实用新型的原理进行描述.
1、单相电路控制方法
见由图2单相电路原理图，控制换流桥1按照全波整流方式工作，直流侧 电压u2波形如图3(b)。此时，控制逆变换流桥2釆用单极性SP西控制方式工 作，使输出交流电压基波相位超前(或滞后)系统电压1/4个基频周期，电压 u3波形见图3(c)。可以看出，u3虽然釆用SP画控制方法产生，但实际输出波 形是非正弦，原因是直流侧没有电容滤波，逆变换流桥2输入直流电压为二脉 波。经过逆变换流桥2整l/4基频周期移相后，u3的畸变率得到一定改善，由图3(C)可以看出，幅值绝对值最大的脉宽最窄，逐次变化。为了减少U3的低
次谐波，SP丽釆用载波率3kHz,调制比为0.95。在工程上SP丽技术已较成熟，
这里不再赘述详细的调制方法。
补偿电感Ll在电压u3激励下，电流i5波形为图3(d),从i5波形可以看 出，作为纯感性负载，电流波形比激励电压u3基波相位滞后90° 。电流i5经 过换流桥2反馈在直流侧线路，其电流i4波形见图3 (e)。再经过换流桥1， 交流侧电流i3的波形为图3 (f )所示。i3作为补偿电流将与感性负载电流i2 叠加为系统电流il。从i3波形上可以看出，其基波相位超前系统电压ul整90 ° ，将补偿电路作为一个二端口网络来看，呈现电容特性，吸收系统感性无功， 与系统感性负载发生能量交换。单相补偿电路实质是通过电力电子器件改变补 偿电感电压激励的相位，使之与系统电压具有90°相位差，从而使补偿电感与 系统感性负载在同 一时间系中能量吞吐产生了相位差，即系统感性负载吸收能 量时补偿电感释放能量而补偿电感吸收能量时系统感性负载释放能量，使得补 偿电感相对系统呈纯容特性。容易得出，当换流桥2按照滞后系统电压90°工 作时，效果相同。
2、无功补偿装置控制方法
三相电路以单相独立控制为基础，各相相差120。。单相电路无功补偿反馈 电流严重的3次谐波在三相电路中经A /Y变压器得到了有效的抑制。 三相对称负载简单系统主电路如图6所示，以A相为例，系统电压<formula>formula see original document page 7</formula>系统感性负载电流
<formula>formula see original document page 7</formula>
变压器原副边线圈匝数比为1: 1，补偿电感1H，换流桥控制方法与单相相 同，经过补偿支路电流叠加，补偿后系统电流z'")波形如图7 (f ), 15次以内谐 波分析见图8,其3次谐波经过A/Y变压器后得到明显抑制，但其他奇次谐波 有一定含量，总畸变率为5.33%。补偿前系统功率因数为0. 71，单相感性无功为 2L=^、sin45°=5.777A:Fw (3)
补偿后系统单相电流的基波幅值与相角分析结果见图9所示，其方程为: /(」)=7.20 sin(纽-13.65°) (4)
系统补偿后单相感性无功为
仏=sin 13.65° = 1.699,r ( 5 )
功率因数提高到0.97。
权利要求1、一种用于电力系统的无功补偿装置，其特征在于包括一个三相变压器及与三相变压器连接的三个无功补偿单相电路，三相变压器采用Δ/Y接法与系统并联，三个无功补偿单相电路输出电压各相差120°，该单相电路包括整流换流桥、逆变换流桥和补偿电感，整流换流桥的输入端与系统并联，整流换流桥输出端直接连接至逆变换流桥的输入端，逆变换流桥的输出端连接补偿电感。
2、 根据权利要求l所述的用于电力系统的无功补偿装置，其特征在于整 流换流桥及逆变换流桥均由四个开关单元构成。
3、 根据权利要求2所述的用于电力系统的无功补偿装置，其特征在于所述开关单元由两个反接的可关断电子器件并联而成。
4、 根据权利要求4所述的用于电力系统的无功补偿装置，其特征在于电 子器件为IGBT或GT0。
专利摘要本实用新型公开了一种用于电力系统的无功补偿装置，其包括一个三相变压器及与三相变压器连接的三个无功补偿单相电路，三相变压器采用Δ/Y接法与系统并联，三个无功补偿单相电路输出电压各相差120°，该单相电路包括整流换流桥、逆变换流桥和补偿电感，整流换流桥的输入端与系统并联，整流换流桥输出端直接连接至逆变换流桥的输入端，逆变换流桥的输出端连接补偿电感。本实用新型可实现传统电容无功补偿装置的功能，还能有效避免给系统带来较大幅值电流冲击及提高系统的稳定性，利于提高无功补偿电压和容量等级，并明显降低成本。
文档编号H02J3/18GK201345547SQ20082020564
公开日2009年11月11日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者李继宇, 闫国琦 申请人:华南农业大学