一种变电站功率补偿装置以及功率补偿方法
【专利摘要】本发明提出一种变电站功率补偿装置，包括：电压和电流采集模块，用于采集三相电电压和电流；模数转换单元，用于转换采集的电压和电流；第一补偿装置，所述第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感L1，所述每组第一补偿电容与电感L1串联后通过第一开关与相电连接；第二补偿装置，串接在三相电之间，所述第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；控制模块，所述控制模块根据三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关的开闭以及输出第二控制信号控制第二开关的开闭；所述功率补偿装置可以实现无功补偿和有功补偿。
【专利说明】一种变电站功率补偿装置以及功率补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率补偿领域，尤其涉及一种变电站功率补偿装置。
【背景技术】
[0002]电网输出的功率包括两部分，一是有功功率，二是无功功率；直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能，电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90°，而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90°，电流流过电感元件所带来的无功功率在电网输出中增大了电能损耗，为了降低电感元件所引起的电能损耗，需要减小电网输出的无功功率。
[0003]现有技术中通常在电网中安装并联电容器等无功补偿设备减小感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗；但是电网输出过程中，例如变电站中存在非线性器件，因此会有谐波电流存在，谐波电流会降低进行无功补偿的电容器的寿命，因此消除谐波电流成为业界急需解决的问题。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中电网无功补偿中谐波电流对补偿电容的影响，从而本发明提出一种变电站功率补偿装置，所述补偿装置包括:
电压采集模块，用于采集三相电电压；
电流采集模块，用于采集三相电电流；
模数转换单元，用于将采集的三相电电压和电流转换后输出给控制模块；
第一补偿装置，所述第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与相电连接；
第二补偿装置，串接在三相电之间，所述第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；控制模块，所述控制模块用于接收采集的三相电电压和电流，并根据三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关的开闭进而控制第一补偿装置实现无功补偿，以及输出第二控制信号控制第二开关的开闭进而控制第二补偿装置实现三相电的有功电流进行转移以平衡三相电输出的有功电流。
[0005]本发明针对现有技术还提出了一种变电站功率补偿方法，其特征在于，包括无功功率补偿和有功功率补偿，还包括电流采集模块、电压采集模块、第一补偿装置和第二补偿装置；
其中无功功率补偿步骤如下: Al、采集三相电中每一相相电的电流和电压；
B1、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；Cl、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第一控制信号控制第一补偿装置对三相电进行无功补偿；
其中有功功率补偿步骤如下:
A2、采集三相电中每一相相电的电流和电压；
B2、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；C2、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第二控制信号控制第二补偿装置将三相电的有功电流相互转移，使三相电输出的有功电流平衡。
[0006]所述步骤Cl中第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与相电连接；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关导通或关断以选择多组第一补偿电容中的一组或多组为相电进行电容补偿；
所述步骤C2中第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第二控制信号控制第二开关导通或关断以选择多组第二补偿电容中的一组或多组将三相电的有功电流进行转移，以使三相电输出的有功电流平衡。
[0007]本发明所述变电站功率补偿装置中控制模块通过控制第一补偿装置实现相电的无功补偿，即通过在相电中并联电容器与相电中感性元件配合进行无功补偿，降低相电输电线路的电能损耗，提高输出效率，同时在补偿电容中串联电感LI防止谐波干扰，并且每相相电中的第一补偿装置为多个，控制模块可以根据相电电流和电压选择不同的第一补偿装置进行补偿；另外本发明的第二补偿装置串联于相电之间，通过控制模块控制第二补偿装置实现相电输出的有功电流相互平衡，同时相电之间的第二补偿装置也为多个，控制模块根据需要可以具有多种选择。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1本发明变电站功率补偿装置实施例一电路框图。
[0009]图2本发明变电站功率补偿装置实施例二电路框图。
【具体实施方式】
[0010]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0011]需要指出的是，除非特别说明，当下文中提及时，术语“控制模块”为具有分析处理数据功能，任意能够根据设定的条件或者设定的时刻输出控制信号(例如脉冲波形)从而控制与其连接的开关装置相应地导通或关断的控制器，例如可以为单片机。
[0012]另外本文中所说的“相电”是三相电的简称。
[0013]图1所示为本发明所述变电站功率补偿装置实施例一，从图中可以看出，所述变电站功率补偿装置包括:电压采集模块，用于采集三相电电压；电流采集模块，用于采集三相电电流；模数转换单元2，用于将采集的三相电电压和电流转换后输出给控制模块I ;第一补偿装置7，所述第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关KU多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与三相电连接；第二补偿装置8，串接在三相电之间，所述第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关K2，所述每组第二补偿电容与单个第二开关K2串联后串接于三相电之间；控制模块I，所述控制模块用于接收采集的三相电电压和电流，并根据三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关的开闭进而控制第一补偿装置进行无功补偿，以及输出第二控制信号控制第二开关的开闭进而控制第二补偿装置实现三相电的有功电流进行转移以平衡三相电输出的有功电流。
[0014]实施例一中所述控制模块可以为单片机、可编程逻辑控制器等，本实施例一控制模块采用低功耗、高性能的32位定点DSP与MCU的双CPU结构，该结构简单灵活，具有强大的控制功能和数据分析能力，能满足实时性和精确性的要求，并便于日后系统功能及软件的升级。
[0015]从图1中可以看出实施例一中例举了三相电中的A相和B相电的第一补偿装置7，当然C相电也具有同A相和B相电相同的功率补偿装置，只是未用图示出，从图中可以看出每相电都设有第一补偿装置7，例如A相和B相，第一补偿装置为多个，具体个数可以为2个、3个、4个，本实施例中每相相电的第一补偿装置7为4个，图中示出了 2个第一补偿装置7，多个第一补偿装置7中的第一补偿电容容量各不相同，第一补偿电容的容量优选为按一定的规律排列，例如等比数列，例如A相电中的第一补偿装置7为4个时，它们的第一补偿电容成1:2:4:8的比例，不同大小容量的第一补偿电容可以供控制模块I根据采集的相电电流和电压做出不同补偿；补偿范围有更多选择，第一补偿电容可以是多个电容组成的Y型结构，也可以是单个电容器；电感LI为普通电感，电感LI可以消除相电上的谐波电流对第一补偿电容的影响，例如，当闭合开关Kl对A相进行无功补偿时，如果存在谐波电流，贝U电感LI就会阻碍谐波电流瞬间到达第一补偿电容，谐波电流过大会烧坏第一补偿电容。
[0016]第一开关Kl控制第一补偿装置7的投切，第一开关Kl具体为可控硅和继电器并联组成，可控硅为两个晶闸管反并联而成，当控制模块I要控制第一补偿装置进行无功补偿时，输出一信号控制可控硅导通，然后再输出第一控制信号al控制继电器上电进行导通；当要切除第一补偿装置时，先断开继电器，再断开可控硅，可控硅与继电器并联作为第一开关可以防止涌流损坏第一补偿装置。
[0017]如图1所示，实施例一中第二补偿装置8用于转移相电之间有功电流，例如当电流采集模块采集三相电电流输出到控制模块后，控制模块分析得出A相有功电流大于B相有功电流，那么控制模块发出第二控制信号a2控制第二开关K2导通，则第二补偿电容将A相有功电流转移部分到B相，实现A相和B相输出的有功电流平衡，A相和B相相电之间的第二补偿装置为4组，其容量比为1:2:4:8，图中示出2个，多个第二补偿装置中的第二补偿电容的容量各不相同，方便控制模块根据补偿不同有更多选择空间，提高补偿效率；第二补偿电容可以同第一补偿电容一样设置，第二开关K2和第一开关Kl也采用同样设置，这里不再累赘；另外在第二开关K2断开时与相电连接的第二补偿电容可以与第一补偿电容结合完成无功补偿，例如图1所示的A相相电，在开关K2断开时，不进行有功电流转移时，控制模块I根据采集的电流电压控制第二补偿电容与第一补偿电容为A相相电进行无功补偿，所以第二补偿电容既可以作为有功补偿，也可以作为有功补偿。[0018]从图1中可以看出，实施例一中电压采集模块和电流采集模块分为A相电压采集模块3、A相电流采集模块4、B相电流采集模块5和B相电压采集模块6，当然也包括C相电流电压的采集，本实施例中电压采集模块为电压互感器，电流采集模块为电流互感器，电流互感器串联在相电中，电压互感器并联在相电中；模数转换模块2用于将采集的模拟信号转换为控制模块所识别的数字信号，模数转换模块可以单独设置，也可以集成在控制模块I中。
[0019]实施例一中，第一补偿装置和第二补偿装置可以单独进行补偿，也可以同时进行补偿，具体的由控制模块I进行控制。
[0020]如图2所示为本发明所述变电站功率补偿装置实施例二，从图可以看出实施例二与实施例一的不同之处在于，实施例二还包括三相电谐波电信号米集模块9、电阻R、电容C、电感L2和第三开关K3 ;所述三相电谐波电信号采集模块用于采集三相电谐波电信号并输出给控制模块；所述电感L2和第三开关K3串联后串接于电感LI和第一补偿电容之间，所述电容C与电阻R串联，所述串联后的电容C和电阻R与电感LI并联后通过第一开关Kl与三相电连接；所述控制模块根据采集三相电谐波信号输出第三控制信号a3控制第三开关K3的开闭，所述控制模块中预先通过程序设置了谐波电流限值，当谐波电信号采集模块采集的谐波电流大于控制模块中设置的谐波电流限值，则输出第三控制信号断开第三开关K3 (开关K3通常是闭合的)，这时第一补偿电容退出补偿，防止谐波信号烧坏补偿电容；第三开关与第一开关和第二开关采用同样的设置；谐波信号采集模块9为模拟滤波器。
[0021]实施例二中与实施例一相同的部分不再描述。
[0022]本发明还提出了一种变电站的功率补偿方法，包括无功功率补偿和有功功率补偿，还包括电流采集模块、电压采集模块、第一补偿装置和第二补偿装置；
其中无功功率补偿步骤如下:
Al、采集三相电中每一相相电的电流和电压；
B1、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；Cl、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第一控制信号控制第一补偿装置对三相电进行无功补偿；
其中有功功率补偿步骤如下:
A2、采集三相电中每一相相电的电流和电压；
B2、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；C2、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第二控制信号控制第二补偿装置将三相电的有功电流相互转移，使三相电输出的有功电流平衡。
[0023]上述所述变电站功率补偿的方法中所述步骤Cl中第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与相电连接；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关导通或关断以选择多组第一补偿电容中的一组或多组为相电进行电容补偿。
[0024]上述所述变电站功率补偿的方法中所述步骤C2中第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第二控制信号控制第二开关导通或关断以选择多组第二补偿电容中的一组或多组将三相电的有功电流进行转移，以使三相电输出的有功电流平衡。
[0025]本发明控制模块通过控制第一补偿装置实现相电的无功补偿，即通过在相电中并联电容器与相电中感性元件配合进行无功补偿，降低相电输电线路的电能损耗，提高输出效率，同时在补偿电容中串联电感LI防止谐波干扰；另外本发明的第二补偿装置串联于相电之间，通过控制模块控制第二补偿装置实现相电输出的有功电流相互平衡。
[0026]以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0027]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【权利要求】
1.一种变电站功率补偿装置，其特征在于，包括: 电压采集模块，用于采集三相电电压； 电流采集模块，用于采集三相电电流； 模数转换单元，用于将采集的三相电电压和电流转换后输出给控制模块； 第一补偿装置，所述第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与相电连接； 第二补偿装置，串接在三相电之间，所述第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；控制模块，所述控制模块用于接收采集的三相电电压和电流，并根据三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关的开闭进而控制第一补偿装置实现无功补偿，以及输出第二控制信号控制第二开关的开闭进而控制第二补偿装置实现三相电的有功电流进行转移以平衡三相电输出的有功电流。
2.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，还包括三相电谐波电信号采集模块、电阻R、电容C、电感L2和第三开关； 所述三相电谐波电信号采集模块用于采集三相电谐波电信号并输出给控制模块； 所述电感L2和第三开关串联后串接于电感LI和第一补偿电容之间，所述电容C与电阻R串联，所述串联后的电容C和电阻R与电感LI并联后通过第一开关与三相电连接；所述控制模块根据采集三相电谐波信号输出第三控制信号控制第三开关的开闭。
3.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述控制模块采用32位定点DSP与MCU的内核结构。`
4.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述第一开关和第二开关由可控硅和继电器并联组成。
5.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述电压采集模块为电压互感器，所述电流采集模块为电流互感器。
6.根据权利要求2所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述三相电谐波采集模块为模拟滤波器。
7.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述第一补偿电容为4组，其容量比为1:2:4:80
8.根据权利要求1所述的变电站功率补偿装置，其特征在于，所述第二补偿电容为4组，其容量比为1:2:4:8。
9.一种变电站功率补偿方法，其特征在于，包括无功功率补偿和有功功率补偿，还包括电流采集模块、电压采集模块、第一补偿装置和第二补偿装置； 其中无功功率补偿步骤如下: Al、采集三相电中每一相相电的电流和电压； B1、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；Cl、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第一控制信号控制第一补偿装置对三相电进行无功补偿； 其中有功功率补偿步骤如下: Α2、采集三相电中每一相相电的电流和电压；B2、将采集的三相电中每一相相电的电流和电压转换为数字信号后传输给控制模块；C2、控制模块根据每一相相电的电流和电压输出第二控制信号控制第二补偿装置将三相电的有功电流相互转移，使三相电输出的有功电流平衡。
10.根据权利要求9所述的变电站功率补偿方法，其特征在于，所述步骤Cl中第一补偿装置包括多组容量不同的第一补偿电容，多个第一开关和多个电感LI，所述每组第一补偿电容与电感LI串联后通过第一开关与相电连接；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第一控制信号控制第一开关导通或关断以选择多组第一补偿电容中的一组或多组为相电进行电容补偿； 所述步骤C2中第二补偿装置包括多组容量不同的第二补偿电容和多个第二开关，所述每组第二补偿电容与单个第二开关串联后串接于三相电之间；所述控制模块根据采集的三相电电压和电流输出第二控制信号控制第二开关导通或关断以选择多组第二补偿电容中的一组或多组将三相电的有`功电流进行转移，以使三相电输出的有功电流平衡。
【文档编号】H02J3/18GK103795065SQ201210424604
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2012年10月31日
【发明者】李立新 申请人:广州亚虎电力有限公司