一种即插即用有源串联补偿器的制作方法

本发明涉及电力补偿器技术领域，尤其涉及一种即插即用有源串联补偿器。

背景技术：

随着经济发展，我国电力系统规模持续增长，也遇到许多技术问题。在电力系统中，如变压器、电动机等许多工作时需要励磁的设备都需要从电力系统中吸收感性无功功率来励磁工作的，还有输电线路具有分布电容，在电压下将产生容性无功功率，也就是说线路也要吸收感性无功。而发电机是唯一的有功电源，也是基本的无功电源。大量的无功设备接入电网将使得系统无功不足、功率因数降低、负载侧电压降低等，因此无功补偿装置应运而生。

早期的无功补偿采用并联电容器、调相机等方案，其中并联电抗器阻抗固定，无法动态跟踪负荷无功功率的变化，调相机损耗和噪音大，动态响应慢；因此一般都采用无级可调的电抗器和固定或分组投切的电容器支路并联，构成静止无功补偿装置svc。可调电抗器是可实时调节电抗值的电抗器。在电力系统中串入可变电抗器可以调节电网电压，补偿无功，解决三相不平衡问题，限制短路电流，软启动，可以有效地解决出现的问题。

现有的可调电抗器大致可以分为如下几种：(1)机械式可调电抗器一般分为调匝式和调气隙式，即通过改变线圈匝数或铁芯的气隙长度来等效改变电抗值。其缺点是：调匝式不能连续调节，自动化水平低，换挡需停机；调节气隙式气隙设计精度低，调节范围有限，且噪声大。(2)直流磁控式可控电抗器，通过改变控制回路的控制电流的大小来改变铁芯的磁饱和度，进而改变电抗器的电感值，而且电抗器的容量可以连续调节。其优点就是结构与控制简单，控制部分容量小、成本低，缺点是谐波含量大，装置响应速度慢。(3)电力开关式可调电抗器，基于电力电子开关组成的逆变器调节和投切控制，高压实现受到管子容量局限，存在谐波，可靠性低。比如upfc、upqc、dvr，逆变器产生的谐波通过变压器时产生很大的谐波损耗。(4)交流磁控式电抗器，通过附加绕组产生反方向磁通来改变电抗器中的磁通，从而改变铁芯的磁阻，达到改变电抗器电感值的目的。本发明中串联补偿器的原理可以看成是交流磁控式电抗器，其突出优点是既可以平滑调节电抗器的阻值从而调节功率，而且工作电流中的高次谐波含量又低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种即插即用有源串联补偿器，旨在解决现有的补偿器调节范围小、响应速度慢等问题。

本发明提供了一种单相制的即插即用有源串联补偿器，包括：电压检测单元、控制单元和特制互感器单元；电压检测单元包括电压互感器，电压互感器的输入端并联连接在所述特制互感器单元的一次侧两端，电压互感器的输出端连接至所述控制单元的输入端，电压互感器用于检测并输出所述特制互感器单元一次侧的电压；控制单元包括电压增益电路和电压发生电路，电压增益电路的输入端作为控制单元的输入端，电压发生电路的输入端与所述电压增益电路的输出端连接，电压发生电路的输出端与特制互感器单元的二次侧两端连接，电压增益电路用于将接收的电压检测单元的输入信号进行放大后作为电压发生电路的参考信号，电压发生电路用于根据所述参考信号产生一个电压源并将所述电压源施加至所述特制互感器单元的二次侧；特制互感器单元的一次侧作为电网线或母排的一部分，所述特制互感器用于接入电网和负载之间，从而实现即插即用的功能。

更进一步地，电压发生电路采用电力电子逆变器。

更进一步地，特制互感器单元中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝w1/w2，其中，w1为一次侧绕组的匝数，w2为二次侧绕组的匝数，w2大于w1。

更进一步地，特制互感器单元的电感l＝w1²μa/l，μ为铁芯的磁导率，a为铁芯截面积，l为平均磁路长度，w1为一次侧绕组的匝数。

更进一步地，特制互感器单元的铁芯为细长圆柱状或长方体状。

本发明还提供了一种三相四线制的有源串联补偿器，应用于三相四线制电力系统，三相四线制电力系统包括接入电网和负载，三相四线制的有源串联补偿器包括三组如上述的单相制的有源串联补偿器，其中的三组电压发生电路合并采用三相电力电子逆变器实现，三组电压互感器、电压增益电路和特制互感器单元相互独立。

本发明还提供了一种三相三线制的有源串联补偿器，应用于三相三线制电力系统，三相三线制电力系统包括接入电网和负载，三相三线制的有源串联补偿器包括三组如上述的单相制的有源串联补偿器，其中三组电压发生电路合并采用三相电力电子逆变器实现，三组电压互感器、电压增益电路和特制互感器单元相互独立。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)即插即用，采用闭口或者开口电流互感器式的接入方式，接入电网的方式简便易行，不会改变电网本身的结构也无需停电操作；

(2)无功功率补偿时，调节范围广、响应速度快；特制互感器的一次侧作为一个可变电抗串联在线路中，通过调节参数α的大小，可以大范围调节串联可变阻抗值，从而实现功率的大范围调节，并且响应速度快；

(3)结构简单，整个系统仅仅由电压检测单元、控制单元、特制互感器单元构成；

(4)控制简单，系统只须对串联变压器单元的一次侧电压进行简单的开环控制就可以实现补偿的作用，无须采用电流闭环控制，控制器设计容易，并且稳定性更容易保证；

(5)高低压通用，该串联补偿器即可用于低压系统也可用于高压系统，补偿范围广。

附图说明

图1是本发明的单相制的有源串联补偿器的电路图；

图2是特制互感器单元的t型等效电路图；

图3(a)和(b)分别为本发明提出的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图4(a)和(b)分别为本发明提出的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图5(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；

图6(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图；

图7是本发明的三相四线制的有源串联补偿器的电路示意图；

图8是本发明的三相三线制的有源串联补偿器的电路示意图；

其中，1为电网线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，4为母排，5为长方体铁芯，100为电压检测单元，200为控制单元，300为特制互感器单元，400为接入电网，500为负载，201为电压增益电路，202为电压发生电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是针对机械式补偿器调节范围小、直流磁控式补偿器响应速度慢等提出一种即插即用、逆变量较小、响应迅速且连续补偿效果好的有源串联补偿器。

本发明提供的一种单相制的即插即用有源串联补偿器可以应用于单相制电力系统，单相制的有源串联补偿器包括电压检测单元、控制单元和特制互感器单元，其中：

电压检测单元包括电压互感器，电压互感器的输入端并联连接在特制互感器单元的一次侧两端，电压互感器的输出端与控制单元的输入端连接，电压检测单元检测出特制互感器单元一次侧的电压并输出；

控制单元包括电压增益电路和电压发生电路，电压增益电路的输入端与电压互感器的输出端连接，电压增益电路的输出端与电压发生电路的输入端连接，电压发生电路的输出端与特制互感器单元的二次侧两端连接，电压增益电路接收特制互感器单元的一次侧的电压，并进行放大作为电压发生电路的参考信号，通过电压发生电路产生一个电压源，电压发生电路将该电压源施加到特制互感器单元的二次侧；

特制互感器单元的一次侧即为接入电网的电网线或母排的一部分，常规电流互感器由于只起电流检测作用，它的铁芯轴向长度比较短，本发明中特制互感器主要起无功补偿作用，如果按照常规电流互感器结构设计，由于电感值较小，调节过程中等效阻抗变化较小，补偿的功率变化值也较小，有可能无法满足补偿要求，因此通过加长互感器的铁芯的长度来增加其一次侧的等效阻抗，实现无功补偿的作用。

作为本发明的一个实施例，电压发生电路可以采用电力电子逆变器。

本发明还公开了一种三相四线制的有源串联补偿器，应用于三相四线制电力系统，三相四线制电力系统包括接入电网和负载，三相四线制的有源串联补偿器包括三组上述的单相制的有源串联补偿器，其中的三组电压发生电路合并采用三相电力电子逆变器实现，三组电压互感器、电压增益电路、特制互感器单元相互独立。

本发明还公开了一种三相三线制的有源串联补偿器，应用于三相三线制电力系统，三相三线制电力系统包括接入电网和负载，三相三线制的有源串联补偿器包括三组上述的单相制的有源串联补偿器，其中三组电压发生电路合并采用三相电力电子逆变器实现，三组电压互感器、电压增益电路、特制互感器单元相互独立。

本发明的有源串联补偿器通过电压检测单元检测出特制互感器一次侧的电压，将特制互感器一次侧的电压进行放大后作为电压发生电路的参考信号，通过电压发生电路产生一个电压源；再将该电压源施加到特制互感器单元的二次侧；使得该有源串联补偿器的特制互感器一次侧呈现为一个无极可调电抗器，是一种高性价比的有源串联补偿器。

为了进一步说明本发明实施例提供的即插即用有源串联补偿器，下面对照附图并结合具体实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的单相制的有源串联补偿器包括三个单元，即电压检测单元100、控制单元200和特制互感器单元300。该有源串联补偿器应用在单相制电力系统，该电力系统包括接入电网400和负载500，其中接入电网400中的表述电网电压，ls表示等效内阻抗。

电压检测单元100包括电压互感器，电压互感器的输入端并联连接在特制互感器单元300的一次侧两端，电压互感器的输出端与控制单元200的输入端连接；电压检测单元100将检测特制互感器单元300的一次侧电压作为电压检测单元100的输出信号，输出到控制单元200。

控制单元200包括电压增益电路201和电压发生电路202，电压增益电路201的输入端与电压检测单元100的输出端连接，电压增益电路201的输出端与电压发生电路202的输入端连接，电压发生电路202的输出端与特制互感器单元300的二次侧两端连接；电压增益电路201接收到电压检测单元100的输出信号(电压信号)，并将电压信号进行放大后得到作为电压发生电路202的参考输入信号，电压发生电路202产生一个与其输入信号成比例的电压，并将该电压输出至特制互感器单元300接入系统，其中电压发生电路202可以采用电力电子逆变器来实现功能。

特制互感器单元300的一次侧串联连接在接入电网400和负载500之间，二次侧与电压发生电路202相连接。

本发明的单相制的有源串联补偿器的工作原理是：通过电压检测单元100(设该环节的增益为ku)检测出特制互感器单元300的一次侧的电压电压增益电路201将进行放大后作为电压发生电路202的参考信号通过电压发生电路202产生一个电压源(该电压源可以用来表示)，电压发生电路202将电压源施加到特制互感器单元300的二次侧。通过调节α的大小，该特制互感器单元300一次侧阻抗可以实现无极可调，并且可以从感性调节到容性，实现串联补偿的作用。

下述针对本发明的单相制的有源串联补偿器的原理进行讨论：

如图2所示，是特制互感器单元300的t型等效电路图，其中二次侧的值全部折算到一次侧，和分别为特制互感器单元300的一次侧和二次侧电压，和分别为特制互感器单元300的一次侧和二次侧电流，z1＝r1+jx1σ为一次侧ax线圈的漏阻抗，z′2＝r′2+jx′2σ为二次侧ax线圈的漏阻抗，zm＝rm+jxm为特制互感器单元300的励磁阻抗；根据图2，特制互感器单元300的一次侧和二次侧电压方程分别为：

当特制互感器单元300的二次侧施加电压源与一次侧的电压满足一定倍数关系时，即：其中，α为被控系数。联立式(1)～式(3)，得到：

则特制互感器单元300的一次侧等效阻抗为：

由式(5)可知，从特制互感器单元300的一次侧ax线圈端看进去，特制互感器单元300呈现的阻抗为一可变量，其大小与α满足一定比例关系。调节α的值即可改变串联接入系统的阻抗值，从而实现无功补偿的作用。

特制互感器中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝w1/w2，其中，w1为一次侧绕组的匝数且为1匝，w2为二次侧绕组的匝数，w2大于w1。根据电感计算公式可知特制互感器的电感l＝w1²μa/l，μ为铁芯的磁导率，a为铁芯截面积，l为平均磁路长度，w1为一次侧绕组的匝数。为了实现即插即用的功能，将w1设计为1，但是此时一次侧电感值为l＝μa/l，此电感值远小于常规变压器的值，互感器一次侧的等效阻抗值也很小，起不到无功补偿的作用，因此将互感器的铁芯设计为细长圆柱状或长方体状，来增加一次侧的电感值，从而增大其等效阻抗，达到无功补偿的目的。特制互感器的铁芯根据安装处母线的情况可以设计成圆柱形(针对圆柱形母线)或长方体形(针对母排)，根据安装需要可以把铁芯设计成开口形或闭口形，分别如图3、图4、图5和图6所示。这样，特制互感器的一次侧即为电网母线或者母排，为1匝，不需要进行设计，只需根据使用要求对其二次侧绕组进行设计即可。

本发明实施例提供的单相制的有源串联补偿器串联连接在接入电网400与谐波源负载500之间，调节控制系数α的大小，则该有源串联补偿器可以连续平滑地调节等效阻抗值，从而可以连续进行无功补偿，是一种高性价比的有源串联补偿器。

本发明实施例提供的单相制的有源串联补偿器还应用在三相系统中，三相系统有两种情况，一种是三相四线制系统，另一种是三相三线制系统，其中三相四线制的有源串联补偿器和三相三线制的有源串联补偿器的结构分别为：

(1)三相四线制的有源串联补偿器，三组电压发生电路202合并采用三相电力电子逆变器，而其他的部分采用三套相互独立的单相制的有源串联补偿器中的结构来实现，如图7所示。

(2)三相三线制的有源串联补偿器，三组电压发生电路202合并采用三相电力电子逆变器，而其他的部分采用三套相互独立的单相制的有源串联补偿器中的结构来实现，如图8所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。