專利名稱：電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于高低壓電網(wǎng)無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)抑制電網(wǎng)諧波和限制 合閘涌流的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外在無功功率補(bǔ)償和諧波治理方面都已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，并 且國內(nèi)外均有比較成熟的產(chǎn)品，無功功率補(bǔ)償通常采用投切電容器的方法，諧波治理通 常采用無源或有源濾波器來實(shí)現(xiàn)諧波的治理，無源濾波器主要是由電抗器和電容器串聯(lián) 構(gòu)成，具有容易設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但是其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性。盡管有源電力濾波 器有著無源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無源濾 波器還不現(xiàn)實(shí)，這是因?yàn)榕c無源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本高，這一點(diǎn)是限 制有源電力濾波器推廣使用的主要原因，因此，無源濾波器目前使用還比較普遍。由于電網(wǎng)負(fù)載情況復(fù)雜，絕大多數(shù)電網(wǎng)都需要同時(shí)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償和諧波治 理，這樣就需要兩套裝置，況且直接將電容器并聯(lián)在電網(wǎng)上進(jìn)行無功補(bǔ)償，電網(wǎng)上將會(huì) 產(chǎn)生一定的諧波放大，在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的方法解決 諧波放大問題，若電抗器的電抗率選擇合適又可以抑制高次諧波的作用。因此，目前國 內(nèi)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置都是將固定的電抗器串聯(lián)于電容器回路中，這樣不僅能對電網(wǎng)中無 功功率進(jìn)行補(bǔ)償，還可以抑制電網(wǎng)中的諧波。而實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)載是在不斷變化的，功率 因數(shù)也隨時(shí)在變化，為了適應(yīng)電網(wǎng)變化的功率因數(shù)，就要求采用多組電容器分組投切， 以達(dá)到對電網(wǎng)功率因數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?。如果電容器的組數(shù)發(fā)生變化，而電抗器的 感抗值不變，則起不到抑制諧波的作用，還有可能出現(xiàn)諧波放大的效果。為了達(dá)到既起 到功率補(bǔ)償又抑制電網(wǎng)諧波通常采用多組電抗器分別與多組電容器串聯(lián)組合使用，這種 方法缺點(diǎn)是需要多組電抗器，增加了設(shè)備投資，也增加了占地面積。通過上述分析及電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)無 功功率補(bǔ)償和諧波治理于一體的補(bǔ)償濾波效果，這樣不僅可以減少設(shè)備投資，減少了設(shè) 備的占地面積，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了無功功率補(bǔ)償與諧波治理的雙重效果，因此，電抗率可調(diào) 的干式鐵芯電抗器具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是串聯(lián)電抗器的感抗值，即電抗率在一定范圍 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到當(dāng)電網(wǎng)諧波和無功功率變化時(shí)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使無功功率補(bǔ)償和諧 波抑制達(dá)到最佳效果，并且可以減少設(shè)備投資和減小設(shè)備占地面積。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種用于高低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償時(shí)抑制 諧波和限制涌流的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器。電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器包括可調(diào)電抗器和電容器組；可調(diào)電抗器和電容器 組串聯(lián)后并聯(lián)在線路上。[0008]電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器的電容器組包括多組開關(guān)和多組電容器；每一個(gè)開 關(guān)和每一個(gè)電容器串聯(lián)后再相互并聯(lián)，構(gòu)成電容器組。電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器的可調(diào)電抗器包括電抗器線圈和電抗器鐵芯構(gòu)成， 電抗器鐵芯采用變截面，在鐵芯中間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的 飽和程度來改變電抗器的感抗值。電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器的開關(guān)可以是交流接觸器、可控硅或復(fù)合開關(guān)；若 開關(guān)是交流接觸器，則在交流接觸器回路中串接一個(gè)熔斷器，以保護(hù)開關(guān)。本實(shí)用新型具有積極的效果(1)電抗器的感抗值通過調(diào)節(jié)電抗器鐵芯的磁路 飽和程度實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，使電抗率在0.1 1%、4.5% 6%和6% 12%或其他范圍連 續(xù)可調(diào)，可以滿足當(dāng)電網(wǎng)諧波波變化時(shí)對電網(wǎng)諧波最佳抑制的效果。(2)本實(shí)用新型的電 抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器可以與電容器組任意組合，保持電抗率不變，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功 功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，抑制諧波的功能也保持不變。(3)本實(shí)用新型的電抗可調(diào)式無功功率 補(bǔ)償器的電抗器線圈和鐵芯采用環(huán)氧澆制，可以是干式自然冷卻，也可以采用油浸式冷 卻，安裝方便。
圖1為實(shí)施例1的可調(diào)電抗器與電容器組的連接圖圖2為實(shí)施例1的電容器組組成原理圖圖3為實(shí)施例1的可調(diào)電抗器的原理圖圖4為實(shí)施例1的并聯(lián)電容器裝置接至母線示意圖和單相等值回路圖5為實(shí)施例1的串并聯(lián)諧振原理圖具體實(shí)施方式
見圖1和圖2，本實(shí)施例的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器，包括可調(diào)電抗器1和電 容器組2;可調(diào)電抗器1和電容器組2串聯(lián)后并聯(lián)在線路上；電容器組2包括多組開關(guān) 2-1和多組電容器2-2;每一個(gè)開關(guān)2-1和每一個(gè)電容器2-2串聯(lián)后再相互并聯(lián)，構(gòu)成電 容器組。本實(shí)施例的可調(diào)電抗器1由電抗器線圈1-1和電抗器鐵芯1-2組成，電抗器鐵芯 1-2采用變截面，在鐵芯中間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的飽和程度 來改變電抗器的感抗值，如圖3所示為磁閥式可調(diào)電抗器的結(jié)構(gòu)和電路圖。電抗器的主 鐵芯分裂為兩半，截面積各為Ay,長度為1 lt。不同的是每一半鐵芯具有一長度為It的 小截面段，其面積為 (Λ < Λ)。四個(gè)匝數(shù)為N/2的繞組分別對稱地繞在兩個(gè)半鐵芯 柱上。每一半鐵芯柱上的上下兩繞組各有一抽頭比為δ =Ν2/Ν的抽頭，它們之間接有 晶閘管ΚΡ1、ΚΡ2。不同鐵芯的上下兩個(gè)繞組交叉連接后，并聯(lián)到電網(wǎng)，續(xù)流二極管則橫 跨在交叉端點(diǎn)上。由圖2可知，若KP1、Kp2F導(dǎo)通，根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)的對稱性可知，此時(shí) 電抗器與空載變壓器沒有差別。當(dāng)電源處于正半周時(shí)，晶閘管KpiS受正向電壓，Kp2S 受反向電壓。若Kpi被觸發(fā)導(dǎo)通(即a、b兩點(diǎn)等電位)，電源經(jīng)電壓比為δ的繞組自耦 變壓后由匝數(shù)為N2的繞組向電路提供直流控制電壓和電流。同理，若Kp2在電源負(fù)半周 時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，也將產(chǎn)生直流控制電壓和電流，而且，控制電流的方向與Kpi導(dǎo)通時(shí)一致。 在電源的一個(gè)工頻周期內(nèi)，可控硅ΚΡ1、ΚΡ2的輪流導(dǎo)通起了全波整流的作用，二極管起 著續(xù)流作用。改變?chǔ)?、ΚΡ2的觸發(fā)角便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵芯的飽和度，平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)電抗器的容量。由圖1可知，磁閥式可調(diào)電抗器鐵芯磁路由面 積較大的部分(面積為Ay,長度為I-It)和面積較小的部分(面積為Ayt，長度為It)串聯(lián)而 成。由于在磁閥式可調(diào)電抗器的整個(gè)容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，大面積段鐵芯的工作狀態(tài)始終處 于磁路的未飽和線性區(qū)，其磁阻相對小面積It段鐵芯很小，故予忽略?？梢?，磁閥式可 調(diào)電抗器的磁路是“閥式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)面積為Ayt的小截面鐵芯完全飽和時(shí)，相當(dāng)于磁閥門 全部關(guān)閉，磁阻最大，此時(shí)整個(gè)磁路猶如面積為、、長度為It的空氣隙(要注意，此時(shí)面 積為Ay的鐵心段不飽和)。而當(dāng)面積為Ayt的小截面鐵芯段處于未飽和線性區(qū)時(shí)，磁阻十 分小，磁力線幾乎完全從中通過，磁閥門完全打開。在其他情況下，磁力線將有一部分 通過面積為ArAyt的空氣隙，另一部分通過小截面鐵芯段，前者的磁阻為線性，后者的 磁阻為非線性，所以，電抗器的磁路由兩個(gè)并聯(lián)的磁阻組成。串聯(lián)電抗器單相容量的選擇如圖4所示，裝置接至母線，其電容器組和電抗 器串聯(lián)，一般三相采用中性點(diǎn)不接地星形連接，每相的容量相等，故可用圖4單相等值 回路表示。裝置的額定電抗率可下式計(jì)算，即K = XjXe,其中Ue = IeXe，Ul =
ICXL, Ql = UlIL = IL2XL = KIc2Xc = KQc由此可得，串聯(lián)電抗器單相容量等于電容器組單相容量乘以裝置的額定電抗率 K。串聯(lián)電抗器電抗率K的選擇并聯(lián)諧波諧振在電力系統(tǒng)中，安裝并聯(lián)電容器 組是為了補(bǔ)償無功功率，提高電壓水平。但加裝并聯(lián)電容器組會(huì)改變系統(tǒng)諧波阻抗的頻 率特性，對于工頻，系統(tǒng)的感抗Xs很小，因而一般不會(huì)發(fā)生諧振，但當(dāng)系統(tǒng)中含有諧波 分量時(shí)，就可能發(fā)生與系統(tǒng)的并聯(lián)諧振。如圖5所示，η為諧波次數(shù)；In為電網(wǎng)中諧波 電流源；Un為諧波電流注入點(diǎn)母線諧波電壓；nXs為系統(tǒng)等值諧波感抗；Xe/n為電容器 組諧波抗容；nX^為電容器組串聯(lián)電抗器諧波感抗。并聯(lián)諧振是系統(tǒng)與并聯(lián)電容器組產(chǎn)生的諧振，其諧振頻率取決于系統(tǒng)諧波感抗 和電容器組諧波容抗(電容器支路)，諧振條件為系統(tǒng)諧波感抗=并聯(lián)電容器諧波容 抗 _ 串聯(lián)電抗器諧波感抗，即 nXs = Xc/n-nXL 由 Xs = ω Ls、Xl = ω Ll> Xc = 1/ (ω C) 可得η ω Ls = 1/(η ω C)-η ω Le即諧振角頻率ω = l/nCLs+LjC而ω = 2F[f，故諧振頻 率f= l/2nn(Ls+LjC。當(dāng)η次諧波的頻率接近諧振頻率f時(shí)，就會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振， 這時(shí)回路中的電壓和電流同相位，其等值諧波感抗Xn = nXs (nXL-Xc/n) /nXs+nXL-Xc/ η,因發(fā)生并聯(lián)諧波諧振時(shí)nXs+nX^XcA，分母IiXj^nXfXcZnaO，故Xn值很大，而Un = InXn，因此變電所母線上的諧振電壓Un會(huì)很高。進(jìn)入電容器組支路的諧波電流分配Irai =InnXs/ (nXs+nXL-Xc/n)；進(jìn)入系統(tǒng)的諧波電流分量 Isn = In (nXL-Xc/n) / (nXs+nXL-Xc/ η)。進(jìn)入系統(tǒng)和電容器組支路的諧波電流分配因諧波次數(shù)、系統(tǒng)電抗和串聯(lián)電抗器電抗 率的不同而不同，有可能出現(xiàn)Isn>In，此時(shí)稱為系統(tǒng)諧波電流放大；也可能出現(xiàn)I。n> In,此時(shí)稱為電容器組諧波電流放大；當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)Isn>In、1。 >1 時(shí)，稱為諧波電流嚴(yán) 重放大。發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，諧波電流放大達(dá)到最大值。如前所述，發(fā)生并聯(lián)諧波諧振的條件是nXs+nXL = Xc/n,即nXs+nKXc = Xc/ η, K = l/n2_Xs/X。。并聯(lián)電容器組加裝串聯(lián)電抗器作為抑制諧波電流放大的有效措施， 電容器組裝置的額定電抗率應(yīng)K> l/n2_Xs/X。。設(shè)并聯(lián)電容器組裝置安裝處的母線短路 容量為Sd，則Sd = U2/Xs，又電容器組的容量Qc= (3U2/Xc)_2，故由K> l/n2-Xs/Xc可以推導(dǎo)出K > l/n2-Qc/Sd, Qc > Sd(IAi2-K)這就是并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范所給出的 校驗(yàn)避開并聯(lián)諧振的電容器組容量，設(shè)計(jì)在確定電容器組分組容量時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)背景 諧波，對分組電容器按各種容量組合運(yùn)行時(shí)，盡量避開諧振容量進(jìn)行校驗(yàn)，不得發(fā)生諧 波的嚴(yán)重放大和諧振。串聯(lián)諧波諧振由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組構(gòu)成的串聯(lián)回路對于η次諧波發(fā) 生串聯(lián)諧振的條件是ηχ^ = χ。/η，這時(shí)串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組構(gòu)成的串聯(lián)回路的 總電抗為零，電流和電壓同相位，回路電流達(dá)到最大值。要避免發(fā)生串聯(lián)諧振，則應(yīng)滿 足nXL > xc/n,即nKXc > Xc/n, K > 1/n2，即必須滿足K > 1/n2。由上述分析可知， 避開并聯(lián)諧振的電容器組裝置額定電抗率K必須滿足K> l/n2-Qc/Sd。由于電容器組容 量相對于系統(tǒng)短路容量很小即Qc/Sd比值很小，顯然避開發(fā)生串聯(lián)諧振的電容器組裝置額 定電抗率K的取值與避開并聯(lián)諧振K的取值非常接近。因此為避免運(yùn)行中因各種原因滑 入并聯(lián)諧振狀態(tài)，在實(shí)際工程中電容器組裝置額定電抗率K按滿足K > 1/n2取值時(shí)，須 留有一定裕度。達(dá)到的效果可以根據(jù)電網(wǎng)諧波情況調(diào)節(jié)電抗率達(dá)到最佳抑制諧波的效果，還 可以根據(jù)電網(wǎng)無功功率分組分別投切電容器時(shí)自動(dòng)通過調(diào)整電抗器的感抗值保持電抗率 K = XL/XC不變，以達(dá)到不改變抑制某一諧波的功能。
權(quán)利要求1.電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器，其特征在于，包括可調(diào)電抗器(1)和電容器組(2)； 可調(diào)電抗器(1)和電容器組(2)串聯(lián)后并聯(lián)在線路上。
2.如權(quán)利要求1所述的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器，其特征在于，電容器組(2)包括 多組開關(guān)(2-1)和多組電容器(2-2)；每一個(gè)開關(guān)(2-1)和每一個(gè)電容器(2-2)串聯(lián)后再 相互并聯(lián)，構(gòu)成電容器組(2)。
3.如權(quán)利要求1所述的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器，其特征在于，可調(diào)電抗器(1)包 括電抗器線圈(1-1)和電抗器鐵芯(1-2)構(gòu)成，電抗器鐵芯(1-2)采用變截面，在鐵芯中 間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的飽和程度來改變電抗器的感抗值。
4.如權(quán)利要求2所述的電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器，其特征在于，開關(guān)(2-1)可以是 交流接觸器、可控硅或復(fù)合開關(guān)；若開關(guān)(2-1)是交流接觸器，則在交流接觸器回路中 串接一個(gè)熔斷器，以保護(hù)開關(guān)。
專利摘要電抗可調(diào)式無功功率補(bǔ)償器包括可調(diào)電抗器和電容器組，可調(diào)電抗器和電容器組串聯(lián)后并聯(lián)在線路上，可調(diào)電抗器采用磁閥干式鐵心電抗器，主要用于高低壓電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償時(shí)抑制電網(wǎng)諧波和限制合閘涌流的作用，該電抗器可以通過調(diào)節(jié)電抗器的感抗值根據(jù)電網(wǎng)諧波情況使電抗率滿足一定要求達(dá)到最佳抑制諧波的效果，以達(dá)到既補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率，但又不改變抑制某一諧波的功能。
文檔編號H02J3/01GK201797318SQ201020118509
公開日2011年4月13日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者張金波, 薛興華 申請人:張金波, 薛興華