一種可動態無功補償的電力變壓器的製作方法

2023-06-03 11:40:16 1

專利名稱：一種可動態無功補償的電力變壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可動態無功補償的電力變壓器，屬於電力系統無功補償技術。
背景技術：
傳統的電力變壓器僅有傳輸和隔離電能的功能，無法實現對電網無功的自動補償。此外，電力變壓器本身對電網而言為感性負載，功率因數不高，尤其是在空載情況下，無功功率較大，也造成較大有功損耗，約佔整個配電網損耗的60～70％，而電力變壓器的銅耗與鐵耗過大會影響變壓器的性能，從而降低變壓器的使用壽命，同時電力變壓器的損耗也是對能源的一種浪費。
實用新型內容本實用新型提供了一種可動態無功補償的電力變壓器，它在負荷電流不變的情況下，減少了無功電流，總電流也隨之減少，實現了對電網無功功率的補償，提高了電網的運行質量；同時也實現了對電力變壓器自身的無功動態補償，從而降低了變壓器的損耗，延長了變壓器的使用壽命，節省了能源。
隨著無功發生器技術的成熟，可將電力變壓器和無功發生器結合起來，使電力變壓器具有動態無功補償功能，從而在改善電網供電質量的同時，減少變壓器自身的損耗。本實用新型的可動態無功補償的電力變壓器就是將普通電力變壓器和無功發生器結合起來，其電路原理框圖如圖1所示，它包括一個電壓等級為10KV/400V的電力變壓器(1)、一個含有三個PT和三個CT的採樣電路、一個正弦波脈寬調製(即SPWM)控制信號發生器(2)和一個電壓型逆變電路(3)，其連接關係是電力變壓器(1)低壓輸出側、採樣電路、正弦波脈寬調製控制信號發生器(2)、電壓型逆變電路(3)、電力變壓器(1)低壓輸出側依次相連。所述電力變壓器(1)用於傳輸、隔離和變換電能；含有三個PT和三個CT的採樣電路用於三相負載電壓和電流的採樣；正弦波脈寬調製控制信號發生器(2)用於處理負載電壓、電流信號，進而發出控制信號給電壓型逆變電路(3)；電壓型逆變電路(3)用於補償感性無功和容性無功，它由電壓型逆變器、直流儲能電容器C和三個連接電抗器組成，其中電壓型逆變器採用的是六單元逆變模塊IPM，內含由六個自換相功率開關器件IGBT所組成的三相全控橋式逆變電路，電壓型逆變器的直流端接直流儲能電容器C，交流輸出端通過三個連接電抗器La、Lb、Lc分別與電力變壓器低壓輸出側的a相、b相、c相相連。圖1中ea、eb、ec表示三相電路各相電壓，ea′、eb′、ec′和isa、isb、isc分別表示三相電路各相補償電壓和電流，V1～V6表示主電路的驅動信號。
正弦波脈寬調製控制信號發生器、採樣電路和電壓型逆變電路統稱為電壓型無功發生器(即ASVG)，它可以等效地看作成一個幅值和相位均可控制的與電網同頻率的交流電壓源，通過連接電抗器連接到電力變壓器的副邊，合理控制其輸出電壓的幅值和相位，就可以改變連接電抗器上的電壓，從而控制電壓型無功發生器發出無功功率的大小和性質，實現動態地補償電力變壓器，使電力變壓器輸出功率因數為1。
本實用新型不但增加了電力變壓器的動態無功補償功能，而且易於實現整體優化設計；同時本實用新型結構簡單，工作可靠，效率和功率因數高，應用性好，使用靈活，維護方便。


圖1是本實用新型的原理框圖；圖2(a)是電流超前時電壓和電流的矢量關係圖(r≠0時)；圖2(b)是電流滯後時電壓和電流的矢量關係圖(r≠0時)；圖3是採用PI調節的控制器框圖；圖4是無功發生器的控制電路框圖；圖5是IPM內部六個單元的其中一個電路功能框圖；圖6是IPM輸入輸出端的接線圖。
圖1中1-電力變壓器 2-正弦波脈寬調製控制信號發生器 3-電壓型逆變電路圖3中1-瞬時無功功率運算 2-電容電壓Ud的PI調節器 3-無功功率Q的PI調節器 4-電壓型無功發生器圖4中1-AD採樣電路 2-基於DSP的控制器 3-人機操作界面 4-基於DSP的脈衝發生器 5-切換判斷邏輯電路 6-主電路 7-同步PT圖6中1-IPM模塊 2-光電耦合器 3-報警輸出模塊具體實施方式
採樣電路是基於瞬時無功功率原理，設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，將它們變換到兩相正交的α-β坐標上，兩相瞬時電壓為eα、eβ，兩相瞬時電流為iα、iβ，則有
ee=231-12-12032-32eaebec]]>ii231-12-12032-32iaibic]]>根據α-β理論，瞬時有功功率和瞬時無功功率定義如下pq=ee-eeii]]>通常電壓型無功發生器的器件損耗用集中參數電阻r來表示，連接電抗器僅計其電感X，電壓型無功發生器輸出電壓為Ui，系統電壓為Us，主電路電流為I。
當忽略損耗即r＝0時，在保證向量Ui和向量Us同相的條件下，無功發生器的無功輸出就可由Ui幅值來調節，即當Ui的幅值大於Us的幅值時，電抗上的電壓與Us反向，由於電抗電流向量I落後電抗電壓90°，故電流I超前Us90°，發出容性無功功率；反之，當Ui的幅值小於Us的幅值時，電抗上的電壓與Us同相，則電流I落後Us90°，發出感性無功功率；當Ui的幅值等於Us的幅值時，處於零無功狀態。整個過程可用公式表示為Q=USUS-KaUiX]]>(K=32a,]]>a為SPWM的脈衝調製比)。即在直流側電壓為一常量時，可以利用調節a對輸出的無功進行控制。
當r≠0時，電壓和電流的矢量關係如圖2所示。此時Ui與Us不同相，而是存在一個角度差δ，並設Us超前於Ui時，δ＞0。假定脈衝寬度不變的條件下，調節無功發生器的無功功率主要靠改變電壓Ui與δ角，迫使內部直流電容器充電或放電，電容上的電壓發生變化，輸出電壓幅值也發生相應變化。當δ＞0時，幅值Ui＞Us，這時向電力變壓器副邊注入容性的無功功率；當δ＜0時，幅值Ui＜Us，這時向普通變壓器副邊注入感性的無功功率。因此，可以通過調節觸發角δ來調節所發出的無功功率。
設實際無功發生器的直流側電壓為Ud，開關器件門極觸發信號為SPWM調製信號，採用平均對稱規則採樣法，則Ui＝KaUd。記α＝tg-1(r/X)，穩態時得到Ui=Ussin(+)sin,Qs=Us22rsin2,Ud=Ussin(+)Kasin]]>由以上可知，當a恆定時，調節δ，即可調節無功Qs及電容電壓Ud；同時調節δ和a，即可在保持Ud恆定的情況下，發出或吸收所需的無功。其中無功功率和電容電壓均採用PI調節，其原理框圖如圖3所示一方面三相電路各相電壓的瞬時值ea、eb、ec和三相電路各相電流的瞬時值ia、ib、ic通過瞬時無功功率運算(1)得到無功功率Q，然後無功功率Q和無功功率Q的給定值QREF通過無功功率Q的PI調節器(3)調節產生一觸發角δ，最後把觸發角δ輸入給電壓型無功發生器(4)；另一方面電容電壓Ud和Ud的給定值UdREF通過電容電壓Ud的PI調節器(2)調節產生一脈衝調製比a，然後也把脈衝調製比a輸入給電壓型無功發生器(4)，最後電壓型無功發生器(4)連接到電力變壓器的低壓側，以調節電力變壓器所發出的無功功率。無功發生器的控制電路框圖如圖4所示電容電壓Ud(即無功發生器的直流側電壓)、三相電路各相電壓的瞬時值ea、eb、ec和三相電路各相電流的瞬時值ia、ib、ic通過含有三個PT和三個CT的採樣電路到AD採樣電路(1)，AD採樣電路(1)與兩個基於DSP的控制器(2)連接，兩個基於DSP的控制器(2)都直接接到基於DSP的脈衝發生器(4)，DSP作為控制晶片，計算出控制量δ並發送結果給基於DSP的脈衝發生器(4)，另一方面三相電路各相電壓的瞬時值ea、eb、ec從同步PT(7)進來到其中一個基於DSP的脈衝發生器(4)，另一個基於DSP的控制器(2)與人機操作界面(3)連接，通過人工控制輸入給定值，最後由基於DSP的脈衝發生器(4)發出脈衝給切換判斷邏輯電路(5)判斷，切換判斷邏輯電路(5)判斷後發出觸發脈衝給主電路(6)，並由主電路(6)通過連接電抗器到電力變壓器(1)的低壓輸出側。
電壓型逆變電路主要由電壓型逆變器、直流儲能電容器和連接電抗器組成。主要技術指標如下無功功率控制容量超前300Kvar至滯後300Kvar；系統額定電壓400V；逆變器結構IPM模塊；逆變器工作方式SPWM控制；控制方式恆定電壓控制加恆定無功控制；額定直流側電壓500V；開關元件IPM，1200V，300A；冷卻方式風冷。
連接電抗器的作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波，另外起到將無功發生器和變壓器副邊連接起來的作用。
直流儲能電容器用於為電壓型逆變器提供一穩定的直流電壓源，為了能吸收直流側諧波和增強無功發生器抵抗系統負序電壓造成負序及三次諧波過電流的能力，直流儲能電容器容量既不能選擇太小，也不能太大。為了減小輸出電壓諧波含量並確保IPM元件的安全運行，直流電容器的選擇應以抑制系統電壓不平衡時電容上兩倍周波交流電壓幅值為依據。
電壓型逆變器採用的六單元逆變模塊IPM，內含由六個IGBT所組成的三相全控橋式逆變電路。圖5中示出了IPM內部六個單元的其中一個電路功能框圖，IPM內部已包含驅動電路，但需提供驅動電源和開關控制信號。考慮到IPM的高頻開關工作能力，開關控制信號的傳輸隔離電路應具有儘可能短的傳輸延遲時間，以提高驅動電路參數的一致性。
應用IPM時其電路接線如圖6所示。圖中(1)表示IPM模塊，(2)表示光電耦合器，(3)表示報警輸出模塊，R2為上拉電阻，C1、C2為退耦電容，圖中示出了各管腳的接法，每個控制電源Ucc的兩端分別接IPM模塊的1和3、4和6、7和9、10和11端子，IPM模塊的2、5、8、13、14、15端子分別接光電耦合器的IGBT的集電極，16端子接報警輸出模塊的二極體的負極，P和N端分別接直流儲能電容器C的正負極，U、V、W分別接電力變壓器(1)的低壓輸出側，各元件的使用及注意事項如下(1)控制電源用4組。上橋臂每個IGBT都連接一個驅動電源，下橋臂的IGBT是共發射極的，共用一個電源驅動，4個電源間及其與主電源間是絕緣的。由於電源輸入側的地線關係，若各電源相互間連接，會造成誤動作，因此電源輸出側的GND端子不連接。
(2)下橋臂控制電源GND和主電源GND在IPM內部已連接，因此在IPM外部不連接，否則IPM下橋臂的內外將由於di/dt而產生環流，易引起誤動作。
(3)在各控制電源上連接退耦電容C1和C2，用於從電源到IPM之間布線阻抗的退耦。可取C1＝33uF，C2＝10uF。
(4)控制信號輸入端用R2＝20KΩ電阻上拉，以避免由於du/dt的作用而產生誤動作。
本實用新型使得無功發生器技術與電力變壓器融為一體，不但增加了電力變壓器的動態無功補償功能，而且易於實現整體優化設計；同時本發明結構簡單，工作可靠，效率和功率因數高，應用性好，使用靈活，維護方便，延長了電力變壓器的使用壽命。
權利要求1.一種可動態無功補償的電力變壓器，它包括一個電力變壓器、一個採樣電路、一個正弦波脈寬調製控制信號發生器和一個電壓型逆變電路，其特徵在於，它們的連接關係是電力變壓器低壓輸出側、採樣電路、正弦波脈寬調製控制信號發生器、電壓型逆變電路、電力變壓器低壓輸出側依次相連，所述電力變壓器用於傳輸、隔離和變換電能，正弦波脈寬調製控制信號發生器用於處理負載電壓、電流信號，進而發出控制信號給電壓型逆變電路，所述電壓型逆變電路由電壓型逆變器、直流儲能電容器和三個連接電抗器組成，電壓型逆變器的直流端接直流儲能電容器，交流輸出端通過三個連接電抗器La、Lb、Lc分別與電力變壓器低壓輸出側的a相、b相、c相相連。
2.根據權利要求1所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述電力變壓器電壓等級為10KV/400V。
3.根據權利要求1所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述採樣電路含有三個電壓互感器和三個電流互感器，用於採樣三相負載電壓、電流信號。
4.根據權利要求1所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述電壓型逆變器採用六單元逆變模塊。
5.根據權利要求4所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述逆變模塊是由六個自換相功率開關器件所組成的三相全控橋式逆變電路。
6.根據權利要求1所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述正弦波脈寬調製控制器根據負載工作情況，控制自換相功率開關器件的通斷。
7.根據權利要求5所述的一種可動態無功補償的電力變壓器，其特徵在於，所述自換相功率開關器件是絕緣門極電晶體。
專利摘要本實用新型是一種可動態無功補償的電力變壓器，它不但增加了電力變壓器的動態無功補償的功能，而且易於實現整體優化設計，其結構簡單，工作可靠，效率和功率因數高，應用性好，使用靈活，維護方便，延長了電力變壓器的使用壽命。本實用新型根據瞬時無功功率的原理，實時檢測出負載無功大小，通過正弦波脈寬調製策略，控制電壓型逆變電路，產生一與電力變壓器副邊輸出電壓u
文檔編號H02J3/18GK2659000SQ20032011834
公開日2004年11月24日 申請日期2003年11月21日 優先權日2003年11月21日
發明者張波 申請人:華南理工大學