大容量動態無功補償系統的製作方法
2023-07-18 22:27:06
專利名稱：大容量動態無功補償系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子產品，尤其是一種大功率用電設備使用的、能防止電壓閃變、提高功率因素的無功補償系統，具體地說是一種大容量動態無功補償系統。
背景技術：
眾所周知，鋼鐵廠電弧爐通常由電弧爐變壓器直接提供，其高壓側電壓通常為變電站的進線電壓，如10KV，或35KV，而低壓側直接連接電弧爐電極，通常為100V～1000V，變壓器變比很大。因為高壓側的等效阻抗與變壓器變比的平方成正比，所以在考慮電壓損耗時，高壓側的等效阻抗是不能忽略的。另一反面，當爐內工作，電極短接時，由於短路電流很大，在變壓器高壓側產生的壓降相對較嚴重，對電壓影響較大。電極短接是一個非常複雜的非線性過程，電流呈現很大的不規則性，再加上電爐變壓器的飽和，高壓側的電壓幅值就呈現一個隨時間變化，而周期不定的畸變電壓，其變化的頻率通常在0～25Hz。這樣的畸變電壓，在鋼鐵廠內、廠外等相鄰近的用電單位(低壓用戶)，會造成電壓的波動，由于波動頻率在視覺敏感區內(＜50Hz)，我們稱這種現象為閃變。
電壓閃變不僅對鋼鐵廠自身有危害，如照明系統、計算機和儀表，對電能質量的破壞也是很大的。很多供電系統要求鋼鐵廠和重負載單位安裝抑制電壓閃變的裝置。根據國家標準，用電單位的電壓閃變不能超過0.8的限值(按三相母線pst的95％的概率，GB12326-2000)，而一般利用電弧爐作為煉鋼爐的鋼鐵廠的電壓閃變值為1.0～2.5之間，遠遠超過其國標規定的限值。
和鋼鐵廠類似的是電氣鐵路中諧波的汙染，由於現在的電氣鐵路很多都引進變頻器或其它電力電子設備，諧波汙染是通病，而比諧波更加難以對付的是電壓閃變。因為火車的起、停都是一個很大的帶負載衝擊過程，加上變頻器的非線性整流，而電氣火車的變壓器也是與鋼鐵廠類似，有不可忽略的等效阻抗，電壓閃變難以消除。
除以上二類用電單位外，很多輕、重工業也經常遇到相似的情況，只不過許多用戶還沒有能力去識別，或者設計單位依靠改變供配電系統，達到降低等效阻抗的目的，直接消除電壓閃變的隱患。
而影響電壓閃變的主要因素有三個，它們分別是1)功率因素；2)諧波；3)有功功率。
一般鋼鐵廠和電氣鐵路普遍存在的問題是功率因素低和諧波分量嚴重。電弧爐本身的功率因素在0.6～0.9之間，這樣低的功率因素很容易造成電壓不穩，無功補償是鋼鐵廠必須的措施。另外，電弧爐產生幾乎各種分量的諧波，從三次，五次，七次，一直到高次諧波都存在。國家標準規定其電壓諧波均方總和(電壓THD)不能超過2％的限值。
電壓閃變主要由高電流THD和低功率因素引起，同時，近年來的研究表明，有功功率的不穩定也是產生電壓閃變的部分原因。
為了有效地抑制電壓閃變，消除電流諧波和補償無功功率是目前迫切需要解決的問題，消除諧波常用的方法是用LC濾波，由於LC濾波器只能產生固定的諧振頻率，要消除多次諧波(三次，五次，七次…)，就需要多個LC濾波器組。在實際應用上有一定的局限性，同時LC濾波器有與系統形成諧振的可能性，對系統的總體穩定性有潛在的危害，所以工業界在尋找利用其它途徑達到，或部分達到抑制諧波的目的。
對電壓穩定有很大影響的當屬無功功率，目前，無功功率的補償主要依靠以下幾種動態措施1、同步調相機(Synchronous Condensor)它是最早使用的無功補償裝置，但由於設備製造成本高，因本身是一臺同步電機，不符合工廠經濟運行的條件，更不要說同步調相機的響應速度慢，在技術上很難滿足要求。
2、飽和電抗器它利用鐵芯飽和時在電壓高時吸收無功，電壓低時釋放無功，達到調節無功功率的目的。它的響應速度較快，但很明顯的缺點是由於鐵芯飽和時由於非線性產生諧波，另外，它不能同時達到不對稱補償和分相調節的目的。
3、靜止無功補償器(SVC，Static Var Compensator)它利用可控矽(Thyristor)開關原理，有選擇地瞬時切入電感和電容值，它是目前使用最廣泛的、大容量動態無功補償裝置。根據實際需要，SVC有以上幾種形式(1)TSC(Thyristor-Switched Capacitor)，它利用可控矽電壓過零時導通，電流過零時自然斷開的原理，將電容器切入線路，補償無功，其補償值由可控矽的導通角控制。
(2)TCR(Thyristor-Controlled Reactor)，TCR一般與固定的電容器組(FC，Fixed Capacitor)並聯使用，即FC+TCR(它也是用可控矽控制導通角，達到吸收無功的目的)，既能吸收無功量，又能控制釋放無功量。
(3)TSC+TCR，它是TSC和TCR聯合使用，能達到在較大範圍內平滑調節無功功率。
4、靜止無功發生器(SVG，Static Var Generator)，它利用晶閘管電路逆變原理，將直流電壓轉變成隨意選擇的交流輸出。此方案也是本項目的核心(具體技術在可行性中詳述)，它與前面的動態無功補償方式的區別是(1)能達到連續調節；(2)前面所提的動態補償裝置都是利用可控矽(Thyristor)，而可控矽不能被強制關斷，只能等電流過零時自然關斷，這就限制了以上3種方法的響應時間，而SVG使用可關斷的晶閘管，響應速度快；(3)SVG可以提供任何變量輸出，如無功分量，諧波分量，這是單一的動態無功補償器1)至3)所不能實現的。
以上種種無功補償只能實現靜態補償，一旦負荷發生變化，而補償量無法適應其變化，經常出現過補或補償不足，以致於經常出現功率因素過低或造成設備損壞等事故的發生，造成嚴重的經濟損失。
發明內容
本發明的目的是針對現有的無功補償裝置只能進行靜態補償所造成的過補或補償不足影響設備正常運行的問題，設計一種能根據負載負荷的變化動態調整補償量的大容量動態無功補償系統。
本發明的技術方案是一種大容量動態無功補償系統，包括耦合變壓器、逆變電容，三相無功動態補償電路呈「Y」型與耦合變壓器的初級繞組相連，耦合變壓器的次級繞組呈「△」型接法並將對應無功分量電流耦合後接負載，其特徵是所述的三相無功動態補償電路的結構相同，每相無功動態補償電路由四個IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4及二個二極體D1、D2組成，IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4串接相連，Q1的源極作為該相電路的輸入端接逆變電容的一端，Q2的發射極與Q2的源極相連，Q2的發射極與Q3的源極相連，Q3的發射極與Q4的源極相連，Q4的發射極作為相電路的另一輸入端接逆變電容的另一端，Q1、Q2、Q3、Q4的柵極作為該相動態耦合電路的控制端與主要由軟體控制的控制系統相連，二極體D1、D2也串接相連，二極體D2的正極與Q3、Q4的串接點相連，二極體D1的負極與Q1、Q2的串接點相連，Q2、Q3的串接點作為該相電路的輸出與耦合變壓器Y型連接，二極體D1、D2的串接點作為公共接地端接系統零線。
所述的耦合變壓器的初級繞阻至少接有一組與其呈「Y」型接法的三相動態補償電路組。
所述的逆變電容由二個或二個以上的能交替輸出交流電並儲能的相同電容串接而成，它們的串接點接系統零線。
本發明的有益效果本發明將大功率IGBT管用於功率補償，解決了現有的補償裝置無法實現動態補償的技術難題，它尤其適用變閃電壓變化大的負載，可大大節約設備投資，提高設備運行的可靠性。
本發明用途廣泛，成本低。
圖1是本發明的無功補償系統示意圖。
圖2是本發明的一個具體應用示例圖。
圖3是本發明的控制原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示。
一種大容量動態無功補償系統，包括耦合變壓器、逆變電容，三相(為一組)無功動態補償電路呈「Y」型與耦合變壓器的初級繞組相連，耦合變壓器的次級繞組呈「△」型接法並將對應無功分量電流耦合後接負載，所述的三相無功動態補償電路的每相的結構均相同，每相無功動態補償電路由四個IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4及二個二極體D1、D2組成，IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4串接相連，Q1的源極作為該相電路的輸入端接逆變電容的一端，Q2的發射極與Q2的源極相連，Q2的發射極與Q3的源極相連，Q3的發射極與Q4的源極相連，Q4的發射極作為相電路的另一輸入端接逆變電容的另一端，Q1、Q2、Q3、Q4的柵極作為該相動態耦合電路的控制端與主要由軟體控制的控制系統相連(如圖3所示)，二極體D1、D2也串接相連，二極體D2的正極與Q3、Q4的串接點相連，二極體D1的負極與Q1、Q2的串接點相連，Q2、Q3的串接點作為該相電路的輸出與耦合變壓器Y型連接，二極體D1、D2的串接點作為公共接地端接系統零線。如圖1所示。
所述的耦合變壓器的初級繞阻接有一組或二組(圖1中的另一組是用一等效符號代替的)與其呈「Y」型接法的三相動態補償電路組，根據需要還可以接有二組以上的呈「Y」型接法的三相動態補償電路組，它們之間相互並聯。逆變電容可為一個，也可為由二個或二個以上的能交替輸出交流電並儲能的相同電容串接而成，它們的串接點接系統零線。
圖2是本發明的大容量無功補償系統在電弧爐中的一個具體應用例。
該電弧爐由一臺10MVA，110kV/10kV/600V電弧爐變壓器提供電源，功率因素為0.6～0.85，需要補償的無功功率為8MVAR。其諧波分量在110kV母線上，電壓THD為6.2％，經測試含少量的三次，多量的五次，七次和高次諧波，A，B，C三相電壓閃變的95％概率分別為1.906，1.814，2.002，嚴重超過國標的限定值0.8.
根據以上實際情況分析，現提出以下解決辦法1)利用LC固定濾波器組濾去部分低次諧波(3，5，7次)；2)採用大容量無功補償系統，提供無功補償，同時，由大容量無功補償系統濾掉剩下的高次諧波(11，13…)。所以，大容量無功補償系統起到雙重作用，既作為動態無功補償，也作為有源濾波。
本實例除了以上功能外，還利用大容量無功補償系統的逆變裝置直流母線上多餘的貯能，部分補償有功功率，進一步抑制電壓閃變。
大容量無功補償系統和電弧爐變壓器的連接方式為並聯，由於並聯對電流控制最有效，所以SVG提供產生電壓閃變的各種電流分量IQ-無功分量電流；IH-諧波分量電流；IP-有功分量電流(小部分)。
如將SVG具體化，則SVG為一電壓源型，三電平(Three-Level)逆變器，三相三繞組分裂式藕合變壓器輸出。
本實例的大容量無功補償系統結構設計依據如下1)利用電壓源型逆變器可以直接控制電流和提供無功功率；2)三電平可以增加電壓等級，因而增加容量，另外將SVG本身的諧波分量往上推進一級(12次鄰近)；3)三繞組分裂變壓器使總體容量增加一倍，同時將SVG系統諧波分量又往上推進一級(24次鄰近)；4)控制模式為電流控制，逆變器能產生任何波形的電流分量(圖2)。
根據以上分析，具有多電平，三繞組藕合變壓器的電壓逆變型大容量無功補償系統可以產生大容量、低諧波、連續調節的無功發生器和有源諧波源。
要解決電壓閃變的問題，無功補償是第一步，而由於很多負載消耗無功呈現很大的變化範圍，現將一臺最大容量為8MVAR(負載10MVA)，其真正的變化範圍為±4MVAR的大容量無功補償系統為例，來說明系統設計方案。
1)晶閘管元器件由於本裝置需要較大的MVAR輸出，對元器件的要求是大容量，現在較成熟的元器件為GTO，IGBT，IGCT。選用GTO較為可靠。本裝置安排24個GTO單立元件，同時需要12個鉗位二極體。
2)吸收器每個晶閘管都需要吸收器保護電路，IGCT取消吸收器，但該技術還沒有得到足夠時間的驗證，本項目提倡使用GTO帶吸收器。
3)直流母線電壓源逆變器需要較為可靠的直流電容，該電容既要用作濾波(高頻)，又作為貯能作用。直流電容電壓的控制也是本項目的關鍵。
4)三相三裂變藕合變壓器藕合變壓器要求對高、中、低頻損耗都要小，同時，藕合變壓器決定SVG輸出電壓，所以藕合變壓器的設計按具體實際情況而定。
5)通訊系統通訊包括大容量無功補償系統內部電子線路板和晶閘管元器件的通訊，以及人機對話通訊。本項目採用光纖電纜作為驅動板至晶閘管元器件門電路的連接線，以求達到減少內部電磁幹擾、以及抗外部幹擾，避免誤開通和誤動作的目的。SVG操作人員採用RS485電流接口模式，所有SVG參數和起動變量都通過SVG設備前的RS232接口，達到人機對話。
6)短路保護大容量無功補償系統裝置設計合理的短路電流容量和相應的過電流保護裝置，各晶閘管(如GTO)都帶過電流自動切斷信號，直流母線過電壓放電保護，以及藕合變壓器負載側過電流保護，同時，藕合變壓器帶三相零序保護，所有暴露裝置都帶有避雷保護。
7)中央處理單元(CPU)CPU模塊採用TI公司TMS320系列DSP數位訊號處理晶片，TMS320系列有專門供脈衝調寬(PWM)功能，在去諧PWM的基礎上，SVG能工作在空間矢量去諧脈衝調寬SVSHPWM狀態。
8)機櫃按照設計容量，SVG所需空間不等，但以下幾個基本機櫃為必需的①晶閘管(GTO)柜子4隻②電容器櫃 1隻③開關和保護裝置 1隻④藕合變壓器 1隻⑤濾波(L-C) 1隻每隻機櫃為標準電氣控制櫃(850mm×700mm×2000mm)。
衡量一套大容量無功補償系統電壓閃變抑制裝置，需要從它起到的效果和本身的技術指標考慮，技術指標如下1)容量8MVAR(±4MVAR)，電壓11kV2)損耗＜2％3)諧波電壓THD＜2％4)響應速度＜10mS除了以上技術指標外，大容量無功補償系統的抑制電壓閃變是一項最重要的指標，它常用電壓閃變改善率來衡量改善率＝(無補償時電壓閃變-補償後電壓閃變)/無補償時電壓閃變為了達到低於國標規定的電壓閃變限值(0.8)，則改善率至少要在50％以上，而改善率又和大容量無功補償系統容量成比例。所以，合理選擇適當的大容量無功補償系統容量和電壓閃變改善率之間，需要考慮大容量無功補償系統的成本。
電壓閃變為電弧爐煉鋼廠和電氣鐵路電力網的通病，使用大容量無功補償系統作為有源濾波和無功補償是目前最為先進和最為可靠，同時又是比較經濟的解決方法，很多用電單位已指明使用SVG，而非其它的補償辦法。另一方面，我國最近幾年鋼鐵廠上馬項目較多，另外，電氣鐵路也在普及化，所以市場對SVG的需求是呈增加的趨勢。
一臺進口的大容量無功補償系統，按1MVA計算售價為100萬美元，而一般電弧爐鋼鐵廠需要相當於電弧爐容量的80％才能滿足要求，即一臺10MVA的電弧爐需要8MVA的大容量無功補償系統，總裝置為400萬美元左右(按50％成套價，美國Westinghouse價格)，即折合人民幣3300萬左右。而經專家估計，一臺8MVA的SVG，其硬體設備(進口)成本為700萬元人民幣，其差額部分主要為技術成本。
通過對市場的綜合分析，一臺國產的大容量無功補償系統電壓閃變抑制系統為人民幣100萬元/1MVA，容量每增加1MVA，價格就相應地增加100萬。這樣的價格較能為用戶接受，而1MVA成本為60萬元，其差額為利益，即獲利40％，符合國家電氣工程預算定額標準的規定。
國產電壓閃變抑制系統和進口相比，價格上的巨大差額，主要是技術成本，當然進口設備可靠性高和運行靈活，解決實際問題的效果好也是不爭的事實，但和很多電氣設備不同的是，安裝大容量無功補償系統後，只要達到電壓閃變低於標準限值，同時，可靠性高，則成套價格是用戶考慮的主要因素。
要達到以上條件，設備研製人員的技術水平是很重要的，但現場工程技術人員的實際分析和調試能力也相當重要，因為只有對具體情況作出具體分析後，才能指導設計。
具體實施時還應考慮的問題有1)電磁兼容性大容量無功補償系統一般安裝在環境條件比較惡劣的地方，尤其是在電弧爐周圍，電磁幹擾很容易導致大容量無功補償系統內部功率元器件的誤開通，以及電子線路的損壞，嚴重時會損壞功率元器件。大容量無功補償系統的設計主要採用以下措施①利用隔離變壓器；②利用光電轉換器；③利用光纖通訊；④電路板採用屏蔽場接地；⑤合理設計線路板。
2)散熱對大容量無功補償系統可靠性最大的考驗就是功率管的壽命，而壽命是同其通過的電流(包括衝擊)而由此帶來的熱量決定的，散熱器的設計採用大循環通風、小循環回流的形式。
3)功率管的合理選擇根據現階段的實踐，GTO是最可靠的元器件，但是，IGCT在逐漸取代GTO，它的主要特點之一是廢棄了吸收器，既降低了成本，又提高了整體裝置的可靠性，本項目雖然選擇GTO作為功率元器件，但為將來使用IGCT留有餘地。
4)損耗本項目旨在將損耗降到最低。現階段使用最多的是軟開關(Soft-Switching)技術，它是根據功率管開啟和關斷時瞬間電流為零，或瞬間電壓為零的原理達到瞬間損耗為零的目的，如使用合理，則可將功率管損耗降低一半。
5)對電網的汙染大容量無功補償系統是用來提供無功補償和有源濾波，但由於它本身是一個諧波源(晶閘管斬波)，對電網電壓會產生一定的影響，但設計合理時，其總體電壓THD會限制在2％之內，低於國標規定的最大限值。
6)保護裝置大容量無功補償系統有一套智能化的保護功能，它既保護功率管，也提供系統故障保護，如在最嚴重的藕合變壓器環流過電流時，檢測出非正常運行，大容量無功補償系統自動從系統上斷開(空載斷開進線開關)。
權利要求
1.一種大容量動態無功補償系統，包括耦合變壓器、逆變電容，三相無功動態補償電路呈「Y」型與耦合變壓器的初級繞組相連，耦合變壓器的次級繞組呈「△」型接法並將對應無功分量電流耦合後接負載，其特徵是所述的三相無功動態補償電路的結構相同，每相無功動態補償電路由四個IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4及二個二極體D1、D2組成，IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4串接相連，Q1的源極作為該相電路的輸入端接逆變電容的一端，Q2的發射極與Q2的源極相連，Q2的發射極與Q3的源極相連，Q3的發射極與Q4的源極相連，Q4的發射極作為相電路的另一輸入端接逆變電容的另一端，Q1、Q2、Q3、Q4的柵極作為該相動態耦合電路的控制端與主要由軟體控制的控制系統相連，二極體D1、D2也串接相連，二極體D2的正極與Q3、Q4的串接點相連，二極體D1的負極與Q1、Q2的串接點相連，Q2、Q3的串接點作為該相電路的輸出與耦合變壓器Y型連接，二極體D1、D2的串接點作為公共接地端接系統零線。
2.根據權利要求1所述的大容量動態無功補償系統，其特徵是所述的耦合變壓器的初級繞阻至少接有一組與其呈「Y」型接法的三相動態補償電路組。
3.根據權利要求1所述的大容量動態無功補償系統，其特徵是所述的逆變電容由二個或二個以上的能交替輸出交流電並儲能的相同電容串接而成，它們的串接點接系統零線。
全文摘要
一種大容量動態無功補償系統，屬於電力電子技術領域，它包括耦合變壓器、逆變電容，其特徵是所述的每相無功動態補償電路由四個IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4及二個二極體D1、D2組成，IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4串接相連，二極體D1、D2也串接相連，二極體D2的正極與Q3、Q4的串接點相連，二極體D1的負極與Q1、Q2的串接點相連，Q2、Q3的串接點作為該相電路的輸出與耦合變壓器Y型連接，二極體D1、D2的串接點作為公共接地端接系統零線。本發明解決了現有的無功補償不能動態響應的問題，具有補償效果好，從根本上解決了大容量負載的動態補償問題，有利利用電設備的正常、高效運行。
文檔編號H02M1/42GK101071946SQ200710022178
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月18日 優先權日2007年5月18日
發明者尹嶽新 申請人:南京新亞能源自動化有限公司