電解系統變壓器低壓連接無功補償和有源濾波裝置的方法
2023-10-04 02:32:04
專利名稱：電解系統變壓器低壓連接無功補償和有源濾波裝置的方法
技術領域：
本發明涉及電力電網無功功率補償和諧波消除，特別適用於電解系統變壓器低壓連接無功補償和有源濾波裝置的方法。
背景技術：
電力系統為了確保供電的電能質量，一般在電解裝置的高壓側即輸電系統加裝無功功率補償和諧波消除裝置，但由於電解裝置低壓側以及低壓側的線路是無功功率和諧波產生的根源，無功功率和諧波要通過電解裝置低壓側以及低壓側的線路與安裝在高壓側的無功補償裝置發生能量交換，交換路徑長，不能做到動態實時補償和就地補償，因此利用現代控制技術將電容無功補償裝置和諧波消除裝置安裝在電解裝置的低壓側，能夠達到就地補償的目的，該技術已是成熟技術，有數十家化工企業使用了該技術，達到了降低線路損耗、提高功率因數、增加有功輸出的目標，但該技術由於採用了平均值的監控方案，沒有監測無功功率以及諧波電流的瞬時值，不能達到動態實時補償的目的，提高產量和降低能耗的效果降低。目前電力系統存在無功功率較大和諧波汙染問題，大量無功電流在電網和電解裝置以及低壓側中的流轉會導致線路損耗增大，電解裝置利用率降低，用戶電壓跌落嚴重，電能質量嚴重下降；諧波汙染則會使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。無功功率和諧波對公用電網和其他系統的危害大致由以下幾個方面1.無功功率使電解裝置傳遞有功功率的能力大幅度降低，電解裝置能夠傳遞的總功率為S=P2+Q2]]>(其中P為有功功率，Q為無功功率)
當輸電系統和電解裝置總功率確定時，無功功率增加有功功率將減小。
2.諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的三次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。
3.影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使電解裝置局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。
4.諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使諧波危害大大增加，甚至引起嚴重事故。
5.諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀表計量不準確。
6.諧波對臨近的通信系統產生幹擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。
隨著電力電子技術的不斷發展，輸電網絡將無功功率補償裝置和諧波消除裝置的研究方向有源濾波裝置(APF)轉移，即利用可控的大功率半導體器件向電網注入與原有無功和諧波電流幅值等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零並使無功功率趨於無限小，達到動態實時補償無功和諧波電流的目的。目前該技術主要應用在輸電網中，美國、日本、德國分別應用了幾套有源濾波(APF)裝置。中國在1999年擁有了第一套有源濾波(APF)裝置，目前應用於輸電網絡的技術已近基本成熟。該技術利用瞬時無功功率理論和小波變換的分析方法，實時監測和動態控制了輸電網絡即電解裝置高壓側的無功功率與諧波，但該技術由於採用了連接在電解裝置高壓側的方案，仍存在沒有使無功功率以及諧波電流在最短路徑上流轉，不能達到就地補償的目的，對提高產量和降低能耗的效果仍受到同樣有限的缺陷。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構合理、降低電解裝置和電解裝置低壓側配電線路的無功功率和諧波，做到無功功率和諧波在最短路徑上流轉以及實現就地補償和動態實時補償，降低電解裝置和低壓側線路損耗，提高電解裝置傳遞有功功率的能力的電解系統變壓器低壓側連接無功補償和有源濾波裝置方法本發明的技術方案是這樣解決的一種電解系統單繞組變壓器低壓連接無功補償和有源濾波裝置的方法，在單繞組變壓器的一次側連接有工業控制機、一次側電量採集器，二次側連接有整流裝置和電解槽、二次測電量採集器、PLC，其改進之處在於在單繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯連接有至少一組電容補償裝置和一組有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a、b、c相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x、y、z相連接，兩組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器和電感器組成有源濾波裝置，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路a、b、c相連接，笫二組的一端分別與變壓器二次側主迴路x、y、z相連接，兩組有源濾波裝置的另一端與電容器或電感器連接。
一種雙繞組變壓器的一次側連接有工業控制機、一次側電量採集器，二次側連接有整流裝置和電解槽、二次測電量採集器、PLC，其改進之處在於在雙繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯有至少四組電容補償裝置和有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a1、b1、c1相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a2、b2、c2相連接，笫三組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x1、y1、z1相連接，笫四組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x2、y2、z2相連接，四組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，有源濾波裝置包括有由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器組成，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路a1、b1、c1相連接，笫二組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路a2、b2、c2相連接，笫三組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路x1、y1、z1相連接，笫四組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路x2、y2、z2相連接，四組有源濾波裝置另一端各自並聯為一體。
本發明與現有技術相比，結構合理、降低電解裝置和電解裝置低壓側配電線路的無功功率和諧波，做到無功功率和諧波在最短路徑上流轉以及實現就地補償和動態實時補償，降低電解裝置和低壓側線路損耗，提高電解裝置傳遞有功功率的能力。具體特點如下1.具有自適應功能，實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。
2.可同時對諧波和無功功率進行補償，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補償無功功率的大小可以做到連續調節。
3.受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振；且可以跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。
4、由於補償系統為變壓器的二次側，容量有大有小，電壓有高有低，所以裝置使用積木式結構，即小容量成套專用裝置依據變壓器二次側無功功率狀態和諧波的大小再進行串並聯，達到電壓和電流滿足變壓器二次側要求，達到無功功率和諧波在最短路經上流轉以及實現就地補償和動態實時補償的目的。針對於變壓器普遍的三相四線制結構。利用該結構可以消除零序分量的諧波電流，實現不對稱控制。裝置的主電路採用三相全橋逆變器結構，直流側為電容器。
5、快速吞吐無功該專用裝置可以快速無級差地連續吸收或者釋放無功功率，動作時間為幾十毫秒，使得電網功率因數為1。傳統的電容器組投切專用裝置由於受到放電時間的限制，不能有效的補償快速變化的無功功率，而且電容器都是分組投切，因此它的補償精度受到級差的限制，補償效果不好。另外電容器只能釋放無功，不能吸納無功，因此在容性負荷場合不能達到減少電流、降低線損的目的，增加有功功率15％，降低消耗7％。
6、補償電流諧波該專用裝置可以補償2--31次電流諧波，使得電源潔淨，提高用戶的電能質量。由於採用了瞬時電流檢測理論，可以有效地檢測並分離出需要補償的電流諧波，這樣就可以及時準確地發出指令，實現電流諧波補償。
7、抑制電壓閃變電網電壓在遇到大負荷開停或者遇到故障情況時會出現短暫的電壓閃變，即電網電壓會突然跌落，持續時間很短，只有幾十到幾百個毫秒。人眼很難觀察到這個閃變對用電帶來的影響，但是有些精密加工企業的精密設備卻不能忍受這種電壓閃變，每次電壓閃變都可能導致生產出廢品，甚至使得某些機器出現重新啟動的現象。該專用裝置動作時間為幾十個毫秒，因此可以有效地抑制電網電壓的閃變。
8、響應時間快自動投切電容器組專用裝置的響應時間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時間所限制。國標規定電力電容器放電時間為3秒鐘，如果放電時間太少，則電容器的剩餘電荷不能放電乾淨，如再次投入可能會導致電容器發生過壓擊穿現象。
9、不會引起諧振短路雖然該專用裝置仍然採用並聯型結構，但是它與電網之間有連接電抗器，因此不會出現並聯諧振現象。
10、精準電壓控制該裝置除了可以按照功率因數或者無功功率控制之外，還可以按照電壓幅值來控制，確保用戶獲得的電壓的平穩性，降低電壓紋波。
本發明適用於電力行業、冶金行業、化工行業、國防等單位在變壓器二次側作為無功功率和諧波在最短路經上流轉以及實現就地補償和動態實時補償的目的。有較好的經濟和社會效益。
圖1為本發明主迴路電路連接示意圖；圖2為本發明單繞組主迴路電路連接圖；圖3為本發明雙繞組主迴路電路連接圖；圖4為本發明電壓型橋式電路連接圖；圖5為本發明電流型橋式電路連接圖；圖6三相三線制有源濾波裝置主迴路電路連接圖；圖7單相有源濾波裝置主迴路電路連接圖；圖8三相四線制有源濾波裝置主迴路電路連接圖；圖9為主迴路A相系統仿真波形圖。
具體實施例方式
附圖為本發明的實施例下面結合附圖對本發明的發明內容作進一步說明參照圖1所示，在單繞組變壓器的一次側連接有工業控制機、一次側電量採集器，二次側連接有整流裝置和電解槽、二次測電量採集器、PLC。
圖2所示，為本發明單繞組主迴路電路連接圖，在單繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯連接有至少一組電容補償裝置和一組有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a、b、c相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x、y、z相連接，兩組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器和電感器組成有源濾波裝置，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路a、b、c相連接，笫二組的一端分別與變壓器二次側主迴路x、y、z相連接，兩組有源濾波裝置的另一端與電容器或電感器連接。
圖3為本發明雙繞組主迴路電路連接圖，雙繞組變壓器的二次側連接有整流裝置和電解槽，其特徵在於在雙繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯有至少四組電容補償裝置和有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a1、b1、c1相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路a2、b2、c2相連接，笫三組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x1、y1、z1相連接，笫四組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路x2、y2、z2相連接，四組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，有源濾波裝置包括有由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器組成，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路a1、b1、c1相連接，笫二組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路a2、b2、c2相連接，笫三組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路x1、y1、z1相連接，笫四組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路x2、y2、z2相連接，四組有源濾波裝置另一端各自並聯為一體。
圖4為本發明電壓型橋式電路連接圖，電壓型橋式電路，串聯連接電抗器X併入電網，由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器和電感器組成有源濾波裝置，交流側並聯電容器。
圖5為本發明電流型橋式電路連接圖，採用電流型橋式電路，二次側分別連接的是電容和電感，三個電容器及三對晶閘管分別與變壓器二次側主迴路a、b、c相連接。
所謂電解裝置低壓側有源濾波裝置APF，在本專利中就是專指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態實時無功補償的裝置。APF的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接並聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者輸出滿足要求的無功電流，實現動態實時無功補償的目的。APF分為採用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型，其電路基本結構分別如圖4和圖5所示，圖4為採用電壓型橋式電路，圖5為採用電流型橋式電路，直流側分別採用的是電容和電感這兩種不同的儲能元件。對電壓型橋式電路，還需再串聯上連接電抗器才能並人電網；對電流型橋式電路，還需在交流側並聯上吸收換相產生的過電壓的電容器。
圖6三相三線制有源濾波裝置主迴路電路連接圖，由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，兩晶閘管首尾連接組成一組，共三組，每組抽頭與變壓器二次側繞組末端x、y、z相連接，交流側並聯電容器。
圖7單相有源濾波裝置主迴路電路連接圖，變壓器二次側單相六線制分別連接兩個有源濾波裝置，其中一個有源濾波裝置由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，兩晶閘管首尾連接組成一組，共三組，每組抽頭與變壓器二次側繞組末端x、y、z相連接，交流側並聯電容器，另一個有源濾波裝置與變壓器二次側主迴路a、b、c繞組相連接，交流側並聯電容器。
圖8三相四線制有源濾波裝置主迴路電路連接圖，一個有源濾波裝置由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，兩晶閘管首尾連接組成一組，共三組，每組抽頭與變壓器二次側繞組末端x、y、z相連接，零線接地，交流側並聯電容器。針對於電解裝置普遍的三相四線制結構。利用該結構可以消除零序分量的諧波電流，實現不對稱控制。裝置的主電路採用三相全橋逆變器結構，直流側為電容器。
圖9為主迴路A相系統仿真波形圖。(a)曲線表示整流負載電流；(b)曲線表補償後系統電流、電壓；(c)曲線表示APF輸出電流。
從圖9(b)可以看出，經過補償後電流諧波大大減小，並且電流波形和電壓波形在相位上完全一致，達到了提高功率因數、補償諧波的效果。
實施例圖9是該容量為150KVar、運行電壓10kV的電解裝置低壓側有源濾波裝置在型號為S7-35/10容量為5000KVA的配電電解裝置低壓側運行的測試效果圖。
通過輸電網絡的有源濾波裝置和電解裝置的二次無功補償裝置兩項技術相結合的電解裝置低壓側有源濾波裝置，能從源頭補償無功和治理諧波，做到了動態實時補償和就地補償，達到節能降耗和增加產量的目的，具有很好的社會和經濟效益。
綜上所述，電解系統有源濾波裝置與以往的有源濾波裝置、有源無功補償裝置如自動投切電容器組裝置和SVC在電解系統的連接方法上相比具有如下突出的實質性特點和顯著的進步1、首次將有源濾波裝置連接在電解系統整流變壓器與整流裝置之間採用無功潮流控制理論，將有源濾波裝置連接在電解系統整流變壓器與整流裝置之間，連接在電解系統無功功率和諧波電流產生的節點上，使電解系統無功和諧波的激變幅度減小，並使原來需要通過大電流低電壓短網與電網交換的無功功率和諧波電流變成與連接在無功節點上的有源濾波裝置交換，大幅度縮短了無功功率和諧波流轉路徑。潮流控制理論一般用在用電電網中，將供電網成熟的技術應用於電解系統中通過無功潮流的綜合控制，實現無功功率在電解系統的最小幅值交換和最短路徑流轉。
有源濾波裝置一般用在輸電網中，將輸電網成熟的技術應用電解系統整流變壓器與整流裝置之間，實現無功功率和諧波電流的動態實時補償和就地補償，通過有源濾波裝置的積木式並聯連接的組合控制，實現使電解系統變壓器的總諧波電流為零並使連接點的無功功率趨於無限小。
2、首次在電解系統實現了無功功率和諧波電流的動態實時補償、就地補償與全頻次諧波補償本發明應用瞬時無功功率理論，採用基於小波分析的實時動態在線檢測技術，可以實時在線檢測電解系統無功功率節點和激變點上的無功電流、有功電流、有功功率、無功功率、頻率以及諧波等50各參數，實現無功功率和諧波電流的動態實時補償、就地補償和全頻次諧波補償，響應時間在0.2ms以內，通過有源濾波裝置的積木式並聯連接的組合控制，實現使電解系統變壓器的總諧波電流為零並使連接點的無功功率趨於無限小，為電解系統電氣綜合控制提供了新方法。過去採用電容器與電抗氣在電解系統整流變壓器的一次側進行補償，只補償特定頻次諧波，響應時間在20ms以上。傳統的電解系統電能配電模式中，多以計量點的電能參數為供電、配電和用電的依據，無一例外地將電能參數調整和改善的裝置安裝在計量點附近。該項目採用實時在線監測技術將電解系統配電用電的每一環節和產生電能參數激變的節點為動態的監測和控制點，實現每一重要的無功節點和電網交換的無功最小，使其在大電流低電壓的二次側的流轉減小，達到節能降耗的目的。
3、首次在電解系統整流變壓器二次側實現了精準電壓和寬電壓範圍控制電解系統整流變壓器二次電解電壓範圍在不同電解品種、不同的電解階段、不同的工藝條件下，電解槽的電壓是不同的，通過加裝的啟動整流器調整直流電容器的上電壓首次實現了有源濾波裝置的輸出電壓在100-1500V範圍，並實現了功率因數、無功功率和電壓幅值的綜合控制，確保電解槽電壓平穩性，降低電壓紋波。
4、首次將節能量做為節能標準，對節能進行量化考核應用一種電子負載系統整體方案能模擬任意功率因數的線性負載和任意波形的非線性負載，將輸入電能中的大部分無汙染的回送電網，自身損耗小。採用包含鎖相環的電壓電流雙閉環控制方式來控制整流變壓器輸出側電流的波形及直流側母線電壓，通過電壓電流雙環控制系統將交流或直流電源輸入能量的大部分無汙染的回送到電網，實現能量回饋功能。有源濾波裝置是將逆變器產生的諧波藕合到主電路中，通過與基波電壓的疊加，從而使負載的波形達到預定值，可綜合解決電網供電電壓的波動、電壓諧波、閃變、瞬間中斷等問題，具有良好的快速響應能力，從而保證用戶側電壓的質量。
權利要求
1.一種電解系統單繞組變壓器低壓連接補償和有源濾波裝置的方法，在單繞組變壓器的一次側連接有工業控制機、一次側電量採集器，二次側連接有整流裝置和電解槽、二次測電量採集器、PLC，其特徵在於在單繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯連接有至少一組電容補償裝置和一組有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(a、b、c)相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(x、y、z)相連接，兩組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，由一個晶閘管的旁路連接一個二極體為一對，由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器和電感器組成有源濾波裝置，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路(a、b、c)相連接，笫二組的一端分別與變壓器二次側主迴路(x、y、z)相連接，兩組有源濾波裝置的另一端與電容器或電感器連接。
2.根據權利要求1所述的電解系統單繞組變壓器低壓連接補償和有源濾波裝置的方法，其特徵在於所說的有源濾波裝置採用電壓型橋式電路，串聯連接電抗器併入電網，交流側並聯電容器；採用電流型橋式電路，直流側分別連接的是電容和電感。
3.一種電解系統雙繞組變壓器低壓連接補償和有源濾波裝置的方法，包括雙繞組變壓器的二次側連接有整流裝置和電解槽，其特徵在於在雙繞組變壓器的二次側與整流裝置間並聯有至少四組電容補償裝置和有源濾波裝置，其電容補償裝置的笫一組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(a1、b1、c1)相連接，笫二組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(a2、b2、c2)相連接，笫三組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(x1、y1、z1)相連接，笫四組的電容器一端分別與變壓器二次側主迴路(x2、y2、z2)相連接，四組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，有源濾波裝置包括有由六隻晶閘管和六隻二極體及電容器組成，有源濾波裝置的笫一組的一端分別與變壓器二次側主迴路(a1、b1、c1)相連接，笫二組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路(a2、b2、c2)相連接，笫三組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路(x1、y1、z1)相連接，笫四組的有源濾波裝置一端分別與變壓器二次側主迴路(x2、y2、z2)相連接，四組有源濾波裝置另一端各自並聯為一體。
全文摘要
本發明公開了電解系統變壓器低壓連接無功補償和有源濾波裝置的方法，變壓器二次側連接整流裝置和電解槽，其變壓器二次側與整流裝置間並聯連接至少一組電容補償裝置和一組有源濾波裝置，其電容補償裝置笫一組電容器一端與變壓器二次側主迴路相連接，笫二組電容器一端與變壓器二次側末端主迴路相連接，兩組電容器另一端各自並聯或串聯為一體，有源濾波裝置笫一組一端分別與變壓器二次側主迴路相連接，笫二組一端與變壓器二次側末端主迴路相連接，兩組有源濾波裝置另一端與電容器或電感器連接。該方法從源頭補償無功和治理諧波，動態實時補償和就地補償，達到節能降耗和增加產量的目的，適用電力、冶金、化工、國防單位，具有很好的社會和經濟效益。
文檔編號H02J3/01GK1881730SQ20061004282
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月17日 優先權日2006年5月17日
發明者王昀睿 申請人:西安滙豐電力設備有限公司