CN108418224B - 基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，属于电气试验设备技术领域，该装置包含，高压母线，母线变压器，电能质量控制器，谐波变压器T2，谐波变压器T3，谐波变压器T4，无功功率发生器，谐波发生器；母线变压器的低压侧通过电抗器Ⅰ连接至电能质量控制器，电能质量控制器通过电抗器Ⅱ连接至谐波变压器T2，谐波变压器T2的高压侧连接至高压母线；谐波变压器T2的低压侧还连接至电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的一端，电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的另一端分别连接至无功功率发生器和谐波发生器；谐波变压器T3，谐波变压器T4分别通过电压转接器Ⅰ和电压转接器Ⅱ连接至低压试品和高压试品。本发明有效简化测试结构，提高测试效率，降低成本。

Description

基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置
技术领域
本发明属于电气试验设备技术领域，涉及一种基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置。
背景技术
为测试矿用高低压无功功率及谐波补偿装置试品的电气性能参数，试验***的陪试负载装置模拟各种特性的负载并施加给试验回路。试品主要包括有源和无源无功补偿器和电力滤波器，试验项目多而复杂。这就要求陪试负载装置具有良好的适应性和可变换能力，满足不同类型、不同规格试品的试验要求。
目前，现有的测试设备中，主要采用固定的阻抗或非线性负载作为负载，因其阻抗特性，在电压降低时，无法提供所需的无功支持，因此应对动态试验的能力较弱，并且，为了消除装置所产生的谐波，必须装设滤波器，此外过多的负载装置并接容易引发测试***振荡。测试***功能单一(无功和谐波独立测试)，分档投切负载、不能连续可调，电压等级适应性及其可变换能力弱，补偿效果、温升等关键参数指标多采用现场测试等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，覆盖多电压等级无功及谐波补偿设备试验需求，采用全控器件的静止无功功率发生器为被试品负载，运用对消法，陪试发生器在控制装置的控制下，产生连续可调的无功功率和指定谐波次数与强度对试验回路注入无功和谐波电流。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，该装置包含，高压母线，母线变压器，电能质量控制器，谐波变压器T2，谐波变压器T3，谐波变压器T4，电压转接器Ⅰ，电压转接器Ⅱ，无功功率发生器，谐波发生器；
所述母线变压器的高压侧设置在所述高压母线上，所述母线变压器的低压侧通过电抗器Ⅰ连接至所述电能质量控制器的一端，所述电能质量控制器的另一端通过电抗器Ⅱ连接至所述谐波变压器T2的低压侧，所述谐波变压器T2的高压侧连接至所述高压母线；
所述谐波变压器T2的低压侧还连接至电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的一端，电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的另一端分别连接至所述无功功率发生器和谐波发生器；
所述谐波变压器T3，谐波变压器T4的高压侧均设置在所述高压母线上，谐波变压器T3，谐波变压器T4的低压侧分别通过电压转接器Ⅰ和电压转接器Ⅱ连接至低压试品和高压试品。
进一步，所述谐波变压器T2的低压侧还通过开关SW8连接至所述电压转接器Ⅰ的出口端，所述电压转接器Ⅰ的出口端上还设置有电压互感器Ⅰ。
进一步，所述电压转接器Ⅱ的出口端还通过开关SW10连接至所述高压母线，所述电压转接器Ⅱ的出口端上还设置有电压互感器Ⅱ。
进一步，所述电抗器Ⅱ，电抗器Ⅲ，电抗器Ⅳ分别通过开关SW5，SW6，SW7连接至所述谐波变压器T2的低压侧，所述电抗器Ⅲ，电抗器Ⅳ与所述开关SW6，SW7之间分别设置有电流互感器Ⅰ和电流互感器Ⅱ。
进一步，所述谐波变压器T2的低压侧还连接有电压互感器Ⅲ。
进一步，所述低压试品的试验电压等级为3.3kV或6kV，所述高压试品的试验电压等级为10kV。
本发明的有益效果在于：本发明装置，综合无功功率和谐波补偿试验，负载连续可调，适应电压等级多，能提供电气性能的模拟试验，满足高低压不同规格试品试验需求，同时可提高试验电源静态负荷能力，增强暂态稳定性，降低建造费用，并有效简化测试结构，提高测试效率，降低成本。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明装置主回路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
1、装置结构
如图1所示，本发明装置包含，高压母线，母线变压器，电能质量控制器，谐波变压器T2，谐波变压器T3，谐波变压器T4，电压转接器Ⅰ，电压转接器Ⅱ，无功功率发生器，谐波发生器。母线变压器的高压侧设置在高压母线上，母线变压器的低压侧通过电抗器Ⅰ连接至电能质量控制器的一端，电能质量控制器的另一端通过电抗器Ⅱ连接至谐波变压器T2的低压侧，谐波变压器T2的高压侧连接至高压母线。
谐波变压器T2的低压侧还连接至电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的一端，电抗器Ⅲ和电抗器Ⅳ的另一端分别连接至无功功率发生器和谐波发生器。
谐波变压器T3，谐波变压器T4的高压侧均设置在高压母线上，谐波变压器T3，谐波变压器T4的低压侧分别通过电压转接器Ⅰ和电压转接器Ⅱ连接至低压试品和高压试品。
谐波变压器T2的低压侧还通过开关SW8连接至电压转接器Ⅰ的出口端，电压转接器Ⅰ的出口端上还设置有电压互感器Ⅰ，谐波变压器T2的低压侧还连接有电压互感器Ⅲ。
电压转接器Ⅱ的出口端还通过开关SW10连接至高压母线，电压转接器Ⅱ的出口端上还设置有电压互感器Ⅱ。
电抗器Ⅱ，电抗器Ⅲ，电抗器Ⅳ分别通过开关SW5，SW6，SW7连接至谐波变压器T2的低压侧，电抗器Ⅲ，电抗器Ⅳ与开关SW6，SW7之间分别设置有电流互感器Ⅰ和电流互感器Ⅱ。
采用低压无功功率发生器和谐波发生器，当进行低压试品试验时，与低压试品并接在低压母线上；当进行高压试品试验时，低压陪试发生器经低阻抗谐波变压器T2升压，并接在高压母线上，10kV高压试品直接连接至高压母线，6kV和3.3kV试品经低阻抗谐波变压器降压后连接至试品。
2、无功及谐波电流的注入
如图1所示，陪试发生器产生的补偿电流满足下面的等式，
Figure GDA0002826566390000031
式中，ug(t)、ut(t)分别为陪试发生器和被试品的输出电压；L、R分别为等效的电感和电阻。试验电源提供的电流为is，陪试发生器产生的电流ig，被试品输出补偿电流it，为了防止被试品在过补偿或欠补偿时，保护单元输出电流ib，同时补偿谐波电流及无功电流，阻止谐波电流流入试验电源，使试验***侧的功率因数cosφ＝1。根据基尔霍夫电流定律有
is＝ig-it-ib (2)
陪试发生器产生的电流中分别含有谐波电流分量igh，基波无功电流分量igq，基波有功电流分量igp，即
ig＝igh+igq+igp (3)
当只补偿谐波电流，被试品输出补偿电流it＝igh，与陪试发生器生成的谐波电流大小相等，方向相反，则is＝igq+igp，即谐波电流全部被补偿，由于保护单元的无功及谐波发生器输出电流ib＝Δi＝it－igh＝0，为零补偿，从而防止谐波污染试验电源；当被试品过补偿it＞igh，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh＞0；当被试品欠补偿it＜igh时，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh＜0；保护单元维持试验回路谐波电流的平衡。
同样，当只补偿无功电流，被试品输出补偿电流it＝igq，则is＝igh+igp，即无功电流全部被补偿，由于保护单元的无功及谐波发生器输出电流ib＝Δi＝it－igq＝0，为零补偿，从而防止谐波污染试验电源；当被试品过补偿it＞igq，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igq＞0；当被试品欠补偿it＜igq时，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igq＜0；保护单元维持试验回路谐波电流的平衡。
被试品同时补偿谐波电流及无功电流时，其输出补偿电流it＝igh+igq，则is＝igp，即只有试验回路的基波有功电流注入试验电源，保护单元ib＝0，也为零补偿，当被试品过补偿it＞igh+igq，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh－igq＞0；当被试品欠补偿it＜igh+igq时，保护单元并联变流器输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh－igq＜0；保护单元并联变流器维持试验回路谐波电流及无功电流的平衡。从而防止了谐波电流污染试验电源，且使试验***侧的功率因数cosφ＝1。
3、无功功率的平衡
试验***无功功率平衡是试验***正常运行必须具备的条件。即被试品补偿的无功功率Qt必须等于陪试发生器按照试验要求发出可控的感性或容性无功功率Qg和试验电源输出的无功功率Qs，若被试品出现过补偿或欠补偿，试验***中的无功功率大于或小于陪试发生器和试验电源输出的无功功率，使试验***无功功率失去平衡，试验回路的电压升高或降低及波形畸变率变差，试验***的稳定性、安全性无法维持。
为了维持试验回路的无功功率的平衡，采取在试验电源和陪试发生器之间装设串并联型电能质量控制器(UnifiedPower Quality Control,UPQC))作为保护单元，以无功及谐波余额作为控制判据，维持试验***的无功功率平衡，
被试品以其最大的无功补偿能力去补偿陪试发生器产生的无功功率，当被试品零补偿时，保护单元则不补偿，如果被试品出现过补偿或欠补偿，未能完全补偿的无功功率由保护单元补偿剩余的无功功率Qb，维持***无功功率的平衡，即
Qt＝Qs+Qg-Qb (4)
中控台上位机控制保护单元UPQC，进行延时调节，防止无功功率大范围快速变化时补偿振荡的产生。
4、变压器阻抗匹配
由于试验***需满足不同电压等级，采用低压陪试发生器，对于电压较高时，陪试发生器和保护单元各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此采用变压器接入方式，将陪试发生器的输出电压经过变压器漏抗并入试验回路，补偿电流即为试验回路电压和陪试发生器输出电压的差值通过变压器漏抗时所产生的电流，由于陪试发生器和保护单元要产生谐波电流补偿试验回路侧谐波，所以谐波必须能够顺利地通过变压器注入到试验回路中，因此对变压器有特殊的要求。
普通电力变压器，主要通过工频电流，变压器磁滞损耗与频率f成正比，涡流损耗与频率的平方f2成正比，工程上按Kf1.3B2 m估算硅钢片单位铁损耗(K取决于硅钢片牌号的常数，B2 m是铁芯磁密的平方)，因此高次谐波比低次谐波更易引起变压器的发热。
陪试发生器和保护单元的变压器用于无功及谐波补偿，不仅要通过工频电流而且需要通过高次谐波电流，因此变压器有较宽的通过频带，如最高补偿谐波次数为21次，则变压器的通过频率为50～1050Hz。由于谐波电流频率较高，通过变压器时造成变压器铁损，降低了变压器的效率，因此需要采用薄硅钢片叠制铁芯或者非晶态变压器，降低变压器铁芯损耗；其次，变压器漏抗不能太大，否则将使谐波压降增大，谐波电流变小，造成谐波电流无法通过变压器而影响补偿效果，还会造成陪试发生器的动态性能变差，但是当变压器漏抗过小时，在陪试发生器投入运行时产生的瞬时电流得不到有效抑制，会在合闸时造成***过流，因而使合闸变得困难。通常变压器漏抗的大小可选为0.06～0.1pu(容量基值为有源滤波器的容量)。
采用高压方案时，陪试发生器基于由相同的单相桥变流器构成级联式，只需增加串联的级数即可增加装置的容量，多电平变流器可得到高质量的波形，不需采用输出变压器。由于运行于无功及谐波发生工况，陪试发生器的变流器本身不与试验***交换有功能量，因此一个周期中电容充放电的能量相等，各级电容电压的平均值将维持在预置值的附近，并且每个模块中的所有器件均被钳位于该直流电压，无须采用动态均衡电压电路。相对于低压方案而言，免除了体积庞大、结构复杂、昂贵、低效和具有难以控制的非线性磁化变压器，开关频率低，效率提高，开关器件所承受的电压应力du/dt小，从而简化了陪试发生器的结构。
5、试验电源电压的稳定和谐波抑制
保护单元的作用是提高试验电源的功率因数和消除谐波电流，防止试验失败时对试验电源造成的污染和影响。其控制方法是从试验电源电压中检测出谐波和与试验回路侧所需电压的偏差，从畸变的试验电流中瞬时确定谐波电流和无功电流，进行动态选择性补偿。控制保护单元串联变流器产生与之对应的电压；从试验回路电流中检测出被试品补偿后的剩余谐波电流和无功电流Δi＝it－igh－igq，控制并联变流器产生与Δi大小相等、方向相反的谐波电流和无功电流。从试验电源中连续吸收少量的有功功率，提供给保护单元PWM变流器的开关损耗和阻性损耗。
当试验电源电压us中即含有基波电压usf又含有谐波电压ush或幅值不能满足试验***的需要时，试验电压瞬时跌落和突然升高，由保护单元串联变流器对其进行补偿，使得试验回路侧电压ut稳定且不含谐波成分，即
ub＝ush+usf-ut (5)
当因被试品过补偿或欠补偿的影响使试验电源电流含有谐波(被试品输出的谐波电流ith未完全抵消陪试发生器产生的谐波电流igh)或幅值不能满足试验***的需要时，由保护单元并联变流器对其进行补偿，使试验电源电流不含有谐波，即ib＝igh－ith。不仅使功率因数大于0.95，且使谐波电流和电压畸变率均达到国家标准。
本发明的装置，综合无功功率和谐波补偿试验，负载连续可调，适应电压等级多，能提供电气性能的模拟试验，满足高低压不同规格试品试验需求，同时可提高试验电源静态负荷能力，增强暂态稳定性，降低建造费用，并有效简化测试结构，提高测试效率，降低成本。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，其特征在于：该装置包含高压母线、母线变压器、电能质量控制器、谐波变压器T2、谐波变压器T3、谐波变压器T4、电压转接器I、电压转接器II、无功功率发生器和谐波发生器；
所述母线变压器的高压侧设置在所述高压母线上，所述母线变压器的低压侧通过电抗器I连接至所述电能质量控制器的一端，所述电能质量控制器的另一端通过电抗器II连接至所述谐波变压器T2的低压侧，所述谐波变压器T2的高压侧连接至所述高压母线；
所述谐波变压器T2的低压侧还连接至电抗器III和电抗器IV的一端，电抗器III和电抗器IV的另一端分别连接至所述无功功率发生器和谐波发生器；
所述谐波变压器T3，谐波变压器T4的高压侧均设置在所述高压母线上，谐波变压器T3，谐波变压器T4的低压侧分别通过电压转接器I和电压转接器II连接至低压试品和高压试品；
所述谐波变压器T2的低压侧还通过开关SW8连接至所述电压转接器I的出口端，所述电压转接器I的出口端上还设置有电压互感器I；
基于对消法具体为：
(1)无功及谐波电流的注入
陪试发生器产生的补偿电流满足下面的等式：
Figure FDA0003124381190000011
式中，ug(t)、ut(t)分别为陪试发生器和被试品的输出电压；L、R分别为等效的电感和电阻；试验电源提供的电流为is，陪试发生器产生的电流ig，被试品输出补偿电流it，为防止被试品过补偿或欠补偿，保护单元输出电流ib，同时补偿谐波电流及无功电流，阻止谐波电流流入试验电源，使试验***侧的功率因数
Figure FDA0003124381190000012
根据基尔霍夫电流定律有
is＝ig-it-ib (2)
陪试发生器产生的电流中分别含有谐波电流分量igh，基波无功电流分量igq，基波有功电流分量igp，即
ig＝igh+igq+igp (3)
当只补偿谐波电流，被试品输出补偿电流it＝igh，与陪试发生器生成的谐波电流大小相等，方向相反，则is＝igq+igp，即谐波电流全部被补偿，由于保护单元的无功及谐波发生器输出电流ib＝Δi＝it－igh＝0，为零补偿，从而防止谐波污染试验电源；当被试品过补偿it＞igh，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh＞0；当被试品欠补偿it＜igh时，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh＜0；保护单元维持试验回路谐波电流的平衡；
当只补偿无功电流，被试品输出补偿电流it＝igq，则is＝igh+igp，即无功电流全部被补偿，由于保护单元的无功及谐波发生器输出电流ib＝Δi＝it－igq＝0，为零补偿，防止谐波污染试验电源；当被试品过补偿it＞igq，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igq＞0；当被试品欠补偿it＜igq时，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igq＜0；保护单元维持试验回路谐波电流的平衡；
被试品同时补偿谐波电流及无功电流时，其输出补偿电流it＝igh+igq，则is＝igp，只有试验回路的基波有功电流注入试验电源，保护单元ib＝0，也为零补偿，当被试品过补偿it＞igh+igq，保护单元输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh－igq＞0；当被试品欠补偿it＜igh+igq时，保护单元并联变流器输出的补偿电流ib＝Δi＝it－igh－igq＜0；保护单元并联变流器维持试验回路谐波电流及无功电流的平衡；从而防止了谐波电流污染试验电源，且使试验***侧的功率因数
Figure FDA0003124381190000021
(2)无功功率的平衡
被试品补偿的无功功率Qt必须等于陪试发生器按照试验要求发出可控的感性或容性无功功率Qg和试验电源输出的无功功率Qs；
采取在试验电源和陪试发生器之间装设串并联型电能质量控制器UPQC作为保护单元，以无功及谐波余额作为控制判据，维持试验***的无功功率平衡，
被试品以其最大的无功补偿能力去补偿陪试发生器产生的无功功率，当被试品零补偿时，保护单元则不补偿，如果被试品出现过补偿或欠补偿，未能完全补偿的无功功率由保护单元补偿剩余的无功功率Qb，维持***无功功率的平衡，即
Qt＝Qs+Qg-Qb (4)
中控台上位机控制保护单元UPQC，进行延时调节，防止无功功率大范围快速变化时补偿振荡的产生；
(3)变压器阻抗匹配
变压器漏抗的大小选为0.06～0.1pu；
采用高压方案时，陪试发生器基于由相同的单相桥变流器构成级联式，只需增加串联的级数增加装置的容量，多电平变流器得到高质量的波形，不需采用输出变压器；一个周期中电容充放电的能量相等，各级电容电压的平均值将维持在预置值的附近，并且每个模块中的所有器件均被钳位于直流电压，无须采用动态均衡电压电路；
采用低压方案时，免除非线性磁化变压器，开关器件所承受的电压应力为du/dt；
(4)试验电源电压的稳定和谐波抑制
从试验电源电压中检测出谐波和与试验回路侧所需电压的偏差，从畸变的试验电流中瞬时确定谐波电流和无功电流，进行动态选择性补偿；控制保护单元串联变流器产生与之对应的电压；从试验回路电流中检测出被试品补偿后的剩余谐波电流和无功电流Δi＝it－igh－igq，控制并联变流器产生与Δi大小相等、方向相反的谐波电流和无功电流；从试验电源中连续吸收有功功率，提供给保护单元PWM变流器的开关损耗和阻性损耗；
当试验电源电压us中既含有基波电压usf又含有谐波电压ush或幅值不能满足试验***的需要时，试验电压瞬时跌落和突然升高，由保护单元串联变流器对其进行补偿，使得试验回路侧电压ut稳定且不含谐波成分，即
ub＝ush+usf-ut (5)
当因被试品过补偿或欠补偿的影响使试验电源电流含有谐波，被试品输出的谐波电流ith未完全抵消陪试发生器产生的谐波电流igh或幅值不能满足试验***的需要时，由保护单元并联变流器对其进行补偿，使试验电源电流不含有谐波，即ib＝igh－ith；不仅使功率因数大于0.95，且使谐波电流和电压畸变率均达到标准。
2.根据权利要求1所述的基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，其特征在于：所述电压转接器II的出口端还通过开关SW10连接至所述高压母线，所述电压转接器II的出口端上还设置有电压互感器II。
3.根据权利要求1所述的基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，其特征在于：所述电抗器II、电抗器III和电抗器IV分别通过开关SW5、SW6和SW7连接至所述谐波变压器T2的低压侧；所述电抗器III，电抗器IV与所述开关SW6，SW7之间分别设置有电流互感器I和电流互感器II。
4.根据权利要求3所述的基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，其特征在于：所述谐波变压器T2的低压侧还连接有电压互感器III。
5.根据权利要求1所述的基于对消法的矿用高低压无功功率及谐波补偿装置，其特征在于：所述低压试品的试验电压等级为3.3kV或6kV，所述高压试品的试验电压等级为10kV。
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