CN204089208U - 一种分布式串联电容器补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种分布式串联电容器补偿装置，该装置包括并联的旁路断路器、串联电容器及晶闸管阻尼支路；所述晶闸管阻尼支路包括串联的晶闸管和阻尼装置。该装置中采用的分设备较少，高效地控制了整个装置的重量和成本，在降低整套串补装置成本的前提下，装置的主接线也大为简化，从而提高了整个装置的可靠性。

Description

一种分布式串联电容器补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种串联电容器补偿技术领域的装置，具体讲涉及一种分布式串联电容器补偿装置。

背景技术

灵活交流输电(flexible alternative current transmission systems，FACTS)是基于电力电子技术和控制技术对交流输电***的阻抗、电压、相位、功率等实施灵活快速调节的一种交流输电技术；可用于对***的有功和无功潮流进行灵活控制，以达到提高线路输送能力、阻尼***振荡、提高***稳定水平、改善电能质量、提高可靠性等目的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念，使现代的电力***发生了重大变化。

大型FACTS装置功能强大、结构复杂，占地面积较大，一次性投资成本巨大，对参与日常运行管理与维护检修的专业技术人员要求也较高，且FACTS装置中控制保护***、电力电子器件和冷却***等的可靠性和电网运营公司的要求还有些差距。针对上述客观情况，美国佐治亚理工学院的Divan Deepak教授等人最早提出了分布式灵活交流输电(DistributedFACTS，D-FACTS)概念。D-FACTS核心是小容量的分布式串联补偿器，即分布式FACTS控制器(Distributed FACTS Controller，DFC)。如图1所示，图1为DFC的安装位置示意图，通过将大量DFC分布地挂接在电力传输线上，通常位于杆塔的两侧，可达到以下效果：

(1)调节线路的等值电感，控制断面潮流，以减轻拥塞，限制环流，增大电力传输能力等；

(2)抑制次同步振荡；

(3)补偿线路的等值电感，提高被补偿线路的输送能力；

(4)补偿线路的等值电感，调整被补偿线路的电压。

D-FACTS主要包括分布式串联阻抗(Distributed Series Impedance，DSI)、分布式串联电抗(Distributed Series Reactor，DSR)、分布式静止串联补偿器(Distributed Static SeriesCompensator，DSSC)和分布式潮流控制器(Distributed Power Flow Controller，DPFC)。DFC中功能最强的为DSSC，结构最为简洁且最早在实际电网中得到应用的是DSR，对于相同的重量限制，DSR容量应是最大的。

如图2、3所示，图2、3分别为DSR的主电路结构实施方案示意图和DSSC的主电路结构实施方案示意图，采用单匝变压器(Single Turn Transformer，STT)的DFC无需断开所要挂装的电力传输线路。单匝变压器的圆筒状铁芯由两部分组成，能将输电线路放入铁芯环内，然后再卡合在一起，形成完整的磁路，采用单匝变压器的DFC安装极为方便简单，不占地面面积，也避免了高压绝缘带来的问题；同时，DFC可根据电网需求分期制造安装，分散投资，并能实现灵活调整安装线路。通过控制中心改变所在线路的串联补偿度和DFC的控制策略，以满足电力***网络化、智能化发展的需求。

采用单匝变压器的DFC最大特点就是不需要断开电力传输线，直接挂接在电力传输线上。而低压配电网的电力杆塔较为单薄，电力传输线也相对较细，不宜在电力传输线上再额外挂接相应设备。按照现阶段的技术成熟度，对于常规要求的补偿容量值，很难将DFC的重量控制在10kg以内，因此，不宜将DFC直接挂接在配电网的电力传输线上，可采用柱上户外断路器安装方案。采用柱上安装方案后，可以不需要单匝变压器，同时对DFC的重量控制要求也可略微放宽些。

串联电容器补偿装置是将电容器串联于交流输电线路中，用于补偿交流输电线路的部分感性阻抗，从而达到增加线路的输送容量、提高***的稳定性、节约投资等目的。在远距离、大容量输电***中，随着输电距离的增加，输电线路的输送能力受到越来越多的限制。串联电容器补偿装置是解决该问题，提高输电线路输送能力的重要手段之一。

20世纪80年代以前，大部分固定串补没有金属氧化物限压器，只用火花间隙来限制串联电容器的过电压。区外故障时，只用火花间隙的主电路结构会影响串联电容器的快速重投，这对提高电力***的暂态稳定性是非常不利的。

20世纪80年代以来，引入了金属氧化物限压器，解决了区外故障时串联电容器快速重投的问题。超高压、特高压输电***固定串补的典型主电路结构如图4所示，包括旁路隔离开关1、串联隔离开关2、接地开关3、串联电容器4、金属氧化物限压器5、阻尼装置6、火花间隙7、旁路断路器8。其中，串联隔离开关2和接地开关3存在互锁关系。

在配电网中采用串联电容器补偿装置，主要用于补偿线路的感性压降，改善电压质量。如，10kV的供电半径通常在10公里以内，一般不超过15公里。变电站的典型设计应能确保大多数负载都能满足上述要求，但有时也会有个别10kV的供电线路会超过15公里。对于超过15公里的10kV配电线路普遍存在电压问题，可用串联电容器补偿装置来改善电压质量。

在配电网应用分布式串联电容器补偿装置，对装置的性能、重量和经济性提出了更为苛刻的要求。显然，如图4所示的超高压、特高压固定串补的典型主电路结构是不能作为分布式串联电容器补偿装置的主电路结构来应用的。如何根据分布式串联电容器补偿装置的特点和要求，研究并提出适合于配电网用的、结构更简化、性能更好的分布式串联电容器补偿装置主电路结构是现在急需解决的问题。

因此，需要提供一种分布式串联电容器补偿装置。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种分布式串联电容器补偿装置。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种分布式串联电容器补偿装置，其改进之处在于：所述装置包括并联的旁路断路器、串联电容器及晶闸管阻尼支路；所述晶闸管阻尼支路包括串联的晶闸管和阻尼装置。

进一步的，所述旁路断路器采用空气断路器或空气开关；

所述旁路断路器为具有短路电流关合能力的常闭合的断路器。

进一步的，所述晶闸管为反并联晶闸管或双向晶闸管；

所述晶闸管采用压接式晶闸管、焊接式晶闸管或螺栓式晶闸管；

所述晶闸管采用自冷却方式。

进一步的，所述阻尼装置采用品质因数小于30的阻尼电抗器或阻尼电阻器和阻尼电抗器并联的电路。

进一步的，所述装置包括投入状态和退出状态；

当所述旁路断路器断开且所述晶闸管闭锁时，所述装置为所述投入状态；

当所述旁路断路器闭合且所述晶闸管闭锁时，所述装置为所述退出状态。

进一步的，所述装置串联电流互感器；

所述串联电容器并联电容电压测量回路。

进一步的，所述电容电压测量回路为电压互感器或电阻分压器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的装置中采用晶闸管，相比现有技术中体积相对较大的金属氧化物限压器来说晶闸管更加小巧，有利于装置的合理布局，减少安装面积。

2、本实用新型提供的装置中采用的晶闸管可通过光纤与控制器进行相应的信息交换，更易于检测，而现有技术中所采用的金属氧化物限压器损坏，则需要较为复杂的仪器和方式进行检查。

3、现有技术中采用的金属氧化物限压器中个别阀片损坏后，只更换个别阀片，很难获得一致的非线性伏安特性，通常只能更换整个金属氧化物限压器，成本相对较高；而当本装置中的晶闸管阀中的个别晶闸管损坏，只替换损坏的晶闸管即可，成本低，维护方便。

4、晶闸管保护动作时间从控制***检测到晶闸管导通基本不大于100us，响应速度非常快，接近于金属氧化物限压器的响应速度。

5、本实用新型提供的装置中采用的分设备较少，高效的控制了整个装置的重量和成本；在降低整套串补的成本的前提下，接线也大为简化，提高了整个装置的可靠性。

附图说明

图1为DFC的安装位置示意图；

图2为DSR的主电路结构实施方案示意图；

图3为DSSC的主电路结构实施方案示意图；

图4为超特高压固定串补的典型主电路结构图；

图5为本实用新型中分布式串联电容器补偿装置的主电路结构示意图；

图6为本实施例中分布式串联电容器补偿装置的主电路结构方案一示意图；

图7为本实施例中分布式串联电容器补偿装置的主电路结构方案二示意图；

附图标记：1-旁路隔离开关，2-串联隔离开关，3-接地开关，4-串联电容器，5-金属氧化物限压器，6-阻尼装置，7-火花间隙，8-旁路断路器，9-常闭合的旁路断路器，10-串联电容器，11-晶闸管，12-阻尼装置，13-阻尼电抗器，14-电流互感器，15-电容电压测量回路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图5所示，图5为本实用新型中分布式串联电容器补偿装置的主电路结构示意图；本实用新型提供的分布式串联电容器补偿装置包括常闭合的旁路断路器9、串联电容器10、晶闸管11，阻尼装置12。

晶闸管11和阻尼装置12串联，串联的晶闸管11和阻尼装置12、旁路断路器9、串联电容器10并联。

常闭合的旁路断路器9可以选用空气断路器，也可选用空气开关等。需满足以下要求：

1、能开断配电网所在线路相应的负载电流；

2、能承受配电网所在线路相应的短路电流；

3、应具有配电网所在线路相应的短路电流关合能力；

4、可不具有配电网所在线路相应短路电流的开断能力。若分布式串联电容器补偿装置所在线路的线路断路器负责开断短路电流，常闭合的旁路断路器9可不具备短路电流开断能力。

串联电容器10，用于补偿线路的等效电感，起到改善电压质量等作用。

晶闸管11，用于快速旁路串联电容器10。晶闸管为反并联的晶闸管或双向晶闸管，可选用压接式(平板式)晶闸管、焊接式晶闸管或螺栓式晶闸管。晶闸管11可采用自冷却方式。

阻尼装置12，用于限制串联电容器10的放电频率和放电幅值。阻尼装置12可以是一个低品质因数(品质因数小于30)的阻尼电抗器，或者是一个阻尼电阻器和阻尼电抗器并联的电路。为降低分布式串联电容器补偿装置主电路结构的复杂性，阻尼电阻器不再引入间隙或金属氧化物限压器等开关元件。

本实用新型的分布式串联电容器补偿装置包括投入状态和退出状态；通过常闭合的旁路断路器9和晶闸管11动作配合实现。

投入状态：常闭合的旁路断路器9断开，晶闸管11闭锁；

退出状态：常闭合的旁路断路器9闭合，晶闸管11闭锁。

分布式串联电容器补偿装置通过部分配合状态转换方式和全配合状态转换方式进行状态转换。

①、部分配合状态转换方式包括以下情况：

由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：断开所述常闭合的旁路断路器9；

由所述投入状态转换到所述退出状态的方法为：导通所述晶闸管11，闭合常闭合的旁路断路器9，闭锁所述晶闸管11。

②、全配合状态转换方式包括以下情况：

由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：发送所述晶闸管11触发信号，断开所述常闭合的旁路断路器9并延迟预定时间确保线路电流从所述常闭合的旁路断路器9换流到所述晶闸管11，再闭锁所述晶闸管11的触发信号。

由所述投入状态转换到所述退出状态的方法为：导通所述晶闸管11，闭合所述常闭合的旁路断路器9，闭锁所述晶闸管11。

上述两种转换方式中，晶闸管11只用于辅助分布式串联电容器补偿装置的状态转换，晶闸管11持续导通的时间比较短，因此，晶闸管11可采用自冷却的散热方式，与水冷、风冷等方式相比，采用自冷却相对简单可靠。

当传输线没有电流或者电流比较小时，常闭合的机械式旁路断路器9处于合闸状态，确保串联电容器的安全。当传输线电流达到相应值后，可以投入串联电容器，起到补偿作用。如此时电网发生短路故障，就会有比较大的短路电流流过。常闭合的旁路断路器9的合闸时间相对较长，需要晶闸管11快速导通，旁通短路电流，从而确保串联电容器的安全，因此，晶闸管3是不可或缺的。

本实用新型还提供了晶闸管11损坏分析方法。晶闸管损坏通常可分为两种状态，一是短路，压接式晶闸管损坏时，通常是短路；二是开路，焊接式晶闸管损坏时，通常是开路。

损坏分析方法具体情况如下：

当常闭合的旁路断路器9分闸，线路电流流过分布式串联电容器补偿装置，如此时串联电容器10仍被晶闸管11短接，则可判断晶闸管11已经发生短路损坏。

分布式串联电容器补偿装置由投入状态转换到退出状态过程中，有一小段时间(20-100ms之间)内，相应的线路电流测量值如没有得到相应的电容电压，而是比较小的电容电压，则可判断出晶闸管11导通起作用，没有发生开路损坏；相应的线路电流测量值如得到串联电容器电容容值所对应的电容电压，而不是比较小的电容电压，则可判断储晶闸管11没有导通，而可能是发生了开路损坏。

需要说明的两点是：1、上述相应的电容电压值在误差范围内；即，若线路电流测量值相应的电容电压占串联电容器电容容值所对应的电容电压比值小于等于90％，则认为线路电流所对应的电容电压为比较小的电容电压。具体的误差范围可根据实际情况而定。

例如：理想的相应的电容电压为10V，而测得的电容电压为9.8V，则同样认为9.8V的电压为正确的电容电压值。

2、上述发生开路损坏是故障情况的一种，也可能是其他故障，因此，在实际应用中，当判断晶闸管发生短路损坏后，需结合使用环境等对晶闸管做进一步检查。

本实用新型还提供了一种分布式串联电容器补偿装置的控制保护***。

如图6所示，图6为本实施例中分布式串联电容器补偿装置的主电路结构方案一示意图；装置还包括电流互感器，控制包括***包括控制模块、保护模块、通讯模块和取能电路。控制模块和保护模块均与通讯模块通信。

控制模块，用于对旁路断路器和晶闸管做分开和闭合操作，监测过压与过流工况，并执行保护动作，避免装置损坏；

控制模块按照部分配合的状态转换或全配合的状态转换策略控制电路实现分布式串联电容器补偿装置的状态转换。

保护模块，用于在传输线路发生短路故障时，迅速闭合或保持旁路断路器合闸和晶闸管导通直到故障消失。

通讯模块，用于接收控制命令或定值设置等指令，配合完成控制保护***的操作，并接收控制模块和保护模块的信息，反馈所述分布式串联电容器补偿装置的自身状态信息。实际应用中，装置可能长时间无操作，可通过定时巡检和应答机制来表明工作状态是否正常。

通讯模块不是必不可少的，装置可以采用本身测量获得的测量量，并依据固化在装置内部的相对简单的控制策略，在没有外部通信的情况下，自动完成串联电容器的投切等控制。通讯模块可采用通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)、第三代(3g)移动通信技术或***(4g)移动通信技术进行通讯。

控制保护***可用一块带可编程逻辑芯片(如复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列FPGA)的电路板来实现。

所述控制保护***配有的取能电路采用电压取能、电流取能或电压电流混合方式进行取能。

取能电路可以从传输线的线路电流和串联电容器电压取到相应能量，但是当常闭合的旁路断路器9合闸时，即使传输线有相应的电流，串联电容器还是没有相应的电压，同时也为简化设计、减少整个装置的重量，没有选择电压电流混合取能方案。因此，取能电路优先采用传输线的电流取能。

当传输线没有电流或者电流相对较小，取能电路取不到足够的能量，控制模块、保护模块和通信模块都不能正常工作，常闭合的旁路断路器9处于合闸状态，确保串联电容器10和晶闸管11等的安全。当传输线的线路电流达到相应门槛值后，取能电路能够向控制模块、保护模块和通讯模块提供足够的能量。控制模块、保护模块和通讯模块能够根据自身设备的情况和传输线的工况进行串联电容器的投切动作。

如图6所示，串联电容器补偿装置串联一电流互感器；通过所述电流互感器测量值判断出配电网发生短路故障，使所述晶闸管导通用以保护所述串联电容器，所述旁路断路器随后合闸用以保护所述晶闸管。

又一实施例中，也可以在串联电容器串联一侧电流互感器，从而可以同时测量传输线的电流和串联电容器的电流。通过传输线电流和串联电容器的电流相互关系，可以判断串联电容器是否投入与旁路断路器9和晶闸管11是否故障。

如图7所示，图7为分布式串联电容器补偿装置的主电路结构实施方案二的示意图。与方案一最大的不同是增加了电容电压测量回路15。

电容电压测量电路可有两种方法，一是采用电压互感器，二是采用电阻分压器。电压互感器和电阻分压器都可以兼做电容器放电电路，从这个角度来讲，这两者是相同的。考虑到电压互感器还具有电气隔离作用，而电阻分压器却没有电气隔离作用，因此，正常情况下，应该优选电压互感器方案。

电流互感器14用于测量流入串联电容器补偿装置的电流，为各种控制和保护策略的实现提供相应的输入量。利用电流互感器14和电容电压测量回路15的测量结果，可以估算出串联电容器10的电容容值，并可根据串联电容器10容值的变化去评估串联电容器10的运行状态，即是否有电容器元件损坏。电容器单元包括多个电容器元件，损坏程度表示电容器单元中损坏的电容器元件占所述串联电容器元件数的百分比。

例如，一个电容器单元包括一百个电容器元件，若损坏一个电容器元件，则认为损坏程度为百分之一，若损坏十个，则认为损坏程度为百分之十。

另外由于增加了电容电压的信息量，控制保护***可以同时检测过压过流工况，执行常闭合的旁路断路器9和晶闸管11的分开和闭合操作，并执行相应的保护动作，避免装置损坏。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述装置包括并联的旁路断路器、串联电容器及晶闸管阻尼支路；所述晶闸管阻尼支路包括串联的晶闸管和阻尼装置。

2.如权利要求1所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述旁路断路器采用空气断路器或空气开关；

所述旁路断路器为具有短路电流关合能力的常闭合的断路器。

3.如权利要求1所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述晶闸管为反并联晶闸管或双向晶闸管；

所述晶闸管采用压接式晶闸管、焊接式晶闸管或螺栓式晶闸管；

所述晶闸管采用自冷却方式。

4.如权利要求1所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述阻尼装置采用品质因数小于30的阻尼电抗器或阻尼电阻器和阻尼电抗器并联的电路。

5.如权利要求1所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述装置包括投入状态和退出状态；

当所述旁路断路器断开且所述晶闸管闭锁时，所述装置为所述投入状态；

当所述旁路断路器闭合且所述晶闸管闭锁时，所述装置为所述退出状态。

6.如权利要求1所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述装置串联电流互感器；

所述串联电容器并联电容电压测量回路。

7.如权利要求6所述的一种分布式串联电容器补偿装置，其特征在于：所述电容电压测量回路为电压互感器或电阻分压器。