基于双旋转移相器相量合成原理的无功补偿器拓扑电路制造技术

本发明专利技术公开了基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，用于解决高渗透率分布式电源接入的配电网、城市高电缆率电网、超高压线路等的无功补偿问题。本发明专利技术包括两台旋转移相变压器、电容器、电感器构成的主电路，以及控制器、伺服电机、蜗轮蜗杆、外壳、配件等；其一次绕组、电容器共同并联于补偿点，二次绕组的对应相串联后与电感器并联。本发明专利技术提供的无功补偿器的技术方法，是通过控制两旋转移相变压器的转子位置角，调节二次侧合成电压的幅值来改变电感吸收的无功，从而实现补偿点无功的性质、大小的调节，解决高渗透率分布式电源接入线路、城市高电缆率配电网以及超高压长线路无功不足或无功过剩的问题，提高供电效率和电压品质。电压品质。

【技术实现步骤摘要】
基于双旋转移相器相量合成原理的无功补偿器拓扑电路


[0001]本专利技术属于输配电电网及分布式电源并网
，特别涉及高渗透率分布式电源的有源配电网柔性无功调节、高电缆率城市电网以及超高压线路充电功率过大等的无功调控问题。

技术介绍

[0002]在我国实施可再生能源替代行动、构建以新能源为主体的新型电力系统的大背景下，分布式电源的随机出力特性造成含高渗透率分布式电源的有源配电网电压、无功分布复杂化的问题，进而对有源配电网的无功、电压的调控策略及其装备性能提出了更高的要求。
[0003]同时，随着我国城市电缆化率进程的加速和超高压大电网的快速发展，在500kV超高压电网中100km长电缆线路的充电功率约为961～1611MVar，是同等长度220kV电缆线路的3～4倍、500kV架空线路的11～16倍，尤其当负荷轻载或是某些地区电网建设超前网架规模过大而负荷较轻时，容升效应更加明显，电网无功严重过剩，给电网的安全稳定运行带来极大影响，电网无功和电压调控问题日益凸显。
[0004]无功补偿装置可以发出一定量的感性或容性无功，通过并联无功补偿装置可以支撑线路节点的电压。在合适的位置配置无功补偿装置，将有效减少系统中无功的传输，降低网络损耗，继而可以提升系统的经济性。传统的并联电容器组生产成本低，调节灵活，但只能进行单向补偿，即只能发出感性无功功率，还有无法连续调节输出无功的缺点，分组投退时可能会对系统造成不必要的扰动。晶闸管控制电抗器可以实现无功功率的连续调节，但还是只能单向补偿，即只能吸收感性无功，因此常需和晶闸管投切电容器配合使用实现无功的双向连续调节，但受限于产生的谐波较大。
[0005]柔性交流输电技术可以补偿无功、提高系统运行稳定性，如静止无功补偿器、静止同步补偿器和统一潮流控制器等。静止无功补偿器、静止同步补偿器和统一潮流控制器均可以实现无功功率的双向性补偿，具有控制响应速度快(10～20ms)和无功功率连续调节的特点，但这些以电力电子器件组成变流电路核心部件的装备普遍存在着很大的缺点：热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱、造价高、控制策略复杂，难以适应配电或超高压网络及线路所面临的雷暴风雪气候与酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的负荷性质等条件；并且不可避免会给系统带来谐波问题，应用受到很大限制。
[0006]移相变压器通过机械开关切换变压器分接头实现输出电压幅值和相角的调节，从而实现无功功率的调控，但传统的机械分接开关无法对补偿无功进行连续调节，调节速度缓慢(7～10s)，频繁改变机械开关还会增大装置损耗，容易损坏，一定程度上增加了维修和维护成本，降低了装置可靠性，移相变压器只适用于电力系统的稳态调整。
[0007]旋转型移相变压器采用伺服电机进行控制，百ms级响应速度较传统移相变压器更快，且对于电力系统的大多数应用，百ms级响应速度即可满足要求，此外还能实现连续调节，稳定性好，可靠性高；与电力电子装置相比，不会产生谐波畸变或相移，且具备皮实耐
用、造价低、控制方法相对简单、损耗小、无任何电磁干扰问题等优点。可以看出旋转型移相变压器应用于电网的研究和应用前景非常可观，但目前还从未有其在无功补偿方面的拓扑电路模型的研究和应用。
[0008]因此目前迫切需要专利技术一种基于旋转移相变压器的新型无功补偿装置，此无功补偿装置需具备实现感性和容性双向无功补偿的能力，还应能够在补偿范围内进行无极连续调节；同时，研究所提出的一种基于旋转移相变压器的新型无功补偿器调控机理及其调控方法，从而使其能够实现无功功率补偿的动态精确调节，进而达到有效提高电网功率因数、提高供电质量、减少系统中无功的传输、降低电能损耗的目的。

技术实现思路

[0009]本专利技术公开了基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，其以感应调压原理和旋转矢量合成原理来解决高渗透率分布式电源接入的配电网、城市高电缆率电网、超高压线路等的无功补偿问题。本专利技术包括两台旋转移相变压器、电容器、电感器构成的主电路，以及控制器、伺服电机、蜗轮蜗杆、外壳、配件等；其一次绕组、电容器共同并联于补偿点，二次绕组的对应相串联后与电感器并联。本专利技术提供的无功补偿器的技术方法，是通过控制两旋转移相变压器的转子位置角，调节二次侧合成电压的幅值来改变电感吸收的无功，从而实现补偿功率的性质、大小调整，解决高渗透率分布式电源接入线路、城市高电缆率配电网以及超高压长线路无功不足或无功过剩的问题，提高供电效率和电压品质。
[0010]本专利技术通过以下技术方案得以实现：
[0011]本专利技术提出的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，它主要包括三相电容、双旋转移相变压器和三相储能电感三个子系统；所述双旋转移相变压器的一次绕组并联，同时与三相电容共同并联连接；所述双旋转移相变压器的二次绕组对应相首尾串联，构成三相星型或角型接线，并与三相星型或角型接线的三相储能电感并联连接；两个旋转移相变压器均由闭合铁心磁路、一次绕组、二次绕组、控制器、伺服电机、蜗轮、蜗杆以及外壳、配件等组成。其方法特征是利用电磁感应原理和旋转矢量合成方法进行电压调节与功率变换，对三相储能电感两端的电压幅值进行调节改变电感吸收的无功，实现对基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器向电网输出补偿无功功率的控制。
[0012]所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路首先通过并联的方式为无功补偿器(双旋转移相变压器的一次侧)取能；接着利用旋转移相变压器的感应调压原理改变初、次级(定、转子)绕组轴线相对角位移，即定转子位置角，在经过磁场感应完成初、次级之间电能传递的同时，实现次级绕组电压相位的调节(相对于初级电压相位)，次级绕组电压取决于绕组变比及定转子位置角；当两旋转移相变压器初、次级有效匝数比相等时，二者的次级电压幅值相等，相位由各自转子位置角决定；双旋转移相变压器的次级绕组对应相首尾串联后构成三相接线与三相储能电感并联连接，此时加在三相储能电感两端的电压实质上是两个幅值相等、相位360
°
可调电压相量的合成电压，根据旋转矢量合成方法，此合成电压相量可以实现幅值从0到最大电压(两倍次级电压幅值)、相角从0
°
到360
°
的任意调节，从而无级连续改变三相储能电感吸收的无功功率，进而实现本专利技术提供的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器对接入电网补偿无功功率的双向、连续控制。
[0013]所述的三相储能电感吸收无功功率的大小与双旋转移相变压器二次侧合成电压
的角度无关，只与其幅值有关，为简化控制，可将两旋转移相变压器的转子位置角设置成互为相反数，从而由双控制量减少为单控制量：只需通过控制一台旋转移相变压器转子位置角，间接控制另一台旋转移相变压器位置角，即可以从0到最大值任意调节合成电压幅值来无级连续改变电感吸收的无功功率，进而实现装置的无功补偿。
[0014]所述的三相电容发出的无功Q
C
几乎保持不变；所述三相储能电感具有恒流特性，整个无功补偿装置实质上可以等效为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，它主要包括三相电容、双旋转移相变压器和三相储能电感三个子系统；所述双旋转移相变压器的一次绕组并联，同时与三相电容共同并联连接；所述双旋转移相变压器的二次绕组对应相首尾串联，构成三相星型或角型接线，并与三相星型或角型接线的三相储能电感并联连接；两个旋转移相变压器均由闭合铁心磁路、一次绕组、二次绕组、控制器、伺服电机、蜗轮、蜗杆以及外壳、配件等组成；其方法特征是利用电磁感应原理和旋转矢量合成方法进行电压调节与功率变换，对三相储能电感两端的电压幅值进行调节改变电感吸收的无功，实现对基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器向电网输出补偿无功功率的控制。2.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，其特征在于，首先通过并联的方式为无功补偿器(双旋转移相变压器的一次侧)取能；接着利用旋转移相变压器的感应调压原理改变初、次级(定、转子)绕组轴线相对角位移，即定转子位置角，在经过磁场感应完成初、次级之间电能传递的同时，实现次级绕组电压相位的调节(相对于初级电压相位)，次级绕组电压取决于绕组变比及定转子位置角；当两旋转移相变压器初、次级有效匝数比相等时，二者的次级电压幅值相等，相位由各自转子位置角决定；双旋转移相变压器的次级绕组对应相首尾串联后构成三相接线与三相储能电感并联连接，此时加在三相储能电感两端的电压实质上是两个幅值相等、相位360
°
可调电压相量的合成电压，根据旋转矢量合成方法，此合成电压相量可以实现幅值从0到最大电压(两倍次级电压幅值)、相角从0
°
到360
°
的任意调节，从而无级连续改变三相储能电感吸收的无功功率，进而实现本发明提供的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器对接入电网补偿无功功率的双向、连续控制。3.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，其特征在于，所述的三相储能电感吸收无功功率的大小与双旋转移相变压器二次侧合成电压的角度无关，只与其幅值有关，为简化控制，可将两旋转移相变压器的转子位置角设置成互为相反数，从而由双控制量减少为单控制量：只需通过控制一台旋转移相变压器转子位置角，间接控制另一台旋转移相变压器位置角，即可以从0到最大值任意调节合成电压幅值来无级连续改变电感吸收的无功功率，进而实现装置的无功补偿。4.根据权利要求1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路，其特征在于：基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器主要是由三相电容、双旋转移相变压器和三相储能电感串并联结构构成，其中：
①
基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路中三相电容首端各端子A
C
，B
C
，C
C
并联接于电网侧线路的对应相各火线端子A，B，C上，三相电容的末端各端子X
C
，Y
C
，Z
C
汇交为中性点N1构成三相星型接线，若装置接入点电压U
S
保持不变，则三相电容发出的无功功率恒定；
②
基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路中双旋转移相变压器接线方式为：两旋转移相变压器一次侧绕组的首端A1，B1，C1和A3，B3，C3并联接于电网侧线路的对应相各火线端子A，B，C上，两旋转移相变压器一次侧绕组的末端A2，B2，C2、A4，B4，C4共同汇交为中性点N2，实现三相取能绕组的星型接线，也可以根据应用场合的需要，三相取能绕组采用角型接线；两旋转移相变压器的二次侧绕组对应相首尾串联连接，即第一台旋转移相变压器二次侧绕组的末端a2，b2，c2分别与另一台旋转移相变压器转子绕组的首端a3，b3，c3依
此连接；第二台旋转移相变压器的二次绕组末端星型连接，汇交为于中性线N3；通过旋转移相变压器闭合的三相铁心磁路实现移相器一次绕组与二次绕组之间的电压和功率变换，并经过移相调节机构调节二次绕组电压相位，二次侧绕组两个电压旋转矢量串联，经过合成后得到的电压相量幅值可以进行调节；
③
基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器拓扑电路中三相储能电感首端A
L1
，B
L1
，C
L1
分别与第一台旋转移相变压器二次侧绕组首端a1，b1，c1相连，三相储能电感末...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，邓婉君，贾焦心，张波，曲伟，谷建成，
申请(专利权)人：保定友源电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：