專利名稱：可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電工和電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(簡(jiǎn)稱MCR型SVC)。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，帶有沖擊性的負(fù)荷(以下簡(jiǎn)稱沖擊負(fù)荷)如大型軋鋼機(jī)、煉鋼電弧爐、工業(yè)電焊機(jī)、大型水泵站和電氣化鐵路，數(shù)量越來越多，容量越來越大。同時(shí)，這些沖擊負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供電質(zhì)量帶來嚴(yán)重干擾，對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。如此相適應(yīng)，電力系統(tǒng)的大型發(fā)電廠、超高壓交、直流遠(yuǎn)距離輸電，也不斷增加，電力系統(tǒng)越來越大、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式越來越復(fù)雜。為了確保電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，保證供電的電能質(zhì)量，維護(hù)電氣設(shè)備安全運(yùn)行，對(duì)抑制因沖擊負(fù)荷造成的電壓波動(dòng)、電壓閃變和諧波污染，成為世界各國十分關(guān)注的課題。
傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償裝置，由于其阻抗是固定的，不能跟蹤沖擊負(fù)荷對(duì)無功功率的需求，也就是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)的無功功率進(jìn)行跟蹤動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
自1967年英國GEC公司研制出了世界上第一套自飽和電抗器型動(dòng)態(tài)無功靜止補(bǔ)償裝置(簡(jiǎn)稱SR型SVC)以來，世界各大電氣公司相繼研制出諸如可控硅控制飽和電抗器型(TSR型SVC)、可控硅投切電容器組型(TSC型SVC)、可控硅控制高阻抗變壓器型(TCT型SVC)和可控硅控制線性電抗器型(TCR型SVC)無功靜止補(bǔ)償裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展和無功補(bǔ)償要求的提高，有的逐漸被淘汰。
目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的是TCR型SVC裝置。TCR型SVC裝置除能實(shí)現(xiàn)上述諸項(xiàng)功能外，裝置本身具有如下優(yōu)點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快，小于10ms；可以連續(xù)調(diào)節(jié)，平滑跟蹤負(fù)荷的變化動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；能接受多路控制信號(hào)，進(jìn)行分相調(diào)節(jié)。
但TCR型SVC裝置存在一定缺點(diǎn)①可控硅閥串聯(lián)在電抗器的主回路，承受10KV～35KV及以上運(yùn)行電壓，由于制造工藝的原因，制造不出這么高電壓等級(jí)的可控硅，為了提高承受高電壓能力，將很多只可控硅串聯(lián)起來使用，形成可控硅堆，事故率高，可控硅經(jīng)常成串成串的被擊穿。
②為了降低可控硅承受過高的電壓，有的采用降低電壓的方式，增加一臺(tái)降壓變壓器，將整套TCR(包括線性電抗器，可控硅閥組等)安裝在降壓變壓器的低壓側(cè)。這樣一來，一是增加了變壓器的無功損耗，從而加大了SVC裝置的整體安裝容量；二是由于增加了變壓器損耗，加大了整套裝置的年運(yùn)行費(fèi)用；三是由于在TCR回路增加了一臺(tái)變壓器，TCR的整體響應(yīng)速度減慢了，影響整體裝置的補(bǔ)償效果。
③由于可控硅閥是由很多只可控硅串聯(lián)后再反并聯(lián)組成的，保護(hù)回路很復(fù)雜，事故率也比較多。
④由于可控硅閥串聯(lián)在TCR電抗器的主回路，可控硅閥的溫度很高，為了降低其溫度，必須另配置一套散熱系統(tǒng)，通常有兩種方式一種是附設(shè)一套水冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括純水處理設(shè)施、水泵、管路等；另一種是采用風(fēng)管冷卻設(shè)備，將熱量排放到空氣中，如果可控硅閥組安裝在室內(nèi)，室內(nèi)溫度很高，需另設(shè)工業(yè)空調(diào)降溫。
⑤水冷卻系統(tǒng)，有如下弊端一是維護(hù)不方便，因?yàn)镾VC裝置是電氣設(shè)備，安裝在變電站，運(yùn)行管理人員都是電氣人員，對(duì)純水處理系統(tǒng)不熟悉；二是增加了設(shè)備總投資；三是水冷卻系統(tǒng)耗電量大，增加了SVC裝置的年運(yùn)行費(fèi)用；四是水冷卻系統(tǒng)給SVC裝置增添了事故率。
⑥水冷卻系統(tǒng)，要單獨(dú)設(shè)水處理室，既增加了房屋建設(shè)費(fèi)，又增加了占地面積。
⑦風(fēng)管冷卻方式，在室內(nèi)需增設(shè)工業(yè)空調(diào)制冷設(shè)備，一是增加了維護(hù)量；二是增加了設(shè)備投資；三是空調(diào)電耗，增加了年運(yùn)行費(fèi)用。
⑧普通空芯電抗器產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，輻射能力很強(qiáng)，殺傷人體白血球，對(duì)運(yùn)行人員身體健康危害性大。
⑨整套裝置結(jié)構(gòu)、組成復(fù)雜，維護(hù)管理復(fù)雜，備品備件多，年運(yùn)行費(fèi)用高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。
本可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括主電抗器，至少一個(gè)有由電容器組和串聯(lián)電抗器組成的濾波回路，其特征在于所述的主電抗器采用磁閥電抗器，磁閥電抗器串聯(lián)隔離開關(guān)G1和斷路器K2接電網(wǎng)；還包括一控制單元，電壓互感器輸出的母線電壓信號(hào)、總電流互感器輸出的總電流信號(hào)以及磁閥電抗器的電流互感器檢測(cè)的電抗器電流信號(hào)分別接所述控制單元輸入端，控制單元的輸出接到磁閥電抗器二次側(cè)控制回路之可控硅閥的控制極。
本MCR型SVC裝置采用的電抗器是目前世界上最新技術(shù)制造的磁閥電抗器，可控硅閥串聯(lián)在電抗器二次側(cè)的控制繞組內(nèi)，通過控制繞組間接調(diào)節(jié)電抗器電流。因此，可控硅閥不承受主回路的高電壓，只有主回路電壓的1/100左右。這樣，可控硅閥不需要通過串聯(lián)，按通常每相兩只反并聯(lián)連接，三相共6只可控硅即可。
由于可控硅閥連接在電抗器的二次側(cè)控制回路，電壓低，既不存在可控硅被擊穿的故障，也不存在溫度高需配置冷卻系統(tǒng)，靠自然冷卻大大減少了事故率。使用的可控硅閥數(shù)量少、容量小，自身產(chǎn)生的諧波量小，比TCR少50％。
MCR的磁場(chǎng)在鐵芯的磁路內(nèi)，無輻射磁場(chǎng)，對(duì)人體無害。整套裝置結(jié)構(gòu)、組成比較簡(jiǎn)單，維護(hù)管理比較方便，年運(yùn)行費(fèi)用低。


圖1為本實(shí)用新型的原理圖；圖2為磁閥電抗器接線原理圖；圖3為a磁閥電抗器可控硅T1導(dǎo)通等效電路圖；圖3為b磁閥電抗器可控硅T2導(dǎo)通等效電路圖；圖4為磁閥電抗器諧波電流分布圖；圖5為磁閥式可控電抗器伏安特性曲線；圖6為磁閥電抗器控制特性曲線；
圖7表示磁閥電抗器調(diào)節(jié)過渡過程波形；圖8鐵心磁飽和特性曲線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
MCR型SVC原理見圖1所示，包括若干電容器組FC、磁閥電抗器MCR(即主電抗器)、可控硅閥以及控制單元等。磁閥電抗器MCR串聯(lián)隔離開關(guān)G1和斷路器K2接電網(wǎng)；電容器組和串聯(lián)電抗器組成濾波回路，電容器組FC和串聯(lián)電抗器L、隔離開關(guān)G2及斷路器K3串聯(lián)接到電網(wǎng)，電容器組FC’和串聯(lián)電抗器L’、隔離開關(guān)G3及斷路器K4串聯(lián)接到電網(wǎng)電容器組FC為固定值，即超前的無功功率QC為固定值，當(dāng)負(fù)載滯后而無功功率QC變化時(shí)，可連續(xù)控制滯后無功QL，使(QL-QC)變化，例如當(dāng)QF增大時(shí)，則使補(bǔ)償電抗器耗用的無功QL減??；當(dāng)QF減小時(shí)，則QL增大。即不管負(fù)荷的無功功率QF如何變化，通過可控硅閥改變QL的大小，保持系統(tǒng)供給的無功功率QS＝QF+QL-QC≈常數(shù)，以限制電壓波動(dòng)和閃變。FC通常設(shè)計(jì)成濾波器，基波無功輸出QC，同時(shí)吸收沖擊負(fù)荷伴生的高次諧波。
圖1b所述控制單元包括一單片機(jī)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器接于單片機(jī)的輸入端，電壓互感器輸出的母線電壓信號(hào)、總電流互感器CT輸出的總電流信號(hào)以及磁閥電抗器的電流互感器CT1檢測(cè)的電抗器電流信號(hào)分別接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端，單片機(jī)的相應(yīng)輸出接有顯示器，脈沖整形放大單元接單片機(jī)的輸出端，脈沖整形放大單元輸出接到磁閥電抗器二次側(cè)控制回路之可控硅閥的控制極，單片機(jī)的相應(yīng)輸出端還接有數(shù)據(jù)通訊接口，用于與上位主控微機(jī)通訊。
電網(wǎng)電壓、負(fù)載總電流信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到位單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出負(fù)載無功功率，根據(jù)所計(jì)算的負(fù)載無功功率，向可控電抗器發(fā)送一定角度(相對(duì)于電網(wǎng)電壓)的脈沖控制信號(hào)，觸發(fā)可控硅閥使電抗器輸出一定的補(bǔ)償容量無功，使系統(tǒng)總無功最小。
用以控制的磁控電抗器的接線圖見圖2。電抗器由四柱鐵心和繞組組成，中間兩個(gè)鐵心為工作鐵心，上面分別對(duì)稱地繞有主繞組N和控制繞組NK，控制繞組和主繞組電氣隔離。每一中間鐵心柱的控制繞組有抽頭比為δ＝N2/NK的抽頭，它們之間接有可控硅T1、T2；不同鐵心的上下兩個(gè)主繞組交叉連接后并聯(lián)至電源。由于可控硅接于磁閥電抗器的二次側(cè)的控制繞組抽頭之間，其上電壓很小，故可控硅的額定電壓僅為系統(tǒng)額定電壓的1％左右。對(duì)于35kV系統(tǒng)，可控硅的額定電壓確定為350-400V即可。這樣，大大提了可控硅的運(yùn)行可靠性。當(dāng)磁閥電抗器主繞組接至電源電壓時(shí)，在可控硅T1、T2兩端感應(yīng)出電源電壓1％左右的電壓，電源電壓正半周觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T1，形成圖3a所示的等效電路。在回路中產(chǎn)生控制電流Ik’和ik”；電源電壓負(fù)半周期間觸發(fā)導(dǎo)通可控硅T2，形成圖3b所示的等效電路，在回路中產(chǎn)生控制電流ik’和ik”；一個(gè)工頻周期輪流導(dǎo)通T1和T2，感應(yīng)產(chǎn)生的控制電流ik’和ik”使電抗器工作鐵心飽和，輸出電流增加。磁閥電抗器輸出感性電流大小取決于可控硅控制角α，α越小，產(chǎn)生的控制電流越強(qiáng)，從而電抗器工作鐵心磁飽和越高，輸出感性電流越大。α從90度改變到180度，QL從100％變化到零。因此，改變可控硅控制角，可平滑連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器的無功功率及SVC裝置無功容量。
磁閥式可控電抗器特性如下1、諧波特性磁閥電抗器(MCR)產(chǎn)生的諧波比相控電抗器(TCR)小。如圖4橫坐標(biāo)為電抗器輸出基波電流標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為額定基波電流。5次諧波電流不超過3％，7次諧波電流不超過1.5％，11次諧波電流不超過0.8％，13次諧波電流不超過0.3％。在三相對(duì)稱運(yùn)行條件下，運(yùn)行于三角形接線方式的可控電抗器組不向電網(wǎng)注入3次諧波，余下的諧波含量不超過額定電流就微小了。
2、伏安特性磁閥電抗器伏安特性如圖5所示，在一定控制導(dǎo)通角α下，磁閥電抗器伏安特性近似線性。
3、控制特性磁閥電抗器控制特性如圖6所示，圖6中橫坐標(biāo)為可控硅控制角度，縱坐標(biāo)為電抗器在額定電壓下的基波電流幅值標(biāo)值，基準(zhǔn)值為額定基波電流幅值。由圖6可見，可控電抗器輸出電流(容量)隨控制角增加而減少。
4、響應(yīng)時(shí)間圖7表示磁閥電抗器從空載到額定或從額定到空載容量的電流過渡波形，時(shí)間約為15ms。
5、磁飽和特性磁閥電抗器采用世界最新理論和極限磁飽和技術(shù)，圖8示出鐵芯磁化曲線，曲線中間部分為未飽和線性區(qū)，左右兩邊為極限飽和線性區(qū)，電抗器工作在極限飽線性區(qū)時(shí)，不僅能減小諧波含量，而且還能降低鐵心磁滯損耗。
本實(shí)用新型是在多年從事TCR型SVC和諧波濾波裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)TCR應(yīng)用中存在的問題，采用了當(dāng)代最先進(jìn)的磁閥電抗器的最新技術(shù)成果，使動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)一步完善、運(yùn)行更安全可靠、補(bǔ)償效果更好、維護(hù)更加簡(jiǎn)便、費(fèi)用更節(jié)省。與其它類型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置比較，更具生命力。
權(quán)利要求1.一種可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，包括主電抗器，至少一個(gè)有由電容器組和串聯(lián)電抗器組成的濾波回路，其特征在于所述的主電抗器采用磁閥電抗器，磁閥電抗器串聯(lián)隔離開關(guān)G1和斷路器K2接電網(wǎng)；還包括一控制單元，電壓互感器輸出的母線電壓信號(hào)、總電流互感器輸出的總電流信號(hào)以及磁閥電抗器的電流互感器檢測(cè)的電抗器電流信號(hào)分別接所述控制單元輸入端，控制單元的輸出接到磁閥電抗器二次側(cè)控制回路之可控硅閥的控制極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征在于所述控制單元包括一單片機(jī)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器接于單片機(jī)的輸入端，單片機(jī)的相應(yīng)輸出接有顯示器，脈沖整形放大單元接單片機(jī)的輸出端，脈沖整形放大單元輸出接到磁閥電抗器二次側(cè)控制回路之可控硅閥的控制極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征在于所述單片機(jī)的相應(yīng)輸出端接有數(shù)據(jù)通訊接口。
專利摘要一種可控硅控制磁閥電抗器型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，包括主電抗器，至少一個(gè)有由電容器組和串聯(lián)電抗器組成的濾波回路，其特征在于所述主電抗器采用磁閥電抗器，磁閥電抗器串聯(lián)斷路器和隔離開關(guān)接于電網(wǎng)；包括控制單元，檢測(cè)的母線電壓信號(hào)、總電流信號(hào)以及磁閥電抗器的電流信號(hào)分別接控制單元輸入端，控制單元的輸出接到磁閥電抗器二次側(cè)控制回路之可控硅閥的控制極。其采用磁閥電抗器，可控硅閥接在電抗器二次側(cè)的控制繞組內(nèi)，通過控制繞組間接調(diào)節(jié)電抗器電流，可控硅不承受主回路的高電壓，不存在可控硅被擊穿的故障，可控硅閥用量少、容量小，自身產(chǎn)生的諧波量小，比TCR裝置少50％。
文檔編號(hào)H01F29/02GK2671200SQ0327362
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2003年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者陳偉俊, 陳柏超, 陳珈楓, 陳侃楓 申請(qǐng)人:深圳市威爾辰電力電子科技有限公司