可控电抗器.pdf

本发明提供了一种大容量全控型可控电抗器，该电抗器至少由以下三部分组成：电流检测单元、补偿电流发生单元、单相或三相变压器组成，通过调节变压器二次侧电流标幺值在(－1，1)间任意变化(可以是基波电流的变化、谐波电流的变化或者基波与谐波电流的共同变化)，从而改变变压器铁芯的导磁率，使变压器的等效阻抗在－Zm～Zm之间连续可控，该可控电抗器可串入电网也可与电网并接，用于电网无功补偿、谐波滤除及作为新型可控自动消弧线圈使用，且不会为电网带来谐波干扰。

1、  一种可控电抗器，主要由电流检测单元(I)、补偿电流发生单元(II)、单相或三相变压器(III)三部分组成，其特征在于变压器二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，其等效阻抗在-Zm～Zm之间连续可调。

2、  依照权利要求1所述可控电抗器，其特征在于二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生与基波无功电流iq成正比的补偿电流i2＝α(W1/W2)iq，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流可表示为i1＝α×iq，-1≤α≤1。

3、  依照权利要求2所述可控电抗器，其特征在于补偿电流i2中允许含有少量的用于供应变压器损耗的基波有功电流信号。

4、  依照权利要求1所述可控电抗器，其特征在于二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生与电网基波电流is成正比的补偿电流i2＝α(W1/W2)is，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流可表示为i1＝α×is，-1≤α≤1。

5、  依照权利要求1所述可控电抗器，其特征在于二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生与电网谐波电流ih成正比的补偿电流i2＝α(W1/W2)ih，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流可表示为i1＝α×ih，-1≤α≤1。

6、  依照权利要求5所述可控电抗器，其特征在于补偿电流i2中允许含有少量的用于供应变压器损耗的基波有功电流信号。

7、  依照权利要求1、2、5所述可控电抗器，其特征在于二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生与电网基波无功电流iq和电网谐波电流ih成线性组合的补偿电流i2＝α(W1/W2)iq+β(W1/W2)ih，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流为i2＝α×iq+β×ih，其中-1≤α≤1，-1≤β≤1。

8、  依照权利要求7所述可控电抗器，其特征在于补偿电流i2中允许含有少量的用于供应变压器损耗的基波有功电流信号。

可控电抗器
技术领域
本发明属可控电抗器领域，具体涉及一种可用于电网的大容量全控型可控电抗器。
背景技术
迄今为止，电网中使用的可控电抗器有以下几种类型：晶闸管控制电抗器(TCR)，目前应用于10KV(或35KV)电网静止补偿(SVC)及高压输电系统的可控串联补偿(TCSC)中，它会产生较强的高次谐波电流或分数次谐波电流，必须增设附加的滤波装置来滤除这些谐波。晶闸管控制变压器(TCT)，通过触发脉冲使变压器二次侧间隔性短路来调节变压器电抗，它同TCR一样会产生较强的谐波电流，有时需要增设补偿绕组为三次及其奇数倍次谐波电流提供通道。直流助磁或其变种磁阀式可控电抗器，它同样会产生较强谐波电流，并产生较强振动及噪声。基于基波磁通补偿的可控电抗器，虽然可以实现等效阻抗单向连续可调，不会产生较强的谐波电流，但其通常需要与晶闸管投切电容器(TSC)一起使用，造成设备成本增加，而TSC本身在投切瞬间会产生谐波。
因此，到目前为止，可控电抗器的等效阻抗仅能实现单向连续可调(0-Zm)，而不能进行双向连续可调(-Zm-Zm)。
发明内容
本发明提供了一种可以克服上述可控电抗器缺陷的新型大容量全控型可控电抗器，通过调节变压器二次侧电流标幺值在(-1，1)间任意变化，从而改变变压器铁芯的导磁率，使变压器的等效阻抗在-Zm～Zm之间连续可控，自身不会为电网带来谐波干扰。
本发明的技术方案是：
一种大容量全控型可控电抗器，至少由电流检测单元(I)、补偿电流发生单元(II)、单相或三相变压器(III)三部分组成，当变压器二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，其等效阻抗在-Zm～Zm之间连续可调。
其中：
当二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生的电流是与电网基波电流is或基波无功电流iq成正比的补偿电流i2＝α(W1/W2)iq(或i2＝α(W1/W2)is)，这里W1、W2分别为变压器原、副边绕组匝数，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流可表示为i1＝α×iq(或i1＝α×is)，-1≤α≤1。
当二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生的电流是与电网谐波电流ih成正比的补偿电流i2＝α(W1/W2)ih，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流可表示为i1＝α×ih，-1≤α≤1。
当二次侧电流标幺值在(-1，1)间变化时，补偿电流发生单元(II)产生的电流是与电网基波无功电流iq和电网谐波电流ih成线性组合的补偿电流i2＝α(W1/W2)iq+β(W1/W2)ih，若变压器的二次侧为多绕组，则变压器一次侧产生的补偿电流为i2＝α×iq+β×ih，-1≤α≤1，-1≤β≤1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明实现了通过调节变压器二次侧电流标幺值在(-1，1)间任意变化，即通过改变二次侧电流的大小及方向，来改变变压器铁芯内磁通的大小及方向，从而达到通过改变铁芯内磁通来调节电抗，进而调节变压器的等效阻抗的目的；当变压器铁芯内的基波磁通或某一次谐波磁通为零时，则对应于基波或该次谐波的等效阻抗为零，当变压器铁芯内的基波磁通或某一次谐波磁通反向时，等效阻抗为负值，随着反向磁通的增加，等效阻抗一步减小，这样通过调节变压器二次侧电流的大小及方向，可使变压器的等效阻抗在-Zm～Zm之间双向连续可调。
2、本发明可用于电网的无功补偿、谐波滤除及作为新型可控自动消弧线圈使用，也可用于高压输电系统的可控串联补偿(TCSC)中，与现有技术相比，由于该可控电抗器采用快速开关器件(IGBT，IGCT等)，同时二次侧滤除了开关元件所产生的谐波，它不会给电网带来谐波干扰，因此不需要在电网侧增设会与电网发生谐振的无源滤波装置。
3、本发明不仅可以调节基波电抗，而且可以调节谐波电抗，同时还可根据实际需要分别调节基波电抗与谐波电抗(如同时使基波电抗为零，三次谐波电抗为负值，五次谐波电抗为正值，高次谐波电抗很大)。
附图说明
图1为本发明并入电网作为并联大容量可控电抗—电容器使用(用于电网无功补偿、谐波滤除等)的结构示意图，其中变压器副边为多绕组。
图2为本发明串入电网作为串联大容量可控电抗—电容器使用(用于谐波滤除、可控串联补偿等)的结构示意图，其中变压器副边为多绕组。
图3为本发明并入电网作为并联大容量可控电抗—电容器使用(用于电网无功补偿、谐波滤除等)的结构示意图，其中变压器副边为单绕组。
图4为本发明串入电网作为串联大容量可控电抗—电容器使用(用于谐波滤除、可控串联补偿等)的结构示意图，其中变压器副边为单绕组。
图1-4中，电流检测单元(I)包括位于变压器一次侧的电流互感器1、位于变压器二次侧的用于测量补偿电流发生单元(II)输出电流的电流互感器2。补偿电流发生单元(II)由信号采集电路3、数据处理及脉冲触发信号产生电路4、逆变电路(由IGBT、IGCT、GTO等电力电子元件及电容组成)及其保护元件5、接于逆变电路输出端的电感及滤波电容组成6组成，其中，信号采集电路3包括采集电网电压的电压互感器(或变压器)、采集电容电压的霍尔电压元件、隔离元件及对采集信号处理的电路板，数据处理及脉冲触发信号产生电路4一般为DSP电路，它将信号采集电路3过来的信号进行A/D转换，根据实际要求计算出需要补偿的电流，经滞环比较或载波调制后产生驱动逆变电路5电力电子器件的触发脉冲。变压器(III)可以是单相或三相变压器，单相变压器的二次侧为单绕组或多绕组，三相变压器的二次侧每相为单绕组或为多绕组。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，变压器(III)与电网并接，变压器(III)为单相变压器，变压器二次侧为多绕组(绕组数N＞1)或单绕组(N＝1)，多绕组变压器的每个二次绕组分别经接于逆变电路输出端的滤波电容及电感6联接各自的逆变电路5，信号采集电路3对电流、电压信号进行隔离变换，数据处理及脉冲触发信号产生电路4产生各个逆变电路5的触发脉冲，从而达到通过调节二次侧电流调节变压器电抗的目的，该变压器可平滑输出感性及容性无功。图1中的变压器也可为三相变压器，此时逆变电路5为三相逆变桥，相应的触发脉冲为6脉冲。
该可控电抗器电路主要用作单相(或三相)电路的无功补偿及谐波滤除。
当该可控电抗器用作无功补偿时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出需要补偿的无功量，从而计算出变压器原边需要流过的电流，然后通过调节触发脉冲，控制二次侧电流大小及流向，来控制变压器铁芯内磁通的大小及方向，进而控制变压器原边流过的电流，这样便调节了变压器地电抗，将变压器作为可控电抗—电容器使用。由于二次侧并联电容没有附加的供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的基波有功电流，用于变压器误差补偿及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。当需要补偿的无功为感性无功时，可通过调节触发脉冲，使二次侧电流标幺值在(0，1)之间变化，变压器作可控电抗器使用(阻抗标幺值在0～Zm间变化)，当需要补偿的无功为容性无功时，则通过调节触发脉冲，使二次侧电流反向，这样其二次电流标幺值便在(-1，0)之间变化，变压器作可控电容器使用(阻抗标幺值在-Zm～0间变化)。
当该可控电抗器用作谐波滤除时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到滤波要求的变压器原边需要流过的谐波补偿电流，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来产生所需要的二次侧谐波电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧谐波电流，调节变压器的等效阻抗，当二次侧谐波电流标幺值在(0，1)之间变化时，变压器作可控电抗器使用，当二次侧谐波电流反向，即其谐波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器作可控电容器使用。与该发明用作无功补偿时一样，由于二次侧并联电容没有附加的供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的有功电流，用于变压器误差补偿及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。
实施例2
如图2所示，变压器串接与电网中，变压器为单相变压器，变压器二次侧为多绕组(绕组数N＞1)或单绕组(N＝1)，多绕组变压器的每个二次绕组分别经接于逆变电路输出端的滤波电容及电感6联接各自的逆变电路5，信号采集电路3对电流、电压信号进行隔离变换，数据处理及脉冲触发信号产生电路4产生各个逆变电路5的触发脉冲，从而达到通过调节二次侧电流调节变压器电抗进而改变一次侧电流的目的，该变压器可看作可调电抗与可调电容的串联。图2中的变压器也可为三相变压器，此时逆变电路5为三相逆变桥，相应的触发脉冲为6脉冲。
该可控电抗器电路主要用于电网的可控串联补偿及谐波滤除。当该可控电抗器用作谐波滤除时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到滤波要求的变压器原边需要产生的谐波补偿电压，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来调节二次侧谐波电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧两端的谐波电压，达到调节变压器的谐波等效阻抗目的。当二次侧谐波电流标幺值在(0，1)之间变化时，变压器作可控电抗器使用，当二次侧谐波电流反向，即其谐波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器一次侧谐波端电压反向，变压器作可控电容器使用。由于二次侧并联电容没有附加的供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的基波有功电流，用于变压器误差补偿及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。
当该可控电抗器用作电网可控串联补偿时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到串联补偿要求的变压器应呈现的等效阻抗Z，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来调节二次侧电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧两端的基波电压，达到调节变压器等效阻抗目的。当二次侧基波电流标幺值在(0，1)之间变化时，变压器作可控电抗器使用，当二次侧基波电流反向，即其基波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器一次侧端电压反向，变压器作可控电容器使用。
实施例3
如图3所示，变压器与电网并接，变压器为单相变压器，变压器二次侧为单绕组，多个逆变电路经各自的限流电抗后并联于变压器二次侧，用于增加可控电抗器的容量；信号采集电路3对电流、电压信号进行隔离变换，数据处理及脉冲触发信号产生电路4产生各个逆变电路5的触发脉冲，从而达到通过调节二次侧电流调节变压器电抗的目的，该变压器可平滑输出感性及容性无功。图3中的变压器也可为三相变压器，此时逆变电路5为三相逆变桥，相应的触发脉冲为6脉冲。
同实施例1，该可控电抗器电路主要用作单相(或三相)电路的无功补偿及谐波滤除。当该可控电抗器用作无功补偿时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出需要补偿的无功及变压器副边需要补偿的电流，然后通过调节触发脉冲，控制开关器件的通、断，来控制二次侧电流大小及流向，以及变压器铁芯内磁通的大小及方向，进而控制变压器原边流过的电流，这样便调节了变压器的电抗，将变压器作为可控电抗—电容器使用。若变压器向电网注入的是感性无功，则整个系统作为可控电抗器使用；若变压器向电网注入的是容性无功，则整个系统作为可控电容器使用。由于二次侧并联电容没有附加供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的有功电流，用于变压器误差补偿及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。当需要补偿的无功为感性无功时，可通过调节触发脉冲，使二次侧电流标幺值在(0，1)之间变化，变压器作可控电抗器使用(阻抗标幺值在0～Zm间变化)，当需要补偿的无功为容性无功时，则通过调节触发脉冲，使二次侧电流反向，这样其二次电流标幺值便在(-1，0)之间变化，变压器作可控电容器使用(阻抗标幺值在-Zm～0间变化)。
当该可控电抗器用作谐波滤除时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到滤波要求的变压器副边需要流过的谐波补偿电流，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来产生所需要的二次侧谐波电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧谐波电流，调节变压器的等效阻抗，当二次侧谐波电流标幺值在(0，1)之间变化时，变压器作可控电抗器使用，当二次侧谐波电流反向，即其谐波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器作可控电容器使用。与该发明用作无功补偿时一样，由于二次侧并联电容没有附加供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的有功电流，用于变压器误差补偿及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。
实施例4
如图4所示，变压器串接与电网中，变压器为单相变压器，变压器二次侧为单绕组，多个逆变电路经各自的限流电抗后并联于变压器二次侧，用于增加可控电抗器的容量；信号采集电路3对电流、电压信号进行隔离变换，数据处理及脉冲触发信号产生电路4产生各个逆变电路5的触发脉冲，从而达到通过调节二次侧电流调节变压器电抗进而改变一次侧电流的目的，该变压器可看作可调电抗与可调电容的串联。图4中的变压器也可为三相变压器，此时逆变电路5为三相逆变桥，相应的触发脉冲为6脉冲。
同实施例2，该可控电抗器电路主要用于电网的可控串联补偿及谐波滤除。当该可控电抗器用作谐波滤除时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到滤波要求的变压器副边需要产生的谐波补偿电流，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来调节二次侧谐波电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧两端的谐波电压，达到调节变压器的谐波等效阻抗目的。当二次侧谐波电流标幺值在(0，1)之间变化时，变压器可看作可控电抗器，当二次侧谐波电流反向，即其谐波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器一次侧谐波端电压反向，变压器可看作可控电容器。由于二次侧并联电容没有供电电源，变压器的绕组及铁芯内存在损耗，因此变压器二次电流中需包含少量的基波有功电流，用于补偿装置的有功损耗及维持电容电压稳定，该有功电流的大小可由装置损耗功率及电网电压的大小来计算。
当该可控电抗器用作电网可控串联补偿时，数据处理电路根据信号采集电路3采集的电压、电流信号计算出达到串联补偿要求的变压器应呈现的等效阻抗Z，脉冲触发信号产生电路4根据控制要求产生触发脉冲，通过控制电力电子器件的通、断来调节二次侧电流，进而通过改变变压器铁芯磁通来调节变压器一次侧两端的基波电压，从而调节了变压器的等效阻抗。当二次侧基波电流标幺值在(0，1)之间变化时，装置作可控电抗器使用，当二次侧基波电流反向，即其基波电流标幺值在(-1，0)之间变化时，变压器一次侧端电压反向，装置作可控电容器使用。