一种基于串并联谐振的无功补偿装置

摘要

本发明公开了一种基于串并联谐振的无功补偿装置，包括一条无功补偿支路，或者二条以上并联的无功补偿支路；所述无功补偿支路由补偿单元与串并联谐振控制单元串联组成。所述串并联谐振控制单元由两条支路并联组成，支路一是由电容器组成，支路二是由功率器件与电抗器串联后与电容器并联，再与一个电抗器串联组成；通过功率器件的导通与关断，使得两条支路在串联或并联谐振状态之间转换，从而实现补偿单位的投入或退出。本发明巧妙运用串并联谐振的阻抗特性实现了无触点开关的功能，不仅结构简单，减少了功率器件的使用数量，大大节约了成本，同时降低了功率器件承受的关断压降，提高了其使用寿命。

权利要求

1.一种基于串并联谐振的无功补偿装置，其特征在于：包括一条无功补偿支路，或者二条以上并联的无功补偿支路；所述无功补偿支路由补偿单元与串并联谐振控制单元串联组成；

所述串并联谐振控制单元由两条支路并联组成，支路一是由电容器组成；支路二是由功率器件、电容器以及2个电抗器组成，所述功率器件与一个电抗器串联后与电容器并联，并联后的电路再与另一个电抗器串联；通过功率器件的导通与关断，使得两条支路在串联或并联谐振状态之间转换，从而实现补偿单位的投入或退出；

当功率器件关断时，使得支路二进入串联谐振状态，补偿单元投入补偿；当功率器件导通时，使得支路一与支路二进入并联谐振状态，补偿单元退出补偿；

或者，当功率器件关断时，使得支路一与支路二进入并联谐振状态，补偿单元退出补偿；当功率器件导通时，使得支路二进入串联谐振状态，补偿单元器投入补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于串并联谐振的无功补偿装置，其特征在于：所述补偿单元为补偿电容或补偿电容组。

3.根据权利要求2所述的一种基于串并联谐振的无功补偿装置，其特征在于：所述功率器件为晶闸管。

说明书

一种基于串并联谐振的无功补偿装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无功补偿装置，尤其涉及一种使用串并联谐振技术来实现无功补偿的装置，属于电力系统无功补偿技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，随着电网容量的增加，对电网无功的要求也越来越高，无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率就需要由发、配电网提供，这将降低发输电的能力，导致电网供电质量恶化，甚至导致系统电压崩溃，对用户用电造成极大影响。因此无功功率补偿对改善电能质量、稳定系统电压意义十分重大。

[0003] 晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor简称TSC)可以准确投入电容器，具有优良的动态无功功率补偿性能，在解决电网稳定性以及配电电能质量等问题中发挥了相当重要的作用，近年来该技术在配电网中得到了迅速的推广应用。

[0004] 传统的TSC工作在中高压电网中时，晶闸管在关断时要承受全部电网电压，然而晶闸管的制作工艺和工作原理决定了其更容易获得更大的导通电流而不是更高的耐压等级，因此一般单支晶闸管的耐压只有几千伏，实际使用过程中需要多只晶闸管串联使用，这将增加TSC的成本，降低设备可靠性；与此同时每支晶闸管导通时存在的管压降是一定的，多支晶闸管的串联使用必然会使整个晶闸管单元的导通压降增加，几百安培的电流流过晶闸管时，将发出几千瓦的热量，除了需要增加难度大、造价高的散热装置之外，还容易导致晶闸管的损坏。

[0005] 发明说明

[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于串并联谐振的无功补偿装置，该装置能在无需过多考虑晶闸管电压耐受水平的情况下直接接入高压电网进行无功补偿，并且可靠性高，运行成本低。本发明的技术解决方案是：

[0007] 一种基于串并联谐振的无功补偿装置，包括一条无功补偿支路，或者二条以上并联的无功补偿支路；所述无功补偿支路由补偿单元与串并联谐振控制单元串联组成。

[0008] 所述串并联谐振控制单元由两条支路并联组成，支路一是由电容器组成；支路二是由功率器件、电容器以及2个电抗器组成，所述功率器件与一个电抗器串联后与电容器并联，并联后的电路再与另一个电抗器串联；通过功率器件的导通与关断，使得两条支路在串联或并联谐振状态之间转换，从而实现补偿单元的投入或退出。

[0009] 所述补偿单元为补偿电容或补偿电容组。

[0010] 所述功率器件为晶闸管。

[0011] 本发明具有以下两种实现方式：第一、当功率器件关断时，使得支路二进入串联谐振状态，补偿单元投入补偿；当功率器件导通时，使得支路一与支路二进入并联谐振状态，补偿单元退出补偿；第二、当功率器件关断时，使得支路一与支路二进入并联谐振状态，补偿单元退出补偿；当功率器件导通时，使得支路二进入串联谐振状态，补偿单元器投入补偿。

[0012] 与现有技术相比本发明巧妙运用串并联谐振的阻抗特性实现了无触点开关的功能，不仅结构简单，减少了功率器件的使用数量，大大节约了成本，同时降低了功率器件关断时所承受的电压降，提高了其使用寿命。

附图说明

[0013] 图1为本发明的电路原理图。

[0014] 图2为本发明中第一种实现方式下晶闸管T关断支路二产生串联谐振示意图。

[0015] 图3为本发明中第一种实现方式下晶闸管T导通支路一与支路二产生并联谐振示意图。

[0016] 图4为本发明中第二种实现方式下晶闸管T关断支路一与支路二产生并联谐振示意图。

[0017] 图5为本发明中第二种实现方式下晶闸管T导通支路二产生串联谐振示意图。

具体实施方式

[0018] 以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明。

[0019] 本实施例运用晶闸管T作为功率器件控制串并联谐振控制单元在串、并联谐振两种状态进行转换，实现补偿电容器C3的有效投入与退出。串并联谐振控制单元主要由晶闸管T、两个电容C1、C2和两个电感L1、L2构成，拓扑结构如图1所示。下面分别针对两种实现方式，给出具体电路参数选择，主要为了说明投切电路在两种工况下，各电路元件应满足的数值关系。

[0020] 定义母线电压为U、晶闸管T，导通时流过晶闸管器件的电流 和关断时施加在晶闸管器件两端电压 。

[0021] 1、第一种实现方式

[0022] (1)如图2所示，当晶闸管T关断时，令支路二中C1、L2发生串联谐振，此时实现补偿电容器C3投入补偿，根据串联谐振发生条件，可以得到

[0023]

[0024] 由式(1-1)可以推出

[0025]

[0026] 其中ω为电网电压角频率。

[0027] 支路二发生串联谐振时，补偿容量QC为

[0028]

[0029] 由上式可得，

[0030]

[0031] 其中U为补偿接入点电网电压。

[0032] 由于支路二发生串联谐振时，流过C1、L2的电流与流过C3的电流相同，且晶闸管T两端电压与C1两端电压相同，即

[0033]

[0034]

[0035] 令晶闸管在关断时承受电网电压为M(M≥1，M∈N)分之一，即 由此可得

[0036] C1＝MC3    (1-4)

[0037] 综合式(1-2)、(1-3)和式(1-4)，可以得到

[0038]

[0039] (2)如图3所示，当晶闸管T导通时，令支路一和支路二发生并联谐振，即C1、L1并联再与L2串联后与C2发生并联谐振，此时补偿电容器C3将从电网中退出补偿，根据并联谐振发生条件，可以得到

[0040]

[0041] 综合式(1-2)和式(1-6)得各元件之间参数关系，可得

[0042]

[0043] 限制并联谐振时流过支路一的电流为 ，则在晶闸管T导通时，

[0044]

[0045] 由式(1-8)可得，

[0046]

[0047] 根据式(1-7)的参数关系式，及已经推导出来的参数L2、C2、C1可得，[0048]

[0049] 2、第二种实现方式

[0050] (1)如图4所示，当晶闸管T关断时，令支路一和支路二发生并联谐振，即C1与L2串联后与C2发生并联谐振，此时补偿电容器C3将从电网中退出补偿，根据并联谐振发生条件，可以得到

[0051]

[0052] 整理式(2-1)可得，

[0053]

[0054] 其中ω为电网电压角频率。

[0055] 当支路一和支路二发生并联谐振时，流过支路一和支路二的电流大小相等方向相反，且晶闸管T两端电压与C1两端电压相同，则有

[0056]

[0057]

[0058] 令晶闸管器件在关断时承受电网电压的M分之一，即令 由此可得，[0059] C1＝MC2    (2-4)

[0060] 由晶闸管T导通，②支路发生串联谐振，令补偿容量为QC，则有

[0061] QC＝U2·ωC3

[0062] 由上式有，

[0063]

[0064] (2)如图5所示，当晶闸管T导通时，令支路二发生串联谐振，即C1、L1并联后与L2发生串联谐振，此时实现补偿电容器C3投入补偿，根据串联谐振发生条件，可以得到[0065]

[0066] 将综合式(2-2)、(2-4)和(2-6)得到元件参数关系为

[0067]

[0068] 限制晶闸管导通时L2两端的电压为 ，则

[0069]

[0070] 由式(2-5)和式(2-8)可推导得知，

[0071]

[0072] 从而，由式(2-7)可得，

[0073]

[0074] 将式(2-4)带入式(2-2)可得，

[0075]

[0076] 推算可得，

[0077]

[0078] 由式(2-6)和式(2-10)可得，

[0079]

[0080] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。