專利名稱：配電變壓器一體化靜止補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及配電系統(tǒng)中的靜止補償器。
背景技術(shù)：
靜止無功補償器(以下簡稱STATC0M)是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制的主要設(shè)備之一， 在電力系統(tǒng)動態(tài)無功補償、負載諧波抑制、節(jié)點電壓支撐以及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面發(fā)揮了重要作用。應(yīng)用于配電網(wǎng)中的靜止無功補償器(以下簡稱D-STATC0M)通常安裝于低功率因數(shù)負荷附近，實現(xiàn)就地補償，具有投資少、補償效果好、使用靈活方便等優(yōu)點。然而 D-STATC0M也存在著以下有待改進的問題1D-STATC0M補償裝置接入配電網(wǎng)電壓等級較低，其補償容量受到的電力電子器件通流能力的限制，在負荷較重的時候會出現(xiàn)補償不足的情況；2采用較大電流的電力電子器件，其開關(guān)頻率較低，輸出補償電流波形質(zhì)量降低；3補償裝置安裝分散，缺少統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理，總體無功補償容量的利用率不高；4安裝于配電網(wǎng)末端，無法主動參與配電網(wǎng)整體的電能質(zhì)量控制；5需要通過耦合變壓器或較大連接電感接入電網(wǎng)，增加裝置體積和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種配電變壓器一體化靜止補償器，通過在關(guān)鍵節(jié)點的集中補償，提高了現(xiàn)有配電網(wǎng)靜止補償器的容量，改善了補償輸出波形質(zhì)量。配電變壓器一體化靜止補償器，包括配電變壓器、靜止補償模塊和控制平臺，配電變壓器高壓側(cè)的各相繞組上設(shè)置有連接抽頭，連接抽頭連接靜止補償模塊的交流輸出側(cè)， 控制平臺采集配電變壓器高、低壓側(cè)及連接抽頭的電壓和電流信息，依據(jù)這些電壓和電流信息生成跟蹤指令電流信號，禾_跟蹤指令電流信號控制靜止補償模塊的輸出實現(xiàn)補償。所述配電變壓器高壓側(cè)為Y型聯(lián)結(jié)方式，在每相繞組上與該繞組端點相同距離的位置分別設(shè)置一個連接抽頭。所述配電變壓器高壓側(cè)為Δ聯(lián)結(jié)方式，在每相繞組上與該繞組端點相同距離的位置分別設(shè)置一個連接抽頭。所述配電變壓器高壓側(cè)為Δ聯(lián)結(jié)方式，在三個繞組端點兩側(cè)分別對稱設(shè)置一連接抽頭，各繞組端點與其兩側(cè)的連接抽頭構(gòu)成一組三相連接抽頭，各組三相連接抽頭分別與一靜止補償模塊一一對應(yīng)連接。所述控制平臺按照如下方式生成跟蹤指令電流信號根據(jù)高、低壓側(cè)的電壓和電流計算得到所需補償?shù)臒o功功率或無功電流，再結(jié)合連接抽頭的電壓，將計算得到的無功功率或無功電流轉(zhuǎn)換為連接抽頭的無功功率或無功電流，根據(jù)連接抽頭的無功功率或無功電流計算跟蹤指令電流信號。本發(fā)明的技術(shù)方案，相對于傳統(tǒng)用戶側(cè)就地補償?shù)腄-STATC0M，具有以下技術(shù)效果
1本DT-STATC0M中，通過選擇連接抽頭的位置，可以在較大范圍內(nèi)選擇靜止補償模塊接入配電網(wǎng)電壓的大小，從而降低了對電力電子器件通流能力的要求，在采用同樣通流能力的器件時，補償容量得到了提高；2本方案通過提高靜止補償模塊的接入電壓，當(dāng)補償容量一定時，降低了電力電子器件的電流，從而提高了器件的開關(guān)頻率，改善輸出補償電流的波形質(zhì)量；3本方案在配電網(wǎng)高、低電壓等級交匯處集中補償，相對于分散的用戶就地補償方式，其無功容量利用率高，管理方便，補償效率提高；4本方案補償點位于配電變壓器，利用配電變壓器高、低壓側(cè)的電壓和電流信息， 實現(xiàn)對配電變壓器這一關(guān)鍵節(jié)點的無功功率、端口電壓以及負荷率的綜合調(diào)節(jié)，可配合配電網(wǎng)整體的電能質(zhì)量控制，達到全局優(yōu)化；5本DT-STATC0M中，利用配電變壓器自身的漏電抗構(gòu)成靜止補償模塊濾波電路的一部分，省去了連接變壓器和大連接電感，縮小了補償裝置的體積。


圖1表示本發(fā)明DT-STATC0M整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2表示配電變壓器高壓繞組Y型聯(lián)結(jié)時的DT-STATC0M結(jié)構(gòu)方案。圖3表示配電變壓器高壓繞組Δ型聯(lián)結(jié)時的DT-STATC0M單組抽頭一體化結(jié)構(gòu)方案。圖4表示DT-STATC0M單組抽頭一體化結(jié)構(gòu)電壓相量圖。圖5表示配電變壓器高壓繞組Δ型聯(lián)結(jié)時的DT-STATC0M多組抽頭一體化結(jié)構(gòu)方案。圖6表示DT-STATC0M多組抽頭一體化結(jié)構(gòu)電壓相量圖。圖7表示DT-STATC0M仿真模型。圖8表示DT-STATC0M系統(tǒng)補償前后系統(tǒng)相電壓和電流波形。圖9表示DT-STATC0M系統(tǒng)補償系統(tǒng)功率因數(shù)變化波形。圖10表示在負載無功功率大幅度波動情況下，DT-STATC0M系統(tǒng)跟蹤補償波形。圖11表示在負載無功功率大幅度波動情況下，DT-STATC0M補償后配電變壓器系統(tǒng)側(cè)電壓幅值變化波形。
具體實施例方式本發(fā)明的配電變壓器一體化靜止補償器(以下簡稱DT-STATC0M)將靜止補償模塊和配電變壓器集成在一起，在配電網(wǎng)高低電壓等級交匯的關(guān)鍵節(jié)點實現(xiàn)無功補償和電能質(zhì)量控制。DT-STATC0M的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中虛線框表示DT-STATC0M系統(tǒng)，主要包括具備一體化結(jié)構(gòu)方式的配電變壓器、一個或多個靜止補償模塊以及控制平臺。具備一體化結(jié)構(gòu)的配電變壓器通過在高壓側(cè)繞組上設(shè)置連接抽頭，如圖1中所示，靜止補償模塊通過連接抽頭變壓器連接，實現(xiàn)并聯(lián)接入配電網(wǎng)。配電變壓器的高壓繞組有Y型聯(lián)結(jié)和Δ型聯(lián)結(jié)兩種方式，在不同的聯(lián)結(jié)組方式情況下，為了獲得較大的接入電壓選擇范圍，有多種連接抽頭設(shè)置方法，可以設(shè)置一組或多組三相抽頭。靜止補償模塊為電壓源型三相橋式PWM整流器結(jié)構(gòu)，根據(jù)前述的一體化配電變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計，靜止補償模塊可選擇兩電平或三電平拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)連接抽頭的數(shù)量，靜止補償模塊還有單組運行和三組并聯(lián)運行兩種方式。控制平臺完成變壓器多側(cè)相電壓、電流的采集、檢測和靜止補償模塊的脈沖觸發(fā)，電氣信息的采集位置見圖1中電壓和電流互感器標(biāo)注位置，由于靜止補償模塊有多種運行方式，控制平臺具有多路觸發(fā)通道和補償電流分配設(shè)置。本發(fā)明的DT-STATC0M中，通過在配電變壓器的高壓繞組設(shè)置連接抽頭，將靜止補償模塊與配電網(wǎng)并聯(lián)連接起來，構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)。根據(jù)配電變壓器高壓繞組的不同聯(lián)結(jié)組形式，產(chǎn)生了多種連接抽頭設(shè)置方法和靜止補償模塊一體化方式。配電變壓器高壓繞組主要有Y型聯(lián)結(jié)和Δ聯(lián)結(jié)兩種方式對于Y接的高壓繞組，在每相繞組上相同的位置設(shè)置一個連接抽頭，如圖2所示， 三相繞組上的三個抽頭構(gòu)成對稱的三相接入電壓，Α、Β和C分別為A相、B相和C相繞組的端點。根據(jù)抽頭距離中性點0的距離不同，可以獲得不同的接入電壓，其線電壓范圍為0
Uabo對于Δ聯(lián)結(jié)的高壓繞組，同樣可以在每相繞組上相同的位置設(shè)置連接抽頭，構(gòu)成 DT-STATC0M單組抽頭一體化結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。由于Δ聯(lián)結(jié)的繞組不存在實際的中性點，所以連接抽頭所獲得的三相連接電壓范圍有一定限制。抽頭電壓的變化范圍如圖4 的相量圖所示，三角形ABC為變壓器高壓繞組三相線電壓，三角形abc為連接抽頭三相電壓?？梢?，隨著抽頭位置的變化，abc三點在ABC三相線電壓上滑動，其幅值和相位都發(fā)生連續(xù)變化。當(dāng)abc三點位于在ABC的中點時，連接電壓的幅值最小，相位偏移60°，如圖4 中a’ b’ c’所示。因此，DT-STATC0M單組抽頭一體化結(jié)構(gòu)方式所獲得的抽頭電壓范圍為
Uab/2 Uab ο對于Δ聯(lián)結(jié)的高壓繞組，通過設(shè)置多組連接抽頭構(gòu)成DT-STATC0M多組抽頭一體化結(jié)構(gòu)方式，進一步降低連接抽頭的電壓，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在Δ繞組各個端點的兩側(cè)各設(shè)置一個連接抽頭，如圖5中，在A端口的兩側(cè)繞組上各設(shè)置抽頭Bl和Cl，由A-Bl-Cl構(gòu)成三相連接抽頭。以該組連接抽頭為例，電壓相量圖如圖6所示。相對于三角繞組ABC的虛擬中性點而言，A-Bl-Cl三相的相電壓不對稱，但是線電壓對稱，構(gòu)成封閉三角形ABlCl， 而靜止補償模塊采用三相三線制接線，取用連接抽頭的線電壓，因此每組抽頭連接一個靜止補償模塊可以實現(xiàn)補償功能。按照相量圖所示，理論上連接抽頭線電壓的范圍可以達到 0 Uab，但在實際應(yīng)用中，往往需要取用較低的抽頭線電壓，一般電壓范圍在0 Uab/2之間。為了保持注入變壓器補償電流的三相對稱，需要采用三組靜止補償模塊聯(lián)合運行的補償方式，圖5中連接抽頭A-Bl-Cl連接1號靜止補償模塊，連接抽頭A2-B-C2連接2號靜止補償模塊，連接抽頭A3-B3-C連接3號靜止補償模塊。DT-STATC0M的靜止補償模塊為電壓源型三相橋式PWM整流器，其拓撲結(jié)構(gòu)可選擇兩電平或三電平。當(dāng)一體化配電變壓器采用前述的單組抽頭形式，連接抽頭電壓可能較高， 為了提高靜止補償模塊的耐壓水平，可選擇三電平結(jié)構(gòu)；當(dāng)一體化配電變壓器采用前述的多組抽頭形式，連接抽頭電壓降低，同時靜止補償模塊的數(shù)量增加，則可考慮采用兩電平結(jié)構(gòu)，以節(jié)省電力電子器件。當(dāng)采用DT-STATC0M多組抽頭一體化方式時，每個靜止補償模塊只需要提供1/3的補償電流，從而可以提高電力電器件的開關(guān)頻率，對于100A左右的補償電流，開關(guān)頻率可達20kHz。由于電力電子器件的開關(guān)頻率較高，降低了靜止補償模塊的交流輸出濾波器設(shè)計要求。本發(fā)明方案中，靜止補償模塊交流輸出端串連一個濾波電感，并聯(lián)一個濾波電容，結(jié)合從連接抽頭到配電網(wǎng)的變壓器漏電抗，調(diào)整器件參數(shù)，構(gòu)成濾波電路。DT-STATC0M的控制平臺實現(xiàn)對上述靜止補償模塊的控制和觸發(fā)?？刂破脚_采集一體化配電變壓器高壓側(cè)、低壓側(cè)和連接抽頭側(cè)的三相電壓、電流信息，如圖1中所示，根據(jù)不同的電能質(zhì)量的控制目標(biāo)，利用高、低壓側(cè)電壓和電流計算得到所需補償?shù)臒o功功率或無功電流，再結(jié)合連接抽頭的電壓，將計算得到的無功功率或無功電流轉(zhuǎn)換為連接抽頭的無功功率或無功電流，根據(jù)連接抽頭的無功功率或無功電流計算跟蹤指令電流信號。跟蹤指令電流信號的具體計算方法為所在領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不再詳細描述。電能質(zhì)量的控制目標(biāo)包含以下幾種(a)負載無功補償根據(jù)低壓側(cè)電壓電流信息，計算負載的功率因數(shù)，補償負載的無功功率；(b)配電變壓器補償根據(jù)高、低電壓側(cè)的電流和電壓信息，計算配電變壓器的無功功率，對配電變壓器進行無功補償；(c)配電變壓器電壓的穩(wěn)定根據(jù)高壓側(cè)的電壓與額定電壓的偏離程度，調(diào)節(jié)補償無功功率，實現(xiàn)對配電變壓器電壓的穩(wěn)定；(d)變壓器負載率調(diào)節(jié)根據(jù)高低壓側(cè)電壓和電流信息，計算變壓器的負載率，調(diào)節(jié)補償無功功率，改變變壓器負載率，實現(xiàn)其經(jīng)濟運行。下面，對本發(fā)明的具體實施方式
以仿真建模加以說明。仿真模型結(jié)構(gòu)如圖7所示， 電能質(zhì)量控制目標(biāo)為負載無功補償，仿真模型基本參數(shù)如下系統(tǒng)電源額定線電壓有效值VS = IOkV ；輸電線路參數(shù)電阻Rs = 3. 4 Ω，電感Ls = 9mH ；DT-STATC0M系統(tǒng)配電變壓器參數(shù)變比10/0. 4kV，容量1MVA，三組抽頭一體化結(jié)構(gòu)，連接抽頭電壓2kV;濾波電感=Lc= 3. 5mH ；串聯(lián)電阻=Rc = 0. 01 Ω ；負載參數(shù)有功負荷Pl = 650kff,無功負荷Ql = 760kVar ；在沒有DT-STATC0M補償之前，系統(tǒng)相電壓和電流之間存在相位偏差，系統(tǒng)向負載提供無功功率因數(shù)，此時系統(tǒng)的功率因數(shù)為0. 65左右，見圖8和圖9所示。在0. 05s的時候投入DT-STATC0M靜止補償模塊，采用三組補償單元并列運行的方式，每個補償單元通過連接抽頭向配電系統(tǒng)注入從/3的無功補償電流。通過補償之后，系統(tǒng)相電壓和電流趨于一致，功率提高到0. 99，而且DT-STATC0M在一個周波之內(nèi)即完成了對負載無功的全補償。圖10說明了無功負荷大幅度波動情況下DT-STATC0M補償?shù)膭討B(tài)跟蹤性能。圖中實線為三組靜止補償模塊輸出的總無功功率，虛線為輸出的總有功功率。仿真模型在 0. 2s時刻改變負載的無功負荷特性，由760kVar的感性無功切換到760kVar容性無功。 DT-STATC0M補償輸出的無功功率約在一個周波時間內(nèi)迅速跟蹤負載無功功率的變化，完成過渡過程。在這個過程中，DT-STATC0M有功功率基本保持略小于0不變，從系統(tǒng)吸收部分有功功率，以維持直流電容電壓以及變流器的固定損耗。在負載無功功率大幅度波動過程中，配電變壓器高壓系統(tǒng)側(cè)端口電壓的波動情況如圖11所示。在DT-STATC0M系統(tǒng)的支撐作用下，電壓波動在0. 98 1. 02之間，波動幅度很小。
權(quán)利要求
1.配電變壓器一體化靜止補償器，包括配電變壓器、靜止補償模塊和控制平臺，配電變壓器高壓側(cè)的各相繞組上設(shè)置有連接抽頭，連接抽頭連接靜止補償模塊的交流輸出側(cè)，控制平臺采集配電變壓器高、低壓側(cè)及連接抽頭的電壓和電流信息，依據(jù)這些電壓和電流信息生成跟蹤指令電流信號，利用跟蹤指令電流信號控制靜止補償模塊的輸出實現(xiàn)補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電變壓器一體化靜止補償器，其特征在于，所述配電變壓器高壓側(cè)為Y型聯(lián)結(jié)方式，在每相繞組上與該繞組端點相同距離的位置分別設(shè)置一個連接抽頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電變壓器一體化靜止補償器，其特征在于，所述配電變壓器高壓側(cè)為Δ聯(lián)結(jié)方式，在每相繞組上與該繞組端點相同距離的位置分別設(shè)置一個連接抽頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電變壓器一體化靜止補償器，其特征在于，所述配電變壓器高壓側(cè)為Δ聯(lián)結(jié)方式，在三個繞組端點兩側(cè)分別對稱設(shè)置一連接抽頭，各繞組端點與其兩側(cè)的連接抽頭構(gòu)成一組三相連接抽頭，各組三相連接抽頭分別與一靜止補償模塊一一對應(yīng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電變壓器一體化靜止補償器，其特征在于，所述控制平臺按照如下方式生成跟蹤指令電流信號根據(jù)高、低壓側(cè)的電壓和電流計算得到所需補償?shù)臒o功功率或無功電流，再結(jié)合連接抽頭的電壓，將計算得到的無功功率或無功電流轉(zhuǎn)換為連接抽頭的無功功率或無功電流，根據(jù)連接抽頭的無功功率或無功電流計算跟蹤指令電流信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種配電變壓器一體化靜止補償器，包括配電變壓器、靜止補償模塊和控制平臺，在配電變壓器高壓側(cè)的各相繞組上設(shè)置連接抽頭，連接抽頭連接靜止補償模塊的交流輸出側(cè)，控制平臺控制靜止補償模塊通過連接抽頭注入無功功率實現(xiàn)補償。本發(fā)明通過在關(guān)鍵節(jié)點的集中補償，提高了現(xiàn)有配電網(wǎng)靜止補償器的容量、改善補償輸出波形質(zhì)量。
文檔編號H02J3/18GK102185321SQ20111009545
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者劉健, 尹項根, 張哲 , 文明浩, 熊卿, 王存平 申請人:華中科技大學(xué)