專利名稱：一種直接連續(xù)快速調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償容抗的主回路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS----Flexible AC TransrnissionSysterns)中的可控串補(bǔ)(TCSC)技術(shù)，或稱其為先進(jìn)串聯(lián)補(bǔ)償(ASC)技術(shù)。
TCSC在交流輸電系統(tǒng)中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義是顯著的，且為電力系統(tǒng)輸變電工程界所公認(rèn)。已有的TCSC的技術(shù)方案包括如下兩種其一是晶閘管快速(分組)投切(Switching)電容器(組)[TSC---------Thyrisor Switched Capacitor(Bank)]，該技術(shù)稱為TSC，它早已被應(yīng)用于并聯(lián)補(bǔ)償系統(tǒng)中；其二是Thyristor Controlled Reactor(稱為TCR)技術(shù)，該技術(shù)的主回路結(jié)構(gòu)由串聯(lián)補(bǔ)償電容器與一個(gè)(也可用于并聯(lián)補(bǔ)償?shù)?TCR支路并聯(lián)后組成，TCR支路由一個(gè)工作電感與晶閘管閥串聯(lián)組成。TSC的技術(shù)特征是可以快速地將串聯(lián)補(bǔ)償電容器(組)插(接)入到輸電線路中或?qū)⑵渑月贰脑砩险f(shuō)，TSC技術(shù)與傳統(tǒng)的人工操作固定或分組投切的電容器技術(shù)無(wú)本質(zhì)區(qū)別，僅是提高了開(kāi)關(guān)速度，并未實(shí)現(xiàn)串入容抗的連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)用于高壓電網(wǎng)且需增加有級(jí)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，串補(bǔ)平臺(tái)與人機(jī)控制平臺(tái)之間的光電(隔離)通道路數(shù)較多。TCR技術(shù)方案的連續(xù)調(diào)節(jié)特性的實(shí)現(xiàn)，必須借助于串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娙萜骱团c晶閘管閥相串的電感器的調(diào)諧作用?？梢?jiàn)，連續(xù)調(diào)節(jié)串入到線路中的容抗的實(shí)現(xiàn)，不是直接的而是間接的，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間也長(zhǎng)，且其容抗調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)范圍必須是從某一個(gè)非零的最小容抗(即為接入的串聯(lián)電容的自然容抗)到一個(gè)可以允許的最大容抗值，最大最小容抗之比達(dá)四倍以上時(shí)，在工程實(shí)際上會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的在于提供一種既優(yōu)于TCR，又優(yōu)于TSC的，適用于交流輸電可控串補(bǔ)的技術(shù)方案。具體來(lái)說(shuō)是提供一種可直接，連續(xù)，快速地調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償容抗的主回路結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明主回路結(jié)構(gòu)的特征是在通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器兩端并聯(lián)有一對(duì)反并聯(lián)的、具有自關(guān)斷能力和反向阻斷能力的，或者是具有可強(qiáng)迫關(guān)斷能力的，在電路工作原理上等效為帶控制極的電力半導(dǎo)體器件或模塊。具體一步描述，本發(fā)明主回路結(jié)構(gòu)可以是在通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器兩端并聯(lián)有一對(duì)或一組反并聯(lián)的、具有自關(guān)斷(全控器件)能力或具有可強(qiáng)迫關(guān)斷(半控器件)能力的電力半導(dǎo)體器件，若使用的是具有自關(guān)斷(全控器件)但無(wú)反向阻斷能力的電力半導(dǎo)體器件，則要求使其先與具有反向阻斷能力的二極管串聯(lián)從而可反向阻斷(見(jiàn)圖2，其中T1、T2為一種全控器件，D1、D2為半導(dǎo)體整流二極管)。本發(fā)明主回路結(jié)構(gòu)最好使用具有反向阻斷能力的全控器件。該主回路結(jié)構(gòu)可用于單相或多相交流輸電或穩(wěn)壓穩(wěn)流等系統(tǒng)中。在該主回路上可加進(jìn)一些起強(qiáng)迫換流和/或各種保護(hù)作用的其他元器件。
關(guān)于本發(fā)明的工作原理說(shuō)明如下
本發(fā)明主回路結(jié)構(gòu)中的電力半導(dǎo)體器件，在同一個(gè)方向上可以是一只，也可以是一組同方向(順)串聯(lián)的帶有控制極的電力半導(dǎo)體器件，它們?cè)陔娐饭ぷ髟砩峡梢缘刃橐恢粠Э刂茦O的電力半導(dǎo)體器件或模塊。為說(shuō)明本發(fā)明的工作原理，認(rèn)為交流輸電線路中的電流i1頻率和幅度是固定的，并把電力半導(dǎo)體器件的組合稱為晶閘管閥。可讓電力半導(dǎo)體器件的控制極的點(diǎn)火(起始導(dǎo)通)時(shí)間與交流輸電線路中的電流i1的頻率和相位保持一種同步關(guān)系；每個(gè)導(dǎo)通方向(兩個(gè)導(dǎo)通方向)上的每周波導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度與該并聯(lián)支路上的電壓基波分量Uc1保持Uc1＝I1×(σ-sinσ)/πωc的關(guān)系。此處，I1為線路電流的有效值，ω為電流的頻率，C為電容器的自然容量。σ為以電角度度量的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度，其變化范圍從0到π。例如通過(guò)調(diào)節(jié)

圖1(b)中的晶閘管閥導(dǎo)通時(shí)間σ，使得電壓uc的基波有效值可從Uc1＝0到Uc1＝I1×(σ-sinσ)/πωc的范圍作連續(xù)變化。工作波形見(jiàn)圖4(來(lái)自多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，圖4中的ig1、ig2分別對(duì)應(yīng)于圖1(b)中GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)的控制極輸入端g1、g2的輸入電流，i1、uc分別對(duì)應(yīng)圖1(b)中的電流和電壓。隨著導(dǎo)通角σ的加大，電容C上的電壓幅度會(huì)增加。至于如何控制σ的大小問(wèn)題，可見(jiàn)機(jī)械工業(yè)出版社出版、林謂勛編著的《電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》第二、三章。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的主回路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是使得串入到輸電線路的補(bǔ)償容抗值的調(diào)節(jié)特性同時(shí)具有直接性、連續(xù)性、快速性，從而既優(yōu)于TCR，又優(yōu)于TSC。為敘述上的方便，比照TCR的定義，將本發(fā)明技術(shù)用TCC(ThyristorControlled Capacitor)來(lái)簡(jiǎn)稱。以下為TCC與TCR的對(duì)比1主回路結(jié)構(gòu)的比較由圖1可見(jiàn)，TCR技術(shù)方案較TCC技術(shù)方案多一個(gè)工作電感L。TCR技術(shù)要求使用半控器件SCR(普通晶閘管)，TCC技術(shù)推薦使用具有反向阻斷能力的全控器件，輔以強(qiáng)迫換流電路后也可以使用半控器件。圖1中C為通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器。L和C均為工作電容和電感。
2控制特性的自然線性度比較從圖3可見(jiàn)，TCR的控制特性的自然線性度(未經(jīng)較正的控制特性)比TCC的控制特性的自然線性度差得多。圖3中Xc為自然容抗、X1為自然感抗，α為點(diǎn)火電角度，σ為導(dǎo)通角度。
3其他技術(shù)特性指標(biāo)的比較見(jiàn)表一。
表一、TCC與TCR技術(shù)特性指標(biāo)比較表
表一的數(shù)據(jù)大部分來(lái)自圖6。圖6中(a)為TCR技術(shù)方案，調(diào)節(jié)范圍為(1/ωc)～3/ωc，電容容量＝I21×(3/ωc)×3.48，電感容量＝I21×(3/ωc)×2.66。
(b)為TCC技術(shù)方案，調(diào)節(jié)范圍為(1/ωc)～3/ωc，電容容量＝I21×(3/ωc)，電感容量＝0。
圖(b)中的電容C不是必需的，此處是為了與TCR技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍范保持一致而設(shè)。但是容量為C/2的電容器是必需的。
可見(jiàn)，在容抗調(diào)節(jié)范圍相同的條件下TCR技術(shù)所需的電感電容的總無(wú)功容量比TCC要大5倍以上；晶閘管閥的電流峰值大2.5倍以上，容抗調(diào)節(jié)范圍越大，這個(gè)倍數(shù)也越大；而閥電壓峰值差值大約大0.3～0.5倍；TCR、TCC的電容電壓諧波最大值分別是20.5％和13％，但在圖6的條件下，兩者相差約1倍；造成TCR技術(shù)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的原因是固有的，且隨動(dòng)態(tài)范圍變大而增加(見(jiàn)《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》№6 vol.20 1996，“TCSC動(dòng)態(tài)特性控制策略研究”一文)。關(guān)于TCR技術(shù)具有的感性調(diào)節(jié)功能不是串聯(lián)補(bǔ)償所必需的。由于TCC技術(shù)不象TCR技術(shù)存在諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}，故TCC技術(shù)的串聯(lián)補(bǔ)償平臺(tái)上對(duì)過(guò)電壓的保護(hù)要求會(huì)大大降低。以此補(bǔ)償TCC技術(shù)對(duì)晶閘管閥的多投資(相對(duì)TCR)的部分。
從表一可知，TCC與TCR的技術(shù)指標(biāo)差異較大，且在多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上，TCC優(yōu)于TCR。
TCR、TSC技術(shù)方案已用于高壓電網(wǎng)的串聯(lián)補(bǔ)償。TCC技術(shù)所要求的電力半導(dǎo)體器件的特性與TCR技術(shù)基本相同，TCC技術(shù)推薦使用的全控器件(如GTO)的電壓電流容量與TCR技術(shù)要求使用的半控器件(如SCR)的電壓電流容量基本相當(dāng)。因TCR技術(shù)中存在著危險(xiǎn)的并聯(lián)諧振點(diǎn)和控制特性的嚴(yán)重非線性[見(jiàn)圖3(a)]，在工程使用中，對(duì)TCR技術(shù)的控制復(fù)雜度遠(yuǎn)高于對(duì)TCC技術(shù)的控制復(fù)雜度。由于TCR技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于TCC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，TCC技術(shù)比TCR技術(shù)更能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì)可控串補(bǔ)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。本發(fā)明所述的TCC技術(shù)在電力系統(tǒng)中的實(shí)用價(jià)值是顯見(jiàn)的。
圖1為TCR與TCC技術(shù)方案主回路結(jié)構(gòu)比較，其中(a)為TCR技術(shù)方案的主回路結(jié)構(gòu)；(b)為TCC技術(shù)方案的主回路結(jié)構(gòu)。
圖2為當(dāng)電力半導(dǎo)體器件不具備反向阻斷能力時(shí)的一種主回路結(jié)構(gòu)。
圖3為TCR與TCC自然控制特性比較，其中(a)為TCR方案的自然控制特性；(b)為TCC方案的自然控制特性。
圖4為TCC的工作原理波形圖。
圖5為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)時(shí)本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例的主回路聯(lián)接示意圖。
圖6為TCR與TCC技術(shù)方案容抗的調(diào)節(jié)范圍相同時(shí)的主回路結(jié)構(gòu)。
圖7為實(shí)施例的控制回路的電路框圖。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例見(jiàn)圖5和圖7。
取發(fā)電機(jī)狀態(tài)方程為三階，勵(lì)磁系統(tǒng)為一階的數(shù)學(xué)模型，方程如下dX/dt＝AX+BU，Y＝CX，U＝KY。此處，U為控制量，是串入到線路中的容抗Xc；Y為輸出量；K為接二次型最優(yōu)的控制策略矩陣；X為四階的狀態(tài)變量。A、B、C分別為狀態(tài)方程定常系數(shù)矩陣、控制量的系數(shù)矩陣和狀態(tài)量到輸出量的轉(zhuǎn)換矩陣。本發(fā)明的TCC技術(shù)裝置對(duì)圖5所示的電力系統(tǒng)的作用，可參見(jiàn)《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》№10。vol.20.1996“可控串聯(lián)補(bǔ)償在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用研究”一文。需要指出的是，該文對(duì)TCSC技術(shù)中TCR的動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)速度的要求，在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的，而采用本發(fā)明的方案，則易于且低成本地實(shí)現(xiàn)。圖5中發(fā)電機(jī)1輸出的有功功率P＝1.1(標(biāo)幺值)、無(wú)功功率Q＝.56(標(biāo)幺值)；j0.06為發(fā)電機(jī)及其變壓器的電抗標(biāo)幺值，j0.25/2為輸電線路2的電抗標(biāo)幺值，3為發(fā)電機(jī)/變壓器的輸出端，4為本發(fā)明實(shí)施例的TCC裝置，5為無(wú)窮大電網(wǎng)。
圖7中的6為發(fā)電機(jī)端的電壓，頻率，相位檢測(cè)。頻率跟蹤(鎖相環(huán))和光電隔離電路；7為電壓，電流，幅度，功率檢測(cè)，故障檢測(cè)、光電隔離電路。6和7的檢測(cè)與數(shù)字鎖相環(huán)的硬軟件結(jié)構(gòu)、原理，請(qǐng)參見(jiàn)《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》№5，vol.20，P.33“利用微機(jī)采樣技術(shù)消除三相無(wú)功功率測(cè)量中的不對(duì)稱誤差”一文和№2，vol.21，P.53“高精度微機(jī)采樣技術(shù)及其應(yīng)用”一文。圖7中的8為微控制器8098單片機(jī)硬、軟件系統(tǒng)。單片機(jī)的工作過(guò)程和軟件要求，請(qǐng)參見(jiàn)《電力電子技術(shù)》1993年第1期P.10“時(shí)鐘頻率自適應(yīng)單片機(jī)觸發(fā)器”一文，但需要加進(jìn)脈沖寬度σ的控制和電流同步的硬軟件環(huán)節(jié)(見(jiàn)《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》1993年第1期P.27“用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功率變換器控制用SPWM序列發(fā)生器”一文)。圖7中的4代表本發(fā)明裝置的技術(shù)作用，即直接、連續(xù)、快速的可調(diào)電容器。在本實(shí)施例中，用三個(gè)圖1(b)所示的主回路結(jié)構(gòu)構(gòu)成三相可控串補(bǔ)平臺(tái)4。圖7中的9“ct”表示電流傳感器，10為鍵盤輸入運(yùn)行模式和相應(yīng)模式下的參數(shù)，11為L(zhǎng)ED顯示運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。圖7中的8和4之間的信號(hào)隔離也是采用光電隔離方式。
經(jīng)過(guò)檢測(cè)，在可控串補(bǔ)容抗的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍為正負(fù)40％的條件下，本發(fā)明的實(shí)施例的主要技術(shù)效果是1、加大了原系統(tǒng)的阻尼，在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)較大時(shí)，可使系統(tǒng)的負(fù)阻尼變?yōu)檎枘幔?、大大提高了系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限；3、當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械輸入功率發(fā)生標(biāo)幺值為0.25的波動(dòng)時(shí)，功角穩(wěn)定時(shí)間縮短為無(wú)TCC裝置時(shí)的0.3倍以下。值得一提的是，本發(fā)明的TCC裝置在運(yùn)行過(guò)程中的控制較易實(shí)現(xiàn)；在線路過(guò)流時(shí)，能自動(dòng)降低電容上的電壓，并自動(dòng)過(guò)度到由接觸器將TCC裝置旁路的狀態(tài)；當(dāng)過(guò)流消失時(shí)，TCC裝置又能自動(dòng)投入運(yùn)行。
權(quán)利要求
1，一種直接連續(xù)快速調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償容抗的主回路結(jié)構(gòu)，其特征是在通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器兩端并聯(lián)有一對(duì)反并聯(lián)的、具有自關(guān)斷能力和反向阻斷能力的，或者是具有可強(qiáng)迫關(guān)斷能力的，在電路工作原理上等效為帶控制極的電力半導(dǎo)體器件或模塊。
2，如權(quán)利要求1所說(shuō)的主回路結(jié)構(gòu)，其特征是在通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器兩端并聯(lián)有一對(duì)或一組反并聯(lián)的、具有自關(guān)斷(全控器件)能力或具有可強(qiáng)迫關(guān)斷(半控器件)能力的電力半導(dǎo)體器件，若使用的是具有自關(guān)斷(全控器件)但無(wú)反向阻斷能力的電力半導(dǎo)體器件，則要求使其先與具有反向阻斷能力的二極管串聯(lián)從而可反向阻斷。
3，如權(quán)利要求2所說(shuō)的主回路結(jié)構(gòu)，其特征是使用的電力半導(dǎo)體器件為具有反向阻斷能力的全控器件。
4，如權(quán)利要求2所說(shuō)的主回路結(jié)構(gòu)，其特征是在該主回路上可加進(jìn)起強(qiáng)迫換流和/或各種保護(hù)作用的其他元器件。
全文摘要
一種直接連續(xù)快速調(diào)節(jié)串聯(lián)補(bǔ)償容抗的主回路結(jié)構(gòu)。其特征是:在通常的固定容值串聯(lián)補(bǔ)償電容器兩端并聯(lián)有一對(duì)反并聯(lián)的、具有自關(guān)斷能力和反向阻斷能力的,或者是具有可強(qiáng)迫關(guān)斷能力的,在電路工作原理上等效為帶控制極的電力半導(dǎo)體器件或模塊。該主回路結(jié)構(gòu)可用于單相或多相交流輸電或穩(wěn)壓穩(wěn)流等系統(tǒng)中。優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:使得串入到輸電線路的補(bǔ)償容抗值的調(diào)節(jié)特性同時(shí)具有直接性、連續(xù)性、快速性。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1200587SQ97109900
公開(kāi)日1998年12月2日 申請(qǐng)日期1997年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月26日
發(fā)明者鄒守寶, 譚昆玲 申請(qǐng)人:鄒守寶