一种即插即用型有源可调电抗制造技术

本发明专利技术属于可调阻抗相关技术领域，并公开了一种即插即用型有源可调电抗，其包括具有电压互感器的电压检测单元、包括变压器的电压发生单元和磁通补偿单元，其中磁通补偿单元具有细长型互感器，它的原方输入端串联连接于电网和负载之间，电压检测单元的输入端并联连接于磁通补偿单元的原方输入端两端，电压检测单元的输出端连接电压发生单元的增益电路输入端，增益电路、PWM调制模块、电压源型逆变器和LC无源电力滤波器依次连接，最后输出连接磁通补偿单元副方输入端。本发明专利技术还对磁通补偿单元的互感器进行了针对性设计。通过本发明专利技术，所获得的有源可调阻抗具有调节范围宽、易于控制，响应速度快、不产生谐波，且连续无级可调的良好性能。

A Plug and Play Active Adjustable Reactance

【技术实现步骤摘要】
一种即插即用型有源可调电抗
本专利技术属于可调阻抗相关
，更具体地，涉及一种即插即用型有源可调电抗。
技术介绍
为了电力系统的安全稳定和经济运行，美国电力科学院(EPRI)在1986年提出了柔性交流输电系统(FACTS)的概念，FACTS本质上综合了电力电子技术、微电子技术及控制技术，起到优化系统运行参数、改善系统潮流分布，抑制谐波、稳定电压，提高系统稳定性及暂态性能的作用。可调电抗作为一种常见的柔性交流输电设备，在电力系统中的典型应用例如包括：在超高压电网中做调相调压设备；在远距离输电系统中抑制由于法兰梯效应造成的过压，在系统发生短路事故或投切大负载时稳定母线电压、增大输电能力，抑制系统工频波动的功率振荡；在高压直流输电中补偿无功、调整电压，降低绝缘等级；迅速治理由电弧炉、电力机车、大型轧钢机等冲击性负载造成的电压闪变、三相不平衡和谐波污染等问题；以及用作故障限流器和中压电网消弧线圈的谐振接地，等等。更具体而言，可调电抗从机械式、电磁式，一直发展到今天的电子式，已经成为一个结构不同，控制方案多样、用途各异的产品。可调电抗的主要类型及优缺点包括：(a)调匝式可调电抗。如采用机械滑动对自耦变压器进行调匝的可调电抗和采用开关切换不同分接抽头改变线圈匝数的可调电抗，其中切换开关可以是机械式的断路器/接触器，有载分接开关或电力电子开关器件(如双向晶闸管)等；其结构简单、控制方便，但是阻抗值并不能实现连续无级可调的功能；(b)调气隙式可调电抗。其采用传动结构调整铁芯气隙(气隙长度或截面积)改变阻抗值；但由于机械惯性和控制精度的问题，难以实现连续无级调节，可靠性差、容易出现故障；(c)直流磁控式可调电抗。它利用附加直流电源磁化铁芯改变铁芯饱和状态，调节铁芯磁导率改变阻抗值；优点时调节范围宽、线性度好，但长时间工作在饱和区使得铁芯过热，振动、噪声严重，本体制造复杂；(d)磁阀式可调电抗。作为直流磁控式的改进，它利用自耦可控整流产生助磁电流；无需大容量的附加直流电源，但振动、噪声依然严重；(e)变压器式可调电抗。其中变压器式可调电抗又分为调容式可调电抗、高短路阻抗式可调电抗、多绕组高漏抗变压器式可调电抗、多并联支路可调电抗、混合变压器式可调电抗和基于基波磁通补偿(FMFC)的可调电抗等。对于基于FMFC的可调电抗采用电力电子逆变器和变压器结构来说，它基于基波磁通补偿原理，根据逆变器调制信号的不同主要分为两种：检测变压器一次侧基波电流信号，经过增益电路后作为参考信号，控制VSI跟踪该参考信号生成一可控电流信号反向注入变压器二次侧绕组，通过基波磁通反向补偿实现变压器原边等效阻抗在漏抗和励磁阻抗之间连续无级调节。然而，进一步的研究表明，上述各类型的可调电抗仍然具备以下的缺陷或不足：首先，变压器式可调电抗通常为串联结构，接入电网时必需断开电网操作，同时发生故障时无法直接从电网切磋，且正常运行时不便于保护；其次，其阻抗仍为线性阻抗，不仅调节范围有限，而且增加调节范围需相应增加耦合变压器及VSI的容量，性价比很低。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进和完善，以便更好地符合对电网接入操作、电抗调节范围要求更大、非线性调节灵活便利等多个方面的实际需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种即插即用型有源可调电抗，其中通过对其整体电路构造的组成和设置重新进行了设计，同时对关键组件如磁通补偿单元、电压发生单元等的具体结构和工作方式进行改进，相应与现有设备相比不仅更为便利地接入电网及执行运维，而且还可显著提高电抗阻抗值调节范围，并根据实际工况在特定工作点更易实现平滑的无级调节，同时具备响应速度快、不产生谐波、调节精度高等多个优势。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种即插即用型有源可调电抗，其特征在于，该有源可调电抗为单相制，并包括磁通补偿单元、电压检测单元和电压发生单元，其中：所述磁通补偿单元包括铁芯带气隙的细长型互感器，该细长型互感器的一次侧绕组仅为一匝且作为电网线或母排的一部分以实现即插即用功能，同时该一次侧绕组作为整个磁通补偿单元的原方输入端，串联连接于电源与负载之间；该互感器的二次侧绕组两端作为整个磁通补偿单元的副方输入端，并用于与控制单元的输出端相连；所述电压检测单元包括电压互感器，该电压互感器的输入端作为整个电压检测单元的输入端，并且并联连接于所述磁通补偿单元的原方输入端，由此用于对此磁通补偿单元的原方输入端电压进行实时检测；该电压互感器的输出端作为整个电压检测单元的输出端，并且连接至所述电压发生单元的输入端，由此将所述原方输入端电压的检测信号输入此电压发生单元；所述电压发生单元包括增益电路、PWM调制模块、电压源型逆变器和LC无源电力滤波器，其中该增益电路的输入端作为整个电压发生单元的输入端，并用于对所输入的检测信号进行放大，然后输入至所述PWM调制模块；该PWM调制模块跟随所输入的信号调制生成相应的PWM波形，然后输入至所述电压源型逆变器；该电压源型逆变器跟随所输入的PWM信号，将母线侧直流电压逆变为PWM交流电压信号，然后继续输入至所述LC无源电力滤波器；此外，该LC无源电力滤波器的输出端作为整个电压发生单元的输出端，并用于对输入的信号进行滤波处理以滤除阻带频率内的谐波分量，然后反向输入至所述磁通补偿单元的副方输入端。通过以上构思，当按照本专利技术的上述有源可调电抗工作时，电压检测单元100(该环节的增益为ku)可检测出磁通补偿单元300(该环节变比为kT)的原方输入端电压kuU1并输入电压发生单元200；电压发生单元200的增益电路201(该环节的增益为kg)对输入信号kuU1进行放大并输入PWM调制模块202，作为PWM调制模块202的调制信号Uref＝kgkuU1；PWM调制模块202跟随输入信号生成相应PWM波形并输入VSI或电压源型逆变器203(该环节的增益为KPWM)，作为VSI或电压源型逆变器203的驱动信号；VSI或电压源型逆变器203跟随输入信号将母线侧直流电压逆变为PWM交流电压信号KPWMkgkuU1并输入LC无源电力滤波器204；LC无源电力滤波器204对输入信号进行滤波，滤除阻带频率范围内的谐波分量并反向输入磁通补偿单元300的副方输入端-U2＝KPWMkgkuU1。以此方式，可充分通过磁通补偿单元300的双边励磁作用，通过调节增益电路201的增益kg值，即可实现本专利技术的单相制的有源可调电抗连续无级可调的功能，并且进一步扩大了调节范围。作为进一步优选地，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器优选设计为细长的圆柱体结构或长方体结构，并确保增大该互感器的一、二次侧绕组的漏阻抗和励磁阻抗。作为进一步优选地，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器的励磁电感Lm优选依照下列函数式来确定：其中，μFe表示该细长型互感器的铁芯磁导率，A表示该细长型互感器的铁芯的截面积，l表示该细长型互感器的平均磁路长度，N1表示该细长型互感器的一次侧绕组的匝数。作为进一步优选地，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器优选设计为开合式或闭合式。作为进一步优选地，上述有源可调电抗优选依照下列函数式来确定所述磁通补偿单元的原方输入端的等效阻挡ZAX：其中，Z1表示所述磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种即插即用型有源可调电抗，其特征在于，该有源可调电抗为单相制，并包括磁通补偿单元(300)、电压检测单元(100)和电压发生单元(200)，其中：所述磁通补偿单元包括铁芯带气隙的细长型互感器，该细长型互感器的一次侧绕组仅为一匝且作为电网线或母排的一部分以实现即插即用功能，同时该一次侧绕组作为整个磁通补偿单元的原方输入端，串联连接于电源与负载之间；该互感器的二次侧绕组两端作为整个磁通补偿单元的副方输入端，并用于与控制单元的输出端相连；所述电压检测单元包括电压互感器(101)，该电压互感器(101)的输入端作为整个电压检测单元(100)的输入端，并且并联连接于所述磁通补偿单元(300)的原方输入端，由此用于对此磁通补偿单元的原方输入端电压进行实时检测；该电压互感器(101)的输出端作为整个电压检测单元(100)的输出端，并且连接至所述电压发生单元(200)的输入端，由此将所述原方输入端电压的检测信号输入此电压发生单元；所述电压发生单元(200)包括增益电路(201)、PWM调制模块(202)、电压源型逆变器(203)和LC无源电力滤波器(204)，其中该增益电路(201)的输入端作为整个电压发生单元(200)的输入端，并用于对所输入的检测信号进行放大，然后输入至所述PWM调制模块(202)；该PWM调制模块(202)跟随所输入的信号调制生成相应的PWM波形，然后输入至所述电压源型逆变器(203)；该电压源型逆变器(203)跟随所输入的PWM信号，将母线侧直流电压逆变为PWM交流电压信号，然后继续输入至所述LC无源电力滤波器(204)；此外，该LC无源电力滤波器(204)的输出端作为整个电压发生单元(200)的输出端，并用于对输入的信号进行滤波处理以滤除阻带频率内的谐波分量，然后反向输入至所述磁通补偿单元(300)的副方输入端。...

【技术特征摘要】
1.一种即插即用型有源可调电抗，其特征在于，该有源可调电抗为单相制，并包括磁通补偿单元(300)、电压检测单元(100)和电压发生单元(200)，其中：所述磁通补偿单元包括铁芯带气隙的细长型互感器，该细长型互感器的一次侧绕组仅为一匝且作为电网线或母排的一部分以实现即插即用功能，同时该一次侧绕组作为整个磁通补偿单元的原方输入端，串联连接于电源与负载之间；该互感器的二次侧绕组两端作为整个磁通补偿单元的副方输入端，并用于与控制单元的输出端相连；所述电压检测单元包括电压互感器(101)，该电压互感器(101)的输入端作为整个电压检测单元(100)的输入端，并且并联连接于所述磁通补偿单元(300)的原方输入端，由此用于对此磁通补偿单元的原方输入端电压进行实时检测；该电压互感器(101)的输出端作为整个电压检测单元(100)的输出端，并且连接至所述电压发生单元(200)的输入端，由此将所述原方输入端电压的检测信号输入此电压发生单元；所述电压发生单元(200)包括增益电路(201)、PWM调制模块(202)、电压源型逆变器(203)和LC无源电力滤波器(204)，其中该增益电路(201)的输入端作为整个电压发生单元(200)的输入端，并用于对所输入的检测信号进行放大，然后输入至所述PWM调制模块(202)；该PWM调制模块(202)跟随所输入的信号调制生成相应的PWM波形，然后输入至所述电压源型逆变器(203)；该电压源型逆变器(203)跟随所输入的PWM信号，将母线侧直流电压逆变为PWM交流电压信号，然后继续输入至所述LC无源电力滤波器(204)；此外，该LC无源电力滤波器(204)的输出端作为整个电压发生单元(200)的输出端，并用于对输入的信号进行滤波处理以滤除阻带频率内的谐波分量，然后反向输入至所述磁通补偿单元(300)的副方输入端。2.如权利要求1所述的有源可调电抗，其特征在于，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器优选设计为细长的圆柱体结构或长方体结构，并确保增大该互感器的一、二次侧绕组的漏阻抗和励磁阻抗。3.如权利要求1或2所述的有源可调电抗，其特征在于，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器的励磁电感Lm优选依照下列函数式来确定：其中，μFe表示该细长型互感器的铁芯磁导率，A表示该细长型互感器的铁芯的截面积，l表示该细长型互感器的平均磁路长度，N1表示该细长型互感器的一次侧绕组的匝数。4.如权利要求3所述的有源可调电抗，其特征在于，对于所述磁通补偿单元而言，所述细长型互感器优选设计为开合式或闭合式。5.如权利要求1-4任意一项所述的有源可调电抗，其特征在于，上述有源可调电抗优选依照下列函数式来确定所述磁通补偿单元的原方输入端的等效阻挡ZAX：其中，Z1表示所述磁通补偿单元的一次侧绕组的漏阻抗；Z′2表示磁通补偿单元二次侧绕组的漏阻抗等效到一次侧的值；Zm表示所述磁通补偿单元的励磁阻抗；表示ZAX的极点，并且该控制系数k的取值范围为0≤k≤1。6.如权利要求5所述的有源可调电抗，其特征在于，所述控制系数k的值优选设定为0.5≤k≤0.9，进一步优选设定为0.9＜k≤1。7.一种即插即用型有源可调电抗，该有源可调电抗用于三相四线制电力系统中，其特征在于：所述三相四线制电力系统包括带中线的三相交流电网(600)和带中线的三相负载(800)，所述有源可调电抗(700)被配套设计为三相制，并且由彼此独立的三组单相制有源可调电抗共同组成；对于各组单相制有源可调电抗而言，其各自包括磁通补偿单元(300)、电压检测单元(100)和电压发生单元(200)，其中所述磁通补偿单元包括铁芯带气隙的细长型互感器(301)，该细长型互感器的一次侧绕组仅为一匝且作为电网线或母排的一部分以实现即插即用功能，同时该一次侧绕组作为整个磁通补偿单元的原方输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李达义，胡晶，陈建春，王海飞，杨凯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42