基于同轴旋转移相变压器的电压源型无功补偿器拓扑电路的制作方法

1.本发明属于配电网无功补偿技术领域，特别涉及含有分布式新能源与电动汽车等非线性负荷的新型配电网动态无功补偿。


背景技术：

2.随着“碳达峰、碳中和”在全国电力系统的深入推进，接入大量分布式新能源、分布式储能和电动汽车等非线性负荷的新型配电网成为了新型电力系统实现“双碳”目标的关键一环。分布式新能源高比例渗透的新型配电网改变了传统配电网的单一功率流向，使得配电网的功率流向逐渐复杂多变，电压控制面临着极大挑战，分布式新能源接入配电网带来的电能质量问题严重制约了新能源的快速发展。近年来，随着国家大力扶持电动汽车产业，持续推进“煤改电”进程，电力系统中电动汽车、空调等非线性负荷逐年递增，系统对无功的需求也持续增长。在配电网的关键节点及时补偿系统所需无功功率，不仅可以稳定节点电压，改善供电质量，还可以优化配电网的潮流分布，降低线路损耗，提高整个配电网的供电传输能力。目前，电力系统中常用的无功补偿设备主要有静止无功补偿器(static var compensator，svc)和静止同步补偿器(static synchronous compensator,statcom)两种。
3.svc主要包括晶闸管投切电容器(thyristor switching capacitor,tsc)和晶闸管控制电抗器(thyratron control reactor,tcr)。tsc由于采用电容投切方式进行无功补偿，因此只能实现无功分级调节，在实际应用场景中，经常处于过补偿或欠补偿状态，无法实现精准全补偿；tcr通过调节晶闸管的触发角可以连续调节补偿无功，经常与tsc配合使用，但电力电子器件在使用过程中存在谐波问题，影响电力系统的供电质量。
4.静止同步补偿器(static synchronous compensator,statcom)由于具有良好的动态响应特性和精准补偿等特点，近年来得以快速发展。statcom采用大量电力电子器件，开关灵活，调制方便，可以为系统提供连续、动态的无功支撑，合理的拓扑设计也改善了电力电子器件带来的谐波问题。但使用大量电力电子器件成本较高，尤其在高电压、大容量场景下，造价不菲，而且耐受性和抗冲击性都较差，不易在配电网中大范围推广使用。
5.考虑到svc和statcom的优势互补特性，可采用svc和statcom混合补偿装置，svc实现大容量“粗补”并承担主要压降，statcom实现小容量“精补”。这样既解决了svc分级调节的问题，可实现连续补偿，又有效减小了statcom容量，降低了整个设备的投资成本。但每次投切电容器带来的相应冲击无法避免，影响设备的正常工作寿命。另外级联h桥型statcom和mmc-statcom实现了设备高电压、大容量化，有效减少电力电子器件应力，但控制策略较复杂，造价较高，不适合大范围推广。
6.因此，针对上述问题，有必要发明一种既能满足新型配电网的无功补偿需求，又具有连续、双向无功补偿能力，适用于高电压、大容量场景，具有良好的耐受性和抗冲击性，运维方便，成本经济的无功补偿设备。


技术实现要素：

7.本发明主要提供一种基于同轴旋转移相变压器(rotary phase shifting transformer,rpst)的电压源型无功补偿器拓扑电路。该拓扑电路参考了电压源型换流器(voltage source converter,vsc)的拓扑结构及工作原理，利用两台rpst取代vsc中的功率开关管桥路，实现连续、双向无功补偿。其基本思想是将无功补偿器并联在无功补偿点提供补偿电流，经过调节两台同轴连接的rpst移相角，可连续改变补偿电容两侧电压，实现补偿电流的连续调节甚至反向，达到全补偿负荷无功电流的目的。
8.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是利用两台同轴rpst的旋转电压合成原理实现补偿电容两侧的电压连续可调，进而实现补偿电流的连续调节甚至反向。其基本结构主要包括：两台rpst、同轴旋转机构、滤波电感和补偿电容。具体技术方法是：将两台rpst的转子连接在同一转轴上，其中一台rpst采用正序接线方式，另一台rpst采用负序接线方式。两台rpst的转子绕组作为一次绕组并联后经过滤波电感接入并联无功补偿点，rpst的定子绕组作为二次绕组串联接成星型后接在补偿电容两侧。通过调节转轴，两台rpst的一次绕组转动相同角度，由于两台rpst采用的接线方式不同，电压移相角度正好相反，在电容两侧合成一个相位固定、幅值连续可调的电压相量。转轴转动角度范围为0～90
°
，合成电压幅值可在0～2u
2n
范围内连续调节，从而改变补偿电流的大小和方向。当转轴转动角度较小时，电容两侧合成电压幅值较大，无功补偿器的网侧特性呈容性；当转轴转动角度较大时，电容两侧合成电压较小，无功补偿器的网侧特性呈感性。因此，本文所提基于同轴rpst的电压源型无功补偿器可实现连续、双向无功补偿，用rpst代替功率开关管桥路，极大程度上降低了整个设备的成本造价，而且rpst相较于电力电子器件，更加耐受，抗冲击性能好，检修方便，运行成本也较低，适用于高电压、大容量场景。
9.与电力系统中使用最广泛的svc相比，同轴电压源型无功补偿器可以针对不同负荷实现精准补偿，解决了svc因电容器投切而无法避免的分级调节问题和动态响应问题，还不会给系统带来谐波污染。与快速响应型无功补偿装置statcom相比，同轴电压源型无功补偿器用两台同轴相连的rpst取代功率开关管桥路，降低了整个设备的投资成本，解决了因电力电子器件造成的高电压、大容量化难的问题，具有耐受性好，抗冲击性强的优势。与级联h桥型statcom和mmc-statcom相比，同轴电压源型无功补偿器节约成本的同时，无需复杂的控制方法即可实现无功功率精准补偿，具有良好的发展前景。
附图说明
10.图1是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路较佳实施例的电气系统应用图。
11.图2是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图。
12.图3是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图。
13.图4是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的单相等效电路图。
14.图5是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器容性工况下电压、
电流向量图。
15.图6是本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器感性工况下电压、电流向量图。
具体实施方式
16.本发明提供一种基于同轴旋转移相变压器的电压源型无功补偿器拓扑电路，所述同轴电压源型无功补偿器拓扑电路主要包括滤波电感、rpst移相调压部分、同轴旋转机构和补偿电容。
17.所述rpst移相调压部分，主要包括两台rpst的一次绕组、一次铁心磁路、二次绕组和二次铁心磁路。两台rpst的转子同轴连接，转子位置角时刻保持相等，两台rpst的一次绕组并联后经过滤波电感接入并联无功补偿点，二次绕组串联接成星型后接在补偿电容两侧。一、二次绕组的有效匝数比一般选择0.5，利用电磁感应原理，调节两台rpst的转子位置角，采用正序和负序接线方式的两台rpst电压移相角度相反，在电容两侧合成一个相位固定、幅值在0～2u
2n
之间连续可调的电压向量，进而改变补偿电流的大小和方向。
18.下面结合附图对本发明予以进一步说明。
19.图1所示的基于同轴rpst的电压源型无功补偿器并联接在三相配电网的无功补偿点，适合分布式新能源高比例接入以及非线性负荷所占比例较大的新型配电网络。分布式新能源高比例接入改变了传统配电网的单一功率流向，潮流复杂化导致了电压越线问题时常发生，在配电网的关键节点安装无功补偿器，可以大面积优化潮流分布，减少线路损耗，有利于提高配电网对分布式新能源的消纳能力。另外，随着电动汽车、空调等非线性负荷逐渐增加，配电网对无功功率的需求也日益增大，在负荷侧就地补偿无功，可以避免无功功率大范围流动，提高了配电网的传输能力和供电质量，有利于整个配电网的经济稳定运行。当线路末端接入非线性负荷时，同轴电压源型无功补偿器通过调节转子位置角来改变电容两侧电压调节补偿电流的幅值和方向，当恰好补偿负荷电流电流中的无功分量时，此时电源侧三相电压和电流为同相位，功率因数为1，此处非线性负荷既可以是感性负荷，又可以是容性负荷。
20.图2所示的基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的电气原理示意图，主要包括滤波电感1、rpst移相调压部分2和补偿电容3。所述rpst移相调压部分2中两台rpst的一次绕组4对应相并联后经过滤波电感1接于配电线路的a、b、c相上，另一端统一接于零线n上。二次绕组7对应相串联接成星型后接在补偿电容3两侧。通过一次铁心5和二次铁心6组成的主磁路及气隙实现一次绕组4与二次绕组7之间的电压和功率变换，由于两台rpst的转子同轴连接但分别采取正序和负序接线，因此移相角度8和9分别为α和-α。根据矢量合成原理，仅通过调节同轴旋转轴即可改变两台rpst的一、二次绕组的相对位置角，合成一个相位固定、幅值连续可调的三相电压，调节补偿电容发出的无功功率，进而改变同轴电压源型无功补偿器的网侧特性。因此，只需要施加合适的控制策略控制同轴旋转机构的旋转角度α，即可实现对非线性负荷所需无功的全补偿。
21.图3所示的基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的电气接线示意图，其中rpst1采用负序接线方式，rpst2采用正序接线方式，两台rpst的一次绕组401、402、403、
404、405、406对应相并联后经过滤波电感101、102、103接入配电线路a、b、c相，二次绕组701、702、703、704、705、706串联接成星型后接在补偿电容两侧。电网向rpst一次绕组供给激磁电流，该电流在一次铁心501、502和二次铁心601、602及其之间的气隙中产生两个相反的旋转磁场，在一次绕组401、402、403、404、405、406和二次绕组701、702、703、704、705、706中分别感应电动势，其一、二次绕组的有效匝数比决定输出电压的幅值，一般取0.5，电压相位取决于一、二次绕组的相对位置角。两台rpst的一次绕组由同轴机构10连接，旋转角度时刻保持相同，但由于接线方式引起磁场的旋转方向相反，电压移相角度也恰好相反，在补偿电容301、302、303两侧合成一个相位固定，幅值连续可调的电压相量，实现无功补偿器输出无功功率的连续、双向调节。
22.图4所示的基于同轴rpst的电压源型无功补偿器拓扑电路的单相等效电路图，为无功补偿器并联点电压，为无功补偿器提供的补偿电流，l
′
为计及rpst内电抗的等效滤波电感，为rpst一次侧电压，为rpst合成电压，c为补偿电容，为二次侧电流，t
rpst
为一、二次绕组的有效匝数比，α和-α分别为两台rpst的电压移相角。由等效电路图可得如下关系：
[0023][0024][0025]
当t
rpst
取0.5时，上式可化简为：
[0026][0027]
补偿电容发出的无功功率可表示为：
[0028][0029]
无功补偿器的补偿电流表示为：
[0030][0031]
等效滤波电感吸收的无功功率为：
[0032]ql
＝i2ωl
′ꢀꢀꢀ
(6)
[0033]
以吸收无功为正，无功补偿器提供的无功功率可表示为：
[0034]
q＝q
l-qcꢀꢀꢀ
(7)
[0035]
将式(3)、(4)、(5)、(6)带入式(7)化简近似可得：
[0036][0037]
图5所示的本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器容性工况下电压、电流向量图，以无功补偿器接入点电压为参考，线路末端接感性负荷，负荷电流的无功分量滞后参考相量90
°
，此时α角较小，两台rpst的二次侧电压共同合成电容两侧电压rpst一次侧电压大于电源电压补偿电流超前参考电压90
°
，无功补偿器在网侧呈现容性特性。由式(8)可知，当时，q＜0，此时电容两侧电压较大，电容发出的无功功率大于电感吸收的无功功率，无功补偿器对外发出无功，可补
偿感性负荷。
[0038]
图6所示的本发明提供的一种基于同轴rpst的电压源型无功补偿器感性工况下电压、电流向量图，同样以无功补偿器接入点电压为参考，线路末端接容性负荷，负荷电流的无功分量超前参考相量90
°
，此时α角较大，两台rpst的二次侧电压共同合成电容两侧电压rpst一次侧电压小于电源电压补偿电流滞后参考电压90
°
，无功补偿器在网侧呈现感性特性。由式(8)可知，当时，q＞0，此时电容两侧电压较小，电感吸收的无功功率大于电容吸收的无功功率，无功补偿器对外吸收无功，可补偿容性负荷。
[0039]
如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，本发明并不局限于所给出的实施例，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对熟悉本领域的技术人员来说可做出的多种变形，也均包含在本发明的保护范围之内。