2024年5月7日发(作者：)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN97190723.4
(22)申请日 1997.06.09
(71)申请人 瑞典通用电器勃朗勃威力公司
地址 瑞典韦斯特罗斯
(72)发明人 J·P·哈斯勒尔 T·乔汉森 L·安奎斯特
(74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公司
代理人 马铁良
(51)
H02J3/18
权利要求说明书 说明书 幅图
(10)申请公布号 CN 1195428 A
(43)申请公布日 1998.10.07
(54)发明名称
无功功率补偿的方法和装置
(57)摘要
一种衬偿三相(a,b,c)交流电网(1)中
的工业负载(2)消耗的无功功率的装置,所述
负载尤其指电弧炉或金属滚轧厂类工业负
载,该装置包括控制无功功率消耗的第一补
偿装置(3)和产生无功功率的第二补偿装置
(4),第一补偿装置由一个电感器(31)和控制
控制指令(αref)调节的半导体对形成的串联
支路构成,控制设备(7)接收分别在负载侧测
出的电压和电流测量值。该控制设备包括
计算确定负载消耗的有功功率(P(t))和无功
功率瞬时值(Q(t))的装置(8),和根据有功功
率和无功功率消耗产生对第一补偿装置的
控制指令的控制器(9)。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种补偿三相(a，b，c)交流电网(1)中工业负载(2)消耗的无功功率的方法，尤其
指电弧炉或金属材料滚轧厂类型的工业负载，其中第一补偿装置(3)用于控制无功
功率的消耗，第二补偿装置(4)用于产生无功功率，二者均连接到交流电网中，并
与所述负载并联连接，第一补偿装置带有一个与一半导体对(32)串联连接的电感线
圈(31)，根据控制指令(αref)实现控制功能，所述半导体对包括至少两个反向并联连
接的可调的半导体，确定由该负载消耗的有功功率和无功功率瞬时值，形成对第一
补偿装置的控制指令，其特征在于，将在频率为8.8Hz左右、最好在2-25Hz频率
范围内的涉及所述有功功率消耗的信号输入到具有相位超前特性的信号处理器(91)
内，然后根据由所述信号处理器输出的信号形成所述控制指令。
2.一种补偿三相(a，b，c)交流电网(1)中工业负载(2)消耗的无功功率的方法，尤其
指电弧炉或金属材料滚轧厂类型的工业负载，其中第一补偿装置(3)用于控制无功
功率的消耗，第二补偿装置(4)用于产生无功功率，二者均连接到交流电网中，并
与所述负载并联连接，第一补偿装置带有一个与一半导体对(32)串联连接的电感线
圈(31)，根据控制指令(αref)实现控制功率，所述半导体对包括至少两个反向并联连
接的可调的半导体，确定由该负载和由第二补偿装置消耗的总的有功功率(P(t))和
无功功率(Q(t))瞬时值，形成对第一补偿装置的控制指令，其特征在于，将在频率
为8.8Hz左右、最好在2-25Hz频率范围内的涉及所述总的有功功率消耗的信号输
入到具有相位超前特性的信号处理器(91)内，然后根据由所述信号处理器输出的信
号形成所述的控制指令。
3.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述消耗的有功和无功功率瞬
时值的确定包括将从三相系统(a，b，c)测出的电流和电压值变换成一个正交的两
相系统(d，q)。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述消耗的有功和无功功率瞬
时值的确定是针对等效△形连接中的每一相单独进行的，控制指令的形成是针对第
一补偿装置的每一相单独进行的，其取决于相关相的有功和无功功率。
5.一种补偿三相(a，b，c)交流电网(1)中工业负载(2)消耗的无功功率的装置，所述
负载尤其指电弧炉或金属材料滚轧厂类型的工业负载，该装置包括控制无功功率损
耗的第一补偿装置(3)和产生无功功率的第二补偿装置(4)，以及分别在负载测测量
电压(Ua，Ub，Uc)和电流(Ia，Ib，Ic)的电压测量仪(5)和电流测量仪(6)，和接收所
述电压和电流测量值的控制设备(7)，两个所述补偿装置与该电网连接，并与所述
负载并联连接，第一补偿装置由一个电感器(31)和按照控制指令(αref)调节的半导体
对(32)形成的串联电路构成，所述半导体对包括至少两个反向并联连接的可调节的
半导体，所述控制设备包括确定负载消耗的有功功率(P(t))和无功功率(Q(t))瞬时值
的装置(8)和根据功率瞬时值产生对第一补偿装置的控制指令的控制单元(9)，其特
征在于，控制单元包括一个处理器(91)，它在8.8Hz的频率附近，最好在2-25Hz的
频率范围内具有相位超前的特性，当它接收到一个代表有功功率消耗量的信号后，
进行处理，所述控制单元根据由信号处理器输出的信号产生所述控制指令。
6.一种补偿三相(a，b，c)交流电网(1)中的工业负载(2)消耗的无功功率的装置，所
述负载尤其指电弧炉或金属材料滚轧厂类型的工业负载，该装置包括控制无功功率
损耗的第一补偿装置(3)和产生无功功率的第二补偿装置(4)，两个所述补偿装置连
接到电网上，并与所述负载并联连接，以及在负载侧测量电压(Ua，Ub，Uc)的电
压测量仪(5)，和测量流过负载和第二补偿装置的并连支路的电流的电流测量仪(6)，
还包括接收所述电压和电流测量值的控制设备(7)，第一补偿装置由一个电感器(31)
和按照控制指令(αref)调节的半导体对(32)形成的串联支路构成，所述半导体对包括
至少两个反向并联的可调节的半导体，所述控制设备包括确定负载和第二补偿装置
消耗的总的有功功率瞬时值(P(t))和无功功率瞬时值(Q(t))的装置(8)，和根据功率瞬
时值产生对第一补偿装置的控制指令的控制单元(9)，其特征在于，该控制单元包
括一个信号处理器(91)，它在8.8Hz的频率附近、特别在2-25Hz的频率范围内具有
相位超前的特性，它对接收的所述有功功率的总消耗量的信号进行处理，所述控制
单元根据由信号处理器输出的信号产生所述控制指令。
7.根据权利要求5-6任一的装置，其特征在于，所述信号处理器(91)的传送函数
(H(S))包括如下项H(s)＝K(1+sT1)/(1+sT2)，其中s是拉普拉斯因子，K是放大系数，
T1和T2是相应于所述频率范围的时间常数，其中T2＜T1。
8.根据权利要求5-7之一的装置，其特征在于，装置(8)用于计算确定所述有功和无
功功率消耗的瞬时值，在计算期间，实现将三相系统(a，b，c)测出的电流和电压
值变换为一个正交的两相系统(d，q)。
9.根据权利要求5-8之一的装置，其特征在于，用于计算确定所述的有功和无功功
率消耗的瞬时值的装置(8)分别确定等效△形连接的各相中的每一相，控制设备形
成控制指令是针对第一补偿装置的每一相单独进行的，其取决于相关相的有功和无
功功率。
说 明 书
技术领域
本发明涉及一种工业负载的无功功率损耗的补偿的方法，所述无功功率由交流电网
提供，用于电弧炉或金属材料的轧制。其中第一补偿装置用于控制无功功率的消耗，
它具有一个与半导体连接器串连连接的感应器，根据所提供的控制次序进行调整，
第二补偿装置用于产生无功功率，它们均与电力网连接，与上述负载并联连接，还
具有一个实现该方法的装置。
所述装置包括一个控制器，它根据负载上无功和有功功率的消耗，形成第一补偿次
序的控制次序。
背景技术
连接到交流电网络的工业负载包括电弧炉和滚轧设备，这类负载会影响交流电网的
电压，它们工作时会大量消耗无功功率。特别是在频率范围为0-20Hz的情况下，
电能消耗的变化引起电压产生闪变效应，使电压明显波动，严重影响交流电网的供
电质量，例如对于照明负载，可导致人的肉眼可察觉的闪烁现象。
众所周知，如果交流电网连接了上述类型的工业负载，则与该负载并联连接一个静
态补偿器，形成一个旁路，以补偿上述类型的负载所消耗的无功功率。这种补偿器
之一是由一个产生无功功率的装置和一个控制无功功率消耗的装置所构成，通常称
为晶闸管控制的电抗器(TCR)。所述产生无功功率的装置包括一或多个相互并联连
接的滤波器，每个滤波器主要包含一个与电容串联的电感。对滤波器进行调谐，选
定为交流电网运行频率的数倍，例如第三、第四和第五音频，有时可调到第二和第
七音频。所述控制无功功率消耗的装置由一个电感和一个与可控半导体阀串联连接
的电感线圈构成。这个可控半导体阀由两个反向并联连接的可控半导体(一般为晶
闸管)形成。通过对该半导体的相角的控制，也就是说，相应于交流电网的电压的
相位控制其导通角，使该装置的电纳得到控制，从而能够控制无功功率的消耗。
关于晶闸管控制的电抗器(TCR)的详细介绍可参见由keEkstrm撰写的题为“大
功率电子学HVDC和SVC”的文章，具体见第1-32至1-33页以及10-8至10-12页
(1990年6月Stockholm出版)。
这个补偿器产生的无功功率等于由产生无功功率的装置所产生的并且由于晶闸管控
制的电抗器的消耗而降低的无功功率。首先确定负载的无功功率瞬间损耗，然后调
控晶闸管控制的电抗器的功率消耗到这样的值，即综合考虑负载的消耗，使其与产
生无功功率的装置所产生的无功功率相符合，从而使与交流电网的无功功率交换变
为零。
欧洲专利说明书EP 0260504公开了一种补偿无功功率的电路，它包括上述类型的
补偿器和负载。此外，这个电路还装有一个自换向的变换器，它根据由一个控制器
件发出的控制信号进行脉宽调制，这个与交流电网连接的变换器与负载和晶闸管控
制的电抗器并联连接。该变换器向交流电网提供无功电流，补偿由负载和晶闸管控
制的电抗器所消耗/产生的有功和无功功率。在一个正交的两相系统中，根据测出
的三相电流和三相电压，上述控制器件计算出由负载和晶库管控制的电抗器共同消
耗/产生的有功和无功功率的瞬时值。
在上述专利说明书中，交流电网的电压的波动主要取决于负载的无功功率损耗的情
况，而由于有功功率损耗导致的电压变化可忽略不计。因此向交换器发出的控制信
号只取决于负载的无功功率损耗的变化状态。
上述专利中用于判断出正交的两相系统中的负载的有功和无功功率瞬间值的方法也
适用于控制晶闸管控制的电抗器。不过，采用同样的连接实现上述专利文献中形成
控制信号的方法，事实证明是很难成功的，在某些场合则是不可能的，这是由于日
益增长的对交流电网运行控制的要求更严格所致，例如允许人为的强制性干预措施。
发明概述
本发明的目的是提供一种在本文开头所述的方法，以及实现该方法的装置，从而减
小了电压的闪变效应，改善了供电质量。
根据本发明，其中对晶闸管控制的电抗器的控制规则和顺序取决于负载所消耗的有
功功率。
本发明方案的有利改进将通过下列详细说明和权利要求书的描述变得更加明了。
根据本发明的控制规则和方法制造的带有晶闸管控制的电抗器的补偿器，已经过证
实，其减小闪烁现象的能力已得到明显增加。
附图简述
图1是以单线方式表示的电路示意图，表示一个带有工业负载和本发明的补偿该负
载的无功功率损耗的装置的交流电网，
图2A和2B是图1的装置中一控制器的实施例，
图3是以单线方式表示的电路示意图，表示另一个带有工业负载和本发明的补偿该
负载的无功功率损耗的装置的交流电网的实施例，
图4是图3的装置中一控制器的实施例。
附图详述
以下说明既涉及方法及涉及装置。该装置包括计算单元，在图中以方框图形式出现，
其含义应理解为：有关的方框的输入和输出信号可以构成信号或计算值。因此，信
号和计算值在下面作为同义语使用。
为了不使本领域的技术人员在区分和自我解释本发明时产生误解，在补偿装置中上
升的电流，电压和功率一般采用相同的标识符，负载为测量值和与上述参量相对应
的信号/计算值，这些参量在控制器内被如下加工处理。
图1以单线图方式表示一个三相交流电力网1，它连接有一个电弧炉式的工业负载
2。这个电弧炉通过变压器12连接到该交换电网的母线11上。连接到该母线上的
一个普通负载13例如是由居民区和办公区组成的照明网络。与电弧炉并联连接到
母线14上的第一补偿装置3用于控制无功功率的消耗，第二补偿装置4用于产生
无功功率。
第一补偿装置包括一个与可控半导体对32串联连接的电感31，这对半导体是两个
反向并联连接的晶闸管。这个补偿装置的电纳及其消耗的无功功率通过常规的晶闸
管相角调节可得到控制，也就是说，相应于交流电网电压的相位控制晶闸管的导通
角。
第一补偿装置的每相都有一个电感和一个半导体对，三相补偿装置的各相呈△形连
接。
第二补偿装置带有多个相互并联连接的滤波器，每个滤波器以公知方式被调谐为交
流电网运行频率的确定倍数，例如与其第三、第四或第五谐振频率相谐调。为了清
楚简明起见，图1中只给出了两个滤波器41和42，但应当指出，第二补偿装置可
装配一至多个这种滤波器。每个滤波器都包括一个与电容器件串联连接的电感器件，
这个电容器件产生一定量的无功功率。电弧炉和上述补偿装置应具有如下的匹配关
系，相应于无功功率，第二补偿装置至少在正常工作期间产生一个大于电弧炉所消
耗的无功功率的功率，并且第一补偿装置受控相应于第二补偿装置所产生的无功功
率消耗功率，这里综合考虑了负载的功率损耗。从变压器12看，母线14上的无功
功率消耗等于零。第二补偿装置还包括在滤波器的作用不充足的情况下加装一组电
容器43。
三相母线14上的电压和电流分别标识为Ua，Ub，Uc及Ia，Ib，Ic。根据常规的
方法，电压Ua，Ub，Uc可由电压测量设备5测出，电流Ia，Ib，Ic可由电流测量
设备6测出。测出的值送至控制器7，经过加工后，形成一个控制命令
αref，输出给半导体对32。这个控制器7带有一个计算器8和一个控
制台9，前者根据测出的电压和电流值求出电弧炉的有功功率瞬时值P(t)和无功功
率瞬时值Q(t)的计算值，而后者根据这些功率计算值形成控制指令。
计算器8采用公知的方法按照下述已知的三相系统等效变换公式求出有功功率和无
功功率的计算值，三相分别标为a，b，c，相对应的正交两相系统中的相标识为d
和g。Ud+jUq＝U＝2/3[Ua+Ub*ej2π/3+Uc*e-
j2π/3] (1)Id+jIq＝I＝2/3[Ia+Ib*ej2π/3+Ic*e-
j2π/3] (2)P(t)＝3/2Re[U*I*]＝3/2[Ud*Id+Uq*Iq] (3)Q(t)＝
3/2Im[U*I*]＝-3/2[Ud*Iq-Uq*Id] (4)
式中，I*表示电流向量I的共轭，Re和Im分别表示复数视在功率
[U*I*]的实数部分和虚数部分。
等式(4)表示电弧炉消耗的无功功率的瞬时值，其任务是综合考虑第一补偿装置和
电弧炉共同消耗的无功功率，控制第一补偿装置与由第二补偿装置产生的功率实现
平衡。如上所述，对第一补偿装置的控制是通过对其电纳(标为B)的调节实现的，
如果晶闸管的导通角α相对于电感两端的交流电压的过零相位确定的话，则可在
90°角处得出通过该电感的最大电纳(具有负号)和最大电流，而在Q＝180°时得到最
小电纳(即＝零)。因此最大幅值的电纳值为β＝-1/ωL，其中L表示电感线圈的电感
量，ω表示交流电网的角频率。
在电纳B和导通角α之间应遵循下式的关系：
B(α)＝-[2(π-α)+sin2α]/TωL (5)
并且在功率Qr(由第一补偿装置消耗的)和其电纳B之间应遵循下式的关系：
Qr＝-3/2*B*|U|2 (6)
式中|U|表示电压矢量U的幅值＝Ud+jUq。
图2A表示本发明的控制器9的一个实施例。该控制器由一个信号处理器91、一个
求知器92，求和器93，商数计算器94和函数形成单元95构成。
求和器93的输出信号SQr构成由第一补偿装置消耗的无功功率的计算值，根据本
发明，这个输出信号的获得除了与由电弧炉消耗的无工功率瞬时值Q(t)有关，还与
该电弧炉消耗的有功功率瞬时值P(t)有关。具体地说，控制器对接收的相关功率值
放入等式(3)和(4)进行计算，并根据这些功率值在求和器92内经过加法运算得出总
和SQL。无功功率的计算值传输给求和器92，有功功率的计算值则输入到信号处
理器91中，其输出信号再传输给求和器92。求和器93根据第二补偿装置产生的
功率QF和信号SQL求出信号SQF的差值，这个差值形成了将由第一补偿装置消
耗掉的无功功率的计算值SQr。接着在商数形成器94中将计算值SQr被因子-
3/2*|U|2除，继而等式(6)中得出第一补偿装置的电纳的基准值Bref。将
此基准值Bref送入函数发生单元95，根据等式(5)得到控制指令αref。假设由第二
补偿装置产生的功率QF是电压Ua，Ub，Uc的函数，它与该装置内的部件的数据
有关。
信号处理器91具有一种变换功能，它能使该控制器有可能减小闪烁性的频段内被
激活。一个IEC标准868号(闪烁测量仪，功率和设计技术要求)所规定的干涉曲线
主要受频率影响，其最大幅值出现在8.8Hz左右的频率范围上，因此该控制器最好
能够在这个频率附近的范围内被激励，即在2-25Hz的频段内。信号处理器在这个
频段内最好具有相位超前(从变量)特性，并且其传递函数H(s)最好包括以下项：
H(s)＝K(1+sT1)/(1+sT2) (7)
式中，S是拉差斯算子，K是放大因子，T1和T2是相应于上述频率范围的时间常
数，其中T2＜T1。
图2B表示控制器的另一实施例，其中BF是第二补偿装置的电纳。它与图2A所示
的实施例的差别在于，求和器92的输出信号直接送至商数计算器94中，通过上述
分析，采用等式(6)，求出电孤炉的电纳计算值SBL，它与其消耗的无功功率瞬时
值有关。将计算出的电纳值SBL和第二补偿装置的电纳的计算值SBF分别输入到
求和器96中，在那里求和，信号SBL和SBF均带有负号。这个总和形成了第一补
偿装置的电纳的基准值Bref，它被送入函数发生器95中。
图3表示本发明的带有一工业负载和控制装置的交流电网，它与图1的实施例类似，
因此凡是相一致的部分均采用与图1的标号相同的标识符，本例中与图1不同之处
在于，流过电弧炉和与之并联连接的第二补偿装置的电流Ia，Ib，Ic是通过电流测
量装置6测出的。在这种情况下，由计算器8求出的有功功率瞬时值和无功功率瞬
时值的计算值构成了上述并联电路的总的有功功率PT(t)和总的无功功率QT(t)，也
就是说，假设第二补偿装置中消耗的有功功率是可忽略的，采用前面用过的定义
P(t)＝PT(t)，而QT(t)带有相反的符号，构成将要由第一补偿装置消耗的无功功率
的计算值SQr。
在这种情况下，采用图4所示的控制装置的结构设计。将计算值QT(t)和由信号处
理器91输出的信号求和(带有负号)后形成计算值SQr，如同图2A的情况，将该计
算值传输给商数形成单元94，由其输出的信号构成第一补偿装置的电纳的基准值
Bref。这个基准值继而送入函数发生器单元95中。
如上所述，本发明的控制装置基本上是在与闪烁现象相关的频率范围内工作的，这
个频率范围是2-25Hz。如图1和图3所示，通常还装有函数发生器单元95，它按
常规方式接收来自一控制器10的校正信号pfd。变压器负载和补偿装置的功率因
数Pf是采用位于变压器12的原边侧上的测量仪101测出的。控制器10将功率因
数的测量值和一个规定的基准值Pfref相比较后形成上述较正信号Pfd。控制器10
的作用是按照与供电方签订的协议要求维持电网中所连接的各设备的功率因数为平
均水平。这个平均值一般应保持10-30分钟以上的时间周期，这个控制器因此工作
在比本发明的装置的频率范围低得多的频率范围内。
在方框图中的方框可以指包含逻辑和/或数字模型的一个模块，或完全或部分地执
行逻辑和/或数字运算的带连线的电路，或代表在一个微处理器中运行的程序。
本发明并不局限于所图示的各实施例。例如，计算器8可以只接收测出的电流值Ia，
Ib，Ic，并根据等式(2)完成下列变换：
I＝Id+jIq＝2/3[Ia+Ib*ej2π/3+Ic*e-j2π/3]此外，上述的瞬态
计算值P(t)和Q(t)(以及PT(t)和QT(t))可用电流瞬时值Id和Iq的计算值取代，将电
流Id输入到信号处理器91，将其输出信号与电流Iq的计算值求和，得到第一补偿
装置的电流基准值IQr。然后，将这个电流基准值转换成无功功率的基准值，这种
转换是在一个乘法器(图中未示出)中这样计算的，即用该电流基准值乘以电压矢量
U＝Ud+jUq的幅值3/2*|U|，其余的信号处理过程与本文前面叙述的方式相同。
如上所述，第一补偿装置的每一相包括一个电感器和一个半导体对，它的三相互连
为△形连接。负载消耗的有功和无功功率瞬时值可按常规等效负载方式按单相计算，
之后采用本发明所述的方法，分别求出三相第一补偿装置中每相的电纳值。
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