基于瞬时无功检测的快速投切无功补偿装置研究

基于瞬时无功检测的快速投切无功补偿装置研究 摘 要 随着电力电子技术的发展和工业自动化水平的不断提高， 电力用户对供电质量和可靠性要求越来越高。目前，电力系统存在无功补偿容量不足，而系统中又存在不断增加的无功负荷，特别是冲击性无功负荷，不仅增加了损耗，而且严重影响了用户端的电能质量。 目前的普通的机械投切器件投切电容的无功补偿装置已经不能满足工业现场对无功功率进行补偿的要求， 尤其是存在电力谐波的工业场合，现有的无功补偿装置会造成谐波放大、系统共振等危害。 论文讨论了目前无功补偿装置的现状及发展趋势， 分析了现有无功补偿装置存在的问题，从而研究了一种改进型的据该无功补偿装置性能和特点， 论文首先研究了其主回路的拓扑结构和串联电抗器参数选择问题，深入研究了调谐电抗器和失谐电抗器的概念。 其次，论文对投切器件进行了分析，对过零投切技术进行了研究，深入研究了功率检测的方法， 研究了传统瞬时无功功率理论和广义瞬时无功功率理论及其应用。 最后，论文研究了无功补偿装置的硬件设计和软件设计以及人性化设计，研究了几种无功电流检测的技术方案。根据实际的试验，改进型的无功补偿装置在投切速度和抑制谐波方面具有明显的优势。 关键词：无功补偿装置；过零投切；调谐；失谐；瞬时无功功率理论 of of of At is of in of to of to In in as of of a SC to of of up It of of on in 1 目 录 1 绪论 .无功补偿技术的现状 .无功补偿技术发展方向 .无功补偿装置简介 . . 基本原理 .功补偿方式 . 电网中常用的无功补偿方式 . 无功补偿装置容量的选取原则 . 负载无功功率的计算 .路的结构 .基本工作原理 . 电网中无功电流检测方法研究 .狭义瞬时无功功率理论 .广义瞬时无功功率理论 . 控制策略 .制系统硬件设计 .测电路设计 .制系统软件设计 .制系统优化设计 . 投切器件及投切技术的分析与研究 .2 .过零投切技术 .电流输入电路的设计 . 无功补偿装置功能完善的研究 . 统仿真 .考文献 . 谢 .个人简历 .表的学术论文 . 基于瞬时无功检测的快速投切无功补偿装置研究 1 绪论 题背景 近年来，随着国家节能减排举措的提出，电能在工业生产和人民生活应用中的问题日渐暴露出来。电力系统无功补偿容量不足、无功负载每天都在不断的增加，这样既增加了损耗，同时又对用户端的电能质量产生较大的影响【1】。 针对以上所提出的问题，本文深入研究了电力系统存在的无功功率问题，结合目前无功补偿现状和一些新的理论知识， 提出了一种采用新的检测方法的无功补偿装置。 功补偿的内容和意义 通过本课题研究不仅可以更好的实现对电网无 功功率进行补偿，有效地降低损耗，改善电能质量，而且对实际的解决现在无功补偿装置在某些技术环节上存在的一些问题起到了理论上的指导和帮助。 本课题通过对瞬时无功理论在无功功率检测中应用的探讨， 可以对今后无功补偿装置的设计有所启迪和帮助， 对于瞬时无功理论在实际工程中的应用提供新的指向，起到抛砖引玉的效果。 无功补偿与谐波治理对电力系统具有重要的意义。 随着越来越多的非线性电力负荷的使用，给电网的正常运行带来了许多负面效应：1、功率因数过低，将会导致电能浪费、设备利用不充分等；2、谐波电流会引起波形不完整和电力装置产生谐振等问题，在有的电力系统中甚至可以引起电力设备损坏等安全事故。3、电磁干扰的影响。针对以上问题，分析了目前国内外在这方面的研发现状和发展趋势，结合长江集团公司现有的硬件平台、客户资源和人脉关系，提出了西安长江研究所的目前着手研究的内容和未来的发展方向【2】。 无功补偿装置能够广泛运用于输配电网络当中、长距离传输电网当中、风力发电厂设施当中、大型工厂尤其是那些钢铁企业和电气化的铁路设施等。目前，动态无功补偿中静止无功补偿器）的使用非常普遍，而在高电压等级的、大容量的 目中，大部分都使用 司和 C 性 2 交流输电系统）在世界输电系统市场占了比较大的份额，自从20世纪50年代以来，一共有600多套这600多套00多套是9800其大概占据了全球范围内0世纪50年代，且于20世纪90年代末期开始推出晶闸管控制串联电容器， 英文缩写是： 即今天为止，大概安装了约 250 余套串联补偿装置。司大概是从 20 世纪 70 年对 行最初的研发，在 1972 年就已经成功的把 用到了钢铁厂当中，这在世界上尚属首例。20世纪 70年代末期，还把直到现在， 20 世纪末期，开始推出新一代动态无功补偿技术，英文缩写就是所说的西门子公司于20世纪70年代开始， 对晶闸管控制技术的无功补偿技术进行研究，于1980年，研制出第一套20世纪80年代中期，首套现在，西门子公司已经生产出了大约100套总的容量已经达到了 7702涉及到约 20 余个国家。此外，西门子公司还为美国的纽柯钢铁公司安装了世界最大的容量达410 另外，美国通用电气公司在串联补偿领域凭借拥有先进的技术和生产能力，也占据前，通用电气公司提供的串联补偿装置的总容量超过了29用电气公司是最早提供外，通用电气公司还制造性价比良好的当前，我国运用机械投切电容器（当的普遍。特别是加入到相应的控制系统之后，其负荷波动幅度以及频率都没有相应的变化，电网公司对响应速度要求并不在高， 所以都会具有很强的市场竞争力。目前，在中国安装了比较先进的动态无功补偿装置5个500 容量范围保持在105各套设备的费用基本上都控制在150时价）。我们国家现在可以生产配电网用的较低容量的价格大概控制在约 300 元/右。比如重点用于 500 电系统的容量比较大的高电压等级在国内相关的生产主要有以下几个企业： 西电科技等。 西电科技以及电科院运用的是 和西门子公司的相关技术，荣信运用的是乌克兰方面的技术。电科院研制的鞍山红一变 500是国内第一套应用于输电网络的国产的 品。【3,4】。 功补偿装置的介绍 比较与功补偿单机容量不受限制，开发成本较低，适合于批量生产，但无功补偿技术的现状如下【5,6】： 1）在把纯电容器补偿形式作为主要形式的电网中：电容器是非常容易被击穿的部件，然而现在的电网结构中还有很留有很大的谐波，因此，若使用纯电容器的形式对系统做无功功率补偿时，谐波电流就会被逐渐的放大，所以就会造成对用电设备，开关和有关电器元件的损伤； 2）在把接触器当作投切开关的电容补 偿系统中，因为使用了接触器当作投切电容器的开关，所以系统响应速度就非常慢，而且在一些设备无功变化比较快且有冲击性负载的系统当中，就不能够较好实施完整地跟踪补偿;在对电容器进行使用时，就会产生非常大的电流;若电容器断电的话，电话就会突然增高；电容器在下一次使用以前要实现充分放电这个过程； 3）在等容循环投切的有关控制系统当中 ：如果要运用等容循环投切的控制方法的时候，分组有些模糊、补偿精度相对来说不高，因此用电系统就会处于补偿不足的状态当中，平均功率因子也会随之下降； 4）在普通型控制器为补偿的整个系统当 中，那些普通型的控制器抗干扰能力相对较弱，常出现假动作甚至死机，几乎还不能够用在有谐波的电力系统中;控制器的结构非常的简单，尚不能够能满足现代的补偿系统的要求，还需要有多种保护； 5）在采取三相共补的补偿系统中，如果 存在三相不均衡的负载，那么很难实施行之有效地单相补偿； 6）如果防护措施不够完善或者完全没有的话，则会于补偿设备故障发生的时候，不能够及时的进行有效保护； 7）使用柜体结构带来的影响，成套制作的柜体装置一般采用单元模块设计，柜体结构复杂，装配工艺难度大； 4 8）采用的元器件质量差：现在元器件生产厂家众多，不同的器件要求要在分别在不同的生产大家进行购买，但是元器件生产标准也是非常的多，而且没有统一的标准，这样就导致各厂家之间同类元器件之间的参数匹配不是很准确，有的参数匹配不是很合理，因此就导致补偿设备运行不是非常稳定，且事故率非常高。 当前的补偿技术及相关装置会带来一些不良的现象【7】： 1）质量以及性能相对较差的产品很 长时间以来都在我国无功补偿设备的市场占着主导地位。 缘于质量较差的产品被生产出来， 安装、 使用到电网行业当中，导致了公用电网“污染”较为严重，并大大影响了全部电网的安全运行效果以及电能质量高低，另外，也有效的制约着电力系统的健康发展； 2）那些补偿系统要求相对较高场所的设备，很长时间以来都是被那些国外的大公司产品控制着市场； 3）维修产生的工作量较大、耗资多。可以从相关部门的调查数据可以看出，我国当前市场上存在的无功补偿装置吵当中只有30%以下的可以运行正常且能够起到相应的作用，换句话说，大部分的补偿设备是不能正常工作、不能满足其相关设计要求，这不但没有起到节能的作用，还浪费了大量的人力和物力，这样就导致了社会资源非常大的浪费， 其最终的目的就是导致给这些企业和普通用户产生一些额外的费用支出。 现将原因做一下统计分析【8,9】： 1）因为我们国家工业化进程发展比较迅 猛，各行各业都比生了比较大的变化，电网结构也不例外，当前有不少的非线性负载，比如整流器以及变频器等等这些电力电子设备，也在工业中被人们广泛的运用，并且导致电网中出现了非常多的谐波，由于谐波的存在而导致对电能质量产生重大的影响； 2）受传统观念影响非常严重，比如：无 论哪一方面对“电能质量”这一概念理解的还不是很透彻， 并且认识的还不够到位； 并且没有认识到电网被 “污染”后将会产生的后果；过分的考虑眼前的利益和个人利益等等。 3）制订的标准水平较低，并且存在执行不力的情况：现在我们国家和“电能质量”有关的法律法规及其现行的标准还没有与时俱进，比较滞后，目前的标准的水平非常低，在很多方面不够完善，存在着法律的漏洞。若现行的法律法规 5 比较完善了，但是其执行及监督力度还是远远达不到要求的，特别是在很多地区及行业“有法不依”的现象还普遍存在。 4）设计水平比较落后：因为电网结构及负载系统的变化，目前部分工程设计人员还缺乏先进的技术，特别是在先进的滤波和无功补偿系统设计这些方面，还没有丰富的经验，对于新出现的电子和电子元器件还不够了解，由于而死在进行项目进行设计过程中，没有能够及时了解其负载设备的种类及其工况,使那些新型的先进的补偿技术以及设备没有显现出来； 5）那些成套产品的结构较差，工艺也不够先进：当前有不少企业可以生产无功补偿成套设备，都是运用分离元器件以及原来的组装工艺生产对柜进行补偿，因此有不少缺陷存在，如果不解决，可能会形成很严重的后果； 6）用户要求比较低或者其要求表达不清 晰：当前的电力部门在审批那些新项目的过程中，大多数情况下仅仅要求配置无功补偿设备的达标标准，也就是说如果可以满足功率因数就可以了，没有对其它的方面多加关注，特别是在那些补偿设备投入运行后，就可能对电网造成一定的影响，因此也就没有办法了，他们能够做到就可以收取相关的无功罚款项目。不过对于那些用户来说，其目的大多数情况下都是为了降低投资的成本，所以，他们通常也只是为了关注补偿设备相关的绝对成本，认为只要能验收就行了，对于其它方面，则不予考虑，所以使质量较差的补偿设备市场空间大大增多。 7）缘于不同因素的影响，国家以及企业渐渐的开始对其进行关注，重复投入不少的人力、财力加装那些无功补偿装置，然而这些措施并没有真正的发挥作用。大多数情况下，补偿设备运行一段时间就会由于各种因素而发生故障，影响使用，这就造成了负载系统整个平均功率的因数相对来说比较低，而整个电网损耗看来却是比较大的，所以会导致国家以及企业非常大的浪费。不得不引起我们的注意。 我们运用电容器对那些电网做相关的无功功率补偿过程中， 谐波对电网却造成了非常严重的影响，这已是一个不争的事实，这也给我们敲响了警钟，假如考虑不到谐波的相关影响因素单单进行一些无功补偿的时代再也不会有了， 我们进行负载相关的无功补偿过程中， 有必要把对谐波进行综合治理有关的问题同时 6 考虑进来。 纯电容补偿设备早晚都会消失，在工业化发较发达的欧美国家，供电部门已经明确指出：禁止纯电容补偿设备在电网当中应用。 现在，新型器件、远程监控等等技术已经普及，而且制定了较完善的保护措施；特别是在欧美发达国家，早在20年前，模块化技术及模组，已经被广泛的应用了。根据这一趋势，我们国家也肯定会高度重视模块化技术及产品，并肯定加以推广。 因为模块化技术都需要不少新型的电子元器件， 而且还会配置不少相关的保护单元，其功能以及性能质量等等方面较传统的补偿设备而言，都会得到根本性的变化。 因为模块化产品的出现， 提高补偿设备的设计、 制作水平， 并且得到了保障。 模块或组件产品：就是把电容器、投切开关等等分离元器件，让它们集中安装在一个框架内，这样就让他们有了比较独立的补偿功能，另外，外加了一个滤波电抗器之后，就组成了一个完整的滤波单元。 模组产品：即将电抗器等有关的分离元器件，集成起来装在一个对应的框架当中，这样就可以促进他们有了相对来讲比较独立功能的投切单元。 总的看来，模组产品具有以下几个特点，具体如下【10】： 1）由于模组产品渐渐的优化，使得无功补偿技术开始向新的方向发展。模组产品成了整个无功补偿以及滤波装置发展史上具有重要影响的事件， 直接引领了未来市场的主流，此产品的应用也导致电能质量得到较大的改善，使有关电气设备命得到相应的延长，可以说是齐全且安全可靠。 2）模组产品是无功补偿技术的主导。在工业化相对发达的欧美国家范围内，都已经开始大范围的应用了，产品的优点不断得到体现，其产品涉及的每个部件都是精心设计并且进行了严格的匹配测试的， 因此其每个元件之间已经成了最佳的匹配，但是这种情况在国内地并没有实现，因为在国内成套厂家没有这样做，他们仅仅是采购不同元件简单组合， 这样做就导致了其产品之间没有达到较好的匹配，就会出现一些质量问题，所以我们要加大模组产品的推广应用的力度； 3）质量责任明确化，不再互相扯皮。之 前的成套厂多数都要牵扯到不少家供应商，遇到产品出问题，那些 负责元器件生产的厂商肯定是互相扯皮，有时 7 甚至说是设计院的责任，说是最初设计时出的问题。但如果运用了模组，就不可能有这样的情况出现。模组上只要有其中一种元件有问题发生，都会负责到底； 4）服务理念发生较大变革。售出产品只 是开始，做好售后服务才是关键。模组产品在售前、售中和售后都很注重人性化的服务，提供全方位的技术支持，而之前的那种单一元器件厂一般来说都是没有办法完成的。 所以模组厂家的有关服务都是传统单一的元件厂家在服务方面的一个重大升级。 ）无功补偿装置类型 2）之前的无功补偿装置通常采取了同步调相器以及固定补偿电容器（种装置。两者相比较，同步调相器成本相对增高，安装起来比较复杂，固定补偿电容器补偿容量不大，在当今的无功补偿中已经不再使用， 3）机械投切电容器(是无功补偿的一种，能够分组进行投切。以其低廉的价格，负荷的波动幅度以及频率不会发生太大的变化，多数情况下是运用于响应速度要求不算太高的电网当，目前在国内广泛的使用。 4）偿装置响应速度快了很 多，并可连续对无功功率输出进行有效调节，所以在整个电力系统中得到了比较广泛运用，但是改系统技术要求高，国内能生产的企业少。 5）静止无功发生器（是目前是技术最先进的概念。 日本三菱公司于1980年成功研制基于晶闸管的20静止同步补偿器） 过程以来，得到迅速发展和应用。但由于前掌握并应用这一块技术的还只限于少数国家，如日本、美国、德国、英国和中国等。根据有关的统计显示，自从1980年一直到2004年底以来，全世界已经开始投入了工业运行的大容量（10程基本上 超过了20个，总的可控容量超过大大超过了3000这些当中，有的是安装在了输电网络中，重点用于潮流控制、无功补偿以及尽可能提高系统稳定性等，是属于有的是安装在配电以及用电网络，重点用于改善电能质量以及提高供电可靠性，基本上是属于用户 8 电力范畴，也就是指用户电力控制器的已有应用工程有如下共同特点【11】： 1）在电力半导体器件的有关选用问题上 ，除了我们早期曾经运用普通晶闸管以及强迫换相方式之外，更多的是以对来说，运用 量更大、电压的等级也就会越高，这主要是由于单只 且当主电路上运用了变压器多重化的技术的时候，开关频率相对较低一些，以成为比较好的选择。点运用于中小容量，尤其是 关装置中，尽管单个 容量以及耐压是有限的，不过运器件串联、三电平和多变换器并联等一些相关的技术， 同样能够获得比较高的容量水平， 而且由于关损耗小，可使用多脉冲获得较好的输出特性，有效解决多种电能质量问题。一些如说：经比较广泛的运用于以预见，它们将具有很好的应用前景。 2）在主电路当中，相对来讲大容量高电压 点运用变压器耦合多重化的一些技术，该技术方式对器件开关的相关频率、控制复杂性要求都会比较低一些，并且开关的损耗也比较低，不过需要相对来说昂贵的耦合变压器。另外一种就是较新的链式电路结构，链式弃了多重化变压器，因此避免了上述的缺点。同时还可以通过冗余设计，进一步提高装置的可靠性。 随着多电平和中低容量和电压的 （3）基本采用 有 用工 程只采用 压源换流器）而不是 流源换流器）的主要原因包括： （1）其中的的可关断器件（比如 及 么其反向阻断的能力特别差，要么其在其他方面的一些性能并不好（比如导通损耗比较大）；而（2）实际的系统当中， 9 （3）流侧经耦合变压器提供的漏抗就能够接入交流电网，而那些 容性滤波器）当中来产生一些所需要的交流电压，从而可以使得装置复杂化，并且增加了成本。 （4）本上拥有了天然的防止器件过电压的一些功能； 而那些过，比如： 能够直接控制变换器输出电流的大小，能够保护天然的过电流功能，不需要启动整流器，零无功输出的时候并不向系统注入有关的谐波等。当前已经在实验室里开发 出了一些小容量的基于 显示了较优的性能。 随着电力电子器件及其相关技术的发展，有望在将来采用4）系统控制目标多样化。由于 好的性能，能对改善电网各方面的运行性能起到积极的作用，如无功补偿、电压控制、提高稳定性和传输能力，以及改善电能质量等。因此，在实际电网中往往采用多目标控制方法或提供多种系统控制功能，供用户根据实际运行情况进行选择。 5）大容量 采用水冷方式。全封闭的循环纯水冷系统由于其具有散热效率高、体积小、污染小、能耗低、造价与油冷系统相近、寿命长等优点而在大功率变流装置上得到了越来越广泛的应用， 成为大容量小容量的水冷方式可满足散热要求。 10 2 基本原理 功补偿方式 据实际现场的需要和无功补偿装置的不同容量级别， 可以采用不同的补偿方式对负载进行不同方式的补偿【12】。 1）在变电站或者变电所的母线侧装配无 功补偿装置。这种方式主要采用高压、大容量的无功补偿装置，可以减少发电站与变电站或者变电所之间的输电线路的线路损耗。 2）在高低压配电线路中分散装配无功补 偿装置。这种补偿方式主要减少高低压配电站间输电线路的线路损耗，同时可以稳定递延配电站的输入点烟。 3）在配电变压器的低压侧装配无功补偿 装置。这种补偿方式主要提高配电变压器容量的利用率，降低配电变压器漏感损耗，有效地提高了配电变压器的使用寿命。 4）在用电负载处装配无功补偿装置，实 行就地补偿。这种补偿方式主要提高低压配电端电压，为用户节省大量的电费。 3】1）要避免用电负载在轻载时的过补偿。 在用电负载处在轻载或者空载时出现过补偿的情况，使输电线路中的电流向量超前电压向量，负载就会向电网输送无功功率， 这样是无法达到补偿目的的， 输电线路损耗不但不会减小反而会增大，同样是不经济的。 2）功率因数越高，每千乏补偿容量减少 损耗的作用将变小，通常情况下，选取无功补偿装置的容量就要对负载的无功功率进行量化计算， 由于影响高压、 大容量的负载无功功率的因素比较多， 高压、 大容量负载的无功功率分析、计算比较复杂，其次，我们所设计的产品主要是低压端的就地补偿设备，所以本文仅以终端用电设备和低压变压器为例对无功功率进行分析和计算【14,15,16】。 1）电动机无功功率的分析和计算 由于电动机属于非线性负载，它的实际负载与功率因数都不按线性变化，所 11 以电动机的无功功率的精确计算比较困难； 我们对电动机无功功率进行分析和计算的目的就是对无功补偿装置的容量进行选取， 所以我们采用近似和估算的方法来计算电动机的无功功率。 目前对于电动机的无功功率的近似计算公式有以下几种方式： 经验公式一： 在电动机空载情况下，其功率因数最低，大约在 间，此时选择补偿容量等于励磁功率， 即3103 式 （2 在公式（2，无功补偿装置的容量（ 电网电压（V）； 电动机励磁电流（A）； 补偿系数，见表22偿系数 电动机极数 补偿系数 2 0 一般常用的三相异步电动机中选) （瑞典通用电气公司推荐公式）； 式（2 在公式（2，电动机的额定电流（A）； e电动机的额定功率因数。 在实际的工业现场，电动机的额定电流可以从电动机的铭牌数据中直接读出，额定功率下的功率因数可以现场测得。根据公式（2公式（2表2中的相关数据，可以计算出无功功率补偿电容器的容量。 经验公式二： 12 4121( 式（2 在公式（2： 无功补偿装置的容量（ 电动机额定功率（ 一般来说，对于一般容量的电动机，选择约等于三分之一；当电动机额定功率大于300动机补偿容量应选择小于三分之一的额定功率。 经验公式三： 当电网电压和频率变化时，空载电流的计算值比实际的空载电流大，为了避免引起自激震荡，可应用经验公式三： 式（2 在公式（2，无功补偿装置的容量（ 电动机额定功率（ e电动机的额定功率因数。 K电网电压和频率的变化系数。 在实际的工业现场，电动机的额定功率可以从电动机的铭牌数据中直接读出， 电动机的额定功率因数可以通过现场测量得到， 对于K， 一般K= 美国电机电子工程师学会（荐的经验公式： ) 式 （2 在公式（2，无功补偿装置的容量（ 电动机额定功率（ 1补偿前功率因数； 2补偿后功率因数。 在实际的工业现场，电动机的额定功率可以从电动机的铭牌数据中直接读出，补偿前的功率因数可以通过现场测量得到，2）变压器无功功率的分析和计算 13 对于变压器无功功率的分析和计算我们只限于低压、 一般容量的变压器无功功率的分析和计算，变压器的无功功率按下式考虑： %)%(0式 （2 在公式（2，无功补偿装置的容量（ %变压器短路电压的百分数； %0I 变压器空载电流的百分数； 变压器的额定容量（ 为应用方便，把变压器负载时的无功 功率与额定容量之比的百分数称作，则变压器在满载时： %1000 式（2 在公式（2，无功补偿装置的容量（ %变压器短路电压的百分数； %0I 变压器空载电流的百分数； 变压器的额定容量（根据我们国家6451三项油浸式电力变压器技术参数和要求，一般容量的配电变压器，空载电流即 %0I 短路电压即 %常保持在 4%所以根据实际需要我们选择无功补偿装置容量约为变压器容量的 8%左右。然而在很多人看来，无功补偿装置的补偿容量只占变压器容量的 8%左右，这样的补偿根本就不足以补偿低压侧所有的无功负荷，配电变压器高压侧功率因数提高不大， 变压器无功功率得不到有效地补偿。 事实上，这是一种错误的理解，我们所讨论的大多都是关于无功补偿的，作用也仅仅限定在减少变压器本身的功率损耗方面，只要是向负荷输送的无功功率，因为仍然要经过相应的低压线路的电阻以及电抗， 那些配电线路上发生的功率损耗并无任何缩减。因此，配电变压器的低压侧无功补偿装置容量方面，假若选择过大是完全 14 没有必要的， 而仅仅运用配电变压器低压侧补偿以及用户端来就地进行补偿相结合的补偿方式才能够既达到提高功率因数的目的， 又可以减少低压线路所造成的损耗，从而获得更好的经济方面。 路的