硕士论文-TSCA双向动态无功补偿装置的研究.pdf

2 0 l j 4 年6月 天津大学工程硕士学位论文中文摘要 中文摘要 在工作实践中，汽车工厂供配电用电负荷，特别是冲压和焊接生产线上，由 于大量的单相、冲击性、低功率因数及整流电源等用电装置的使用，从而导致 电能质量下降，不能满足生产需要，主要体现在功率因数低，谐波含量高，电压降 大。 本文在从无功功率补偿和谐波抑制基础理论分析入手，对汽车工厂供配电 用电负荷质量，特别针对低压配电网中电压不稳问题，解决一汽集团二厂区电压 的频繁波动，论述t s c a 双向动态无功补偿装置的工作原理及其控制部分的核 心内容，采用晶闸管控制电容器组和自动投切电抗器的方案，运用现代电子技 术的理论成果，实现无功功率的双向动态补偿，稳定配电网电压，在晶闸管触 发电路的设计上，运用光电零电压触发技术，从而对电力系统提供感性、容性 两种无功功率，实现了电压的双向调整，能够最大限度地提高负载的运行功率 因数，本文主要分三个部分阐述了无功补偿的基本理论，t s c a 的总体设计结 构和原理，t s c a 的关键技术。 l 关键词】：无功功率补偿；动态无功补偿( t s c ) ；自动投切；零电压触发。 天津大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ew o r kp r a c t i c eo fa u t o m o b i l ef a c t o r i e s e s p e c i a l l ya tt h es t a m p i n ga n dw e l d i n g l i n e s ，t h ep o w e rl o a dr e l a t e dt ot h ep o w e rs u p p l ya n dd i s t r i b u t i o ni su s u a l l ys oa f f e c t e db y s o m ef a c t o r st oc a u s et h ed e c r e a s ei ne l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y , t h o s ef a c t o r sa r ee g t h ei l s e o fe l e c t r i c a le q u i p m e n t ( p o w e rc o g s t n e r ) a d o p t i n gs i n g l ep h a s e ，i m p a c tp r o p e r t y ，l o w p o w e rf a c t o ra n dr e c t i f i e dp o w e rs o u r c e t h a tc a nh a r d l ym e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e p r o d u c t i o n ，m a i n l yb e c a u s eo f t h el o wp o w e rf a c t o r ，h j g hc o n t e n to f h a r m o n i c ，a n ds e r i o u s v o l t a g ed r o p b a s eo i la n a l y s i so ft h eb a s i ct h e o r yo nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i c s u p p r e s s i o n ，a n dr e g a r d i n gt h ep o w e rl o a dq u a l i t yu n d e rp o w e rs u p p l y & d i s t r i b u t i o ni n a u t o m o b i l ep l a n t ，e s p e c i a l l yr e g a r d i n gt h eu n s t a b l ev o l t a g ep r o b l e mi nt h el o wt e n s i o n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n df o re l i m i n a t i o no ff r e q u e n t v o l t a g ep u l s a t i o ni nn o 2p l a n ts i t e o ff a wg r o u p ，t h i se s s a yi n d i c a t e st h et s c - ab i d i r e c t i o n a ld y n a m i cr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o ro p e r a t i o np r i n e i p l ea sw e l la st h ec o r ec o n t e n to ft h ec o m p e n s a t o r sc o n t r o l p a r t ，m e a n w h i l er e c o m m e n d st h et h y r i s t o rc o n t r o l l e dc o n d e n s e rb a n ka n da u t o m a t i c c o n n e c t i n g c u t - o u tr e a c t o rs c h e m e ，t h a tu t i l i z e st h et h e o r e t i ca c h i e v e m e n to fm o d e m e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ys oa st or e a l i z et h eb i - d i r e c t i o n a ld y n a m i c c o m p e n s a t i o na n d s t a b i l i z et h ev o l t a g eo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；i nt h ed e s i g no ft h y r i s t o rt r i g g e rc i r c u i t , t h et r i g g e r i n gt e c h n o l o g yo fp h o t o e l e c t r i cz e r ov o l t a g ei sa d o p t e dt op r o v i d et h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m 、) v i t hb o t ho f t h ei n d u c t i v e & c a p a c i t i v er e a c t i v ef a c t o r s ，m o r e o v e r ，r e a l i z e t h eb i - d i r e c t i o n a lv o l t a g er e g u l a t i o na n dp r o m o t et h ep o w e rf a c t o ro fl o a da sf a ra sp o s s i b l e n l i se s s a yh a st h r e ep a r t st od e s c r i b et h eb a s i ct h e o r yo nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t s c ao v e r a l ld e s i g n e ds t r u c t u r e & p r i n c i p l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g yo f t s c a k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ( t s c ) ；a u t o m a t i cc o n n e c t i n g c u t - o u t ；z e r ov o l t a g et r i g g e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：转，l 智乏 签字日期： 硼 年话月哆目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：； 智定 导师签 签字日期：妒f 年6 月多日签字日期：卿年口g 月哆日 天津大学工程硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 低压配电网的基本概况 电压是电力系统中衡量电能质量的重要参数之一，现代工业企业的发展， 特别是工矿企业的低压配网负载情况比较复杂，母线电流大，因而造成电能浪 费等十分严重的现象。尤其是轧钢机，电弧炉，大型冲压机以及电焊机等具有 冲击性的感性负载，不但对电网的功率因数影响十分严重，而且还常易造成“电 压闪变”现象。这种现象很容易造成电力系统大范围，频繁波动负载的局部电 压不稳定，严重影响电器设备及控制器的正常运行，缩短使用寿命，导致一些高 自动化水平设备不能投运，乃至设备损坏。特别在东北地区电网运行昼夜波动 比较大，白天电网无功不足，电压较低；夜间电网无功过剩，电压较高，严重 影响了工业生产，降低了企业的生产效率，同时大量浪费电能，给国民经济造 成重大损失。因此，目前工业企业( 尤其是自动化水平较高的企业) 对于提高配 电网电压质量的要求十分迫切。 长期以来电压不稳定的问题相对突出，从无功调压的基本原理上分析，当 企业处于生产用电的高峰期时，配电网中无功不足，负载端电压往往较低。此 时功率因数自动补偿器所能提供的梯级动态容性无功功率的确是提高负荷侧电 压、校正功率因数的有利工具。但是，当在企业的生产用电处于低谷期而同时 电力网的整体电压水平又处于较高状态时，仅依靠容性的补偿器来稳定配电网 电压就远远不够了，此时如果仍有部分用电设备处于运行状态，对于设备的安 全运行就将造成严重威胁。另一方面，目前一些企业中所采用的功率因数自动 补偿器大多数都是利用机械式电气开关来控制电容器组，这种控制方式在原理 上就存在着根本缺陷。这主要是因为在电容器组频繁地投入和切除过程当中， 机械式开关的开闭时刻相对于电网电压的工频周期来讲是随机的，因此，电容 器组的投入和切除往往伴随着很大的冲击电流和操作过电压，严重威胁开关节 点及补偿电容器的寿命。同时，目前一些自动功率因数补偿器的控制系统由于 在设计上存在种种缺陷，当系统电压波动较大时，一般都很难正常工作。据多 方现场实地调查结果表明：目前已经挂网运行的这种自动功率因数补偿器，大 天津大学工程硕士学位论文绪论 部分因机械开关及补偿电容器的损坏或是因为控制系统的瘫痪而停止自动投 切。这足以说明，采用机械式开关的自动功率因数补偿器在提高装置使用寿命 和增强控制系统可靠性等诸多方面都存在着严重的问题和缺陷，急待彻底地解 决和改造。 长春第一汽车集团二厂区所使用的生产供电系统是由吉林省电力网提供 的，长期以来电压不稳定的问题相对突出。在一些车间的末端母线，设备运行 的电气环境很差，电压波动频繁，功率因数低，对产品质量及电气设备的使用 寿命都有较大影响。以往针对该问题也曾采取过有载调压变压器稳压或是在变 电间进行集中电容补偿等方法，同时国内的一些高校及科研单位也曾在这方面 做过不少工作，但都未能很好地解决这一难题。已经挂网使用的自动功率因数 补偿器绝大部分都已停止了自动运行，而只能靠现场操作人员手动投切，失去 了动态补偿能力；丽在变电间所进行的集中补偿从原理上讲补偿的是电网侧的 无功功率，对末端受载的调压效果并不明显；特别是在节假日期间和夜间，整 个电力网的电压偏高，但此时厂区内容性补偿器的投切情况却得不到有效控制， 因而致使低压配电网中的无功功率处于过剩状态并造成了负荷侧电压的进一步 升高：在末端母线，由于配电网末端效应的影响，现场电压情况更为恶劣。 针对以上实际情况，提出采用控制的晶闸管双向动态无功补偿器来解决一 汽二厂区的电压不稳定问题。运用现代电力电子技术领域的理论成果，采用晶 闸管控制电容器组和自动投切电抗器的方案来实现无功功率的双向自动补偿以 稳定配电网电压。该装置能够提供感性、容性双向动态无功功率，具有电压双 向调整功能。同时在电压满足要求的情况下，又能兼顾负载功率因数的调整， 为企业带来节能效益，控制器具有高抗干扰和高性能的特点。这一补偿方案从 本质上克服了现有补偿方式存在的调压不灵活、单相调压、控制开关受冲击、 寿命短等缺点，为企业的低压供电系统提供一种强有力的调压手段，具备解决 一汽二厂区的电压不稳问题的能力。 1 2 新型无功补偿装置的设计思想和依据 电压不稳现象对于电气设备的正常运行具有十分恶劣的影响。尤其是一汽 集团这样的大型企业，商自动化水平的电气设备相对集中，在某些区域由于电 一2 - - 天津大学工程硕： 学位论文第二章无功补偿龅堇奎里丝 第二章无功补偿的基本理论 2 。1 引言 在一个理想系统中，每一个负荷应在额定电压下具有最好的运行性能，为 了保证这一点，必须保证电压、频率接近恒定功率因数趋近于1 。对三相系 统而言，还应有电流电压平衡。本章将阐述无功补偿的一些基本概念，叙述无 功补偿的目的和方法。 2 2 无功功率及其危害 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压 和电流分别表示为 u - j u s i n 。t i - 压i s i n ( ( _ ) t o ) = 扼i c o sc s i nwt 一压i s i ne po o s 产i p + i q( 2 - 1 ) 式中m 一电流滞后电压的相角。 电流i 被分解为和电压同相位的分量i 。和比电压滞后9 09 的分量i q i p 和i q 分别为 i p 5 2 i c o s ms i n 6 0 t i r 2 - 2 ) i q 一拒i 。i n 。j 、。 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 卜瓦1f ”u i d ( e t ) 5 石1 j 。2 。( u i p + u i q ) d ( m t ) ；0 一f2 。( u l c o s - u l c o s mc o s 2 ( 1 】t ) d ( t ) + 2 石jo 、 去r ( 删n 女+ s i n 2 o d ( c o t ) = u i c o s m ( 2 - 3 ) 电路的无功功率定义为 0一ulsin+(2-4) 可以看出，0 就是式( 2 1 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量u i q 的变化 幅度。u i 。的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种 幅度。u i 。的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种 天津大学工程硕士学位论文 第二章无功补偿的基本理论 第二章无功补偿的基本理论 2 1 引言 在一个理想系统中，每一个负荷应在额定电压下具有最好的运行性能，为 了保证这一点，必须保证电压、频率接近恒定，功率因数趋近于1 。对三相系 统而言，还应有电流电压平衡。本章将阐述无功补偿的一些基本概念，叙述无 功补偿的目的和方法。 2 2 无功功率及其危害 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压 和电流分别表示为 旷压u s i nc o t j = 压i s i n ( c o t 中) = 压i c o s 巾s i n6 0 t - 压i s i n 中c o sc o t = i p + i q ( 2 1 ) 式中由一电流滞后电压的相角。 电流i 被分解为和电压同相位的分量i p 和比电压滞后9 0 。的分量i q i p 和i q 分别为 i p 一2 t c o s 由s i n t1 ( 2 - 2 ) i q = j i s i 中c o s t 7 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 p 去f 5u i d ( c o t 产西1r ( u i p + u i 一) d ( 6 0 t ) 5 去r ( u i c 。s 巾一u i c 刚c 。s 2 c o t ) d ( t o t ) + 去r ( - u j s i n 巾+ s i n 2 。t ) d ( 6 ) t ) - 一u l e o s 巾 ( 2 - 3 ) 电路的无功功率定义为 q ；u i s i n 巾 ( 2 4 ) 可以看出，q 就是式( 2 - 1 ) 中被积函数的第2 项无功功率分量u i a 的变化 幅度。u i 。的平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率。q 表示了这种 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 能量交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件 的负载之间进行的。真正的功率消耗式由被积函数的第1 项有功功率分量u i 。 产生的。 无功功率对电网的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加， 从而使发电机、变压器及其他电气设备和导线容量增加。同时，电力用户的起 动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设 备及线路的损耗增加。 ( 3 )使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会 使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 图2 1 a 是一电源系统和负载的等效电路，图2 1 b 是其相量图。 o ) 图2 - 1电源系统和负载的等效电路及相量图 a )电源系统和负载的等效电路b )相量图 从图中可看出，z s 引起的电压降u 为 u eu z ， 另外，负载电流i 可由下式求得： = u ( a j b ) = 旦：堡二竺：里：! j 二：塑 uu 把上式代入式( 2 5 ) 可得 6 u x u r ( 2 5 ) ( 2 6 ) 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 a j = ( r s 城) 铲 ：墨：翌墨! 望+ ，圣! 二墨望 u 。 u ( 2 7 ) a u r + j a u x 从图2 1 b 中可看出，e 和u 之间的夹角很小，因此， a u u r ：r , p + x s q u 在一般电网中，r s 比x s 小得多，因此有功功率的波动一般对电网的影响 较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的。电动机在起动期间功 率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电 网上的用户无法正常工作。电弧炉、冲压机、电焊机等大型设备会产生频繁的 无功功率冲击，严重影响电网供电质量。 2 3 负荷无功补偿的目的 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的 阻抗主要是电感性的。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要 消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。 显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通 常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率。 所谓补偿就是吸收和供给可变的无功功率。负荷补偿，就是对无功功率进行调 度以改善交流电力系统的供电质量。其主要目的有三： 1 、功率因数校正。提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减 少功率损耗。 2 、改善电压质量。稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输 电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提供 输电能力。 3 、调节负荷平衡。在电气化铁道，电弧炉等三相负载不平衡的场合，通过 适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。 所谓功率因数校正通常是指应尽可能在靠近需要无功负荷处产生无功功 率，通常大多数工业负荷的功率因数是滞后的，就是说他们是吸收无功功率。 所以，负荷电流大于单纯供给的有功功率时的值，在能量转换中，有功功率才是 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 真正有用的，多余的负荷电流，对用户而言只是一种浪费。 在负荷对无功功率的需求不断变化的情况下，电压调整就变成了一件重要 的甚至是关键的事情。所有负荷的无功功率需求都是变化的，虽然变化的范围 和变化的速率很不一样，在有的情况下，负荷对无功需求的变化，会引起电源 电压的变化( 或调整) ，导致不同用户的负荷问的干扰。为了防止这种事情，规定 电源电压的变化在指定限度内，一般是5 ( 在几分钟几小时内的平均值) ，但 在某些场合，比如当大负荷的急剧的负荷变化所产生的电压降会危害保护设备 的正常运行或产生损害视力的闪烁的情况下，这个限度就比5 小得多。补偿设 备在完成使电源电压维持在预期的限度内这一任务中，起了十分重要的作用。 最明显的改善电压的方法是根据负荷要求的最大有功功率来确定电力系 统的规模，而用补偿器和其它设备来处理无功功率这样即灵活又方便，还不会 增加故障水平。 负荷补偿的第三个主要目的是平衡电流。大多数交流电力系统是三相的， 并且是设计在平衡条件下运行的，不平衡运行会引起负序和零序电流分量f 不正 常相序电流分量) ，这些分量会引起人们不希望的效应，如电动机和发电机的负 荷损耗，交流电机中的震动力矩，增加整流器中的纹波，变压器饱和过大的中 线电流，某些设备( 包括种偿器) 依靠平衡运行来消除三次谐波。在不平衡条件 下，三次谐波会出现在电力系统中。 电流电压中的谐波分量是评价电能质量的一个重要参数。谐波的频谱全部 高于工频基波，这是其特点。谐波常用滤波器来加以限制，但滤波器的设计原 则不同于补偿器的设计原则。然而，谐波问题常常与补偿问题同时产生，并且 补偿器本身就产生谐波，必须在内部加以消除或在外部加以滤波。 2 4 理想补偿器概念 理想补偿器是一种可以连接某一供电点( 例如与负荷并联) 的装置，其主要 功能有三：( 1 ) 将功率因数矫正到1 。( 2 ) 消除( 或减小到接受的水平) 电压调 整。( 3 ) 平衡负荷电流或相电压。理想补偿器的三个主要功能是互相关联的。 特别是功率因数矫正与相位平衡本身将有助于改善电压调整。特别是在负荷变 化缓慢或不经常变化的情况，并不要求用来矫正功因数或相位平衡的补偿器来 完成指定的电压调整功能。理想补偿器必须满足以下三点：1 根据负荷的要求， 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 无延迟、可控、精确的提供所需的无功功率。2 其端电压具有恒定的特性。3 三 相可独自运行。 2 5目前所采用的主要调节方法 目前，一些工业企业针对电压不稳这一问题所采取的解决方法主要有两 种： 2 5 1 采用有载调压变压器 利用调节变压器抽头的方法来稳定负荷侧电压，这种方案在调压原理上是 比较直观的。但是，现场运行经验表明这并不是解决电压波动问题的有利措施。 其主要原因是由于在负荷波动较大、需要频繁调压的情况下，有载调压变压器 的调节原理和本身的调节寿命都很难保证有效调压，特别是频繁调节的变压器 抽头所需要的维护工作量是相当大的。 2 5 2 采用功率因数自动补偿器 这是被广泛采用的一种方法，目前大多数工业企业都是用这种方案来调节 功率因数并稳定负荷端电压的。 从无功调压的基本原理上分析，当企业处于生产用电的高峰期时，配电网 中无功不足，负载端电压往往较低。此时功率因数自动补偿器所能提供的梯级 动态容性无功功率的确是提高负荷侧电压、校正功率因数的有利工具。但是， 当在企业的生产用电处于低谷期而同时电力网的整体电压水平又处于较高状态 时，仅依靠容性的补偿器来稳定配电网电压就远远不够了，此时如果仍有部分 用电设各处于运行状态，则对于设备的安全运行就将造成严重威胁。另一方面， 目前一些企业中所采用的功率因数自动补偿器大多数都是利用机械式的电气开 关来控制电容器组，这种控制方式在原理上就存在着根本缺陷。这主要是因为 在电容器组频繁地投入和切除过程当中，机械式开关的开闭时刻相对于电网电 压的工频周期来讲是随机的，因此，电容器组的投入和切除往往伴随着很大的 冲击电流和操作过电压，严重威胁开关接点及补偿电容器的寿命。同时，目前 一些自动功率因数补偿器的控制系统由于在设计上存在种种缺陷，当系统电压 波动较大时，一般都很难正常工作。据多方现场实地调查结果表明：目前已经 挂网运行的这种自动功率因数补偿器，大部分都己因机械开关及补偿电容器的 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 损坏或是因为控制系统的瘫痪而停止了自动投切。这足以说明，采用机械式开 关的自动功率因数补偿器在提高装置使用寿命和增强控制系统可靠性等诸多方 面都存在着严重的问题和缺陷，急待彻底地解决和改造。 2 6 动态补偿和静态补偿 目前应用的功率因数补偿装最可分为高压补偿和低压补偿两大类，就补偿 效果来说，低压侧补偿由于能减少变压器中的损耗，提高其负载能力，是可取 的补偿方式，在低压补偿中多采用电力电容器作为补偿元件，通常使用分离元 件或小规模的补偿电路控制器来通过投切电容器来补偿电容值，较新型的使用 微机进行控制，但仍以接触器作为执行元件，以接触器作为投切部件的这类补 偿装置可称为静态的补偿器。 现实广泛流行的以接触为切换元件的静态补偿装置在原理上有很多缺点： ( 1 )由于采用动作缓慢的接触起来切换电容，它不能快速跟踪用电设备 无功电流的变化，对快速变化的用电设备无功电流，接触器来不及动作和切换， 常常造成欠补偿或过补偿。 ( 2 ) 由于采用接触器，三相触头只能一起控制，要通几乎同时通。要断几 乎同时断，因此，不可能分别选择各自的不同相角。 ( 3 ) 由于冲击电流存在，会引起电网电压瞬时跌落。冲击电流在每次切 换时都会频繁出现，其结果会引起电网电压不停地剧烈波动，这将降低供电质 量和干扰弱电设备的正常运行。 ( 4 ) 由于冲击电流大，限制一次可能投入的电容值，于是不得不把应一次 投入的电容值化整为零，分成几次投入。这将降低补偿的准确性和减慢响应速 度。 ( 5 )由于用接触器时有很大的冲击电流，常会引起接触器触头烧焊的现 象。使触头断开，影响正常工作，降低使用寿命，为减少烧焊现象，不得不减 少动作次数，这也降低了补偿的准确性和响应速度。 ( 6 ) 接触器工作时有噪音，因而设计者不得不大大减少动作次数，用牺 牲性能的办法来换取更为安静的环境。 所以静态补偿不能快速、准确的补偿，很难达到快速准确的补偿效果。与 静态补偿相反，动态补偿以晶闸管为切换元件。能够速通速断可实现快速跟踪 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 补偿。各相可选择不同的相角，从而可保证每一相都不产生冲击电流，由于消 除或大大削弱了冲击电流，因而也就避免了电网电压的频繁波动。即使同时投 入大量电容也不致有大的冲击电流，所以要投入多少电容就一次投入多少电容。 此外，晶闸管通断时不存在触头烧焊和噪声弊病，不需要经常维修，可得到安静 的工作环境。 晶闸管型补偿装置可实现快速准确跟踪补，偿响应速度可达到一个周波，比 接触器装置快近5 0 0 倍，可及时地对动态过程进行的补偿，例如在电机起动时， 虽然过程变化很快，也可实现跟踪补偿。其结果是大大减少了起动电流，在整 个过程中，电网只需要提供有功电流就可以了。 2 7 晶闸管投切电容器( t s c ) 技术 晶闸管投切电容器( t h y r i s y o r - s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 是利用反并联的晶闸管组 成的交流无触点开关，代替机械开关，根据控制部分的控制信号自动投切相应的 电容器组，使反并联在电网上的容抗分级变化，从而实现无功补偿容量的自动控 制。 2 7 1 无过渡过程投切条件 从理论上分析，投切时应做到以下三点可实现无过渡过程投切。( 1 ) 保持准确 投入的电容器上的电压为网络电压正或负峰值。( 2 ) 投入瞬时选择在电网电压和 电容器电压极性相同、幅值相等的时刻。( 3 ) 切除时只要熄灭阀上的点火脉冲即 可，( 1 ) ( 2 ) 实际实现困难很多。 2 7 2 实际的投切过程 考虑到理想的“无过渡过程”投切的实际困难，根据低压配电网的无功负 荷变化比较慢且持续时间较长的特点，兼顾自动装置的性能价格比，可按下面 的方法实现近似的实现“无过渡过程”投切。( 1 ) 配置放电回路，使电容器切除 后能迅速放完电，保证再次投切时电压为零。( 2 ) 投入时在电网每相电压过零瞬 时向承受正向电压的可控硅控制极施加触发电压使其导通，这样三相电容器投 入时刻相差6 0 。三相电容器整个投入过程持续1 3 3 m s ( 3 ) 切除时，只需停止触 发脉冲，各相可控硅在过零时自动关断，切除过程持续时间约6 6 7 1 0 m s 。 天津大学工程硕士学位论文第二章无功补偿的基本理论 2 7 3 投入时电压电流波形 u a s c r l c r ab 图2 2a 实验接线示意图 b 瞬时电压电流波形 由图2 2 可见，投入时电压电流过渡过程很短，且幅值很小，接近“无过 渡过程”投切。t s c 的工作原理如图2 _ 3 示的调节特性来说明，假设有两个t s c 支路b l 和b 2 稳定运行时b 1 投入，系统运彳亍在a 点，( 系统负载线l 和b l 交点) 。 当系统发生变化时，其负载线变化成直线2 ，运行点自e 1 跌落到e 3 。如果此时 t s c 第二支路b 2 迅速投入，就可以使工作点从b c ，对应的电压就从e 3 上升到 e 2 ，从而使电压的跌落得到补偿。 l 2心 ，e 1 e 2 e 3 o 图2 3t s c 的稳压工作原理 天津大学工程硕士学位论文 第三章t s c - a 装置的设计方案 第三章t s c a 装置的设计方案 3 1引言 为了解决长春一汽集团第二厂区的电压不稳定问题，所采取的t s c a 双向 动态无功补偿装置。本章将对该装置的核心的工作原理进行阐述，其中包括功 率因数矫正、双向电压补偿的基本原理，在控制部分，采用的光控零电压可控 触发技术是本章的重点，也是该装置的核心技术。对电压过零型光耦双向晶闸 管的应用，采用美国的m o t o r o l a 公司生产的3 0 4 1 3 0 8 1 芯片，实现对电 压的过零检测。 3 2t s c a 双向无功动态补偿基本原理 3 2 1 功率因数校正 图4 1 所表示的单相负荷情况有助于说明双向动态无功补偿器校正功率因 数的基本原理。若接于电源母线上负载群的等效电纳为耳= g f + 妈，母线电压 与负载电流为分别矿和i t ( 图3 1 a ) ，则有： i t = y ( g l + j b i ) = v g , + j 矿b i = j r + j j x t 3 - 1 ) f 钔 g l + j b t i y = 一v 占， i r = v g t = i t c o s o i x = v b , = i f 血o ， 7 矿 ，= v 耳 i s = i 。- 、 x i i x = + 矿丑 ( c ) f 小 图3 - 1 功率因数校正原理向量图 式( 3 - 1 ) 中的向量关系用图3 一l ( b ) 来表示，矿是参考向量。负荷电流中的有功 电流分量兵与矿同相，无功电流分量以与矿相差9 0 。，j ，滞后矿角度庐，负荷为 天津大学工程硕士学位论文第三章t s c - a 装置的设计方案 策略上优先考虑了抑制负荷侧的电压波动问题，并在此基础上将功率因数校正 到最优。同时需要附加说明的是，根据无功调压的基本原理，在电压波动情况 最为恶劣的场所( 如末端母线处) 系统参数磊值往往也较大，因而越是在这样 的地方新型双向动态无功补偿器的稳压及校正功率因数的效果就越为明显。 3 3 t s c a 双向无功动态补偿的关键技术 3 3 1 主电路最佳触发条件的确定 我们取图3 3 中的b c 相来分析主电路的最佳触发条件，其等值电路如图 3 - 4 所示。 bc u c + d c 一补偿电容器工一限流电抗器 s c r 一可控硅d 一二极管 图3 - 3 低压t s c 动补装置主电路接线图 图3 - 4 单相等效电路图 当k 断开时，由于二极管的反向阻断作用电容器c 将被单方向充电并保持 在u b c 的峰值电压上，若设u b c = e m s i n ( c o t + 、l ，) ，其中、i ，为合闸时的初相位角，则电 路合闸瞬间的初始条件为： u c ( t _ 一o ) = u c ( t = + o ) = e m ， i ( t 2 - 0 ) = i ( t = + 0 ) = 0( 3 - 5 ) 合闸后电路的微分方程可表示为： 警伽篆删咖姐龇驯 f 3 _ 6 1 其中：c o o2 1 l c ，口。r 2 l o o ) o ( 因电阻r 很小) 由于电抗器l 主要是用来抑制涌流并具有限制电容器对系统谐波电流的放 大作用，在一般情况下有x l e x c j 。，此时流过补偿电容器的谐波电流j 。将被放 大a 尤其是当五- 1 时，行= = 瓦车毫，电容器和串联电抗器与系统发生并 联谐振，为谐振频率，谐波电流放大达到最大值。这种情况将使流入电容器 的电流大大超过额定电流值，从而使电容器的温度过高，引起熔断器熔断，甚 至发生烧毁、爆炸等恶性事故，危及现场安全。当五；o ，熹= 吉时，电容器 将与串联电抗器在谐振点n ；= 鲁发生串联谐振2 厶，谐波源的电流完 全经补偿电容器支路流过，这也是我们不希望看到的情况。 为了减小谐波电流对补偿电容器的损坏，抑制谐振的发生，新型双向动态无 功补偿器在设计上针对三次谐波( 萨3 ) 的情况使五的取值大于0 ，即选取串联电抗器 的值使：熹 百1 一1 1 ( 通常取1 3 ) 。这样，装置主回路对于系统的3 次及3 次以上 谐波均呈现出感性，因而有效地避免了谐波电流放大和谐振的发生，大幅度延长 了补偿电容器的使用寿命。 3 5 总体方案、主要部件结构概述 t s c a 作为动杰无功补偿端置的总体结构，是通过可榨硅电容器橙切柜和 天津大学工程硕士学位论文第三章t s c - a 装置的设计方案 运行以保护主可控硅及补偿电容器不受损坏( 图3 1 4 为装置的控制和保护回路 接线图) 。装置主开关选用了内部带有快速熔断措施的刀熔开关，同时在各组 补偿电容器的每一相回路上均设置了快速熔断器。 在可控硅触发电路的设计上针对可控硅投切电容器( t s c ) 装置主电路的 具体特点运用了光控的电压过零触发技术。采用美国m o t o r o l a 公司生产的 m 0 c 3 0 8 l 芯片设计的三相可控硅触发电路如图3 1 5 所示。由于主可控硅在关 断期间两端承受电压的最大值为电网交流线电压( 3 8 0 v ) 的峰。峰值，而 m o c 3 0 8 l 的额定电压为8 0 0 v ，因此每相驱动电路都采用了两只m o c 3 0 8 1 相 串联的形式，并用两个1 m 电阻来平均分配降落在每个器件上的电压。限流电 阻( 3 3 0 f 1 ) 用来对通过光耦晶闸管的电流加以限制，起到对器件的保护作用。控 制极电阻( 1 k ) 的功能是给可控硅的触发电流分流，它对增强电路的抗干扰性 和温度稳定性是十分重要的。光祸晶闸管输入端电阻r i 。用来得到个3 0 m a 的l e d 触发电流i f t 。具体问题已在在第四章做过详细介绍。 图3 1 5 三相可控硅触发电路 3 6 装置技术特点及与国内同类研究成果比较 3 6 i 装置技术特点 ( 】) 可向供电系统提供感性、容性两种无功功率，实现系统电压的双向调 整；同时，在稳定负载运行电压的前提下，最大限度地提高负载运行的功率因数。 ( 2 ) 系统动态响应速度快，多级补偿一次到位，抗干扰性好。 天津大学工程硕士学位论文第三章t s c a 装置的设计方案 ( 3 ) 电容器组和电抗器投切过程中无涌流冲击，无操作过电压，无电弧重 燃现象。系统维护量小，使用寿命长。 ( 4 ) 该系统为电子一机一电一体化设计，保护措施齐全，自动化程度高， 能在外部故障或停电时自动退出工作，在送电后能自动恢复运行。 3 6 2 与国内同类研究成果比较 国内目前生产的各种低压功率因数补偿装置大多数以机械式开关作为投 切电容器组的执行元件，开关及补偿电容器易受损坏，装置整机寿命短。在控 制策略上一般仅考虑功率因数的校正，仅能够实现电压的单向调整。 新型双向动态无功补偿器在国内首次采用了低压配电网的感性、容性无功 功率双向补偿方案。它通过对低压负荷侧实施双向动态无功调整以解决电网电 压的波动问题，补偿方案先进。由于采用了可控硅构成的无触点开关及光电隔 离的零电压可控硅触发技术，因而装置动态响应速度快，电容器投切过程无电 流涌流和操作过电压，大大延长了整机使用寿命，减小了维护工作量，能够为 企业创造更高的经济效益。 3 7 技术规范 3 7 1 主要技术指标 虽大补偿容量：容性2 7 0 k v a r 感性6 0 k v a r 调节级数：八级( 容性六级，感性二级) 根据负载无功和电压波动情况，在规定的动态响应时间内，多级补偿一次 到位。 电容柜动态响应时间： c a t0 = 一16d m s s i z e= 2 5 0f 2 5 4 ) m 咖m u m = 3 3 1v m i 川m u m = 一3 3 9v - - - - - c u r s o r v a l u e s - - - - - - - 1 ：3 8 m s 2 ：4 38 m s d ：4 00 m s y 1 ：3 153 3 1v 丫2 ：3 1 93 3 1v d y ：40 v 图4 5 ：t s c a 电容补偿未投入的情况下系统相电压波形图 瓯 一烈 蕈 l! ， j | i f i l 黟、 广”1 彤。 ”r 旷i m 60 m o8 m 对d i v - - - - - - - 一d e n a b l o c k - - - - - - - b m b 1 v o l t a c j e e t e 0 4 - 3 3 1 i m 91 5 ：5 8 ：3 7 s c e l e - 2 0 0v d i v a t 5 0 - 0v s c 叫e 一 日m s ，d a t 0 一- 150 m s s i z e - 2 5 0 坨5 4 ) “m u m l3 4 0v i n i m u m - 一3 4 9v c u r s o r v a l u e s 1 ： 3 6 m s 2 ：4 3 7 m s ：4 0 0 m s 1 ：3 2 43 4 0 v 2 ：3 2 83 4 1v y ：q1v 图4 咱：t s c a 电容补偿投入的情况下的系统相电压波形图 从上面6 幅测试图形来看： 1 、图4 2 是t s c _ a 电容补偿未投入的情况下的系统谐波柱状图。从图中可以直观 地看出各种谐波的幅值及所占的比例。5 次谐波和7 次谐波分别占基波幅值的2 7 3 和 一3 0 天津大学工程硕士学位论文测试与结论 3 3 7 。而5 次和7 次总谐波畸变系数t h d 之和为4 7 4 。可见波形畸变的严重性。 2 、图4 4 为t s c - a 电容补偿投入的情况下的系统谐波柱状图，由图4 1 和图4 3 对比可以看出，经过补偿后系统电流的波形由原来的阶梯方波变成接近正弦波的波形， 且在波形上有了明显的改观。5 次谐波和7 次谐波分别占基波幅值的7 7 和6 o 。而5 次和7 次总谐波畸变系数t h d 之和下降到1 3 3 。补偿后的效果是相当可观的。补偿装置 的投入，使系统的感性无功电流得到补偿，使谐波源碍到抑制，净化了电网的环境，保 证其他设备的正常工作。 3 、从圈4 5 和图4 6 的电压波形可以看出，系统的电压在投入t s c - a 装置后，得 到明显的提高，大约提高在1 0 v 左右，这样，对系统的电压具有稳定在作用，保证某 些设备因电压不稳而无法运行； 4 2 结论 投入t s c - a 电容补偿装置可以带来以下功能： 夺使功率因数满足电力系统规程要求在0 9 以上： 夺有效抑制负荷谐波主频带，尤其对5 、7 次谐波抑制效果较好； 令能够避免谐波产生的谐振，能够避免谐波放大： 夺稳定电压作用，同时抑制瞬间电压闪变。 天津大学工程硕士学位论文结束语 结束语 由于大范围频繁波动负荷造成的局部电压不稳定是长期困扰工业企业的 难题，目前国内一些企业普遍采用的有载调压变压器以及现有的功率因数自动 补偿器无论是在调压原理还是技术实现上都存在着诸多根本缺陷。新型双向动 态无功补偿系统将现代电力电子技术领域的多种理论成果应用于解决低压配电 网的电压波动问题。它能够提供感性、容性两种无功功率，具有电压双向调整 功能；它采用由可控硅构成的无触点开关，其电容器投切过程无电流涌流和操 作过电压，对交流电网无冲击，具有使用寿命长，维护工作量小的特点。 新型双向动态无功补偿系统的补偿方案从本质上克服了现有补偿方式存 在的各种缺陷，其技术水平在国内同类研究成果中居于领先地位，能够为工业 企业的低压供电系统提供一种强有力的调压手段，是解决