（信号与信息处理专业论文）钻机无功补偿和谐波抑制控制器的研究与设计.pdf

摘要 随着我国石油工业的发展，电驱动钻机在石油钻井行业中的应用日益普及，而钻机 电驱动系统中绝大多数用电设备属于感性负载，不仅降低了系统的功率因数，而且带来 了谐波污染问题，严重恶化了电能质量，干扰了其它用电设备的运行。因此，补偿系统 的无功功率、抑制谐波、提升电驱动钻机的功率因数，已成为一个现实而又紧迫的课题。 本文针对目前常用的晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 无功补偿 装置各自的缺点，结合钻机负载的实际情况，设计了一种t c r + t s c 混合型动态无功补 偿和谐波抑制控制器，实现了对钻机无功功率的动态补偿，并能够有效地抑制谐波。 在硬件设计方面，本文采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为控制器的主c p u ，同时设计了 信号调理电路、锁相环电路、通信接口电路、驱动及保护电路以及液晶显示等功能电路， 能够实现电压电流信号的采集、有功无功及谐波的计算、电容器和电抗器的投切触发、 主电路的故障保护以及人机交互等功能，具有比传统的单片机控制运算速度高，实时性 好的特点。在软件方面，采用c 语言和汇编语言混合编程，设计编写了控制器的控制程 序，遵循模块化设计原则，提高了软件的通用性和易维护性。在无功补偿原则上，以无 功功率作为判据，与常见的以功率因数为判据相比，可以避免轻载时的投切振荡，使无 功调节更为合理。 本文完成了控制器样机的研制，并通过试验对控制器的功能进行了初步的验证。试 验结果表明，所研制的t c r + t s c 混合型无功补偿和谐波抑制控制器设计合理，计算精 度高，响应速度快，具有较好的应用前景。 关键词：无功补偿；谐波抑制；数字信号处理器；t c i h t s c ；钻机 r e s e a r c ha n dd e s i g no f t h ec o n t r o l l e rf o rr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cr e s t r a i no ft h ed r i l l i n gr i g s z h a od a w e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rm ax i g e n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sp e t r o l e u mi n d u s t r y , t h ee l e c t r i c - d r i v ed r i l l i n gr i g s a r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ed r i l l i n gi n d u s t r y h o w e v e r ，m o s to ft h ee q u i p m e n t si n t h er i g sd r i v es y s t e ma r ei n d u c t i v el o a d s ，w h i c hh a v eb r o u g h ta b o u tt h ep r o b l e m so fl o w p o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i cp o l l u t i o nt h a tn o to n l yi n f l u e n c et h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yb u t a l s od i s t u r bo t h e re q u i p m e n t so p e r a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d h a r m o n i cr e s t r a i no ft h ed r i l l i n gr i g sh a v eb e c o m ear e a l i s t i ca n du r g e n tt a s k c o n s i d e r i n gt h er e s p e c t i v ed i s a d v a n t a g eo ft h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o rf r c r ) a n d t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ( t s c ) ，a n da c c o r d i n gt ot h el o a dc o n d i t i o no ft h er i g s ，t h e h y b r i dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d ，w h i c hi sc a p a b l eo fc o m p e n s a t i n g r e a c t i v ep o w e rd y n a m i c a l l ya n dr e s t r a i n i n gt h eh a r m o n i c se f f e c t i v e l y i nh a r d w a r ed e s i g n ，t h i sp a p e ru s e st m s 3 2 0 f 2 812d s pa st h ec o r e ，d e s i g n ss i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，p h a s el o c k e dl o o p ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，d r i v ea n dd i s p l a y i n g c i r c u i t s ，w h i c hh a v et h ef u n c t i o n so fs i g n a l ss a m p l i n g ，p o w e ra n dh a r m o n i cc a l c u l a t i o n ， s w i t c ho ft h ec a p a c i t o ra n dr e a c t o r ，a n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，e t e ，r e s u l t i n gi nt h e d e v i c e sm e r i t so fh i g ho p e r a t i n gs p e e da n dr e a l - t i m er e s p o n s e i ns o f t w a r ed e s i g n ，t h ec o n t r o l p r o g r a mi sd e s i g n e dw i t hca n da s s e m b l yl a n g u a g e ，a n dt h em o d u l a r i z a t i o nm e t h o di su t i l i z e d t om a k et h ep r o g r a mm o r eu n i v e r s a la n dc o n v e n i e n t l ym a i n t a i n a b l e a b o u tt h ec o m p e n s a t i o n s t r a t e g y , t h er e a c t i v ep o w e rs t r a t e g y , c o m p a r e dw i t ht h ep o w e rf a c t o rs t r a t e g y , c o u l da v o i d s w i t c h i n go s c i l l a t i o nu n d e rl i g h tl o a dc o n d i t i o na n dm a k et h ec o m p e n s a t i o nm o r er e a s o n a b l e t h ec o n t r o l l e r sp r o t o t y p eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d p r e l i m i n a r yt e s t ss h o wt h a t t h ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r ( t c r + t s c ) i sar e a s o n a b l ed e s i g nw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff a s tr e s p o n s es p e e da n dh i g hc o n t r o la c c u r a c y , a n di t sa p p l i c a t i o nh a sag o o dp r o s p e c t k e yw o r d s ：p o w e rc o m p e n s a t i o n ；h a r m o n i cr e s t r a i n ；d s p ；t c r + t s c ；d r i l l i n gr i g s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：叁盘生 日期：2 0 。7 年乡月2 铲日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：叁叁查 指导教师签名：乏玺鸥一一 日期：2 dd 1 7 年争月2 牛日 日期：产f 月冲日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第1 章引言 钻井是勘探和开采石油及天然气资源的重要环节，是勘探和开发石油的重要手段， 在整个油气田开采过程中处于中心地位。近年来，电驱动钻机在石油钻井行业中获得了 广泛的应用，采用电机驱动泥浆泵、转盘、绞车等钻井设备，与传统的机械驱动相比， 具有无级调速、恒功率柔性传动、适应负载能力强、安装运移性好等诸多优点，易于实 现对转矩、速度、加减速度及位置的控制，实现钻井的自动化和智能化。然而，在钻机 供电系统中，绝大多数用电设备属于感性负载，如直流电机、交流异步电动机、变压器 等，这些非线性负载的存在给系统的运行带来了一系列的问题，其中最为严重的是功率 因数降低和谐波污染的问题，补偿系统的无功功率、抑制谐波和提高功率因数己成为电 力系统研究领域的一个重要课题，正受到越来越多的关注。 钻机驱动系统中的感性用电设备在投入运行时，除了消耗大量的有功功率p 之外， 还要从供电系统中吸收大量的无功功率q ，系统的功率因数五= p 、i ( p 2 + q 2 ) ，当负载 吸收的有功功率为定值时，其无功功率越大，功率因数越低，视在功率就越大，从而增 大了流过供电系统的电流，这就需要增大发电机、变压器及其它电气设备的容量，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，造成了能源的损耗和成 本费用的增加【l 】；在传输同样有功功率情况下，总电流的增大，使线路及变压器的电能 损耗和电压降增大，直接影响了电网的供电质量，不利于电力的输送与合理应用。 采用电驱动系统拖动钻井机械，通常需要较大功率的电动机，在钻井过程中，负荷 经常急剧变化，带有突加突卸的特点，对电网产生重复性的无功冲击，造成电网电压波 形畸变，产生高次谐波，导致电压的严重波动和功率因数的恶化，影响了其他电气设备 的正常工作，降低电能的生产、传输和利用的效率【2 】。谐波的存在，会使发电机、变压 器、电动机、补偿电容器及电缆产生附加热效应，增加了无功损耗：谐波还会产生机械 振动、噪声和过电压，使变压器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； 谐波会引起公用电网中局部的并联和串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧 毁；谐波会使继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表计量不准确：谐波还会对邻 近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系 统无法正常工作。 第1 章引言 目前油田钻井配电系统受功率因数降低和谐波污染的影响日益严重，不仅降低了供 电质量，还威胁着电力系统的稳定、安全运行，严重时会损坏设备，甚至造成电力系统 事故。因此，补偿系统的无功功率，抑制系统的谐波，对于提高供用电系统及电动机的 功率因数，降低钻机驱动设备的容量，减少电能的损耗，稳定受电端及电网的电压，提 高供电质量有着十分重要的现实意义。 1 2 无功补偿和谐波g p 韦= j 技术的现状及发展趋势 电力电子技术是现代无功补偿和谐波抑制技术的基础，随着电力电子器件向快速、 高电压和大功率的方向发展，从根本上改变了交流输电网过去只依靠机械型、慢速、间 断及不精确的控制方法的局面，为交流输电网提供了空前快速、连续和精确的控制能力， 无功补偿和谐波抑制技术也经历了不同的发展阶段【3 】。 1 2 1 无功补偿和谐波抑制技术的现状 一、无功补偿技术的现状 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机是专门用来 产生无功功率的同步电机，可根据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励 磁的状态下，从而提供大小不同的容性或感性无功功率。自2 0 世纪3 0 年代以来，同步 调相机在电力系统无功功率控制中发挥着重要作用，但它属于旋转设备，运行过程中的 损耗和噪声都比较大，维护复杂，成本高，且响应速度慢，已经无法适应快速无功功率 控制的要求，目前仅有少量使用。 并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，按电容器安装的位置不 同，通常可分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种方式降5 1 ，实际应用中若能将这三 种补偿方式统筹考虑、合理布局，一定可以取得很好的经济效益。但它的缺点是只能补 偿固定的无功功率，而且可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大甚至烧毁电容器。 随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，出现了静止型无功补偿装置 ( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r , s v c ) 6 1 。静止无功补偿技术是2 0 世纪7 0 年代以后发展起来的， 是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，生成容性无功或感性无功，用于提高电力 系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等。目前静止无功补偿装置一般专指使 用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型【7 l ： ( 1 ) 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s a t u r a t e dr e a c t o r s ，s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为两种。自饱和电抗器无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用 铁心的饱和特性来控制提供的无功功率的大小【8 】。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中 的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的 大小。但是这种饱和电抗器造价高，电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大， 且存在振动和噪声，调整时间长、动态补偿速度慢，因此目前应用的比较少。 ( 2 ) 晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , t s c ) 这种装置是将并联补偿电容器分成若干组，根据负荷无功的变化情况对补偿电容器 进行分组投切，调整装置的无功补偿量。t s c 补偿器可以很好地补偿系统所需的无功功 率，如果级数分得够细，基本上可以实现无级调节。例如，瑞典某钢厂的两台1 0 0 吨电 弧炉安装6 0 m v a r 的t s c 后，使1 3 0 k v 电网的电压保持在1 5 的波动范围，有效地改 善了供电电压的质量。 ( 3 ) 晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 这种装置是通过调节晶闸管的导通角来连续调节整个t c r 的等效电抗，从而控制 t c r 的无功功率，达到调整无功功率的目的。由于单独的t c r 只能提供感性无功，因 此常常将并联电容器与t c r 配合使用构成t c r + f c 型无功补偿器，这样无功功率就可 以在容性到感性之间连续调节。t c r 装置的优点是可以平滑调节无功功率，响应速度快， 缺点是会给系统引入新的谐波。瑞士的勃郎鲍威利公司已成功造出用于高压输电系统 的t c r 型无功补偿装置。此外，s v c 还包括t s c + t c r 混合型的补偿器，我国平顶山 至武汉凤凰山5 0 0 k v 变电站采用的进口无功补偿设备就是t s c + t c r 型。 s v c 虽然能对系统无功进行有效地补偿，但是由于换流元件没有断流能力，容易产 生较多的谐波电流，而且对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型晶闸 管g t o 和i g b t 的出现，无功补偿技术取得了新的发展，以静止无功发生器为代表。 静止无功发生器s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ，又称静止同步补偿器s t a t c o m ，分为电压 型桥式电路和电流型桥式电路两种，相继在日本、美国、德国得到成功应用。s v g 采用 桥式电路的多重化技术、多电平技术或p w m 技术来消除较低次的谐波，并将较高次的 谐波含量限制在一定范围内。与传统的无功补偿装置相比，s v g 具有响应速度快，吸收 无功连续，谐波电流小，损耗低等优点。从世界范围来看，自1 9 8 0 年日本研制出2 0 m v a r 的世界上第一台采用强迫换流方式的s v g 以来，世界著名的电气公司g e 、西门子等都 相继推出了容量为数十兆乏的s v g 装置，产品已比较成熟。但目前国内的s v g 研究， 只有2 0 0 0 年清华大学和河南电力局联合研制的以g t o 为开关器件，通过变压器耦合到 3 第l 章引言 配电系统的多重化结构2 0 兆乏s v g 装置投入试运行，s v g 补偿装置目前尚不成熟。 二、谐波抑制技术的现状 在谐波抑制方面，传统的方法是使用l c 滤波器。采用电感、电容和电阻按照功能 要求进行适当组合构成谐振回路，在系统中为谐波提供低阻通路，从而使这些谐波电流 被它分流吸收而不会注入到电网中。无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、 运行可靠及维护方便，因此是目前进行谐波抑制的主要手段1 9 1 。但它只能消除特定次数 的谐波，动态性能差，而且由于电网中谐波的频率范围通常较宽，抑制谐波时一般要设 置多组l c 滤波器，因此使得滤波器的体积庞大。 随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器( a p f ) 。 a p f 的原理是首先通过电路检测出电网中的谐波电流，然后由逆变电路产生一个与原有 谐波电流幅值相等、相位相反的电流并注入到电网中，从而消除谐波，达到实时补偿谐 波电流的目的。与无源滤波器相比，a p f 具有高度的可控性并且响应迅速，不仅能补偿 各次谐波，还可以抑制电压闪变。另外，a p f 还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化 的谐波。然而将a p f 并联接入电网会受到容量的限制，大容量的a p f 存在初期投资大， 运行效率低及电磁干扰严重等缺点，并且影响会到a p f 的动态补偿性能。因此，其工 程实用性仍受到很大的限制。 1 2 2 无功补偿和谐波抑制技术的发展趋势 随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿和谐波抑制技术 未来的发展趋势主要表现在以下几个方面【1 0 小】： 首先，传统的基于单片机或可编程控制器设计的无功补偿装置，已经很难满足复杂 控制算法的要求，而采用数字信号处理器d s p 代替单片机，对数据进行处理和计算， 满足了电力系统对高精度测量、实时监控和先进算法的要求。 其次，由单一的无功功率补偿到实现谐波和无功功率的综合补偿是目前补偿装置的 发展方向，研制开发兼具无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为 改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。 再次，随着计算机技术和智能控制理论的发展，将会在无功补偿中引入更先进的控 制方法，如模糊控制、人工神经网络和专家系统等，力求快速准确地检测系统的无功参 数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况。 最后，集电能质量控制和配电综合测试为一体的电力系统装置也是未来的一个发展 趋势，补偿装置的通讯和人机交互功能将会越来越完善，以适应电力系统网络化、智能 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 化的发展方向。 综上所述，为了提高补偿装置的响应速度，同时实现无功补偿和谐波抑制的功能， 进一步提高补偿装置的性价比，本文将设计一种基于d s p 的新型低成本的无功补偿和 谐波抑制控制器，补偿电路采用t s c + t c r 的结构，克服单独使用t s c 或t c r 的缺点， 通过晶闸管投切电容器( t s c ) 补偿无功同时抑制谐波，并结合晶闸管控制电抗器( t c r ) 来连续地调节供给电网无功功率的大小，从而改善系统的功率因数，稳定系统的供电电 压，改善电能质量。 1 3 课题的主要研究内容 本课题研究的目标是通过对目前使用的无功补偿和谐波抑制技术的研究，结合钻机 负载的实际情况，设计一种基于d s p 的新型低成本的无功补偿和谐波抑制控制器，实 现对无功功率的调节和对谐波的抑制，并且集控制、测量和通信功能为一体，实现对电 能质量的有效监测。 本课题的研究内容主要包括以下几个部分： 第二章对晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器型s v c 的原理进行分析，对 t c r + t s c 混合型无功补偿装置进行总体设计，包括主电路的接线方式、分组方式的设 计，以及主电路的保护和谐波抑制功能的设计；对常用的无功及谐波检测算法进行比较， 选择一种算法，实现对参数的快速计算，满足装置对实时性的要求；对无功补偿控制量 进行选择，保证补偿后不会出现过补偿和投切振荡现象，实现对无功的合理调节。 第三章对无功补偿和谐波抑制控制器的硬件电路进行设计，由主控板实现数据的采 集、计算和处理；由驱动及保护电路板控制电容器支路的投切和电抗器支路的触发；由 人机交互显示各项参数，实现对控制器运行情况的实时监测。考虑到现场用电负荷情况 复杂，存在强烈的电磁干扰，需要在硬件方面进行抗干扰设计。 第四章对主控电路板、驱动及保护电路板以及人机交互电路板软件部分的各种功能 模块进行设计，并在软件方面进行抗干扰设计。 第五章对控制器的数据采集和计算、电容器和电抗器的投切控制以及人机交互等各 项功能进行试验调试，通过试验来对控制器软硬件设计的合理性和有效性进行验证。 第2 章无功补偿和谐波抑制装置的总体设计 第2 章无功补偿和谐波抑制装置的总体设计 无功补偿和谐波抑制装置通过对负荷无功需求变化的实时跟踪，实现对无功功率的 动态补偿。装置的设计应遵循简单、适用、可靠的原则，总体设计是否合理，直接决定 着装置的动态响应时间、补偿精度等关键指标。本章首先对钻机的无功及谐波情况进行 分析，接着对t c r + t s c 混合型无功补偿装置的基本原理进行介绍，然后对装置的主电 路进行设计，最后分别对无功补偿的控制量和检测算法进行了对比和选择。 2 1 钻机无功及谐波情况分析 钻井现场拖动钻井设备使用的电机是6 9 0 w 11 0 0 k w 三相异步交流电动机，其各项 基本参数如表2 1 所示，因此补偿装置主电路的额定工作电压也为6 9 0 v 。 表2 - 1 交流异步电动机基本参数 t a b l e 2 - 1p a r a m e t e r so f a c a s y n c h r o n o u sm o t o r 型号 y j 2 3 额定功率1 1 0 0 k w 额定电压 6 9 0 v a c 额定电流 1 0 6 0 a 额定频率 5 0 h z 额定转速 14 8 4 r m i n 额定转矩 7 0 7 9 n m 额定效率9 5 6 0 额定功率因数 0 9 l 通过日置h i o k i31 6 9 钳式电力计采集电动机实际运行过程中的三相电压、电流等 数据，检测得到电机的最大无功功率为2 8 0 k v a r ，因此补偿装置至少要能够提供2 8 0 k v a r 以上的无功功率，对此最大无功功率取一定的裕度，设定本装置总的无功补偿容量为 3 5 0 k v a r 。考虑到有时无功功率的变化情况较为剧烈，要求装置均有较快的动态响应速度。 通过h i o k i3 1 6 9 钳式电力计自带的谐波分析软件对电压数据进行分析，得电机的 各次电压谐波含量如图2 1 所示。从图中可以看出，系统中的谐波电压主要包括5 、7 、 1 1 次谐波，几乎没有3 次谐波，总谐波畸变率为9 9 2 ，超过了国家标准对电网电压总 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 谐波畸变率5 的限制1 2 1 。因此本装置将设计为对5 次以上的谐波进行抑制。 1 0 0 匿印0 0 o 町 石 c 星6 0 瑚 o o q c o e - 1 寿- 4 0 0 0 2 0 0 一l 一! 一! l lii 一l-li 一一 一 1234567891 01 11 2 1 3 1 4 1 5 图2 - 1电压谐波含量示意图 f i 9 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv o l t a g eh a r m o n i cc o n t e n t 2 2 无功补偿装置的工作原理分析 晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器是目前电力系统中使用最为广泛的静止型 无功补偿装置，下面分别对这两种补偿装置的工作原理和控制方法进行分析，然后介绍 本文采用的t c r + t s c 混合型无功补偿装置的控制原理。 2 2 1晶闸管控制电抗器( t c r ) 一、t c r 的基本工作原理 晶闸管控制电抗器的基本原理如图2 - 2 ( a ) 所示，图2 - 2 ( b ) 表示t c r 的电流波形。由 于单独的t c r 只能提供感性的无功，因此在实际应用中往往与并联电容器f c 配合使用， 使其总的补偿容量为t c r 与f c 无功抵消后的净无功功率，从而可以将补偿装置的总体 无功电流偏置到容性的范围之内1 1 3 】。 在工程应用中常常将每相的电抗器分成两部分，分别接在晶闸管对的两端，这样可 以使晶闸管在电抗器损坏时得到额外的保护。此外，并联电容器f c 串联上小的调谐电 抗器还可以兼作滤波器，以吸收t c r 所产生的谐波电流。每组并联电容器的谐振频率 分别对应各次谐波的频率，可以滤掉负载和t c r 所产生的谐波；而对基波来说，这些 电容器组是容性的，可以吸收容性无功电流。 7 第2 章无功补偿和谐波抑制装置的总体设计 j 厂叉：厂 o ? ： 、j j c o t 口 l 1 1 ( a ) t c r 单相结构图 ( b ) 电流波形示意图 图2 - 2t c r 工作原理示意图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft c r sw o r k i n gp r i n c i p l e 通过改变触发延迟角口就可以控制t c r 提供无功的大小，触发延迟角口的有效移 相范围为9 0 。1 8 0 。1 1 4 】。口- - 9 0 。时，晶闸管完全导通，此时导通角c r = 1 8 0 。，而与 晶闸管串联的电抗则相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。 当触发延迟角在9 0 。1 8 0 。之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角仃 1 8 0 。增大 触发延迟角减少了电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效感抗，或者说是减小其 等效电纳，因而减少了无功功率。这样就可以对无功功率进行连续地调节。 二、t c r 的控制基础 t c r 的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小产生相应的晶闸管 触发延迟角，以调节补偿的无功功率。因此，t c r 的控制系统应该包括以下三部分电路： ( 1 ) 检测电路：检测控制所需要的各项有关变量； ( 2 ) 控制电路：为获得所需要的稳态和动态特性对检测信号进行处理； ( 3 ) 触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生相应触发角的晶闸管触发脉冲。 如果采用锯齿波作为触发电路的同步信号，或采用数字控制电路，则触发电路的控 制信号与触发延迟角口以及晶闸管导通角万都是线性关系，但是触发延迟角( 或晶闸管导 通角) 与补偿器实际的等效电纳之间并不是线性关系。t c r 电流的基波分量与晶闸管导 通角之间的关系为： ，：8 - s i n 8 u 硝l 式( 2 1 ) 中，u 为系统电压，x 。为晶闸管串联电抗的电抗值。 因此，t c r 的等效电纳即为 8 ( 2 - 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 吼；8 - j s i n 8 ：吼咄8 - s i n 8 劢f ， “一 万 ( 2 2 ) 其中b l 一= 古，表示等效电纳的最大值。 n l 为了克服这种非线性关系的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节之 间插入一个线性化环节，以补偿导通角与实际等效电纳之间的非线性，可以根据式( 2 2 ) 计算出触发角和等效电钠的值并保存到存储器中，从而在实际应用中可以采用查表的方 法来实现。如图2 - 3 所示，插入线性化环节后就实现了等效电纳参考值曰r e f 与实际值眈 之间的线性关系。 控制ib r e fi 线性化11 触发脉冲l 万l 。 j s i n 万 电路r 1 环节r - 1 形成环节r 叫占l 眦i 一 图2 - 3t c r 触发电路中的线性化环节 f i 9 2 - 3 l i n e a r i z a t i o ni nt c r st r i g g e rc i r c u i t 2 2 2 晶闸管投切电容器( t s c ) - 晶闸管投切电容器装置与t c r 相比，虽然不能连续调节无功功率，但它在运行时 不产生谐波，而且损耗较小，在电力系统中也获得了广泛的应用【1 5 】。 一、t s c 的基本工作原理 t s c 的基本工作原理如图2 - 4 ( a ) 所示。其中两个反并联晶闸管可以将电容器并入或 从电网中断开，而串联的电抗器可以抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。在工 程实际中，一般将电容器分成几组，如图2 - 4 ( b ) 所示，每组都可以由晶闸管投切，可根 据电网的无功需求投切这些电容器，这时t s c 实际上就是分级可调的提供容性无功功 率的动态无功补偿装置。 二、电容器无冲击投入的问题 在电容器切除后重新投入时，若晶闸管导通( 电容器接入电网) 时的电网电压与电容 器残压相差较大，而电容器上的电压不能突变，就会产生很大的电流冲击( 合闸涌流) ， 这一冲击很可能损坏晶闸管，或给电网带来高频冲击。为了使电容器投入时不引起涌流 冲击，必须选准晶闸管触发的理想时刻，即保证晶闸管导通时电网电压与电容器残压大 小相等、极性一致，这就要预先测知电容器残压，为解决这一问题，可考虑采用以下几 种方案i l 昏1 7 】： 9 第2 章无功补偿和谐波抑制装置的总体设计 ( a ) 单相结构图( b ) 分组投切的t s c 单相结构图 图2 4t s c 的工作原理示意图 f i 9 2 。4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t s c sw o r k i n gp r i n c i p l e ( 1 ) 加放电电阻。每次切除电容器后，通过专门的放电电阻对电容器放电，使电容器 残压接近为零，晶闸管在电网电压过零时投入。该方案限制了电容器切除后再投入的时 间间隔，并且切除电容器后自动接入放电电阻的电路也较复杂。 ( 2 ) 电容器预充电。投入电容器之前对其预充电，达到电网电压的峰值，在电网电压 峰值时触发晶闸管。这种方法将使主电路变得很复杂，并且延长了电容器的投入时间。 ( 3 ) 检测晶闸管两端电压的零电压触发方式。由于电容器残压的不确定性，晶闸管上 的电压是一个不能根据电网电压计算的值，但可通过检测晶闸管两端( 阳极和阴极) 的电 压来确定电网电压与电容器残压是否相等。当检测到晶闸管两端电压电压差为零( 即电 网电压与电容器残压相等) 时，触发晶闸管。其电路原理框图如图2 5 所示。 图2 - 5t s c 触发电路原理框图 f i 9 2 5b l o c kd i a g r a mo ft s c st r i g g e rc i r c u i t 本装置采取检测晶闸管两端电压过零点的方式，由于晶闸管两端电压是系统电压和 电容器电压的差值，当这个电压差为零时投入电容器不会对电力系统造成冲击而且不 受系统电压的限制，可以尽快将电容器组投入，提高了装置的响应速度。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 3t c r + t s c 混合型无功补偿装置 t c r + f c 型和t s c 型补偿装置都能有效地补偿系统中的无功，但都存在各自的缺 点。t s c 装置不产生谐波，但只能以阶梯变化的方式提供容性无功，无法满足系统对无 功连续调节的需要；而t c r + f c 型装置工作中产生的感性无功电流需要固定电容中的容 性电流来平衡，在t c r 支路和f c 支路都有很大的电流流过，只是两者互相抵消，如果 装置长期运行在这种状态，对电器设备会有很大的危害。而混合型无功补偿装置 ( t c r + t s c ) 可以克服上述两者的缺点，它比t c r + f c 型s v c 具有更好的灵活性，并有 利于减少损耗【1 8 珈】，因此本装置采取t c r + t s c 的结构，其单相结构如图2 - 6 所示。 图2 - 6 混合型s v c ( t c i h t s c ) 的单相结构图 f i 9 2 - 6s i n g l e ，p h a s ed i a g r a mo fh y b r i ds v c ( t c r + t s c ) t c r + t s c 型s v c 由n 条t s c 支路和m 条t c r 支路构成，图中n = 3 ，m = l ，通常 t c r 支路的容量稍大于t s c 支路的容量。在额定电压下，t c r + t s c 型s v c 在所有t s c 支路投入而t c r 支路输出无功为0 时，输出最大的容性无功功率q c 一；在所有的t s c 支路切除后，t c r 支路投a ( a - - 9 0 。) 时，输出最大的感性无功功率q 嘣；当要求装置 输出容性无功q ，则投入k 条t s c 支路，使得瓮 q 懈 u e ，其中u e 为投切电容造 成的电压变化值。当负荷变化时，u c 也会随之变化，但不会变化很大，u e 应取为投切 电容器造成的最大电压变化值。电压控制方式控制原理简单，造价低，易维护。但是它 与功率因数的关系不甚密切，未考虑保持无功基本平衡的原则，当电网电压波动较快时 动作比较频繁，影响电容器的使用寿命，并且补偿效果较差。 3 、按无功功率控制 无功功率控制方式以无功功率作为控制物理量控制电容器的投切，是近年才出现的 一种控制方式。它是根据所测得的电压、电流、功率因数等参数，计算出应该补偿的无 功容量，在电容器组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切 一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量( 下限值) ，则应保持补偿状态不变。 只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。 对无功补偿来讲，这是一种最直接的控制方案，它可以真正实现缺多少补多少、超 多少切多少的目的。该控制方式能将无功功率控制在最小范围内，达到本地区的无功负 荷尽量就地平衡的原则。但是，如果补偿目标的上、下限范围设置得不合适，也将会产 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 生“投切振荡 现象。如图2 1 4 ( a ) 所示，电网实际无功缺额aq 在切区s 。点，切去一组 电容器，电网实际无功缺额落在投区s ：点，立即投入一组电容器，电网实际无功缺额又 落在了切区s 点，随即又切去一组电容器，这样无限循环，形成“投切振荡。 a q a q ( a )( b ) 图2 1 4 无功功率控制方式示意图 f i 9 2 - 1 4d i a g r a mo f a c t i v ep o w e rc o n t r o lm o d e 只要把补偿目标的上、下限范围设置为大于基本电容器组的容量，即可避免“投切 振荡 现象的发生。如图2 - 1 4 ( b ) 所示，电网实际无功缺额从切区墨点切去一组电容器 后，落在了稳定区点，不再振荡。 此外，功率因数控制方式只对电网中的功率因数角缈进行检测，而无功功率控制方 则需通过检测电网中的电压u 和电流i 计算所要补偿的无功功率，所以无功功率控制方 式不仅可以消除投切振荡，而且对无功功率的采样也更加准确。综合以上分析，本文选 用无功功率作为补偿装置的控制量。 2 5 无功和谐波检测算法的选择 采用有效的检测算法对无功和谐波进行实时、准确地计算，是设计无功补偿和谐波 抑制装置的基础。下面对几种常用的无功和谐波检测方法进行比较，并对基于频域分析 的快速傅立叶变换计算无功和谐波的公式进行推导。 2 5 1 几种检测算法的比较 目前电力系统中常用的谐波测量方法有基于模拟带通滤波器的谐波